Situation actuelle : l'industrie pharmaceutique se concentre principalement sur les produits pharmaceutiques de synthèse chimique, les produits pharmaceutiques biologiques et les produits pharmaceutiques issus de la médecine traditionnelle chinoise, et la production se caractérise par une variété de produits, des procédés complexes et des échelles de production différentes.
Les eaux usées issues des procédés pharmaceutiques présentent les caractéristiques suivantes : forte concentration de polluants, composition complexe, faible biodégradabilité et forte toxicité biologique.
Les eaux usées issues de la synthèse chimique et de la fermentation dans la production pharmaceutique constituent une difficulté et un point clé dans la lutte contre la pollution au sein de l'industrie pharmaceutique.
Les eaux usées de synthèse chimique constituent un polluant majeur rejeté lors de la production pharmaceutique [2].
Les eaux usées pharmaceutiques peuvent être divisées en quatre catégories [3], à savoir les liquides usés et les liquides mères dans le processus de production ;
Le liquide résiduel récupéré comprend le solvant, le liquide préalable, le sous-produit, etc.
Drainage des procédés auxiliaires tels que l'eau de refroidissement, etc.
Eaux usées issues du rinçage des équipements et des sols ;
Eaux usées domestiques.
Technologie de traitement des eaux usées intermédiaires pharmaceutiques
Compte tenu des caractéristiques des eaux usées intermédiaires pharmaceutiques telles que la DCO élevée, l'azote élevé, le phosphore élevé, la teneur élevée en sel, la chrominance profonde, la composition complexe et la faible biodégradabilité, les méthodes de traitement couramment utilisées comprennent le traitement physicochimique et le processus de traitement biochimique [6].
En fonction des différents types de qualité des eaux usées, une série de méthodes telles que la combinaison de processus physico-chimiques et de processus biologiques seront également appliquées [7].
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1. Technologie de traitement physique et chimique
À l'heure actuelle, les principales méthodes de traitement physique et chimique des eaux usées de la production pharmaceutique comprennent : la méthode de flottation au gaz, la méthode de coagulation-sédimentation, la méthode d'adsorption, la méthode d'osmose inverse, la méthode d'incinération et le procédé d'oxydation avancée [8].
En outre, les méthodes d'électrolyse et de précipitation chimique, telles que la micro-électrolyse FE-C et les méthodes de précipitation MAP pour l'élimination de l'azote et du phosphore, sont également couramment utilisées dans le traitement des eaux usées intermédiaires pharmaceutiques.
1.1 Méthode de coagulation et de sédimentation
Le processus de coagulation est un processus dans lequel les particules en suspension et les particules colloïdales dans l'eau sont transformées en un état instable par l'ajout d'agents chimiques, puis agrégées en flocs ou en flocons faciles à séparer.
Actuellement, cette technologie est généralement utilisée dans le prétraitement, le traitement intermédiaire et le traitement avancé des eaux usées pharmaceutiques [10].
La technologie de coagulation et de sédimentation présente les avantages d'une technologie éprouvée, d'un équipement simple, d'un fonctionnement stable et d'une maintenance aisée.
Cependant, l'application de cette technologie générera une grande quantité de boues chimiques, ce qui entraînera un faible pH de l'effluent et une teneur en sel relativement élevée des eaux usées.
De plus, les technologies de coagulation et de sédimentation ne permettent pas d'éliminer efficacement les polluants dissous dans les eaux usées, ni d'éliminer complètement les traces de polluants toxiques et nocifs présents dans les eaux usées.
1.2 Méthode de précipitation chimique
La méthode de précipitation chimique est une méthode chimique permettant d'éliminer les polluants des eaux usées par réaction chimique entre des agents chimiques solubles et les polluants présents dans les eaux usées pour former des sels insolubles, des hydroxydes ou des composés complexes.
Les eaux usées intermédiaires pharmaceutiques contiennent souvent une forte concentration d'azote ammoniacal, d'ions phosphate et sulfate, etc. Pour ce type d'eaux usées, la méthode de précipitation chimique est souvent utilisée comme prétraitement physico-chimique afin de garantir le bon fonctionnement du processus de traitement biochimique ultérieur.
En tant que technique traditionnelle de traitement de l'eau, la précipitation chimique est souvent utilisée pour adoucir les eaux usées.
En raison de l'utilisation de matières premières chimiques de haute pureté dans le processus de production des eaux usées intermédiaires pharmaceutiques, ces eaux usées contiennent souvent une forte concentration d'azote ammoniacal et de phosphore, ainsi que d'autres polluants. L'utilisation de la méthode de précipitation chimique du phosphate d'ammonium et de magnésium permet d'éliminer efficacement ces deux polluants simultanément, et le sel de phosphate d'ammonium et de magnésium précipité peut être recyclé.
La méthode de précipitation chimique du phosphate d'ammonium et de magnésium est également connue sous le nom de méthode de la struvite.
Dans la production d'intermédiaires pharmaceutiques, l'utilisation importante d'acide sulfurique dans certains ateliers peut entraîner un pH faible des eaux usées. Afin d'améliorer ce pH et d'éliminer simultanément une partie des ions sulfate, on recourt fréquemment à l'ajout de CaO, une méthode appelée désulfuration par précipitation chimique à la chaux vive.
1.3 adsorption
Le principe d'élimination des polluants dans les eaux usées par adsorption repose sur l'utilisation de matériaux solides poreux pour adsorber certains ou divers polluants présents dans les eaux usées, permettant ainsi leur élimination ou leur recyclage.
Les adsorbants couramment utilisés comprennent notamment les cendres volantes, les scories, le charbon actif et les résines d'adsorption, parmi lesquels le charbon actif est le plus fréquemment utilisé.
1.4 flottaison à air
La méthode de flottation à l'air est un procédé de traitement des eaux usées qui utilise de minuscules bulles très dispersées comme vecteurs pour fixer les polluants présents dans les eaux usées. La densité de ces bulles, au contact des polluants, étant inférieure à celle de l'eau, elles remontent à la surface, permettant ainsi une séparation solide-liquide ou liquide-liquide.
Les formes de flottation à l'air comprennent la flottation à l'air dissous, la flottation à l'air aéré, la flottation à l'air par électrolyse et la flottation à l'air chimique, etc. [18], parmi lesquelles la flottation à l'air chimique est adaptée au traitement des eaux usées à forte teneur en matières en suspension.
La méthode de flottation à l'air présente l'avantage d'un faible investissement, d'un procédé simple, d'un entretien facile et d'une faible consommation d'énergie, mais elle ne permet pas d'éliminer efficacement les polluants dissous dans les eaux usées.
1,5 électrolyse
Le procédé électrolytique utilise un courant imposé pour produire une série de réactions chimiques, transformant et éliminant les polluants nocifs présents dans les eaux usées. Le principe de réaction du procédé électrolytique se déroule dans une solution électrolytique grâce à la réaction entre le matériau et l'électrode, générant de l'oxygène et de l'hydrogène [H] écologiques et éliminant les polluants des eaux usées par une réaction REDOX.
L'électrolyse est une méthode de traitement des eaux usées très efficace et simple à mettre en œuvre. Elle permet en outre d'éliminer efficacement les substances colorées présentes dans les eaux usées et d'améliorer sensiblement leur biodégradabilité.
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2. Technologie d'oxydation avancée
La technologie d'oxydation avancée, en tant que nouvelle technologie de traitement de l'eau, présente de nombreux avantages, tels qu'une grande efficacité de dégradation des polluants, une dégradation et une oxydation plus complètes des polluants et l'absence de pollution secondaire.
La technologie d'oxydation avancée, également connue sous le nom de technologie d'oxydation profonde, est une technologie de traitement physique et chimique qui utilise un oxydant, la lumière, l'électricité, le son, le magnétisme et un catalyseur pour générer des radicaux libres hautement actifs (tels que ·OH) afin de dégrader les polluants organiques réfractaires.
Dans le domaine du traitement des eaux usées pharmaceutiques, les technologies d'oxydation avancées font l'objet de nombreuses recherches et d'une attention particulière.
Les technologies d'oxydation avancées comprennent principalement l'oxydation électrochimique, l'oxydation chimique, l'oxydation ultrasonique, l'oxydation catalytique humide, l'oxydation photocatalytique, l'oxydation catalytique composite, l'oxydation en eau supercritique et les technologies combinées d'oxydation avancée.
La méthode d'oxydation chimique consiste à utiliser des agents chimiques, seuls ou dans certaines conditions avec une forte oxydation, pour oxyder les polluants organiques présents dans les eaux usées afin d'éliminer ces polluants. Les méthodes d'oxydation chimique comprennent l'oxydation à l'ozone, la méthode d'oxydation de Fenton et la méthode d'oxydation catalytique humide.
2.1 Procédé d'oxydation de Fenton
La méthode d'oxydation de Fenton est une méthode d'oxydation avancée largement utilisée. Elle utilise un sel ferrique (Fe2+ ou Fe3+) comme catalyseur pour produire des radicaux ·OH, induisant une forte oxydation en présence de H2O2. Ces radicaux peuvent oxyder les polluants organiques de manière non sélective, permettant ainsi leur dégradation et leur minéralisation.
Cette méthode présente de nombreux avantages, notamment une vitesse de réaction rapide, l'absence de pollution secondaire et une forte oxydation. La méthode d'oxydation de Fenton est couramment utilisée dans le traitement des eaux usées pharmaceutiques en raison de la réaction d'oxydation non sélective lors du processus d'oxydation chimique, et cette méthode permet de réduire la toxicité des eaux usées et d'autres caractéristiques.
2.2 Méthode d'oxydation électrochimique
La méthode d'oxydation électrochimique consiste à utiliser des matériaux d'électrode pour produire des radicaux libres superoxyde ·O2 et hydroxyle ·OH, qui ont tous deux une activité d'oxydation élevée, peuvent oxyder la matière organique dans les eaux usées et ainsi atteindre l'objectif d'élimination des polluants.
Cependant, cette méthode présente l'inconvénient d'une forte consommation d'énergie et d'un coût élevé.
2.3 Oxydation photocatalytique
L'oxydation photocatalytique est une technologie de traitement relativement efficace dans le domaine du traitement de l'eau, qui utilise des matériaux catalytiques (tels que TiO2, SrO2, WO3, SnO2, etc.) comme supports catalytiques pour effectuer l'oxydation catalytique de la plupart des polluants réducteurs dans les eaux usées, afin d'atteindre l'objectif d'élimination des polluants.
La plupart des composés contenus dans les eaux usées pharmaceutiques étant des substances polaires comportant des groupes acides ou des substances polaires comportant des groupes alcalins, ces substances peuvent être dégradées directement ou indirectement par la lumière.
2.4 Oxydation à l'eau supercritique
L'oxydation en eau supercritique (SCWO) est une technologie de traitement de l'eau qui utilise l'eau comme milieu et exploite les caractéristiques particulières de l'eau à l'état supercritique pour améliorer la vitesse de réaction et réaliser l'oxydation complète de la matière organique.
2.5 Technologie combinée d'oxydation avancée
Chaque technologie d'oxydation avancée présente ses propres limitations. Afin d'améliorer l'efficacité du traitement des eaux usées, plusieurs technologies d'oxydation avancées sont regroupées pour former une combinaison de ces technologies, ou bien une seule technologie d'oxydation avancée est combinée à d'autres technologies pour créer une nouvelle technologie visant à améliorer la capacité d'oxydation et l'effet du traitement, et à répondre aux variations de la qualité de l'eau dans le traitement des eaux usées pharmaceutiques de grande envergure.
UV-Fenton, UV-H2O2, UV-O3, photocatalyse ultrasonique, photocatalyse sur charbon actif, photocatalyse par micro-ondes et photocatalyse, etc. À l'heure actuelle, les technologies de combinaison d'ozone les plus étudiées sont [36] :
Le procédé au charbon actif à l'ozone, O3-H2O2 et UV-O3, grâce à son efficacité dans le traitement des eaux usées réfractaires et à ses applications techniques, présente un potentiel de développement plus important.
Le procédé Fenton combiné courant comprend la méthode Fenton par micro-électrolyse, la méthode H2O2 à base de limaille de fer, la méthode Fenton photochimique (telle que la méthode Fenton solaire, la méthode UV-Fenton, etc.), mais la méthode Fenton électrique est largement utilisée.
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3. Technologie de traitement biochimique
La technologie de traitement biochimique est la principale technologie de traitement des eaux usées. Elle consiste, par la croissance, le métabolisme, la reproduction et d'autres processus microbiens, à décomposer la matière organique présente dans les eaux usées, à obtenir l'énergie nécessaire et à atteindre l'objectif d'élimination de la matière organique.
3.1 Technologie de traitement biologique anaérobie
La technologie de traitement biologique anaérobie consiste, en l'absence d'oxygène moléculaire, à utiliser le métabolisme des bactéries anaérobies, par le biais de processus d'acidification hydrolytique, de production d'hydrogène, d'acide acétique et de méthane, entre autres, pour convertir les macromolécules, difficilement dégradables, de la matière organique en CH4, CO2, H2O et matière organique de petite taille moléculaire.
Les eaux usées pharmaceutiques synthétiques contiennent souvent un grand nombre de substances organiques réfractaires cycliques, qui ne peuvent pas être directement dégradées et utilisées par les bactéries aérobies, de sorte que la technologie actuelle de traitement anaérobie est devenue le principal moyen dans le domaine du traitement des eaux usées pharmaceutiques au pays et à l'étranger [43].
La technologie de traitement biologique anaérobie présente de nombreux avantages : le processus de fonctionnement du réacteur anaérobie ne nécessite pas d’aération et la consommation d’énergie est faible ;
La charge organique des eaux d'entrée anaérobies est généralement élevée.
Faibles besoins en nutriments ;
Le rendement en boues du réacteur anaérobie est faible et les boues se déshydratent facilement.
Le méthane produit lors du processus anaérobie peut être recyclé en énergie.
Cependant, l'effluent anaérobie ne peut être rejeté tel quel et nécessite un traitement complémentaire par d'autres procédés. Or, la technologie de traitement biologique anaérobie est sensible au pH, à la température et à d'autres facteurs. Des variations importantes de ces paramètres affectent directement la réaction anaérobie et, par conséquent, la qualité de l'effluent.
3.2 Technologie de traitement biologique aérobie
Le traitement biologique aérobie est une technologie de traitement biologique qui utilise la décomposition oxydative et la synthèse par assimilation de bactéries aérobies pour éliminer la matière organique dégradée. La croissance et le métabolisme de ces organismes entraînent une reproduction massive, générant ainsi de nouvelles boues activées. L'excédent de boues activées est rejeté sous forme de boues résiduelles, permettant simultanément la purification des eaux usées.

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