華北制藥成功研發青霉素菌渣無害化、資源化成套技術
如何處理抗生素菌渣是困擾制藥企業發展的突出問題。華北制藥集團聯合河北科技大學、河北環境科學研究院歷時3年研發，不僅成功地將菌渣藥物殘留徹底消除，還能資源化利用生產沼氣和肥料。
目前，“青霉素菌渣無害化、資源化成套技術集成”項目通過河北省科技成果鑒定中心鑒定，在國內率先取得突破。
“河北是抗生素生產大省，產量占全國產量的1/4，大量抗生素菌渣實現無害化處理意義重大。”華藥集團環境保護研究所副所長王勇軍介紹說，這項技術為制藥企業廢棄物無害化處置和菌渣資源化處理開辟了新路徑。
菌渣為何被列為危險廢物？
菌渣難處理，關鍵在于含有殘留藥物；如焚燒和填埋，成本高昂，還存在二次污染問題。
高高的3座圓柱型發酵裝置緊密連接，工程技術人員正在緊鑼密鼓地對電器、儀表等進行檢查、測試。在河北省石家莊經濟技術開發區內，投資上億元的華北制藥集團抗生素菌渣無害化處理工程正在為正式運行做最后準備。
“抗生素菌渣之所以難處理，關鍵在于它含有殘留藥物。”王勇軍介紹說，根據檢測，菌渣中抗生素藥物殘留的平均含量要達到近1/1000。
2008年，菌渣被國家列為危險廢物。“這是因為如果不能進行安全處理，這些殘留藥物成分會通過環境進行轉移和累積，對環境安全構成較大風險。”王勇軍說，此外，還有可能通過食物鏈進入動物和人體內，使其產生耐藥性。由于菌渣中存在藥物殘留，國家規定只能進行焚燒和填埋處理。
“但是這兩種方式不但成本高昂，同時焚燒和填埋過程中的二次污染防治也很困難。”王勇軍介紹說，由于菌渣含有大量有機物，其中包括氮、硫、氯等元素，焚燒時會產生一級致癌物二惡英、氮氧化物等多種有害物質，如果尾氣處理不到位會產生很大危害。而采用填埋方式，菌渣中的有機物也會發酵，產生二次污染，而且浪費大量土地資源。
為何要對菌渣高溫處理？
利用抗生素化學結構，對菌渣進行無害化處理。
“新的無害化過程首先采用高溫預處理技術。”王勇軍說，這是利用了抗生素化學結構在高溫水解作用下會被降解的原理。“科研人員通過反復實驗發現，菌渣和熱水混合后，菌渣中的大部分抗生素藥物成分會溶解于水。在一定高溫條件下，這些溶解于水的抗生素化學結構，會被破壞并分解成結構更小的物質。這些物質不再具備抗生素特有的殺菌作用，也不會再對環境和人體產生危害。”
“高溫處理的作用不僅在此，還會雙管齊下，對菌渣中產生藥物成分的工業發酵菌類進行滅活。”王勇軍表示，經過高溫水解這一步驟，菌渣中的大部分抗生素藥物殘留會被分解，但仍有少量未分解殘余。
如何啃掉這最后的“硬骨頭”，將菌渣藥物殘留徹底消化、降解？王勇軍介紹說，主要通過厭氧發酵，利用生物代謝的方法。“根據菌渣特性人工馴化的上千種微生物將發揮巨大作用。”
據介紹，在35℃～38℃的中溫環境和無氧條件下，這些微生物在長達20 余天的厭氧發酵之后，把菌渣中抗生素殘留及其分解產物中的有機碳轉化為二氧化碳和甲烷，從而徹底消除菌渣中的藥物成分。
“通過多次檢測，菌渣處理后的沼渣中藥物殘留已微乎其微，不會給環境安全帶來危害。”王勇軍說，相關部門檢測發現，藥物殘留含量比食品標準中要求的0.05mg/kg 還要低得多。對沼渣進行急性毒性、浸出毒性等檢測結果，也均遠低于國家《危險廢物鑒別標準》中規定的標準值。
菌渣資源化是否可行？
關鍵在于控制有機負荷和降低高氮含量的影響。
一方面，抗生素菌渣富含營養，含有大量的多糖、蛋白質和多種氨基酸及微量元素，是農業生產中的優質肥料；另一方面，卻因為含有殘留藥物對安全和環境產生較大風險。
據統計，我國2011年生產抗生素近130萬噸，由生產工藝決定，發酵生產1噸抗生素原藥會產生8～10噸濕菌渣。在消除菌渣污染危害的同時，如何將菌渣變為資源，一直是研究人員思考的問題。
“厭氧發酵的過程產生沼氣和沼渣，沼渣脫水可作為有機肥原料。”王勇軍說，由此找到了菌渣資源化利用的核心環節。
厭氧發酵是一項比較成熟的技術，農村沼氣池、城市污泥和餐廚垃圾消化都是此技術的應用。據介紹，菌渣的有機物含量高，是沼氣發酵的理想原料。其中含有大量含碳有機物，在厭氧發酵過程中被轉化成甲烷，而甲烷就是沼氣的主要成分。
“但是針對菌渣的厭氧發酵卻有其特殊的困難。”王勇軍說，這是因為其有機物含量和氮元素含量過高，其中干菌渣中有機物含量高達90%，會顯著影響微生物厭氧消化的速率。而氮元素含量甚至比餐廚垃圾中的含量還要高，在發酵過程中會轉化成帶有一定毒性的氨氮，對厭氧消化過程產生抑制。
“由此，提高厭氧發酵反應率的關鍵在于，如何控制有機負荷和降低高氮含量的影響。”王勇軍說，在這一問題上，項目組進行了大量探索，對相關工藝控制參數進行反復比較，最終掌握了溫度、固體濃度、消化時間、pH值、堿度、氨氮濃度等成套控制參數，實現了穩定的厭氧消化。“這些參數也是我們申請菌渣資源化處理國家發明專利的核心技術。”
“經過厭氧發酵這一步驟，菌渣就變成了沼渣，沼渣經過脫水處理，就可以作為生產有機肥的原料。”王勇軍介紹說，經過肥料指標檢測發現，處理后的沼渣總養分（氮+五氧化二磷+氧化鉀）為5.63%，各項指標基本達到農業部關于有機肥的標準要求，可用作生產有機肥的原料。
“目前菌渣轉化率可達到每公斤干物質產生450升沼氣，為華北制藥的環保和生產項目供熱。”王勇軍說，有機肥原料將會賣給肥料廠家，用于生產有機肥。“這樣不僅能為集團節省上億元的處理費用，還能給企業帶來一定經濟效益。”
為何在菌渣中混入污泥？
降低菌渣的有機物含量和含氮量，提高厭氧發酵的效果。
減量化優先，是菌渣綜合治理項目研發的一項重要原則。在菌渣中混入污泥的方法，就是在減量化排廢過程中的一次大膽創新。王勇軍說，利用污泥可以有效降低菌渣的有機物含量和含氮量，既提高了厭氧發酵的效果，同時也降低了污泥排放，實現了環境和效益的雙贏。
“作為菌渣的綜合治理項目，在廢棄物無害化、資源化處理的同時，將節能減排和二次污染防治問題同樣放在至關重要的位置。”王勇軍介紹說，項目的運行使菌渣重量和數量都大大縮減，最終固體削減率可達到50%左右。
“這也就意味著，菌渣經過這項技術處理后，其中的生物質資源可以被充分利用。”王勇軍說，如果保證正常運行的話，每年會有20萬噸的菌渣經過高溫水解和厭氧發酵之后，被減化為1800萬立方米的沼氣和10萬噸的濕沼渣。再經過脫水處理，濕沼渣可產生兩萬噸的有機肥原料和8萬噸的廢水。沼渣脫水產生的廢水將直接進入與工程配套的廢水處理廠，處理后各項指標均滿足排放標準要求，不會造成污染。
