华北制药成功研发青霉素菌渣无害化、资源化成套技术
如何处理抗生素菌渣是困扰制药企业发展的突出问题。华北制药集团联合河北科技大学、河北环境科学研究院历时3年研发，不仅成功地将菌渣药物残留彻底消除，还能资源化利用生产沼气和肥料。
目前，“青霉素菌渣无害化、资源化成套技术集成”项目通过河北省科技成果鉴定中心鉴定，在国内率先取得突破。
“河北是抗生素生产大省，产量占全国产量的1/4，大量抗生素菌渣实现无害化处理意义重大。”华药集团环境保护研究所副所长王勇军介绍说，这项技术为制药企业废弃物无害化处置和菌渣资源化处理开辟了新路径。
菌渣为何被列为危险废物?
菌渣难处理，关键在于含有残留药物;如焚烧和填埋，成本高昂，还存在二次污染问题
高高的3座圆柱型发酵装置紧密连接，工程技术人员正在紧锣密鼓地对电器、仪表等进行检查、测试。在河北省石家庄经济技术开发区内，投资上亿元的华北制药集团抗生素菌渣无害化处理工程正在为正式运行做最后准备。
“抗生素菌渣之所以难处理，关键在于它含有残留药物。”王勇军介绍说，根据检测，菌渣中抗生素药物残留的平均含量要达到近1/1000。
2008年，菌渣被国家列为危险废物。“这是因为如果不能进行安全处理，这些残留药物成分会通过环境进行转移和累积，对环境安全构成较大风险。”王勇军说，此外，还有可能通过食物链进入动物和人体内，使其产生耐药性。由于菌渣中存在药物残留，国家规定只能进行焚烧和填埋处理。
“但是这两种方式不但成本高昂，同时焚烧和填埋过程中的二次污染防治也很困难。”王勇军介绍说，由于菌渣含有大量有机物，其中包括氮、硫、氯等元素，焚烧时会产生一级致癌物二恶英、氮氧化物等多种有害物质，如果尾气处理不到位会产生很大危害。而采用填埋方式，菌渣中的有机物也会发酵，产生二次污染，而且浪费大量土地资源。
为何要对菌渣高温处理?
利用抗生素化学结构，对菌渣进行无害化处理
“新的无害化过程首先采用高温预处理技术。”王勇军说，这是利用了抗生素化学结构在高温水解作用下会被降解的原理。“科研人员通过反复实验发现，菌渣和热水混合后，菌渣中的大部分抗生素药物成分会溶解于水。在一定高温条件下，这些溶解于水的抗生素化学结构，会被破坏并分解成结构更小的物质。这些物质不再具备抗生素特有的杀菌作用，也不会再对环境和人体产生危害。”
“高温处理的作用不仅在此，还会双管齐下，对菌渣中产生药物成分的工业发酵菌类进行灭活。”王勇军表示，经过高温水解这一步骤，菌渣中的大部分抗生素药物残留会被分解，但仍有少量未分解残余。
如何啃掉这最后的“硬骨头”，将菌渣药物残留彻底消化、降解?王勇军介绍说，主要通过厌氧发酵，利用生物代谢的方法。“根据菌渣特性人工驯化的上千种微生物将发挥巨大作用。”
据介绍，在35℃～38℃的中温环境和无氧条件下，这些微生物在长达20余天的厌氧发酵之后，把菌渣中抗生素残留及其分解产物中的有机碳转化为二氧化碳和甲烷，从而彻底消除菌渣中的药物成分。
“通过多次检测，菌渣处理后的沼渣中药物残留已微乎其微，不会给环境安全带来危害。”王勇军说，相关部门检测发现，药物残留含量比食品标准中要求的 0.05mg/kg还要低得多。对沼渣进行急性毒性、浸出毒性等检测结果，也均远低于国家《危险废物鉴别标准》中规定的标准值。
菌渣资源化是否可行?
关键在于控制有机负荷和降低高氮含量的影响
一方面，抗生素菌渣富含营养，含有大量的多糖、蛋白质和多种氨基酸及微量元素，是农业生产中的优质肥料;另一方面，却因为含有残留药物对安全和环境产生较大风险。
据统计，我国2011年生产抗生素近130万吨，由生产工艺决定，发酵生产1吨抗生素原药会产生8～10吨湿菌渣。在消除菌渣污染危害的同时，如何将菌渣变为资源，一直是研究人员思考的问题。
“厌氧发酵的过程产生沼气和沼渣，沼渣脱水可作为有机肥原料。”王勇军说，由此找到了菌渣资源化利用的核心环节。
厌氧发酵是一项比较成熟的技术，农村沼气池、城市污泥和餐厨垃圾消化都是此技术的应用。据介绍，菌渣的有机物含量高，是沼气发酵的理想原料。其中含有大量含碳有机物，在厌氧发酵过程中被转化成甲烷，而甲烷就是沼气的主要成分。
“但是针对菌渣的厌氧发酵却有其特殊的困难。”王勇军说，这是因为其有机物含量和氮元素含量过高，其中干菌渣中有机物含量高达90%，会显著影响微生物厌氧消化的速率。而氮元素含量甚至比餐厨垃圾中的含量还要高，在发酵过程中会转化成带有一定毒性的氨氮，对厌氧消化过程产生抑制。
“由此，提高厌氧发酵反应率的关键在于，如何控制有机负荷和降低高氮含量的影响。”王勇军说，在这一问题上，项目组进行了大量探索，对相关工艺控制参数进行反复比较，最终掌握了温度、固体浓度、消化时间、pH值、碱度、氨氮浓度等成套控制参数，实现了稳定的厌氧消化。“这些参数也是我们申请菌渣资源化处理国家发明ZL的核心技术。”
“经过厌氧发酵这一步骤，菌渣就变成了沼渣，沼渣经过脱水处理，就可以作为生产有机肥的原料。”王勇军介绍说，经过肥料指标检测发现，处理后的沼渣总养分(氮+五氧化二磷+氧化钾)为5.63%，各项指标基本达到农业部关于有机肥的标准要求，可用作生产有机肥的原料。
“目前菌渣转化率可达到每公斤干物质产生450升沼气，为华北制药的环保和生产项目供热。”王勇军说，有机肥原料将会卖给肥料厂家，用于生产有机肥。“这样不仅能为集团节省上亿元的处理费用，还能给企业带来一定经济效益。”
为何在菌渣中混入污泥?
降低菌渣的有机物含量和含氮量，提高厌氧发酵的效果
减量化优先，是菌渣综合治理项目研发的一项重要原则。在菌渣中混入污泥的方法，就是在减量化排废过程中的一次大胆创新。
王勇军说，利用污泥可以有效降低菌渣的有机物含量和含氮量，既提高了厌氧发酵的效果，同时也降低了污泥排放，实现了环境和效益的双赢。
“作为菌渣的综合治理项目，在废弃物无害化、资源化处理的同时，将节能减排和二次污染防治问题同样放在至关重要的位置。”王勇军介绍说，项目的运行使菌渣重量和数量都大大缩减，最终固体削减率可达到50%左右。
“这也就意味着，菌渣经过这项技术处理后，其中的生物质资源可以被充分利用。”王勇军说，如果保证正常运行的话，每年会有20万吨的菌渣经过高温水解和厌氧发酵之后，被减化为1800万立方米的沼气和10万吨的湿沼渣。再经过脱水处理，湿沼渣可产生两万吨的有机肥原料和8万吨的废水。沼渣脱水产生的废水将直接进入与工程配套的废水处理厂，处理后各项指标均满足排放标准要求，不会造成污染。
