实现自给自足的智能与可持续方法：在制药行业中模拟高效节能的废水处理和节水技术

《Science of The Total Environment》：Smart and sustainable approaches for self-sufficiency: Modeling energy-efficient effluent treatment and water conservation in the pharmaceutical industry

制药废水处理中采用数字孪生技术优化活性污泥工艺，提升浊度98.8%、BOD93%去除率，但氮和COD去除不足。建议结合非热等离子体氧化、微藻技术及雨水收集（年23,292.5KL）实现零液体排放，并通过工艺升级节能20%。

　　这项研究聚焦于印度南部一家制药企业——卡纳塔克邦抗生素和制药有限公司（KAPL）的废水处理系统优化与可持续水管理策略。该企业作为世界卫生组织（WHO）GMP认证的制药机构，其日常运营中大量使用高质量水源，用于药品配方、清洁和生产过程。由于制药废水的复杂性和高污染性，传统的废水处理技术往往难以满足严格的环保要求，特别是针对抗生素残留、高浓度有机物和氮化合物的去除。因此，本研究采用数字孪生建模工具BioWin，对现有废水处理工艺进行诊断和优化，旨在提升处理效率、降低能耗，并推动水资源的可持续利用。

在当前的水管理实践中，KAPL运营着一座日处理能力为150千升（KLD）的中央废水处理厂（ETP），主要采用“活性污泥工艺”（ASP）处理混合的工业废水和生活污水。根据监测数据显示，该处理系统在去除悬浮物（TSS）和生化需氧量（BOD）方面表现出色，分别实现了98.8%和93%的去除率。然而，在总氮（TN）和化学需氧量（COD）的去除方面，效果相对有限，仅为62%和48%。这一结果表明，现有的处理流程在应对某些复杂污染物时存在瓶颈，亟需通过优化手段提升其处理能力。

为解决这一问题，研究团队利用BioWin数字孪生建模平台对处理流程进行了系统分析，并提出了针对性的优化措施。其中，通过缩短曝气时间，实现了约20%的能耗节约，同时有效提升了氨氮和COD的去除效率。此外，通过引入交替的好氧-缺氧处理条件，进一步改善了处理效果，使处理后的水质达到国家绿色法庭（NGT）的排放标准。这些优化措施不仅提高了处理效率，还降低了运行成本，为制药企业实现更加环保和经济的废水处理提供了可行方案。

除了优化处理流程，研究还特别关注了制药废水中难以降解的抗生素残留和微生物污染问题。例如，监测数据显示，处理后的废水中的大肠杆菌（E. coli）浓度高达9.5×103 CFU/100 mL，远高于印度中央污染控制委员会（CPCB）规定的外部人体接触的限值（<500 MPN/100 mL）。这表明，现有的处理系统在微生物控制方面仍存在不足，必须引入额外的消毒步骤。为此，研究建议采用非热等离子体高级氧化技术，该技术能够在不依赖高温的情况下有效破坏抗生素分子结构，并杀灭水中的有害微生物。这种处理方式不仅能够提高抗生素的去除率，还能确保废水在排放前达到更高的微生物安全标准。

在处理工艺优化的同时，研究团队还针对制药企业对新鲜水资源的高依赖性提出了水循环利用的解决方案。通过开展全厂范围的水审计，研究人员发现该企业存在较大的淡水消耗问题。为此，研究建议实施雨水收集系统，预计每年可收集约23,292.5千升（KL）的雨水，用于非关键性工艺用水，从而减少对自来水的依赖。此外，企业内部的废水再利用措施也被纳入考虑范围，例如将处理后的水用于冷却系统、清洁或绿化灌溉等用途。这些措施不仅有助于降低企业的水足迹，还能提升其整体的水资源利用效率，进一步推动零液排放（ZLD）目标的实现。

值得注意的是，研究还探讨了制药废水中可能存在的其他污染物。通过对废水样本的非靶向筛查分析，研究人员发现了多种生物活性化合物的存在，其中包括恩诺沙星（Enrofloxacin）等抗生素成分。这些化合物的残留不仅对环境造成潜在威胁，还可能通过水体进入食物链，对生态系统和人类健康产生深远影响。因此，除了优化现有的处理流程外，还需要进一步探索能够有效降解这些难处理化合物的先进技术，如高级氧化工艺（AOPs）或生物降解技术等。

在能源利用方面，研究指出当前制药企业处理过程中产生的污泥（每月约5千克）通常被干燥后焚烧，以减少其有机含量。然而，这一过程本身也存在较高的能源消耗。通过分析印度当前的污水处理现状，研究人员发现焚烧处理的能源回收潜力约为每年15.3×10?至8.6×10?兆瓦时（MWh）。这表明，通过合理利用污泥焚烧产生的热能，可以为ETP提供额外的能源支持，从而降低整体能耗并实现能源自给。这种策略不仅有助于提升处理系统的能源效率，还能减少碳排放，推动企业向绿色低碳方向发展。

此外，研究还强调了制药行业在水资源管理方面面临的挑战和机遇。随着全球水资源短缺问题的加剧，以及各国对环境保护要求的不断提高，制药企业必须采取更加可持续的水资源管理策略。这不仅包括优化废水处理流程，还涉及从源头减少用水量、提高水循环利用率以及采用先进的水处理技术。通过综合运用数字孪生建模、工艺优化和水循环利用等手段，制药企业可以实现更加高效和环保的水管理，同时满足日益严格的环保法规要求。

在研究方法上，团队采用了系统化的分析框架，包括废水的全面表征、现有处理系统的建模与评估、处理工艺的优化以及可持续水管理措施的集成。这种多维度的分析方法不仅能够精准识别处理流程中的瓶颈，还能为后续的改进措施提供科学依据。通过结合数字孪生技术，研究人员能够在虚拟环境中模拟不同的处理方案，评估其效果，并选择最优的改进路径。这种方法不仅提高了研究的效率，还能减少实际试验中的资源浪费和环境影响。

研究结果表明，通过工艺优化和先进水处理技术的引入，制药废水处理系统可以显著提升其处理能力和环保水平。特别是在应对抗生素残留和微生物污染方面，非热等离子体高级氧化技术和微藻处理系统显示出良好的应用前景。这些技术不仅能够有效降解难处理污染物，还能在处理过程中回收营养物质，实现资源的循环利用。同时，通过雨水收集和内部水循环利用，制药企业可以大幅降低对新鲜水源的依赖，推动其向水资源自给自足的目标迈进。

综上所述，本研究为制药行业的废水处理和水资源管理提供了新的思路和解决方案。通过结合数字孪生建模、工艺优化和可持续水管理措施，制药企业可以实现更加高效、节能和环保的废水处理系统。这不仅有助于降低企业的运营成本，还能减少对环境的影响，提升其社会和环境责任形象。此外，研究还强调了进一步开展相关技术验证和推广的重要性，特别是在确保其长期稳定性和经济可行性方面。随着技术的不断进步和政策的持续完善，制药行业有望在未来的水资源管理中发挥更加积极的作用，为全球可持续发展贡献力量。