master thesis
Nima Shadani (Author), Andreja Žgajnar Gotvajn (Mentor), Marjan Marinšek (Thesis defence commission member), Igor Plazl (Thesis defence commission member)

Abstract

Recently, many researchers have focused on the presence of pharmaceuticals in the environment, especially in waters, as a new class of pollutants. Pharmaceuticals have potentially adverse environmental effects which raise concerns. Therefore, such a pollutant needs to be removed or deactivated before disposal of wastewater into the environment. The purpose of this research was to evaluate the inhibition on biogas production due to the presence of Amoxicillin (AMOX) and the removal of antibiotic Amoxicillin by ozonation. Sample containing 200 mg.L-1 of AMOX inhibited biogas production by 20%. On the other hand, there was no inhibition when concentration of AMOX was more than 400 mg.L-1 and biogas production was even promoted when 800 mg.L-1 of AMOX was in the suspension. In the second part of thesis, we evaluated ozonation as possible treatment for model wastewater that was contaminated by different concentrations of AMOX (from 100 to 800 mg.L-1). Ozonation experiments were performed at ozone flow rates 50, 70, and 100 L.h-1 and total organic carbon (TOC) and chemical oxygen demand (COD) were used to monitor treatment efficiency. The reaction rate based on COD removal accelerated in the first phase (first 15 minutes) by increasing ozone flow rates (k1 = 0.027 to 0.041 min-1 at the flow rates of 50 and 100 L.h-1 respectively). However, there was no significant change in rate constants based on TOC removal while the ozone flow rate increased. The most efficient flow rate of ozone was 70 L.h-1, as 65% of removal efficiency based on COD and 30% of removal efficiency based on TOC were accomplished.

Keywords

antibiotics;Amoxicillin;biogas;ozonation;wastewater treatment;

Data

Language: English
Year of publishing:
Typology: 2.09 - Master's Thesis
Organization: UL FKKT - Faculty of Chemistry and Chemical Technology
Publisher: [N. Shadani]
UDC: 628.349:66.094.3-926.214(043.2)
COBISS: 134243843 Link will open in a new window
Views: 54
Downloads: 11
Average score: 0 (0 votes)
Metadata: JSON JSON-RDF JSON-LD TURTLE N-TRIPLES XML RDFA MICRODATA DC-XML DC-RDF RDF

Other data

Secondary language: Slovenian
Secondary title: Odstranjevanje antibiotika amoksicilina iz odpadne vode in odpadnega blata z ozonacijo
Secondary abstract: V zadnjem času se številni raziskovalci osredotočajo na prisotnost farmacevtskih učinkovin v okolju, predvsem v vodah, kot novi skupini onesnaževal. To onesnaženje ima potencialno škodljive vplive na okolje, ki vzbujajo zaskrbljenost. Viri onesnaženja z zdravili v površinski, pitni vodi ter v podtalnici so zelo različni, vendar so glavni vir večinoma iztoki odpadnih vod iz čistilnih naprav. Rast uporabe zdravil, ki ga pospešujejo dostopnost zdravil, staranje prebivalstva in še posebej v državah v razvoju prizadevanja za izboljšanje splošnega zdravja ljudi, vodi v vedno večja tveganja onesnaženja okolja. Ko ljudje uživamo zdravila, jih izločamo kot presnovke z urinom in blatom ali pa v nespremenjeni obliki. Dodatno k onesnaženju okolja prispeva uporaba zdravil v živinoreji, ribogojstvu, kot tudi odstranjevanje zdravil s pretečenim rokom uporabe in tudi bolnišnične dejavnosti. Zaradi majhnih koncentracij antibiotikov (AB) v okolju, postajajo bakterije odporne na antibiotike, kar postaja že akuten zdravstveni problem. Zato je potrebno te snovi pred odvajanjem in izpustom odpadne vode v okolje odstraniti ali dezaktivirati. Prvi AB, ki ga je odkril Alexander Fleming leta 1928 v Londonu, je bil penicilin. Uvrščamo ga med β-laktamske antibiotike zaradi molekulske strukture, ki temelji na -laktamskem obroču. Amoksicilin (AMOX) (beli ali skoraj beli prah z rahlim vonjem po žveplu) je eden najuspešnejših antibiotikov in je pol sintetični penicilin, ki se uporablja za zdravljenje ljudi ter v reji živali, v ribogojstvu, čebelarstvu in tudi kot spodbujevalec rasti živali. Odkrit je bil leta 1972 v Veliki Britaniji, patentiran leta 1981, njegova globalna uporaba pa se je začela leta 1998. AMOX je bistven antibiotik pri zdravljenju dolge vrste okužb pri ljudeh. Na drugi strani pa prekomerna uporaba AMOX povzroča kopičenje v okolju, ker se ta molekula v telesu le delno presnovi in približno 80–90 % izloči nespremenjena z urinom in blatom. Poleg tega je bila nedavno dokazana izmenjava genov odpornosti na AB med bakterijami v vodnem in kopenskem okolju, kar širi gene odpornosti na AB v okolju. Poleg tega ima AMOX škodljive učinke na mešane populacije anaerobnih bakterij in lahko zmanjša stopnjo rasti določenih kultur. Med anaerobno razgradnjo AMOX zavira razgradnjo organskih spojin in proizvodnjo bioplina, predvsem vpliva na zmanjšanje deleža metana. Zato je v splošnem interesu preprečiti vstop teh snovi v okolje. Napredni oksidacijski procesi (AOP) so bili najprej v rabi na področju obdelave pitne vode, saj oksidacijski proces poteka s hidroksilnimi radikali (OH•), s katerimi je mogoče razgraditi organska in anorganska onesnaževala v vodi. Hidroksilni radikali, poleg klora, delujejo tudi dezinfekcijsko sredstvo. Oksidacijski procesi na podlagi ozona so zelo učinkovita tehnika za odstranjevanje različnih novih mikroonesnaževal. Zaradi relativno visokih stroškov postopka ozoniranja je se ta tehnika uporablja predvsem kot metoda predhodne obdelave, ki ji sledi tradicionalna biološka obdelava. Prednosti ozoniranja kot procesa kemijske oksidacije so popolna mineralizacija organskih spojin v ogljikov dioksid in vodo, preoblikovanje hidrofobnih organskih snovi v bolj polarne spojine ter odstranitev biološko odpornih in strupenih spojin iz odpadne vode. Vendar pa so slabe strani ozoniranja sorazmerno visoki stroški postopka (60 % skupnih stroškov je posledica porabe kemikalij in energije), izkoristek produkcije ozona iz zraka ali kisika je le 4-8 % in omejitve učinkovitega prenosa mase plin-tekočina zaradi nizke topnosti ozona v vodi. Zato je uporaba procesov, ki temeljijo na ozonu, večinoma kot metoda predhodne obdelave za razgradnjo strupenih v manj strupene ssnovi in/ali za delno oksidacijo odpornih organskih onesnaževal v odpadni vodi. Poleg tega so spojine po ozoniranju bolj biološko razgradljive kot spojine, ki so rezultat drugih oksidacijskih procesov. Biološki proces, pri katerem mikroorganizmi v odsotnosti kisika razgrajujejo kompleksne organske spojine, imenujemo anaerobna presnova (AD). Gre za razgradnjo organske snovi v anaerobnih pogojih, kar vodi do tvorbe bioplina (ogljikovega dioksida in metana) in nove mikrobne biomase. AD se pogosto uporablja za obdelavo aktivnega blata, industrijskih in kmetijskih odpadkov. Majhna proizvodnja blata, nizka poraba energije, možnost energetske predelave, visoka stopnja stabilizacije odpadkov in učinkovito uničevanje virusnih in bakterijskih patogenov so prednosti te metode. Anaerobna razgradljivost blata in količina proizvedenega bioplina sta odvisni od številnih dejavnikov; temperature, pH, slanosti, mineralne sestave, hidravličnega zadrževalnega časa (HRT), razmerja med ogljikom in dušikom ter količino hlapnih maščobnih kislin (VFA). Na proces AD lahko pogosto negativno vplivajo ostanki AB v substratu. Namen te raziskave je bil oceniti inhibicijo proizvodnje bioplina zaradi prisotnosti amoksicilina (AMOX) ter učinkovitost odstranjevanja tega antibiotika z ozoniranjem. Poskus anaerobne razgradnje z različnimi koncentracijami AMOX je bil izveden po metodi ISO 11734 (2004) z nadzornim sistemom WTW OxiTop. Vzorci so bili pripravljeni v 250 mL steklenicah z vgrajenim manometrom. V vsako steklenico smo dodali 2 mL pufra in tolikšno količino anaerobnega blata, da smo dobili končno koncentracijo blata 4 g.L-1. Nato smo dodali različne volumne raztopine AMOX in 0,5 mL glukoze (0,833 mol.L-1), razen v kontroli (ki je vsebovala le pufer in anaerobno blato). Na koncu smo dodali demineralizirano vodo, da smo dobili končno prostornino vzorcev (100 mL). Vsak vzorec je bil izveden v treh paralelkah. Poskus smo izvajali 8 dni v konstantnih pogojih med mešanjem, v temi pri 37 ± 1 C. Med inkubacijo se je tlak v steklenicah povečeval, zaradi nastajanja ogljikovega dioksida (CO2) in metana (CH4). Prisotnost antibiotika AMOX v koncentracijah 100 in 200 mg.L-1 v anaerobnem blatu je zavirala proizvodnjo bioplina. Nasprotno pa je anaerobno blato, ki vsebuje 400 mg.L-1 AMOX, podobno kontrolnemu vzorcu, medtem ko je višja koncentracija AMOX (800 mg.L-1) celo pospešila proizvodnjo bioplina zaradi vpliva antibiotika na razgradnjo glukoze ali kot posledica njegove razgradnje. V drugem delu magistske naloge smo izvedli ozoniranje modelne odpadne vode z različnimi koncentracijami AMOX v pol-kontinuiranem mešalnem reaktorju v sistemu plin-tekočina. Poskusi so bili izvedeni z različnimi pretoki ozona (50, 70 in 100 L.h-1), zato je bilo v tekoči fazi dovedenih 60,0; 67,7 oziroma 75,0 mgozona.min-1. Volumen modelne odpadne vode v reaktorju je bil 300 mL, koncentracije AMOX pa so bile 100, 200, 400 in 800 mg.L-1. Vsi poskusi so bili izvedeni pri sobni temperaturi (21  2 C) z največjim zadrževalnim časom 120 minut. Učinkovitost procesov smo spremljali z meritvami KPK in TOC. Kemijska potreba po kisiku (KPK) predstavlja količino kisika, potrebnega oksidacijo organske snovi v vzorcu vode. Je uporaben indikator za opis stopnje onesnaženosti vode odpadne vode, zato smo jo izbrali kot enega izmed parametrov za spremljanje učinkovitosti ozonacije. Za določanje KPK smo med ozonizacijo odvzeli 10 mL vzorca (modelne odpadne vode) s 100 mg.L-1 ali 200 mg.L-1 AMOX, 5 mL v primeru 400 mg.L-1 AMOX in 2 mL v primeru 800 mg.L-1 AMOX. V primeru 400 mg.L-1 in 800 mg.L-1 smo vzorce razredčili z destilirano vodo, da smo dobili končni volumen 10 mL. Vsakemu vzorcu dodamo 5 mL K2Cr2O7 (0,04 M), erlenmajerice postavimo na hladilnik in vzorcem skozi hladilnike dodamo 15 mL H2SO4/AgSO4. Vzorce smo refluktirali 1 uro; nato so jih ohladili na sobno temperaturo. Dodali smo nekaj kapljic feroin indikatorja in titrirali s standardiziranim FAS. Skupni organski ogljik (TOC) je količina organskega ogljika v vodi in vodnih sistemih in se pogosto uporablja kot nespecifični indikator kakovosti vode. TOC smo uporabili za spremljanje mineralizacije modelnih odpadnih voda, ki so vsebovaleAMOX. Merjen je bil z analizatorjem Analytik Jena multi-N/C 3100. Na splošno so AOP sestavljeni iz dvostopenjskih reakcij, vključno s prvo stopnjo začetne oksidacije in drugo stopnjo razgradnje nastalih intermediatov. Za spremljanje učinkovitosti ozonacije sta bila uporabljena parametra skupni organski ogljik (TOC) in kemijska potreba po kisiku (KPK). V primeru AMOX se je z ozoniranjem KPK raztopine zmanjšal vse do 65 %. Na splošno se je učinkovitost odstranjevanja KPK pričakovano zmanjševala s povečanjem koncentracije AMOX v raztopini. S povečano dozo ozona oziroma povečanim pretokom plina, se je učinkovitost prav tako povečevala, npr. z 52 % na 65 % za 100 mg.L-1 AMOX , ko se je pretok ozona povečal na 50 oziroma 100 L.h-1 in pri pretoku ozona 70 L.h-1 do 64 %. Učinkovitost odstranjevanja na podlagi TOC je bila do 30 %. Na splošno se je učinkovitost odstranjevanja na podlagi meritev TOC zmanjšala s povečanjem koncentracije AMOX v raztopini, kar je primerljivo s KPK. Poleg tega se je mineralizacija AMOX zmanjšala s povečanjem pretoka ozona s 50 na 100 L.h-1. Glede na uporabnost procesa v polnem obsegu in glede na obratovalne stroške je bil najučinkovitejši pretok ozona 70 L.h-1, saj je bilo doseženih 65 % učinkovitosti odstranjevanja na podlagi KPK in 30 % učinkovitosti odstranjevanja na podlagi TOC.
Secondary keywords: antibiotiki;amoksicilin;odpadno blato;bioplin;napredni oksidacijski procesi;magistrska dela;Odpadne vode;Ozonizacija;Univerzitetna in visokošolska dela;
Type (COBISS): Master's thesis/paper
Study programme: 1000376
Embargo end date (OpenAIRE): 1970-01-01
Thesis comment: Univ. v Ljubljani, Fak. za kemijo in kemijsko tehnologijo, smer Kemijsko inženirstvo
Pages: 49 str.
ID: 16746404