Kontekst badania
Zanieczyszczenie wód ściekowych resztkami antybiotyków stanowi istotne zagrożenie środowiskowe i zdrowotne. Wiele oczyszczalni ścieków nie jest przystosowanych do skutecznego usuwania farmaceutyków, co prowadzi do ich obecności w ekosystemach wodnych. W artykule zbadano możliwość usunięcia trzech powszechnie stosowanych antybiotyków—azytromycyny (AZT), cefaleksyny (CPX) i doksycykliny (DOX)—przy użyciu technologii ozonowania oraz ich kombinacji z nadtlenkiem wodoru (H₂O₂) i promieniowaniem UV.
Cele i hipotezy
Główne cele badań obejmowały: ocenę skuteczności różnych metod ozonowania w usuwaniu antybiotyków z wody dejonizowanej i ścieków szpitalnych; optymalizację warunków reakcji w celu maksymalizacji degradacji zanieczyszczeń; zbadanie wpływu czynników, takich jak pH, stężenie ozonu i czas reakcji, na efektywność procesu; ocenę potencjalnych ograniczeń związanych z rzeczywistymi matrycami ściekowymi.
Metody badawcze
Eksperymenty przeprowadzono w skali laboratoryjnej, analizując skuteczność ozonu (O₃), ozonu z nadtlenkiem wodoru (O₃/H₂O₂), ozonu z promieniowaniem UV (O₃/UV) oraz kombinacji wszystkich trzech metod (O₃/H₂O₂/UV). Oceniano wpływ takich parametrów jak stężenie ozonu, pH roztworu oraz czas reakcji. Antybiotyki wykrywano i oznaczano przy użyciu chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrią mas (LC-MS/MS). Dodatkowo analizowano całkowity węgiel organiczny (TOC), co pozwoliło ocenić stopień mineralizacji zanieczyszczeń.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Badanie wykazało, że ozonowanie skutecznie usuwa antybiotyki z wody, jednak efektywność procesu zależy od rodzaju zastosowanej technologii oraz składu matrycy wodnej. Ozon jako samodzielny utleniacz osiągał wysokie poziomy redukcji antybiotyków, szczególnie w środowisku zasadowym (pH 8.0). Po 30 minutach ozonowania usunięto około 91,5% antybiotyków, przy czym cefaleksyna i doksycyklina były eliminowane szybciej niż azytromycyna. Zastosowanie dodatkowych czynników utleniających, takich jak nadtlenek wodoru i promieniowanie UV, wpłynęło na skuteczność procesu. Połączenie O₃/H₂O₂ przyspieszało usuwanie antybiotyków w pierwszych minutach reakcji, ale nadmiar nadtlenku wodoru działał negatywnie, ograniczając efektywność degradacji przez neutralizację rodników hydroksylowych. Włączenie promieniowania UV do procesu ozonowania przyniosło mieszane efekty. W początkowej fazie reakcji obserwowano wzrost skuteczności usuwania antybiotyków, jednak dłuższa ekspozycja powodowała przyspieszony rozkład ozonu, co w niektórych przypadkach zmniejszało efektywność eliminacji zanieczyszczeń. Najlepsze wyniki uzyskano w procesie O₃/H₂O₂/UV, gdzie po 120 minutach uzyskano redukcję całkowitego węgla organicznego (TOC) o 61,1% w wodzie dejonizowanej i 25,8% w ściekach szpitalnych, co wskazuje na wyższy stopień mineralizacji. Badania przeprowadzone w rzeczywistej matrycy ścieków szpitalnych wykazały, że obecność substancji organicznych, jonów oraz wysoka mętność ograniczały skuteczność procesu. W takich warunkach skuteczność usuwania antybiotyków była niższa, osiągając wartości od 70% do 87% po 60 minutach reakcji. Wysoka zawartość chlorków, siarczanów oraz związków organicznych wpływała na zmniejszenie efektywności utleniania antybiotyków. Analiza kinetyczna wykazała, że usuwanie cefaleksyny przebiega zgodnie z kinetyką pseudo-pierwszorzędową, natomiast azytromycyna i doksycyklina podążały za modelem pseudo-drugorzędowym. Reakcja była determinowana głównie przez bezpośrednie utlenianie ozonem, natomiast rodniki hydroksylowe wpływały na dalszą degradację produktów pośrednich. Pod względem mechanizmu reakcji, antybiotyki zawierające grupy aminowe, pierścienie aromatyczne i nienasycone wiązania były bardziej podatne na utlenianie ozonem. Głównym czynnikiem wpływającym na efektywność procesu była obecność O₃, który w odpowiednich warunkach umożliwiał szybkie usuwanie zanieczyszczeń.
Ograniczenia zakresu badawczego
Badanie przeprowadzono w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, co nie odzwierciedla w pełni rzeczywistych warunków panujących w oczyszczalniach ścieków. W warunkach przemysłowych mogą występować dodatkowe czynniki wpływające na efektywność ozonowania, takie jak zmienność składu ścieków, obecność substancji hamujących procesy utleniania oraz trudności w dostosowaniu optymalnych parametrów reakcji. Nie przeprowadzono szczegółowej analizy produktów pośrednich powstających w wyniku utleniania antybiotyków. Może to rodzić pytania o ich potencjalną toksyczność i wpływ na organizmy wodne. Niektóre metabolity mogą wykazywać większą trwałość i odporność na biodegradację niż związki wyjściowe. Nie oceniano również wpływu badanych technologii na mikroflorę bakteryjną. Ozonowanie może wpływać na równowagę biologiczną w oczyszczalniach ścieków, co może mieć konsekwencje dla skuteczności procesów biologicznych zachodzących w tego typu instalacjach.
Wnioski
Ozonowanie jest skuteczną metodą usuwania antybiotyków z wody, zwłaszcza w warunkach zasadowych. Połączenie ozonu z nadtlenkiem wodoru i promieniowaniem UV poprawia mineralizację zanieczyszczeń, choć nie zawsze przekłada się na szybszą eliminację antybiotyków. Cefaleksyna i doksycyklina są bardziej podatne na utlenianie ozonem niż azytromycyna, która wykazuje większą odporność na degradację. Ścieki szpitalne ograniczają skuteczność usuwania antybiotyków, co sugeruje konieczność optymalizacji procesu w zależności od charakterystyki wód poddawanych oczyszczaniu. Nadmiar nadtlenku wodoru może negatywnie wpływać na proces, ograniczając skuteczność degradacji poprzez neutralizację rodników hydroksylowych. Promieniowanie UV wspomaga proces w początkowych fazach reakcji, ale w dłuższej perspektywie może przyspieszać rozkład ozonu i obniżać skuteczność utleniania. Dalsze badania powinny skupić się na analizie produktów pośrednich oraz ich potencjalnej toksyczności. Należy uwzględnić wpływ ozonowania na mikroorganizmy i efektywność biologicznych procesów oczyszczania ścieków. Przeprowadzenie badań w skali przemysłowej pozwoli na lepszą ocenę praktycznych zastosowań tej technologii.
Artykuł opublikowany w Journal of Water Process Engineering.