Kontekst badania
Zwiększająca się obecność trudnych do rozkładu farmaceutyków i produktów higienicznych (PPCPs) w ściekach, szczególnie z przemysłu i szpitali, stanowi zagrożenie dla zdrowia i ekosystemów. Tradycyjne metody oczyszczania ścieków nie są wystarczające do usunięcia tych substancji, dlatego poszukuje się zaawansowanych procesów utleniania.
Cele i hipotezy
Celem badania było ocena skuteczności metod ozonowania i promieniowania UV (O3/UV) w degradacji sześciu powszechnie wykrywanych PPCPs (w tym kofeiny, atenololu, karbamazepiny, sulfametoksazolu, trimetoprimu i paracetamolu) w ściekach szpitalnych. Zakładano, że zastosowanie ozonu w połączeniu z UV przyspieszy rozkład zanieczyszczeń dzięki wytworzeniu wysoce reaktywnych rodników hydroksylowych.
Metody badawcze
W eksperymentach zastosowano różne stężenia ozonu (1,0 i 1,5 mg/L) jako osobny proces oraz w połączniu z promieniowaniem UV o długości fali 254 nm. Badania obejmowały analizę kinetyki rozkładu PPCPs w syntetycznych i rzeczywistych ściekach szpitalnych, monitorując produkty pośrednie za pomocą spektrometrii masowej i analizując ich toksyczność.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Badania wykazały, że połączenie ozonowania z promieniowaniem UV (O3/UV) znacząco przyspiesza degradację farmaceutyków i produktów higienicznych (PPCPs) w ściekach szpitalnych. Przy stężeniu 1,5 mg/L ozonu oraz 7 minutach ekspozycji na promieniowanie UV uzyskano ponad 97% usunięcia wybranych PPCPs. Dla porównania, zastosowanie samego ozonu, bez UV, wymagało około 20 minut do osiągnięcia zbliżonej efektywności, a użycie jedynie UV skutkowało niską skutecznością na poziomie 3–11%.
Badania nad poszczególnymi związkami, takimi jak kofeina, atenolol, karbamazepina, sulfametoksazol, trimetoprim i paracetamol, wykazały różnice w szybkości ich rozkładu. Najszybciej degradacji uległy sulfametoksazol, trimetoprim oraz paracetamol, natomiast kofeina, atenolol i karbamazepina wymagały dłuższego czasu na całkowitą mineralizację. Zauważono, że szybkość rozkładu jest proporcjonalna do stężenia początkowego.
Podczas reakcji w układzie O3/UV powstały produkty pośrednie o niższej masie cząsteczkowej, wynikające głównie z reakcji hydroksylacji, otwarcia pierścieni aromatycznych oraz mineralizacji. Produkty te charakteryzowały się mniejszą toksycznością niż wyjściowe PPCPs, co potwierdziła analiza toksyczności. Transformacje chemiczne, takie jak rozerwanie pierścienia aromatycznego, hydroksylacja oraz utlenianie, były kluczowymi mechanizmami odpowiedzialnymi za rozpad analizowanych PPCPs. Na przykład w przypadku kofeiny proces ozonowania doprowadził do tworzenia bardziej polarnych i biodegradowalnych produktów, takich jak kwasy karboksylowe, które mogą być skuteczniej usuwane w dalszych etapach oczyszczania. Jednakże zauważono, że podczas degradacji O3/UV powstały związki o potencjale mutagennym, a także związki mające umiarkowaną toksyczność. Z tego powodu dalsze badania nad toksycznością produktów pośrednich są kluczowe dla oceny ich bezpieczeństwa i wpływu na środowisko.
Ograniczenia zakresu badawczego
Przeprowadzone badania pozwoliły zauważyć, że efektywność procesu O3/UV obniża się w obecności substancji organicznych, takich jak kwas humusowy, który stanowi główny składnik naturalnej materii organicznej (NOM) występującej w ściekach. NOM działa jako „pochłaniacz” reaktywnych rodników hydroksylowych, co zmniejsza efektywność degradacji PPCPs. Dodatkowo, w przypadku rzeczywistych próbek ścieków szpitalnych, oprócz NOM pojawiły się także różne jony (np. HCO₃⁻, CO₃²⁻, Cl⁻), które reagują z aktywnymi rodnikami i w konsekwencji obniżają efektywność degradacji.
Istotnym ograniczeniem opisanych badań był brak kompleksowej analizy wpływu powstałych produktów pośrednich w rzeczywistych warunkach środowiskowych, co oznacza konieczność dalszych badań w zakresie potencjalnych skutków ubocznych procesu. Pomimo wysokiej skuteczności procesu O3/UV, konieczne jest przeprowadzenie dodatkowych testów nad efektywnością w różnorodnych matrycach wodnych i przy zmiennych parametrach operacyjnych, aby opracować systemy możliwe do zastosowania na szerszą skalę.
Wnioski
Połączony proces O3/UV jest skuteczną metodą degradacji PPCPs w ściekach szpitalnych, stanowiąc szybszą i bardziej efektywną alternatywę dla tradycyjnych metod. Uzyskane wyniki wskazują, że optymalne warunki (1,5 mg/L ozonu i 7 minut naświetlania UV) mogą być podstawą do wdrażania hybrydowych systemów oczyszczania ścieków, które zmniejszają toksyczność pozostałości farmaceutycznych.