Učinkovitost ozonacije za odstranjevanje obstojnega antibiotika gentamicin sulfata iz modelne odpadne vode

Jančič, Blaž (author), Žgajnar Gotvajn, Andreja (mentor)

Svetovna poraba zdravilnih učinkovin predstavlja vedno večjo okoljsko problematiko zaradi kontinuirnega vnosa aktivnih spojin v okolje ter posrednega negativnega vpliva na organizme. Uveljavljene konvencionalne metode čiščenja odpadnih vod so neučinkovite pri odstranjevanju farmacevtskih mikroonesnaževal, zato je uporaba in implementacija naprednih oksidacijskih procesov (NOP) ključnega pomena. Zaradi močne obstojnosti in nizke stopnje presnove v humani medicini smo za obravnavan antibiotik v raziskovalnem delu izbrali gentamicin sulfat (GS). Namen magistrskega dela je bila preučitev možnosti biološkega in fizikalno-kemijskega odstranjevanja antibiotika gentamicin sulfata iz modelne odpadne vode. Možnost biološkega odstranjevanja smo preverili s testom biorazgradljivosti v zaprtem respirometru. Možnost fizikalno-kemijskega odstranjevanja smo preučevali z izvedbo neposredne ozonacije, ozonacije z dodatkom vodikovega peroksida ter ozonacije v kombinaciji s Fentonovo oksidacijo. Učinkovitost odstranjevanja smo analizirali s spremljanjem celotnega organskega ogljika (TOC) in kemijske potrebe po kisiku (KPK). Določili smo kinetične parametre psevdo-prvega reda razgradnje ter povprečno oksidacijsko stanje ogljika (MOC) v raztopini. Rezultati razgradnje antibiotika so potrdili kinetiko psevdo-prvega reda, kjer je v večini primerov hitreje potekal prvi del oksidacije. Z višanjem doze ozona se je za posamezen NOP povišala učinkovitost odstranjevanja. Za najučinkovitejši proces se je izkazala ozonacija v kombinaciji s Fentonovo oksidacijo pri masnem razmerju reagentov O$_3$/Fe$^{2+}$/H$_2$O$_2$ = 4 : 1 : 2, kjer smo dosegli 78 % oksidacijo, 45 % mineralizacijo in 2,04 vrednost MOC pri končni dozi ozona 50 mg$_{ozon}$ mg$_{GS}^{–1}$. Potrdili smo, da neobdelan antibiotik ni biorazgradljiv, temveč je strupen za aktivno blato. Uporaba najučinkovitejšega NOP antibiotik delno razgradi, saj se stopnja biorazgradnje poveča na 30 %. Kljub izboljšani biorazgradljivosti po predobdelavi z NOP, ugotovimo, da vzorec ne doseže zadostne stopnje biorazgradnje za smiselno uporabo biološkega odstranjevanja. Zaključimo, da NOP predstavljajo zanesljivo rešitev za razgradnjo ter velik potencial za odstranjevanje antibiotičnih komponent iz modelnih odpadnih vod.

• Language: Slovenian
• Keywords: antibiotiki, biorazgradljivost, gentamicin sulfat, ozonacija
• Work type: Master's thesis/paper
• Typology: 2.09 - Master's Thesis
• Organization: FKKT - Faculty of Chemistry and Chemical Technology
• Year: 2024
• PID: 20.500.12556/RUL-162050
• COBISS.SI-ID: 216062723
• Publication date in RUL: 18.09.2024

JANČIČ, Blaž, 2024, Učinkovitost ozonacije za odstranjevanje obstojnega antibiotika gentamicin sulfata iz modelne odpadne vode [online]. Master’s thesis. [Accessed 9 April 2025]. Retrieved from: https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?lang=eng&id=162050

Secondary language

• Language: English
• Title: The efficiency of ozonation for the removal of the persistent antibiotic gentamicin sulfate from model wastewater

Abstract

The global consumption of antibiotic substances poses an increasingly significant environmental problem. Due to their continuous introduction into the environment and their adverse effects on organisms, the removal of pharmaceutical micropollutants is crucial. Conventional wastewater treatment methods are incapable of removing pharmaceutical micropollutants, necessitating the development and implementation of advanced oxidation processes (AOPs). Due to its strong persistence and low metabolic rate in human use, the antibiotic gentamicin sulfate (GS) was selected for thesis research. This master's thesis aimed to examine the biological and physicochemical treatment of the antibiotic gentamicin sulfate from model wastewater. The potential for biological treatment was assessed based on the biodegradability testing in a closed respirometer. The potential of physicochemical treatment was investigated by direct ozonation, ozonation with hydrogen peroxide, and ozonation combined with Fenton oxidation. AOPs’ removal efficiency was monitored by measuring total organic carbon (TOC) and chemical oxygen demand (COD). Furthermore, we determined the pseudo-first-order kinetic degradation parameters and the mean oxidation state of carbon (MOC) in the solution. Gentamicin sulfate degradation followed pseudo-first order kinetics, where the initial phase of oxidation occurred more rapidly. Increasing the ozone dose enhanced the efficiency of removal for each AOP. Ozonation combined with Fenton oxidation at a reagent weight ratio of O$_3$/Fe$^{2+}$/H$_2$O$_2$ = 4 : 1 : 2 showed to be the most effective, achieving 78% oxidation, 45% mineralization, and the MOC value of 2.04 at a final ozone dose of 50 mg$_{ozone}$ mg$_{GS}^{–1}$. We confirmed that untreated gentamicin sulfate was non-biodegradable and toxic to activated sludge. With the use of the most effective AOP the biodegradation level increased to 30%, partially degrading the antibiotic. Despite improved biodegradability, it was confirmed that pre-treatment did not render the antibiotic fully biodegradable and appropriate for biological treatment. In conclusion, AOPs represent a reliable solution for degradation of antibiotics and show a vast potential for the removal of antibiotics from model wastewater.

• Keywords: antibiotics, biodegradability, gentamicin sulfate, ozonation