نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی
نویسندگان
گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز ، ایران
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Activated sludge is an aerobic biological wastewater treatment process. This process has been efficiently and extensively used for the treatment of industrial and municipal wastewaters since about 100 years ago. Some drugs such as antibiotics have adverse effects on the bacteria in activated sludge. Cefixime trihydrate is a semi-synthetic antibiotic belonging to the third generation of Cephalosporins. In this research the effect of Cefixime on the biological operational parameters of activated sludge process was investigated. MLSS, SVI, COD and microscopic analysis of sludge texture were evaluated. The results showed that by carefully controlling of the operational parameters in adopting period, sludge quality can be kept in acceptable level. MLSS of 3500 ppm, pH of 7.6 and SVI of 90 mL.g-1 were average controlled parameters. The COD reduced from 800 to 40 ppm after implementing the adoption period. Optical microscopic analysis showed that after adoption period, microorganisms such as protozoa and ciliate are active in activated sludge even in the presence of antibiotic.
کلیدواژه‌ها [English]
بررسی تاثیر حضور آنتیبیوتیک سفیکسیم تری هیدرات بر روی ویژگی های بیولوژیکی لجن فعال
لیلا قلمچی و سهیل عابر*و رعنا تجدید خواجه
گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
تاریخ دریافت: 05/02/95 تاریخ تصحیح: 06/07/95 تاریخ پذیرش: 05/12/95
چکیده
فرآیند لجن فعال یک فرآیند بیولوژیکی هوازی تصفیه فاضلاب است. این فرآیند از حدود 100 سال پیش بطور موثر و گستردهای برای تصفیه انواع فاضلابهای شهری و صنعتی بکار گرفته شده است. برخی داروها از قبیل آنتی بیوتیک ها تاثیر سوئی بر باکتریهای موجود در لجن فعال دارند. سفیکسیم، یک آنتی بیوتیک نیمه سنتتیک و ازجمله سفالوسپورینهای نسل سوم می باشد. در این مطالعه تاثیر حضور سفیکسیم بر پارامترهای عملیاتی بیولوژیکی لجن فعال بررسی شد. پارامترهای MLSS، COD، SVI و آنالیز میکروسکوپی بافت لجن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد با کنترل دقیق پارامترهای عملیاتی در دورهی سازگاری، میتوان کیفیت لجن را در حد قابل قبولی حفظ کرد. به طور متوسط MLSS در مقدار 3500 میلی گرم بر لیتر، pH در حدود 7.6 و SVI در حدود mL.g-1 90 کنترل شد. میزان COD پس از دوره سازگاری از حدود ppm 800 به ppm 40 کاهش یافت. آنالیز با میکروسکوپ نوری نشان داد پس از دورهی سازگاری، میکروارگانیسمهای موجود در لجن فعال از قبیل سیلیاته‌ها و پروتوزئرها حتی در حضور آنتی بیوتیک فعال هستند.
واژگان کلیدی: لجن فعال،آنتی بیوتیک، سفیکسیم تری هیدرات
مقدمه
گسترش روز افزون جوامع بشری و توسعه صنعتی هر چند امتیازات ویژه ای داشته است، اما مشکلات زیست محیطی زیادی را نیز باعث شده است. فاضلابهای اماکن مسکونی و واحدهای صنعتی در صورت دفع غیرصحیح و عدم تصفیه، به دلیل بار مواد آلی و معدنی زیاد باعث آلودگی آب، خاک و هوا خواهند شد. بنابراین تصفیه فاضلاب‌ها ضرورت پیدا میکند و این امر باعث گسترش و افزایش روشهای مختلف تصفیه فاضلاب می شود. در مواردی که فاضلابهای صنعتی حاوی مواد آلی قابل تجزیه زیستی باشند و برای فاضلاب شهری، ساده ترین و اقتصادی ترین روش تصفیه، استفاده از سسیستم‌های تصفیه زیستی است. در تصفیه زیستی، میکروارگانیسمها مواد آلی موجود در فاضلاب را به عنوان منبع غذایی مصرف و تجزیه میکنند. یکی از متداولترین روشهای تصفیه زیستی، فرآیند لجن فعال است که با اکسیداسیون زیستی حاصل از هوادهی باعث تصفیه فاضلاب میشود.
گونههای متنوعی از باکتریها، قارچها، تک یاختهها، و روتیفرها در توده زیستی لجن فعال وجود دارند که تنوع گونه ها و جمعیت آنها به تنوع ترکیبات آلی موجود در فاضلاب ورودی، ترکیبات حدواسط تولیدی در طی فرآیند زیستی و شرایط فرآیندی بستگی دارد . نسبت پایین [1]و وجود آلایندههای سمی در فاضلاب های صنعتی باعث مقاومتر بودن آنها در برابر تصفیه زیستی و بروز مشکلاتی در فرآیند تصفیه می شوند ]3-1[. ازجمله دلایل عدم تصفیه‌پذیری انواع فاضلابهای صنعتی می توان به حضور آلایندههای سمی با غلظتهای متفاوت، جمعیت کم باکتریهای سازگار با توجه به غلظت سوبسترا (نسبت نامناسب F/M)[2] ، شرایط فیزیکی نامناسب، درصد کم سلول های زنده و تولید متابولیتهای سمی اشاره نمود ]4[. سفیکسیم، یک آنتی بیوتیک نیمه سنتتیک و از جمله سفالوسپورینهای نسل سوم می باشد. این آنتیبیوتیکها در درمان طیف وسیعی از بیماری‌های عفونی و باکتریایی مثل عفونت‌های تنفسی، عفونت‌های پوست و بافت نرم و عفونت‌های استخوان یا مفاصل، و عفونت‌های ادراری مؤثر می‌باشند. این آنتیبیوتیکها همچنین ممکن است برای پیشگیری از ایجاد عفونت در افرادی که تحت عمل جراحی قرار گرفته‌اند یا در افرادی که به هر علتی مستعد عفونت هستند، استفاده شوند. فاضلاب ناشی از بیمارستانها و مراکز بهداشتی درمانی به طور کلی از نظر کیفی تقریبا مشابه فاضلاب شهری هستند. رایج ترین سیستم تصفیه فاضلاب صنایع دارویی، سیستمهای تصفیه لجن فعال متعارف می باشد ]8-5[.با توجه به اینکه استفاده از سیستم های لجن فعال نیازمند یک مرحله سازگاری لجن فعال با فاضلاب دارویی است، لذا مطالعه تغییر پارامترهای مشخصه لجن فعال از قبیل [3]MLSS، [4]MLVSS،SVI[5] و بررسی بافت میکروسکوپی لجن تحت تاثیر آنتی بیوتیک سفیکسیم حائز اهمیت میباشد. در این مقاله، به بررسی تاثیر حضور آنتی بیوتیک بر روی پارامترهای لجن فعال پرداخته شده است.
2- بخش تجربی
لجن فعال از شرکت شیرپاستوریزه پگاه تبریز تهیه شد. مادهی موثر داروی سفیکسیم تری هیدرات به عنوان آنتی بیوتیک از شرکت داروسازی دانای تبریز تهیه شد. جدول 1 ساختار شیمیایی و مشخصات آنتی بیوتیک انتخابی را نشان میدهد. نحوهی سازگاری لجن تهیه شده با مخلوط این دارو طی مدت زمان 30 روز مورد مطالعه قرار گرفت. لجن پس از تهیه به مدت دو روز به صورت گسترده هوادهی شد تا آمادهی تغییر شرایط و مصرف خوراک جدید شود. در روزهای سوم و پنجم 600 میلیلیتر از لجن غلیظ، با 20 میلی لیتر خوراک و 580 میلی لیتر فاضلاب سنتزی مخلوط شد. فاضلاب سنتزی دارای سفیکسیم تری هیدرات با غلظت 15 میلیگرم بر لیتر بود و خوراک با استفاده از گلوکز، آمونیوم نیترات و پتاسیم هیدروژن فسفات با نسبت 1:5:100 از COD:N:P تهیه شد. از روز ششم تا روز شانزدهم یکروز در میان 20 میلی لیتر از محلول داخل واکنشگاه خارج شد و بجای آن 20 میلی لیتر محلول سفیکسیم با غلظت 15 میلی گرم بر لیتر به سیستم تزریق گردید. از روز هفدهم تا روز سیام غلظت محلول سیفکسیم یاد شده به 30 میلی گرم بر لیتر افزایش داده شد. در تمام این مدت پارامترهای عملیاتی لجن فعال شامل تغییرات بافت لجن، COD، SVI، MLSS و MLVSS به طور مرتب بررسی و اندازه گیری شدند و تغییرات این پارامترها مورد مطالعه قرار گرفت. تمامی آنالیزها با استفاده از روشهای استاندارد انجام شدند.
جدول 1- ساختار و مشخصات داروی انتخابی
3- نتایج و بحث
نمودار 1 و 2 به ترتیب تغییرات MLSS و MLVSS را طی فرآیند سازگاری به مدت 30 روز نشان میدهند. روند تغییرات MLSS و MLVSS مشابه یکدیگر است. با توجه به نتایج بدست آمده، در ابتدای آزمایش حجم لجن و میزان توده زیستی بالا بود که در دو روز اول هوادهی در غیاب خوراک کاهش یافت و بعد از افزودن محلول سفیکسیم نیز احتمالا به دلیل سمیت دارویی محلول و از بین رفتن میکروارگانیسمهای با مقاومت کمتر همین روند ادامه پیدا کرد. در این مرحله به دلیل سازگار نبودن میکروارگانیسمها با محیط جدید و مشکل بودن تخریب مواد آلی محلول، امکان استفاده از آنها به عنوان ماده غذایی مشکل بود بنابراین امکان بقا و تولیدمثل باکتریها کاهش یافت. اما با افزایش مدت زمان تماس میکروارگانیسمها با محلول، میزان MLSS و MLVSS تا حدی افزایش یافت که نشانگر سازش یافتن میکروارگانیسمها با محلول بود.
افزایش مجدد غلظت محلول سفیکسیم ورودی در روز هفدهم مجددا میزان MLSS و MLVSS را کاهش داد .که این امر را میتوان به شوک ناشی از افزایش غلظت دارو و سمیت آن نسبت داد ]3 و 11-9[. البته مشاهده گردید که از روز 21 به بعد به دلیل سازگاری مجدد باکتریها با شرایط جدید، میزان MLSS و MLVSS افزایش یافت.
|
تزریق دارو با غلظت ppm 30 |
|
تزریق دارو با غلظت ppm 15 |
|
هوادهی گسترده |
نمودار 1- تغییرات MLSS طی فرآیند سازگاری
|
تزریق دارو با غلظت ppm 30 |
|
تزریق دارو با غلظت ppm 15 |
|
هوادهی گسترده |
نمودار 2- تغییرات MLVSS طی فرآیند سازگاری
همانطور که در نمودار شماره 3 مشاهده میشود، مقدار COD محلول خروجی از مقدار 800 به 40 میلیگرم بر لیتر کاهش یافته است. در ابتدا کاهش COD محسوس نبود که نشان دهنده غیر فعال بودن میکروارگانیسمهای لجن فعال و امکان از بین رفتن آنها میباشد. با وجود افزایش تدریجی غلظت دارو در طول زمان و در نتیجه سازش پذیری سیستم، مقدار COD سیستم تا روز شانزدهم کاهش یافت که به دلیل فعالیت میکروارگانیسمهای مقاوم در برابر آنتی بیوتیک است. با افزایش غلظت سفیکسیم ورودی از روز هفدهم به بعد مجددا COD سیستم به دلیل تحمل نکردن سمیت بالای دارویی افزایش یافت.
|
تزریق دارو با غلظت ppm 30 |
|
تزریق دارو با غلظت ppm 15 |
|
هوادهی گسترده |
نمودار 3- تغییرات COD طی فرآیند سازگاری
یکی از پارامترهای مهم در فرآیندهای بیولوژیکی شاخص حجمی لجن یا SVI میباشد ]11-10[. همانطور که در شکل 4 مشاهده میشود قابلیت ته نشینی لجن به دلیل حضور سیفکسیم کاهش پیدا کرده است بطوریکه در روز دوازدهم به 65 میلی لیتر بر گرم رسیده است که احتمالا به دلیل از بین رفتن بافت لجن و میکروارگانیسمها و ریزتر شدن فلوکهای لجن میباشد در نتیجه حجم لجن ته نشین شده کاهش یافت. در مراحل بعد به دلیل افزایش تولید مثل باکتریها، فلوکهای درشتتری در سیستم ایجاد شد و در نتیجه مقدار حجم لجن ته نشین شده افزایش یافت. پس از افزایش غلظت دارو در روز هفدهم مجددا تعال سیستم بهم خورده و تعداد زیادی از میکرو ارگانیسمها از بین رفته و در نتیجه حجم لجن ته نشین شده مجددا تا روز 23 کاهش یافت و بعد از آن مجددا به مقدار مناسب بازگشت. در یک سیستم بیولوژیکی متعادل، مقدار شاخص حجمی لجن بین 70 تا 150 میلی لیتر بر گرم میباشد. مقدار این پارامتر در طول انجام آزمایش در بازهی مطلوب قرار داشت.
|
تزریق دارو با غلظت ppm 30 |
|
تزریق دارو با غلظت ppm 15 |
|
هوادهی گسترده |
نمودار 4- تغییراتSVI طی فرآیند سازگاری
همانطور که در شکل 5 الف مشاهده می‌گردد و بر اساس اطلاعات ریخت شناسی موجود در منابع علمی ]12[ در لجن فعال قبل از سازگاری تعداد زیادی پروتوزئر از جمله سیلیاته وجود دارد و همچنین با استفاده از شکل 5 ب و بر اساس منابع علمی ]12[ مشاهده می شود که پس از سازگار شدن لجن با داروی سیفکسیم، میکروارگانیسمهای مقاومتری از جمله روتیفرها در لجن فعال دیده میشوند. حضور موثر روتیفرها در بافت لجن فعال پس از مرحلهی سازگاری نشان دهندهی فعالیت و پایداری لجن فعال در فرآیند تصفیه بیولوژیکی میباشد. این موجودات مانند تک یاختهها هوازی بوده و حضور آنها نشان دهندهی کارایی خوب سیستم بیولوژیکی میباشد.
|
شکل 5- تصویر میکروسکوپ نوری از بافت لجن فعال الف) قبل از سازگاری ب) بعد از سازگاری
4- نتیجهگیری
نتایج نشان داد با وجود ساختار پیچیده و سمیت داروها امکان سازگاری میکروارگانیسمهای لجن فعال با پسابهای دارویی وجود دارد. سیفکسیم به عنوان یکی از پرمصرفترین آلایندههای دارویی، قابلیت حذف به روش بیولوژیکی را دارد. طی فرآیند سازگاری مقادیر پارامترهای عملیاتی لجن فعال از قبیل MLSS، MLVSS، SVI و COD تغییر میکند و کاهش COD نشانگر حذف محلول سیفکسیمتری هیدرات است. افزایش مجدد MLVSS بعد از یک روند کاهشی نشانگر رشد و تکثیر باکتری ها و موجودات مقاوم در حضور سیفکسیم میباشد که توانایی مصرف و اکسایش این آلاینده را دارند.
5- تقدیر و تشکر
تمامی نویسندگان مقاله مراتب قدردانی خود را از دانشگاه تبریز به خاطر حمایت های مادی و معنوی از این کار پژوهشی اعلام می دارند.
6- مراجع
[1] M. Henze, IWA publishing, (Ed.) (2008). Biological wastewater treatment: principles, modelling and design.
[2] P. F. Strom, D. Jenkins, Water Pollution Control Federation, 56 (1984) 449.
[3] T. Nguyen, P. H. Nicholas, H. Nidal, Desalination, 204 (2007) 277.
[4] B. M. Wilén, B. Jin, P. Lant, Water Science and Technology, 47 (2003) 95.
[5] M. Attimarad, Chemistry Central Journal, 6 (2012) 1.
[6] T. Zhang, Journal of Chemical & Engineering Data, 59 (2014) 1915.
[7] B. Kraigher, T. Kosjek, E. Heath, B. Kompare, Water Research, 42 (2008) 4578.
[8] J. Radjenović, P. Mira, B. Damià, Water Research, 43 (2009) 831.
[9] A. Joss, S. Zabczynski, A. Göbel, B. Hoffmann, D. Löffler, Water Research, 40 (2006) 1686.
[10] B. Q. Liao, D.G. Allen, I.G. Droppo, G.G. Leppard, S.N. Liss, Water Research, 35 (2001) 339.
[11] B. Wilén, J. Bo, L. Paul, Water Research, 37 (2003) 2127.
[12] R. J. Seviour, L. Blackall (Eds.) (2012). The microbiology of activated sludge. Springer Science & Business Media.
*.نویسنده مسئوول: استاد شیمی کاربردی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران s_aber@tabrizu.ac.ir
[2] Food to Microorganism ratio
[5] Sludge Volume Index
)