پایان نامه ها

مقایسه روش¬های انعقاد، فیلتراسیون غشایی و جاذب¬ها در تصفیه فاضلاب¬های آغشته به آنتی¬بیوتیک

center-36049900-
دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی
دانشکده مهندسی عمران
پایان نامه کارشناسی ارشد
رشته مهندسی عمران محیط زیست
مقایسه روشهای انعقاد، فیلتراسیون غشایی و جاذبها در تصفیه فاضلابهای آغشته به آنتیبیوتیک
استاد راهنما
جناب آقای پروفسور سید احمد میرباقری
نگارنده
سعیده صفایی
بهمنماه 1393
centercenter
تقدیم به خانواده عزیزم
تشکر و قدردانی:
با سپاس فراوان از استاد محترم جناب آقای پروفسور سید احمد میرباقری که باراهنمایی و مساعدت‌های ارزنده خویش من را در تهیه و تدوین این پایان‌نامه یاری نمودند.
از اساتید محترم گروه محیطزیست دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی، آقایان دکتر احتشامی و دکتر وفایی که همواره از دانش آن‌ها بهره‌مند گشته‌ام، کمال تشکر را دارم.
از شرکت داروسازی ارس بازار که مرا در انجام این تحقیق یاری نمودند، سپاسگزارم.
پیشگفتار
امروزه بسیاری از منابع آبی توسط فاضلابهای صنعتی دچار آلودگی میشوند. به منظور جلوگیری از آسیبهای جدی در محیطزیست میبایست در ابتدا این فاضلابها تصفیه و سپس به محیط دفع شوند.
آنتیبیوتیکها از جمله آلایندههای سختتجزیهپذیر زیستی بوده که در محیطزیست به دلیل ایجاد مقاومت ژنتیکی اهمیت خاصی دارند.
با توجه به ضرورت حذف آنتیبیوتیکها در محیط، روشهای مختلفی برای حذف آنها توسط محققین پیشنهاد شدهاست که هرکدام مزایا ومعایب خاص خود را دارند. عملیات فیزیکی همچون استخراج فاز مایع، جذب و فیلتراسیون غشایی، فرآیندهای بیولوژیکی و فرآیندهای شیمیایی مانند الکتروشیمی، امواج صوتی، اکسیداسیون شیمیایی و اکسیداسیون پیشرفته برای تصفیه آنتیبیوتیکها مفید گزارش شدهاند. همچنین فرآیندهای نوین که شامل استفاده از نانومواد در فرآیندهای شیمیایی و فتوکاتالیستی بوده نیز مورد بررسی قرار گرفتهاند.
بهمنظورافزایش کارایی و امکان مقایسه با سایر پژوهشهای موجود، آلاینده دارویی با ساختار آلی به نام اکسیتتراسایکلین(OTC) انتخاب شد.
در این تحقیق حذف ماده دارویی اکسیتتراسایکلین از پساب دارویی با استفاده از روشهای جذب توسط کربن فعال و بنتونیت، انعقاد توسط کلروفریک و فیلتراسیون غشایی(اسمز معکوس) مورد آزمایش و بررسی قرار گرفت.
نتایج حاصله در مورد حذف آنتیبیوتیکهای محلول در فاضلاب کارخانه به روش جذب، از حذف متغیر 35 تا 77 درصدی آنتیبیوتیک حکایت دارد. در6.5= pH درصد حذف TDS55% و درصد حذفOTC 77% بدست آمد.
در روش انعقاد 5.5-7.5= pH محدوده مناسب تشخیص داده شد. همچنین دوز بهینه استفاده از ماده منعقدکننده کلروفریک 40-100 میلیگرم در لیتر اندازهگیری شد. در این محدوده شاهد حذف 98.7 % OTC بودیم.
از نتایج آزمایشها برای غشای RO مشخص میشود که فشار عملیاتی تاثیر زیادی بر عملکرد غشا روی پساب دارد. بهطوریکه فشار 9 بار یک فشار مناسب تشخیص دادهشد که علاوه بر جذب بالای OTC (98.7%)، TDS را نیز به میزان قابل توجهی کاهش میدهد.
نتایج کلی از مناسب بودن غشای اسمزمعکوس تا حذف 98.7%ماده اکسیتتراسایکلین (پس از یک بار عبور از غشا) حکایت دارد. ازروشهای دیگر مورد بررسی در این پژوهش همچون جذب و انعقاد میتوان در پیش تصفیه فاضلابهای صنایع دارویی استفاده کرد.
واژه‌هایکلیدی:
آنتی بیوتیک، جاذب، انعقاد، فیلتراسیون غشایی، اسمزمعکوس.
فهرست مطالب
TOC \o “1-3” \h \z \u فصل اول کلیات11-1مقدمه21-۲ ضرورت انتخاب موضوع31-۳ اهداف تحقیق41-۳-۱ هدف کلی41-۳-۲ اهداف جزئی41-۴ فرضیه پژوهش5فصل دوم ادبیات پژوهش62-۱ مقدمه72-۲ آنتی‌بیوتیک چیست؟82-۳ اطلاعات اولیه82-۳-۱ تاریخچه آنتی‌بیوتیک82-۳-۲ طبقه‌بندی آنتی‌بیوتیک‌ها102-۴ اکسیتتراسایکلین122-۵ آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط‌زیست142-۶ منابع و نحوه انتشار آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط‌زیست162-۷ نگرانی از انتشار آنتی‌بیوتیک در محیط‌زیست18فصل سوم روشهای حذف20
3-۱ مقدمه213-۲ روش‌های فیزیکی213-۲-۱ استخراج فاز مایع223-۲-۲ جذب223-۲-۳ غشایی233-۳ فرآیندهای بیولوژیکی23
3-۴ فرآیندهای شیمیایی24فصل چهارم مطالعات کتابخانهای254-۱ مقدمه264-۲ پیشینه تحقیق264-۳ روش‌های تصفیه اکسیتتراسایکلین284-3-1 تصفیه آلاینده‌ها توسط جذب از طریق جاذب کربن فعال و گل بنتونیت324-3-2 تصفیه آلاینده‌ها به روش انعقاد504-3-3 تعريف فرآيندهاي غشايي65فصل پنجم روش تحقیق، مواد و تجهیزات مورد استفاده1015-1 مقدمه1025-2 اندازه‌گیری میزان اکسیتتراسایکلین از پساب دارویی1035-3 روش انجام آنالیز1035-4 ساخت محلول‌های استاندارد و استفاده از معرف‌ها1055-5 متغيرهای پژوهش1075-6 گردآوری اطلاعات1085-7 محيط پژوهش1085-8 برنامه‌ی اجرايی1085-9 وسايل، ابزار، دستگاهها و مواد مورداستفاده1095-10 روش تعیین TDS و EC فاضلاب:1105-11 روش تعیین pH:1115-12 روش تعیین غلظت آنتی‌بیوتیک:1115-13 پايلوتها و تجهيزات جانبی1125-15 آزمایش ستون جذب1175-15-1 راه‌اندازی پایلوت1175-16 آزمایش جارتست (JAR TEST)1225-16-1 مراحل کلی انجام یک نمونه تست جار شامل:1235-17 آزمایش فیلتراسیون غشایی RO1305-17-1 راه‌اندازی پایلوت1305-17-2 روش کار130فصل ششم نتیجهگیری و ارائه پیشنهادات1366-1 جمع‌بندی و نتیجه‌گیری1376-2 پیشنهادات139مراجع140
فهرست جداول
جدول 4-۱ تحقیقات پیشین درزمینهی آنتی‌بیوتیکها………………………………………………………………………………….27
جدول 4-۲ ویژگی‌های کربن فعال دانهای و پودری…………………………………………………………………………………… 35
جدول 4-3 درصد اختلاط بهینه‌ی جاذب برای جذب فلزات سنگین…………………………………………………………….44
جدول4-4-آنالیز اجزای موجود در بنتونیت…………………………………………………………………………………………….47
جدول 4-5 قابليت‌هاي كلي فرآيندهاي غشايي مختلف…………………………………………………………………………………73
جدول4-6 مشخصات فرآيندهاي غشايي………………………………………………………………………………………………………..76
جدول 4-7 مقایسه‌ی قابليت‌هاي مدول‌هاي غشايي مختلف…………………………………………………………………………77
جدول 4-8 مزايا و معايب مدولهای مختلف جهت تصفیه‌ی آب………………………………………………………………….77
جدول 4-9 ‌ويژگي‌هاي مواد تشکیل‌دهنده‌ی غشاها………………………………………………………………………………………80
جدول 4-10 مزايا و معايب مواد مختلف به‌کاررفته در ساختار غشاها…………………………………………………………..80
جدول 4-11 خصوصیات معمول فن¬آوری‌های غشایی مورداستفاده در تصفیه‌ی آب و فاضلاب……………….82
جدول 4-12 مصرف انرژی و مقدار بازیابی محصول برای انواع سیستمهای غشایی………………………………………82
جدول 4-13 فرمولاسيون شستشو دهنده‌هاي غشا…………………………………………………………………………………….. 89
جدول 4-14خلاصه‌ای از تحقیقات پیشین در مورد سیستمهای غشایی……………………………………………………….93
جدول 5-1-ضرایب جذب در غلظت‌های متفاوت…………………………………………………………………………………………105
جدول 5-2 دستگاههای آزمایشگاهی مورداستفاده……………………………………………………………………………………….109
جدول 5-3 متعلقات پایلوتها و تجهیزات…………………………………………………………………………………………………….112
جدول 5-4 مشخصات غشای RO………………………………………………………………………………………………………………..115
جدول 5-5-نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش جذب در3 pH=………………………………………………………………………119
جدول 5-6-نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش جذب در5 pH=………………………………………………………………………120
جدول 5-7-نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش جذب در6.5 pH=……………………………………………………………………121
جدول 5-8-نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش جذب در 9.5 pH=………………………………………………………………….122
جدول 5-9- نتایج به‌دست‌آمده از جارتست بعد از 30 دقیقه………………………………………………………………………126
جدول 5-10-نتایج به‌دست‌آمده از جارتست بعد از 12 ساعت…………………………………………………………………….127
جدول 5-11-نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش در pHبهینه و در دوز های متفاوت از منعقدکننده بعد از 30 دقیقه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………129
جدول 5-12نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش در pHبهینه و در دوز های متفاوت از منعقدکننده بعد از 20 ساعت …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….130
جدول5-13-نتایج آزمایش RO در فشارهای متفاوت و در6.5 pH=………………………………………………………..132
جدول5-14-نتایج آزمایش RO در فشارهای متفاوت و در5 pH=…………………………………………………………..133
جدول5-15-نتایج آزمایش RO در فشارهای متفاوت و در3 pH=…………………………………………………………..134
جدول5-16 نتایج آزمایش RO در فشارهای متفاوت و در9 pH=……………………………………………………………135

فهرست شکل‌ها و نمودارها
شکل 2-۱- ساختار مولکولی خانواده تتراسایکلین ها……………………………………………………………………………………..13
شکل 4-۱- ساختار تتراسایکلینها ………………………………………………………………………………………………………………..30
شکل 4-2 – الف) شکل ایزوترم جذب BET ب) شکل خطی ایزوترم جذب BET…………………………………..37
شکل 4-3 – تأثیر خطا در تخمین Cs در نمودار جذب خطی BET……………………………………………………………38
شکل4-4 شکل ایزوترم جذب لانگمویر………………………………………………………………………………………………………….38
شکل4-5شکل خطی و اصلاح‌شده‌ی ایزوترم جذب لانگمویر………………………………………………………………………….39
شکل 4-6 متوسط TOC ورودی و خروجی در غلظتهای متفاوت پودر کربنفعال…………………………………….43
شکل 4-7 متوسط نسبت UV جذب‌شده بر DOC ورودی و خروجی در غلظتهای متفاوت پودر کربنفعال…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..44
شکل4-8-a,b,cوd بنتونیت –e,fو g کربن فعال………………………………………………………………………………………….46
شکل4-9- شماتیکی از فرآیند انعقاد و لخته سازی………………………………………………………………………………………..51
شکل4-10- دستگاه جارتست…………………………………………………………………………………………………………………………57
شكل 4-11 طرح ساده‌ی سيستم غشايي……………………………………………………………………………………………………….66
شكل 3-12 مقایسه‌ی روش‌هاي مختلف فيلتراسيون غشايي…………………………………………………………………………73
شكل 4-13 فرآيندهاي عبور جريان ورودي از غشا……………………………………………………………………………………….84
شکل 5-1-منحنی کالیبراسیون جذب اکسی تتراسایکلین………………………………………………………………………….105
شکل 5-2- شکل شماتیک عملکرد پایلوت سیستم غشایی…………………………………………………………………………113
شکل 5-3 شکل شماتیک عملکرد پایلوت جاذب کربن فعال دانه ای و بنتونیت…………………………………………114
شکل 5-۲ تحلیل یکپارچگی محلی ایستگاه دروازه شمیران………………………………………………………………………105
شکل 5-4- دستگاه جارتست……………………………………………………………………………………………………………………….115
شکل 5-5 دستگاه اسپکتوفتومتر موجود در آزمایشگاه………………………………………………………………………………..116
شکل 5-6 نمایی از پایلوت غشایی RO………………………………………………………………………………………………………..116
شکل5-7-آزمایش جذب با لایه های مساوی و نسبت 50% از کربن فعال دانه ای و بنتونیت……………………118
شکل 5-8-نمودار حذف اکسی تتراسایکلین و TDS در3 pH=……………………………………………………………….119
شکل 5-9-نمودار حذف اکسی تتراسایکلین و TDS در5 pH=……………………………………………………………….120
شکل 5-10-نمودار حذف اکسی تتراسایکلین و TDS در6.5 pH=…………………………………………………………121
شکل 5-11-نمودار حذف اکسی تتراسایکلین و TDS در9.5 pH=…………………………………………………………122
شکل5-12-پایلوت آزمایش انعقاد…………………………………………………………………………………………………………………124
شکل 5-13-نمودار حذف OTC در pHهای مختلف بعد از 30 دقیقه……………………………………………………..127
شکل 5-14-نمودار حذف OTC بعد از 12ساعت……………………………………………………………………………………….128
شکل 5-15-نمودار حذف OTC بعد از 30 دقیقه………………………………………………………………………………………129
شکل 5-16-نمودار حذف OTC بعد از 20ساعت……………………………………………………………………………………….130
شکل 5-17-نمودار حذفOTC و TDS در فشارهای مختلف و در6.5 pH=……………………………………………..133
شکل 5-18-نمودار حذفOTC و TDS در فشارهای مختلف و در5 pH=…………………………………………………134
شکل 5-19-نمودار حذفOTC و TDS در فشارهای مختلف و در3 pH=…………………………………………………135
شکل 5-20-نمودار حذفOTC و TDS در فشارهای مختلف و در9 pH=………………………………………………136
فصل اول کلیاتمقدمهمشكلات زیست‌محیطی ناشي از رهاسازي آنتی‌بیوتیک‌ها در منابع آبي تهديدي جدي به شمار می‌رود كه تعطيلي بسياري از واحدهاي توليدي را حتي در كشورهاي پيشرفته، موجب شدهاست. آنتی‌بیوتیک‌ها مواد دارويي باارزشي هستند كه از پيشرفت بسياري از بیماری‌های عفوني جلوگيري می‌کنند. توليد آنتی‌بیوتیک‌ها با توجه به مشكلات زیست‌محیطی آن در كشورهاي پيشرفته به‌ندرت صورت می‌گیرد و واحدهاي توليدي به كشورهاي درحال‌توسعه منتقل‌شده‌اند. در كشور ما نيز با توجه به گسترش اين واحدها لازم است تدابيري انديشيده شود تا دانش فني برخورد با عواقب اجتناب‌ناپذیر زیست‌محیطی این‌گونه واحدها با انجام تحقيقات لازم مدون گردد. از طرف ديگر با يك رويكرد سودمحور می‌توان واحدهاي توليد آنتی‌بیوتیک را تشويق به بازيابي محصول خود نمود و خطر بزرگ رهاسازي آنتی‌بیوتیک‌ها را در محیط‌زیست كاهش داد و عملكرد سيستم تصفيه فاضلاب اين واحدها نيز بهبود خواهد يافت. توليد اين دسته از داروها نيازمند هزينه بالا و فنآوری خاص خود است. اکسیتتراسایکلین يكي از آنتی‌بیوتیک‌های مهم در جلوگيري از بیماری‌ها است. پساب خروجي از واحد توليد آنتی‌بیوتیک‌ها اغلب حاوي مقدار زيادي آنتی‌بیوتیک است كه اکسیتتراسایکلین نيز يكي از آن‌هاست. در صورت جدا نكردن اين ماده ارزشمند از پساب واحد توليدي و رها شدن آن در پساب ضمن ايجاد مشكل در تصفيه بيولوژيكی اين پساب و مختل كردن عمليات تصفيه باعث ايجاد مقاومت در عوامل بیماری‌زا موجود در محیط‌زیست و مشكلات زیست‌محیطی می‌گردد.
فنآوری‌های فعلی معضلات بسیاری درراه زندگی بشر قرار داده است. آلودگی‌های زیست‌محیطی، حجم زیاد زباله‌ها و مواد زائد غیرقابل تجزیه، آلودگی بیش‌ازحد هوا، از بین رفتن تدریجی لایه ازن، بروز تغییرات شدید جوی، افزایش دمای زمین، بالا رفتن سطح آب اقیانوس‌ها و دریاها و بیماری‌های غیرقابل درمان‌ همه پیامدهای ناگواری است که فنآوری حاکم در اثر بی‌توجهی و استفاده ناصحیح بشر به ارمغان آوردهاست. آلودگی در محیط‌زیست به دلیل تنوع آلاینده‌ها متفاوت بوده و در این پژوهش تلاش می‌شود در خصوص آلاینده‌های سختتجزیه‌پذیر در محیط‌زیست، به‌خصوص آنتی‌بیوتیک‌ها و روش‌های تصفیه آن‌ها مطالبی ارائه شود.

1-۲ ضرورت انتخاب موضوعامروزه بسیاری از منابع آبی و خاک به وسیله فاضلاب‌های صنعتی دچار آلودگی می‌روند. به‌منظور جلوگیری از آسیب‌های جدی در محیط‌زیست، می‌بایست در ابتدا این فاضلاب‌ها تصفیه و سپس به محیط دفع شوند.
آنتی‌بیوتیک‌ها ازجمله آلاینده‌های سخت تجزیه‌پذیر زیستی بوده که در محیط‌زیست به دلیل ایجاد مقاومت ژنتیکی اهمیت خاصی دارند. لذا تصفیه آن‌ها ضروری بوده و روش‌های متداول تصفیه نیز قادر به حذف آن‌ها نمی‌باشند.
به منظور افزایش کارایی و همچنین امکان مقایسه با سایر پژوهش‌های موجود، آلاینده دارویی با ساختار آلی به نام اکسی تتراسایکلین (OTC) انتخاب شد. این ماده جزء خانواده تتراسایکلین بوده و به عنوان آنتی‌بیوتیک کاربرد وسیعی در درمان عفونت‌های گوارشی و تنفسی دارد و همچنین به‌عنوان محرک رشد برای دام، طیور، ماهی‌ها و زنبورعسل استفاده می‌شود. این دارو در فاضلاب صنایع داروسازی و مراکز دام‌پروری به مقدار قابل‌توجهی وجود داشته که به دلیل سخت تجزیه‌پذیر بودن در تصفیه متداول بیولوژیکی قابل‌حذف نیست.]۱[
1-۳ اهداف تحقیق1-۳-۱ هدف کلیبه‌طورکلی هدف اصلی تصفیه و جلوگیری از انتشار آنتی‌بیوتیک‌ها به خاک و آب زیرزمینی و جلوگیری از به هدر رفتن این ماده باارزش و کنترل آلودگی محیط‌زیست می‌باشد.
1-۳-۲ اهداف جزئیرسیدن به درصدهای حذف بالای آنتی‌بیوتیک اکسیتتراسایکلین
بررسی کارایی روش‌های جذب، انعقاد و فیلتراسیون غشایی در حذف آنتی‌بیوتیک اکسیتتراسایکلین
تعیین پارامترهای TDS، EC و OTC قبل از تصفیه و بعد از هریک از مراحل تصفیه
محاسبه حذف TDS، EC و OTC در کلیه مراحل تصفیه
تعیین عملکرد روش جذب با احتساب درصدهای متفاوتی از کربن فعال و گل بنتونیت
تعیین عملکرد روش انعقاد با احتساب تغییرات pH و میزان ماده منعقدکننده
تعیین عملکرد روش فیلتراسیون غشایی با احتساب تغییرات pH و فشار
تعیین بهینه حذف TDS و OTC در هر یک از روش‌ها و مقایسه
1-۴ فرضیه پژوهشروش فیلتراسیون غشایی درصد حذف بالاتری نسبت به سایر روش‌های مورد مطالعه در این پژوهش را دارا می‌باشد.
جهت دستیابی به این اهداف در فصل اول مختصری در خصوص آنتی‌بیوتیک‌ها و مشکلات زیست‌محیطی آن‌ها مطرح ‌شده و مختصری در مورد خصوصیات اکسیتتراسایکلین ارائه ‌شدهاست. در فصل دوم به تعریف روش‌های مختلف حذف OTC از فاضلاب پرداخته و چند روش را جهت بررسی دقیق‌تر انتخاب می‌کنیم. در فصل سوم نیز مطالعات کتابخانه‌ای انجام‌ شدهاست. در فصل چهارم روش تحقیق و نحوه راه‌اندازی پایلوت‌ها و نتایج آزمایش‌ها گزارش‌ شدهاست و در فصل پنجم جمع‌بندی نتایج و پیشنهادی در خصوص ادامه کار ارائه‌ شدهاست.
فصل دومادبیات پژوهش2-۱ مقدمهآلودگی در محیط‌زیست به دلیل تنوع آلاینده‌ها متنوع بوده اما به‌طورکلی به سه دسته تقسیم می‌شوند:
آلاینده‌هایی که به‌راحتی قابل‌ تجزیه زیستی هستند نظیر ضایعات و پس‌مانده‌های خانگی.
آلاینده‌هایی که به‌سختی تجزیه می‌شوند، نظیر ترکیبات شیمیایی صنعتی، مواد حد واسط نفت خام و بعضی از حشره‌کش‌ها.
آلاینده‌هایی که مقاوم به تجزیه زیستی هستند نظیر نفت خام، پلاستیک‌ها و ترکیبات پتروشیمی.
دو روش جهت حذف آلودگی وجود دارد:
– تجزیه شیمیایی ترکیبات آلاینده به محصولات مناسب‌تر و قابل‌قبول‌تر؛
– جذب و تغلیظ مواد سمی خاص به موادی که بتوانند با یک روش بی‌خطر، دائم دور ریخته شوند.
روش‌های تصفیه بیولوژیکی همیشه برای مواد سمی پاسخگو نیستند. آلاینده‌های مقاوم به تجزیه بیولوژیکی می‌بایست از روش‌های پیشرفته دیگری تصفیه شوند تا قابل تخلیه به محیط‌زیست باشند. بسته به ماهیت و ساختار شیمیایی آلاینده انتخاب روش تصفیه مؤثر اهمیت ویژه‌ای دارد.]۲[
دسته‌ای از آلاینده‌های سخت تجزیه‌پذیر، داروها هستند که برای تحریک یک پاسخ فیزیولوژیکی در انسان، حیوانات، باکتری‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها طراحی‌شده‌اند. طی دهه گذشته در مورد اثرات مضر دارو بر انسان و محیط، نگرانی‌های زیادی وجود داشته و تحقیقات نشان دادهاست که بعد از گذراندن طول دوره درمان، داروها به‌طور مستقیم در محیط رها می‌شوند. در بین ترکیبات مختلف دارویی، آنتی‌بیوتیک‌ها از طریق افزایش باکتری‌های مقاوم، یکی از بزرگ‌ترین آلاینده‌های زیست‌محیطی محسوب می‌شوند.]۲[
2-۲ آنتی‌بیوتیک چیست؟آنتی‌بیوتیک‌ها ترکیبات شیمیایی بوده که به‌صورت بیولوژیکی توسط برخی از گیاهان تولیدشده و میکروارگانیسم‌هایی نظیر باکتری، قارچ یا آغازی (پروتوزوآ) را از بین برده و یا رشد آن‌ها را متوقف می‌کنند.]۳[
2-۳ اطلاعات اولیه2-۳-۱ تاریخچه آنتی‌بیوتیکتاریخچه استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها به زمان‌های بسیار دور برمی‌گردد. ۳۷۷-۴۶۰ سال قبل از میلاد مسیح از سولفید آرسنیک در درمان زخم‌ها استفاده می‌شد. اما استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها به‌عنوان محرک رشد در تغذیه دام و طیور قدمت چندانی ندارد. در سال ۱۹۴۶ اثر محرک رشد اسید ۳-نیترو ۴-هیدروکسی فنیل آرسنیک در طیور کشف شد. در سال ۱۹۴۹ استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها برای پیشگیری، درمان، بهبود راندمان تغذیه و عملکرد در انسان و حیوانات آغاز شد. مواد طبیعی با خاصیت ضد میکروبی (موادی از شیرترش گرفته تا لاک‌پشت‌ها) از هزاران سال قبل مورداستفاده بوده‌اند، اما عصر آنتی‌بیوتیک‌های مدرن از سال ۱۹۲۶ با کشف الکساندر فلمینگ در خصوص تولید یک قارچ کپکی ضد باکتری از جنس پنی سیلیوم آغاز شد. از آن هنگام تاکنون تعداد زیادی از آنتی‌بیوتیک‌ها با منشأ طبیعی و مصنوعی ساخته‌شده‌اند. در اتحادیه اروپا این مقادیر به بیش از ۱۰۰ تن به ازای هر عضو رسیدهاست آنتی‌بیوتیک‌ها بیشترین داروهایی بوده‌اند که در اتحادیه اروپا مصرف می‌شوند، این مقدار معادل ۱۰۰۰۰ تن در سال می‌باشد. هم‌اکنون مقادیر قابل‌توجهی آنتی‌بیوتیک در آب‌های آشامیدنی مشاهده ‌شده که باعث کاهش کیفیت آب می‌شود. حضور غالب آنتی‌بیوتیک‌ها به دلیل قدرت زیست‌تخریب‌پذیری کم، سمیت زیاد، خاصیت سرطان‌زایی و جهش‌زایی، اختلال در سیستم‌های تصفیه بیولوژیکی و ایجاد مقاومت بیولوژیکی در محیط‌زیست حائز اهمیت می‌باشند]۳[.
مکانیزم عملکرد آنتی‌بیوتیک‌ها در حذف عوامل بیماری‌زا از دو طریق می‌باشد:
غیرفعالسازی پروتئین میکروارگانیسم؛
تخریب ساختار شیمیایی پروتئین میکروارگانیسم.
مهم‌ترین اثرات آنتی‌بیوتیک‌ها در بدن انسان و حیوان عبارت‌اند از:
– از بین بردن و یا مختل کردن رشد عوامل بیماری‌زا؛
– بهبود جذب مواد مغذی از طریق کاهش ضخامت اپیتلیوم روده؛
– کاهش برگردان سلول‌های اپیتلیال روده و افزایش راندمان جذب در آن‌ها؛
– کاهش تحرک مواد در دستگاه گوارش و افزایش راندمان جذب مواد مغذی؛
– کاهش رشد میکروارگانیسم‌های مولد آمونیاک و یا سایر ترکیبات ازته مسی؛
– افزایش قابلیت دسترسی و یا جذب برخی از مواد مغذی؛
– جلوگیری و پیشگیری از بروز برخی بیماری‌های عفونی در دستگاه گوارش؛
– تحریک سنتز برخی ویتامین‌ها و یا سایر فاکتورهای رشد.]۴[
2-۳-۲ طبقه‌بندی آنتی‌بیوتیک‌هاآنتی‌بیوتیک‌ها از دو طریق ساختار شیمیایی و نحوه عملکرد دسته‌بندی می‌شوند. ازلحاظ ساختار شیمیایی آن‌ها می‌توانند آنیونی، کاتیونی و خنثی بوده، همچنین می‌توان آن‌ها را به دسته‌های مختلف بر اساس نوع ساختارشان به زیرگروه‌هایی مانند B-lactam، Sulfo–e، TetracyclineوMacrolide تقسیم کرد.]۵[
آنتی‌بیوتیک‌ها ازلحاظ عملکرد به زیرگروه‌های زیر تقسیم می‌شوند:
ممانعت از سنتز دیواره سلولی
متداول‌ترین مکانیزم فعالیت آنتی‌بیوتیک، تداخل در سنتز دیواره سلولی باکتری است. بیشتر آنتی‌بیوتیک‌های مؤثر بر دیواره سلولی تحت عنوان آنتی‌بیوتیک‌های بتالاکتام مانند پنی‌سیلین‌ها، سفالسپورینها، سفامایسین، کرباپنم، مونوباکتام و مهارکننده‌های بتالاکتاماز طبقه‌بندی ‌شده‌اند و با توجه به مشترک بودن حلقه بتالاکتام در ساختار آن‌ها به این نام خوانده می‌شوند.]۶[
ممانعت از سنتز پروتئین
آنتی‌بیوتیک‌های آمینوگلیکوزید از غشاء خارجی باکتری (در باکتری‌های گرم منفی)، دیواره سلولی و غشا سیتوپلاسمی عبور کرده و به سیتوپلاسم می‌رسند و بااتصال غیرقابل‌برگشت به پروتئین‌های ۳۰ریبوزومی، سنتز پروتئین‌های باکتری را مهار می‌کنند. این اتصال دو اثر بر روی ریبوزوم دارد، یکی تولید پروتئین‌های نادرست و ناقص که درنتیجه غلطخوانی RNA پیام‌بر mRNA بوده و دیگری تداخل در سنتز پروتئین به‌وسیله آزادشدن نابهنگام ریبوزوم از mRNA می‌باشد.]۵[
مهار سنتز اسید نوکلئیک
این دسته از آنتی‌بیوتیک‌ها به RNA پلی مراز وابسته به DNA متصل شده و شروع سنتز RNA را مهار می‌کنند. ریفامپینها معمولاً با یک یا چند آنتی‌بیوتیک تجویز می‌شوند. زیرا مقاومت نسبی به ریفامپین در باکتری‌های گرم مثبت ناشی از جهش در ژن کروموزومی بوده که زیرواحد بتا در RNA پلی مراز را کد می‌کنند.]۶[
آنتی متابولیت ها
سولفانامیدها، آنتیمتابولیت هستند که با پارا آمینوبنزوئیک اسید رقابت کرده و درنتیجه از سنتز اسیدفولیک که برای میکروارگانیسم‌های خاص ضروری بوده جلوگیری می‌کنند. تری متوپریم آنتیمتابولیت دیگری است که در سنتز اسیدفولیک مداخله کرده، درنتیجه از تبدیل دیهیدروفولات به تتراهیدروفولات جلوگیری می‌کند.]۵[
2-۴- اکسیتتراسایکلیناکسیتتراسایکلین از خانواده تتراسایکلینها (شکل2-۱) بوده و اولین بار در سال ۱۹۴۹ توسط Woodward شناسایی شد. این ماده از طریق مهار سنتز پروتئین باکتری مانع رشد و تکثیر آن‌ها می‌شود.
ماده اکسیتتراسایکلین با نام تجاری ترامایسین که درآب محلول بوده با فرمول مولکولی C۲۲H۲۴N۲O۹٫۲H۲O وزن مولکولی ۴۹۶ gr/mol، pH برابر 6.5 دارای دو طول موج جذبی ۲۹۰ و ۳۴۸ نانومتر مربوط به گروه‌های عاملی کربونیل (-C=O-)و هیدروکسیل می‌باشند.]۷[
این دارو در درمان بروسلوز، سوزاک، نوعی از آنفولانزا، ذات‌الریه، عفونت‌های دهان، دندان و آکنه در انسان، عفونت‌های مجاری تنفسی و گوارشی طیور و نشخوارکنندگان استفاده می‌شود. همچنین این دارو جایگزین پنی‌سیلین در بیماران حساس به پنی‌سیلین می‌باشد. در سال‌های ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۰، 4.5 تن از این دارو برای مصارف انسانی و دامی گزارش‌ شدهاست. همچنین مطابق با آمار وزارت بازرگانی در ایران از سال ۱۳۸۷ تا ۱۳۹۰ مقدار ۷۰۰ تن از این دارو از کشورهای چین، بلژیک و آلمان وارد ایران شدهاست.
برخلاف عملکرد مؤثر این دارو، موجب مقاومت ژنتیکی شده و با یون‌های کلسیم و منیزیم موجود در محیط کمپلکس تشکیل داده و در استخوان‌های درحالرشد رسوب می‌کند. این دارو در خاک و منابع آب‌های زیرزمینی شناسایی‌شده و مقدار حضور این ماده در فاضلاب کارخانه‌های داروسازی ۲۰-۸۰۰ میلی‌گرم برلیتر و در آب‌های سطحی 0.3۸-۲۰ میلی‌گرم بر لیتر گزارش ‌شدهاست.]۸[

شکل 2-۱- ساختار مولکولی خانواده تتراسایکلین ها]۸[
2-۵ آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط‌زیستطي سال‌های ۱۹۹۹و ۲۰۰۰ سازمان زمین‌شناسی ایالات‌متحده‌ی آمريكا، اولين برنامه‌ی ملي را درزمینهی شناسايي آلاینده‌های آب‌های سطحي در ۱۳۹ جريان آب سطحي از ۳۰ ايالت آمريكا اجرا نمود. به‌طورکلی ۹۵ آلاینده‌ی مختلف ازجمله آنتی‌بیوتیک‌ها، داروهاي با نسخه و بدون نسخه، هورمون‌ها و آستروئیدها . محققان هشدار دادند كه مناطق انتخاب‌شده، محل‌هایی بوده‌اند كه اخیراً ميزان دفع پساب‌های شهري و كشاورزي به آن‌ها افزایش‌ یافتهاست.
برنامه‌های مشابهي جهت شناسايي آلاینده‌های موجود در ساير جریان‌های سطحي و آب‌های زيرزميني دردست اقدام است.]۹[
در سال ۱۹۹۶ حدود ده هزار تن آنتی‌بیوتیک در اتحادیه اروپا مصرف ‌شده که تقریباً ۵۰ درصد از آن در دامپزشکی به عنوان محرک رشد بوده‌است. طبق اطلاعات فدراسیون سلامت حیوانات در اروپا (IFAH) در سال ۱۹۹۹ حدود ۱۳۲۸۸ تن آنتی‌بیوتیک در اروپا و سوئیس به‌کار رفته که ۶۵ درصد آن برای درمان انسان، ۲۹ درصد آن در دامپزشکی و ۶ درصد آن به عنوان محرک رشد استفاده شدند.
اگر داروها در تصفیه بیولوژیکی فاضلاب یا در خاک و سایر تقسیمات محیطی حذف نشوند، به آب‌های سطحی، زیرزمینی و آشامیدنی راه می‌یابند. آنتی‌بیوتیک‌هایی که متابولیزه نمی‌شوند، اغلب به محیط‌های آبی راه می‌یابند. آنتی‌بیوتیک‌های محرک رشد در دام‌پروری، توسط حیوانات دفع شده و به درون خاک و آب‌های زیرزمینی نفوذ می‌کنند.]۱۰[
غالب آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط‌های آبی به طور جزئی تجزیه می‌شوند. به طور مثال کینولون ها به مقدار قابل‌توجهی به لجن فاضلاب، خاک و رسوبات جذب سطحی شده و تجزیه نمی‌شوند. ویرجینیامایسین یک آنتی‌بیوتیک افزودنی به ماده غذایی بوده که به‌صورت خوراکی برای رشد در دام‌پروری استفاده می‌شود. این آنتی‌بیوتیک در خاک‌های مختلف با یک نیمهعمر طولانی مورد توجه زیستی قرار می‌گیرد. این یافته‌ها نشان داده‌اند که تجزیه زیستی آنتی‌بیوتیک‌ها در فاضلاب ناشی از گیاهان دارویی و سایر قسمت‌های محیط، یک روند کامل برای حذف آنتی‌بیوتیک نیست.]۱۱[
غلظت‌های پایین‌تر از حد درمانی نقش مهمی در انتخاب باکتری‌های مقاوم و انتقال ژنتیکی در باکتری‌های معین ایفا می‌کند. در معرض قراردادن باکتری‌ها به غلظت‌های پایین‌تر از حد درمانی مواد ضد میکروبی، علت افزایش بروز سویه‌های مقاوم است. مقاومت می‌تواند به سایر باکتری‌های موجود در محیط‌های دیگر از قبیل آب‌های زیرزمینی یا نوشیدنی منتقل شود.]۱۱[
به‌طورخلاصه مشکلات ایجادشده توسط آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط‌زیست شامل موارد زیر می‌شود:
مقاومت ژنتیکی
ترکیب با سایر مواد در محیط و تولید مواد سمی
اختلال در تصفیه‌خانه‌های بیولوژیکی
حذف موجودات ذره‌بینی مفید و غیرمفید در خاک
نفوذ در بدن جانداران و گیاهان از طریق خاک و آب و تولید مواد سمی
مهم‌ترین مشکل آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط‌زیست، ایجاد مقاومت ژنتیکی بوده که گاهی جهش باکتری‌ها خودبه خودی رخ می‌دهد. معمولاً این جهش منجر به تغییر در اتصال یا محل قرارگرفتن (گیرنده) می‌شود، به‌طوری‌که ترجمه و توصیف بی‌اثر آنتی‌بیوتیک را به دنبال دارد. معمولاً تغییراتی که توسط اثر جهش‌ها به وجود می‌آید روی کروموزوم DNA رخ می‌دهد. بااین‌حال باکتری‌ها می‌توانند به‌سرعت با کسب ژن مقاومت از باکتری‌های دیگر، بسیار مقاومت نشان دهند. این عمل، مقاومت قابل‌انتقال در برابر آنتی‌بیوتیک نامیده شده که عمدتاً به عنوان یک نتیجه از تقسیم باکتری‌هاست. برای پیشگیری از ایجاد مقاومت آنتی‌بیوتیکی در انسان می‌بایست به سه اصل توجه کرد:
استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها برای پیشگیری از بیماری‌های عفونی می‌بایست به حداقل برسد.
از آنتی‌بیوتیک‌هایی که مصرف آن‌ها در بین انسان‌ها زیاد است، نمی‌بایست در دام و طیور استفاده کرد.
آنتی‌بیوتیک‌ها را نمی‌بایست به عنوان محرک رشد در تغذیه دام و طیور استفاده کرد و برای بهبود رشد بهتر است از پروبیوتیک ها استفاده شود.]۱۲[
2-۶ منابع و نحوه انتشار آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط‌زیستازجمله مواردی که می‌توان به آن‌ها اشاره کرد فاضلاب‌های شهری و پساب صنایع داروسازی و کودهای حیوانی و ضایعات دام‌پروری است که به‌اختصار به هریک از این موارد اشاره ‌شدهاست.
فاضلاب‌های شهری:
وجود این دسته از مواد در فاضلاب منازل و بیمارستان‌ها اغلب از دفع بدون تغییر برخی از آنتی‌بیوتیک‌ها از بدن بیماران، دور ریخت داروهای تاریخ‌مصرف گذشته و… منشأ می‌گیرد.
فاضلاب‌های صنعتی:
پساب صنایع داروسازی و کارخانه‌های تولیدکننده ‌این مواد حاوی غلظت بالای آنتی‌بیوتیک می‌باشند که اغلب بدون حذف توسط سیستم تصفیه واحد تولیدی به‌طور مستقیم وارد محیط‌های آبی می‌شوند. در حقیقت آنتی‌بیوتیک‌ها به دلیل داشتن خاصیت ضد میکروبی مانع فعالیت باکتری‌ها در سیستم تصفیه بیولوژیکی شده و با مختل کردن این سیستم بدون حذفشدن از آن عبور می‌کنند.
کودهای حیوانی و ضایعات دام‌پروری:
آنتی‌بیوتیک‌های دامداری از طریق واحدهای تولیدی، خروجی فرآیند، ترکیبات دفعشده از مواد استفاده‌نشده یا منهدمشده، جریانات روسطحی، پساب‌های ناشی از فعالیت کشاورزی و دامداری وارد محیط‌زیست می‌شوند. بسته به منبع اولیه پساب و زمینه کاربردی استفاده از کود حیوانی و نوع آنتی‌بیوتیک استفاده‌شده اهمیت هرکدام از مسیرهای انتقال مشخص می‌شود. میزان آنتی‌بیوتیک دفعشده بسته به نوع آنتی‌بیوتیک، میزان استعمالشده از آن، نوع و سن حیوان متفاوت است. برای مثال کلرتتراسایکلین استفاده‌شده برای هر گاو ۷۰ میلی‌گرم در روز به عنوان بهبوددهنده رشد بودهاست که در هر گرم از مدفوع تازه آن، این میزان ۱۴ میکروگرم بودهاست.]13و14[
2-۷ نگرانی از انتشار آنتی‌بیوتیک در محیط‌زیستآنتی‌بیوتیک‌های آزادشده به محیط‌های آبی باعث نگرانی‌هایی ازجمله موارد زیر می‌گردند:
آلاینده آب‌های خام اولیه تصفیه‌شده و برگشتی می‌باشند که به عنوان آب شرب، آبیاری و احیا به کارمی‌شوند.
روی باکتری‌های مهم اکوسیستم تأثیر منفی بر جای می‌گذارند(از طریق مرگ یا مانع‌شدن آن‌ها).
بین ۳۰ تا ۹۰ درصد میزان ورودی بیشتر آنتی‌بیوتیک‌ها به بدن انسان و حیوان در ادرار به عنوان ماده فعال دفع می‌شود. آنتی‌بیوتیک‌ها اغلب در آب محلول بوده و از طریق سیستم‌های فاضلاب پس از مصرف، فضولات انسانی و حیوانی، از طریق آب خروجی مزارع و کشتزارها، گورستان‌های زباله بخصوص زباله‌های بیمارستانی وارد محیط‌های آبی می‌شوند.
حجم آنتی‌بیوتیک‌های استفاده‌شده برای مصارف دامپزشکی از موارد انسانی بیشتر است زیرا برای مواد متعددی ازجمله بهبوددهنده رشد دام استفاده می‌شوند. یافته‌های اخیر در آمریکا و آلمان نشان می‌دهد که بیش از ۱۵ نوع آنتی‌بیوتیک در جریان‌های دریافتی از پساب‌های شهری و صنعتی یا خروج از فعالیت‌های کشاورزی و دامداری وجود دارد] ۱۳و۱۵ .[
استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها از آغاز کار آن‌ها به عنوان یک داروی مؤثر باعث بحث بیشتری بر روی اثر زیان‌آوری آن‌ها به دلیل استفاده بیش‌ازحد و یا استعمال آن‌ها گردید. ایجاد مقاومت در باکتری‌های سمی محیط‌زیست به دلیل استفاده وسیع آنتی‌بیوتیک‌های تجویزشده در پزشکی و دامپزشکی باعث ایجاد خطر در انسان و دام مبتلا به این بیماری‌ها می‌شود. همچنین فرآیندهای موجود در اکوسیستم‌های آبی که به‌طور وسیعی با فعالیت‌های بیولوژیکی سروکار دارند نظیر دنیتریفیکاسیون، تثبیت نیتروژن و سایر فرآیندها مثل شکستن مواد آلی و غیره؛ همه آن‌ها به‌گونه‌ای می‌توانند توسط آنتی‌بیوتیک‌ها باز داشتهشوند. اثرات مشابه در تجهیزات تصفیه فاضلاب که باکتری‌ها در آن‌ها به منظور انجام فرآیند تصفیه وفق داده‌شده و استفاده می‌شوند نیز رخ می‌دهد.]۱۶و۱۷[
با توجه به مشکلات ناشی از دفع پساب واحدهای تولید آنتی‌بیوتیک به محیط‌زیست که حاوی غلظت بالایی از آنتی‌بیوتیک و سایر مواد مضر می‌باشند، تولید آنتی‌بیوتیک‌ها ( با توجه به مشکلات زیست‌محیطی آن) در کشورهای پیشرفته به‌ندرت صورت می‌پذیرد و واحدهای تولیدی به کشورهای درحال‌توسعه منتقل‌شده‌اند. تولید این دسته از داروها نیازمند هزینه بالا و فنآوری خاص خود است. در کشور ما نیز با توجه به گسترش این واحدها لازم است تا برای عواقب اجتناب‌پذیر زیست‌محیطی این‌گونه واحدها راه‌حلی با انجام تحقیقات لازم اندیشیده شود. از طرف دیگر با یک رویکرد سودمحور می‌توان واحدهای تولید آنتی‌بیوتیک را به بازیابی محصول خود تشویق نموده و خطر بزرگ رهاسازی آنتی‌بیوتیک‌ها را در محیط‌زیست کاهش داده و در پی آن عملکرد سیستم تصفیه فاضلاب این واحدها نیز بهبود خواهد یافت.
فصل سومروشهای حذف3-۱ مقدمهبا توجه به ضرورت حذف آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط، روش‌های مختلفی برای حذف آن‌ها توسط محققین انجام ‌شده که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. عملیات فیزیکی مانند استخراج فاز مایع، جذب و غشایی در حذف آنتی‌بیوتیک‌ها به‌کاررفته است. فرآیندهای بیولوژیکی، فرآیندهای شیمیایی مانند الکتروشیمی، امواج صوتی، اکسیداسیون شیمیایی و اکسیداسیون پیشرفته نیز برای تصفیه آنتی‌بیوتیک‌ها، مفید گزارش‌شده‌اند. همچنین فرآیندهای نوین که شامل استفاده از نانو مواد در فرآیندهای شیمیایی و فتوکاتالیستی بوده در ادامه به شرح هریک از این فرآیندها پرداخته می‌شود.
3-۲ روش‌های فیزیکیدر روش‌های فیزیکی، عموماً آلاینده از طریق یک مکانیزم فیزیکی از فاضلاب یا خاک‌آلوده جدا شده و در ساختار شیمیایی آلاینده تغییری حاصل نمی‌شود. لذا این روش‌ها برای تغلیظ آلاینده به عنوان یک فرآیند پیش‌تصفیه مناسب‌تر است.
3-۲-۱ استخراج فاز مایعدر این روش آلاینده با یک عامل کمپلکسدهنده واکنش داده و تشکیل کمپلکس می‌دهد. کمپلکس ایجادشده در فاز آبی دیگر محلول نبوده و با استفاده از یک حلال آبی از فاز آبی به فاز آلی منتقل می‌شود و به‌این‌ترتیب استخراج آلاینده صورت می‌گیرد. این روش برای استخراج فلزات خانواده لانتانیدها و اکتنیدها از فاضلاب اتمی در صنایع هسته‌ای اهمیت ویژه‌ای دارد. با وجود گران بودن عوامل کمپلکسدهنده و حلال‌های آلی و بازیافت مجدد حلال‌های آلی و عامل کمپلکسدهنده، این روش چندان جایگاهی برای استخراج و حذف آنتی‌بیوتیک‌ها نداشته و فقط در صنایع هسته‌ای حائز اهمیت است. همچنین در صنایع هسته‌ای از فلز استخراج‌شده از فاضلاب می‌توان استفاده مجدد کرد اما در مورد آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده مجدد معنی ندارد. در این روش فقط آنتی‌بیوتیک از فاضلاب جداسازی شده و تخریب مولکولی انجام نمی‌شود. عوامل مؤثر در راندمان این روش، pH، نوع عامل کمپلکسدهنده، نوع حلال، زمان تماس، غلظت آلاینده و غلظت عامل کمپلکسدهنده می‌باشند.]۱۸[
3-۲-۲ جذبفرآیند جذب یکی از روش‌های متداول در حذف آلاینده‌های آلی در محیط آبی می‌باشد. در این روش، دما، غلظت آلاینده، نوع جاذب، زمان تماس، pH، سطح تماس و سرعت اختلاط اهمیت دارند. کربن فعال جزء جاذب‌های متداول در تصفیه آلاینده‌های مقاوم بیولوژیکی بوده و برای حذف آنتی‌بیوتیک‌های زیادی استفاده می‌شود. راندمان حذف در محدوده ۹۰-۹۹ درصد بوده و مشکل اصلی در این روش احیا مجدد کربن و تخریب نشدن مولکول آنتی‌بیوتیک می‌باشد. همچنین در صورت حرارت دادن کربن امکان تشکیل VOCs وجود دارد.]۱۹[
زئولیت های طبیعی و مصنوعی نیز در حذف آنتی‌بیوتیک‌ها مؤثر هستند. راندمان حذف توسط آن‌ها به دلیل داشتن گروه‌های عاملی مفید در ساختار آن بالا بوده اما تهیه آن‌ها هزینه زیادی داشته و تصفیه، احیا جاذب و تخریب نشدن ساختار آلاینده به قوت خود باقی است.]۲۰و۲۱[
3-۲-۳ غشاییفرآیندهای غشایی نیز در حذف آلاینده‌های سختتجزیه‌پذیر بیولوژیکی به کار می‌روند. فرآیندهای غشایی مورداستفاده در حذف آنتی‌بیوتیک‌ها الترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس بوده که راندمان حذف در این فرآیندها ۹۰-۹۹ درصد می‌باشد. راهبری این سیستم‌ها بسیار پرهزینه و غشاها به‌سادگی دچار گرفتگی و تخریب می‌شوند. همچنین تخریب ساختار مولکولی نیز انجام ‌نشده و آنتی‌بیوتیک‌ها در لجن حاصل‌شده باقی می‌مانند.]۲۲[
3-۳ فرآیندهای بیولوژیکیبه‌طورکلی آنتی‌بیوتیک‌ها برای میکروارگانیسم‌ها سم محسوب شده ولی بااین‌حال با استفاده از بعضی سیستم‌های هوازی و بی‌هوازی عمل تصفیه صورت گرفتهاست. تصفیه بیولوژیکی یک روش ارزان‌قیمت و مناسب برای حذف آلاینده‌ها می‌باشد. لذا برای آلاینده‌های سختتجزیه‌پذیر زمان تطبیق لجن با فاضلاب طولانی بوده، همچنین در مورد راندمان حذف نمی‌توان پیش‌بینی یکسان داشت و به‌طورمعمول مقادیر آن پایین می‌باشند.]۲۳و۲۴[
3-۴ فرآیندهای شیمیاییبا توجه به اینکه آلاینده‌های مقاوم بیولوژیکی تصفیه پیچیده‌تری نسبت به سایر ترکیبات شیمیایی دارند، روش‌های شیمیایی نیز پیشنهاد مناسبی برای تصفیه این دسته از آلاینده‌ها میباشند.
فرآیند اکسیداسیون توسط اکسنده‌های شیمیایی، الکتروشیمی، امواج صوتی، اکسیداسیون پیشرفته و فتوکاتالیستی جزء این گروه از فرآیندها بوده‌اند.
با توجه به اثرات ناگوار يادشده ناشي از در معرض قرارگيري در مقابل غلظت‌های ناچيز تركيبات دارويي در طولانی‌مدت، لزوم تلاش جهت شناسايي وضعيت آب‌های سطحي و زيرزميني و نيز آب آشاميدني مورداستفاده در شهرهاي كشورمان ايران، و نيز مطالعه و شناسايي روش‌هاي مؤثر در حذف تركيبات موردبحث از آب آشاميدني بیش‌ازپیش واضح و روشن خواهد شد.
نتايج مطالعاتي كه تاکنون منتشرشدهاست، بيانگر آن است كه متأسفانه روش‌هاي متداول تصفیه‌ی آب آشاميدني كه عمدتاً در كشور ما از آن‌ها استفاده می‌شود در حذف تركيبات هورموني و آنتی‌بیوتیک‌ها بهجز در موارد استثنايي، مؤثر نيستند.]۲۵[
از روش‌هايي كه عمدتاً در حذف تركيبات هورموني و آنتی‌بیوتیک‌ها و بنا بر برخي شواهد، ساير تركيبات دارويي مؤثرند، می‌توان به روش‌هاي پیشرفته‌ای همچون جذب به‌وسیله‌ی كربن فعال، اسمز معكوس و اكسيداسيون به‌وسیله‌ی كلر و ازن و نانوفيلتراسيون اشاره نمود.
در این پژوهش به بررسی دقیق روش‌های فیزیکی (جذب، انعقاد و اسمز معکوس) پرداخته و نتایج مقایسه شدهاست.

فصل چهارممطالعات کتابخانهای4-۱ مقدمهبا توجه به مطالب ارائه‌شده در خصوص مضرات اکسیتتراسایکلین به عنوان یک آلاینده زیست‌محیطی در فصل دوم و روش‌های مختلف تصفیه آن در فصل سوم، در این فصل مروری بر تحقیقات صورت گرفته در سال‌های اخیر در خصوص قابلیت این روش‌ها در حذف آلاینده‌ها و روش‌های تصفیه اکسیتتراسایکلین ارائه ‌شدهاست.
4-۲ پیشینه تحقیقدر این بخش با توجه به‌ مرور منابع فارسی و لاتین سعی گردیده تا مقالات موجود در این زمینه در یک دسته‌بندی ارائه گردند.
طی چند سال گذشته تحقیقاتی درزمینه آنتی‌بیوتیک‌ها در صنایع داروسازی انجام ‌شدهاست. با جستجو در کتب و مجلات معتبر در جدول4-۱ به صورت اجمالی به چندی از این مقالات اشاره ‌شدهاست.
جدول 4-۱- تحقیقات پیشین درزمینهی آنتی‌بیوتیک‌ها
ردیف مدل پیشنهادی کاربرد مدل محقق/محققان سال ارائه
۱ استفاده از فنآوری غشایی جداسازی آموکسی سیلین از پساب دارویی هاشمی ۱۳۸۸
۲ استفاده از فنآوری نوین فیلتراسیون غشایی جداسازی آموکسی سیلین از پساب دارویی واصبی ۱۳۸۳
۳ استفاده از غشاهای نانو فیلتریشن جداسازی آموکسی سیلین از پساب دارویی شاه طالبی ۱۳۸۹
۴ ———– اندازه‌گیری مواد دارویی در پساب کارخانه‌های داروسازی و روش‌های حذف آن‌ها نبی بید هندی ۱۳۸۸
5 استفاده از لجن فعال و سیستم‌های غشایی RO و NF جداسازی سفکسیم از پساب دارویی محقق ۱۳۹۱
6 فرآیند تلفیقی اکسایش و اکسایش نوری بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر در فرآیند تلفیقی اکسایش و اکسایش نوری برای حذف OTC توسط نانو ذرات آهن حسن‌زاده ۱۳۹۲
7 مقایسه کربن فعال آماده‌شده توسط ماکروویو و روش‌های گرمایش متداول حذف OTC از فاضلاب توسط کربن فعال لیو هانگ ۲۰۱۱
8 فرآیند اکسیداسیون شیمیایی حذف همزمان OTC و سولفامتازین از فضولات حیوانی توسط فرآیند اکسیداسیون شیمیایی مری اوکر و دیگران ۲۰۰۹
9 رآکتور چندمسیره بی‌هوازی متوالی/(AMCBR) (CSTR) سیستم رآکتور اختلاط کاملحذف اکسی تتراسایکلین در فاضلاب داروییدلیا ترسا ۲۰۱۲
4-۳ روش‌های تصفیه اکسیتتراسایکلینامروزه تعداد بسیاری از ترکیبات آنتی‌بیوتیکی به دلیل اهمیتشان در درمان دارویی در سطح وسیع مورد استفاده قرار می‌گیرد. هنوز حضور مواد آنتی‌بیوتیکی در محیط‌های آبی یک موضوع درحالرشد است که اکثراً از صنایع دارویی قابل‌استفاده برای دام و انسان وارد فاضلاب می‌شود.
حدود ۳۰-۹۰ درصد مقدار داروی مصرف‌شده به‌صورت غیرقابلتجزیه در بدن انسان یا حیوان باقی می‌ماند که عمدتاً دفع می‌گردند.]۲۶[
اگرچه تولیدات دارویی، به طور خاص برای نمایش نیمهعمر پایین طراحی‌شده‌اند، اما آنتی‌بیوتیک‌های بسیاری نیز مانند گروه‌های آمپی‌سیلین، اریترومایسین، سولفامتوکزازول، تتراسایکلین و پنی سیلیلول نمی‌توانند حتی توسط تصفیه فاضلاب حذف شوند و درصورتی‌که در ادامه وارد محیط‌زیست شود خطرهای جدی اکولوژیکی را بههمراه دارد.]۲۷[
تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که آنتی‌بیوتیک‌های بی‌شماری دارای طبیعت سمی در برابر جلبک‌ها و سایر ارگانیسم‌های پایین‌تر هستند که می‌توانند تأثیر غیرمستقیم درازمدت روی پایداری اکولوژیکی بگذارند.]۲۸[
تتراسایکلینتتراسایکلین‌ها خانواده‌ای از آنتی‌بیوتیک‌های باکتری‌کش هستند که در مقابل باکتری‌های مختلف گرممنفی و گرممثبت، مایکوپلاسماها، کلامیدیاها و ریکتزیاها فعال می‌باشند. تتراسایکلین برای درمان آکنه نیز استفاده می‌شود. همچنین به دلیل جذب آن توسط استخوان از آن به عنوان نشانگر در بررسی‌های رشد استخوان‌ها در بیوپسی های انسانی استفاده می‌شود. این داروها با اتصال به ریبوزوم از پروتئین‌سازی جلوگیری می‌کنند. تتراسایکلین‌های گوناگون (مثل داکسیسایکلین، مینوسایکلین، اکسیتتراسایکلین و…) فعالیت ضدمیکروبی مشابه ولی خواص فارماکولوژیک متفاوت دارند.
ساختارهمان‌طور که از نام تتراسایکلین‌ها برمی‌آید، این داروها شامل چهار حلقه سایکلیک با سه گروه R مختلفمی‌باشند.]۷[

شکل 4-۱- ساختار تتراسایکلینها]۷[
بنابراین حذف بقایای تتراسایکلین از محیط به عنوان یک موضوع جدی مطرح می‌شود. اگرچه حذف تتراسایکلین هزینه زیادی را می‌طلبد، اما صنایع دارویی به‌طور خاص باید فاضلابشان را در سطحی که بتواند وارد محیط‌زیست شود تصفیه کنند.]۲۹[
به منظور حذف OTC از عملیات فیزیکی مانند جذب و فتولیز و فرآیندهای بیولوژیکی و شیمیایی ازجمله ازن زنی، فتوکاتالیستیUV/TiO2، اکسیداسیون پیشرفته(UV/H2O2) و فنتون استفاده‌ شدهاست.
به‌ عنوان ‌مثال در تایلند خاک ‌آلوده بهOTC که پیش‌تر برای پرورش میگو بهکار می‌رفت را با دانه‌های سویا به عنوان جاذب (مقدار mg/kg soil ۱۰۵OTC) پس از ۱۰ روز، با راندمان ۸۰ درصد پاک‌سازی کردند. همچنین در فرآیندهای جذب با فعال‌تر کردن سطح کربنفعال به وسیله اسیدفسفریک و امواج ماکرو، در pH برابر 2.8 میزان جذب OTC از mg/g ۵۳۷ به mg/g۵۶۴ ارتقا یافتهاست.]۳۰و۳۱[
در عملیات فتولیز، OTC با غلظت mg/L۴۰در pH برابر ۹ به مدت ۲۴۰ دقیقه تحت تابش UV-A با توان W۵۰۰ قرارگرفته که 13.5 درصد حذف کل کربن آلی (TOC) و ۹۰ درصد حذف خود مولکول را به دنبال داشتهاست. نتایج آنالیز نشان دادند که ساختار اصلی OTC تخریب نشده و فقط یک گروه آمینی و یک گروه هیدروکسیل از آن حذف ‌شدهاست. همچنین سینتیک تخریب OTC به طور دقیق از مدل مرتبه اول پیروی کرده و با افزایش قیمت اولیه OTC از۱۰ به mg/L ۴۰ ثابت سرعت واکنش از 1min- 0.0۱۴۱ به 1min-۰٫۰۰۷۵کاهش ‌یافتهاست. در این فرآیند یون‌های نیترات با غلظت ppm ۵۰ به دلیل ایجاد رادیکال هیدروکسیل سبب افزایش سرعت واکنش شده و ثوابت سرعت را از 0.0099 به 1min- 0.0151 ارتقا دادند.]۳۲[
در فرآیند لجن فعال با MLSS، mg/L۳۰۰۰ در pH معادل ۷، غلظت ppb۲ از OTC طی ۱۲۰ دقیقه به میزان ۷۴ درصد و در یک هاضم بی‌هوازی با دمای ۳۵ درجه سلسیوس، pH برابر ۷ غلظت mg/L۱۰از OTC پس از ۶۴ روز به میزان۶۰ درصد حذف ‌شدهاست.]۳۳و۳۱[
علاوه بر این، راندمان حذف OTC با غلظت اولیه mg/L ۱۰۰در فرآیند ازنزنی با مقدار ۲۴ گرم بر ساعت در pH برابر ۱۱ پس از ۶۰ دقیقه ۹۹ درصد گزارش ‌شده که در محدوده زمانی ۵ تا ۳۰ دقیقه ازنزنی محصول تولیدشده بسیار سمی‌تر از ماده اولیه است.]۸[
همچنین ۸۸ درصد OTC با غلظت mg/L ۱۰۰در pH برابر ۷ توسط فرآیند فتوکاتالیستی 2 UV/TiOکه در آن نانوذرات 2TiO با زئولیت به نسبت ۱۵درصد وزنی مخلوط بوده، پس از گذشت ۲۱۰ دقیقه حذف و یون‌های کلرید، سولفات و نیترات تا غلظت mmol/L ۱۰ هیچ مزاحمتی به دلیل جذب توسط زئولیت نداشتند.۷۰درصد OTC با غلظت اولیه mg/L ۱۰۰در فرآیند فنتون با نسبت ۱به ۱۰ آهن به پراکسید هیدروژن و pH برابر 2.6، پس از ۱۲۰ دقیقه تجزیه ‌شدهاست. سینتیک واکنش با ثابت سرعت 1M-۱S 1199مرتبه دوم بوده و تابع غلظت آهن و H2O2 بودهاست.]۲۰[
در فرآیند UV/H2O2 با استفاده از توان تابشی W۱۱ و مقدار Mm ۱پراکسیدهیدرژن، نمونه حاوی µM5 از OTC با pH برابر ۸ پس از ۲۰ دقیقه به طور کامل تخریب‌ شده اما مقدار حذف TOC فقط ۱۰ درصد بوده است. در مطالعه سینتیکی مدل مرتبه دوم صادق بوده و ثابت سرعت حذف OTC برابر 1M-۱S- 6.96×۹۱۰ و تابع غلظت OTC و رادیکال هیدروکسیل بودهاست.
همچنین حضور یون‌های نیترات، سولفات، بی‌کربنات و کلرید با غلظت‌های به ترتیبppm ۱۳۲، ۶۰، ۳۰۰ و ۱۰۷ به دلیل کاهش راندمان تولید رادیکال هیدروکسیل، سرعت واکنش حذف را به‌شدت کاهش دادند.]۳۴[
مقدارgr/L ۵ OTC در PHبرابر ۴ توسط ۳۰ gr/L Cu2O در مجاورت نور مرئی (لامپ متال هالید ۲۵۰ وات) در مدت ۴ ساعت واکنش داده، پارامترهای جذب و TOC به ترتیب با راندمان ۸۸ و ۶۵ درصد حذف شدند. علاوه بر این با توجه به تحقیقات انجام‌شده یون‌های کلسیم و منیزیم کمپلکس پایداری با OTC تشکیل داده و مانع حذف آن می‌شوند.]۳۵[
در این پژوهش به بررسی روش‌های جذب، انعقاد و فیلتراسیون غشایی پرداخته و مقایسه‌ای برای یافتن شرایط بهینه انجام خواهد شد.
4-3-1 تصفیه آلاینده‌ها توسط جذب از طریق جاذب کربن فعال و گل بنتونیتدو روش اصلی حذف مواد محلول در تصفیه‌ی آبوفاضلاب وجود دارد: تبدیل بیولوژیکی و تبدیل غیر بیولوژیکی (فرآیند فیزیکی- شیمیایی). ازجمله فرآیندهای فیزیکی- شیمیایی میتوان به جذب سطحی، تعویض یونی، فیلتراسیون غشایی، اکسیداسیون شیمیایی و ترسیب اشاره کرد. نوع فرآیند موردبررسی در هر مورد مخصوص با توجه به ویژگی‌های فاضلاب انتخاب می‌شود. برای مثال، در مورد جذب، مواد غیرقطبی مثل اکثر ترکیبات آلی به‌راحتی توسط کربن فعال جذب می‌شوند که یک جاذب غیرقطبی است، درحالی‌که مواد قطبی نیاز به جاذب قطبی مثل ژل سیلیس (Silica Gel) دارند [۳۶ و ۳۷]. در حالت کلی جاذبها به سه دسته تقسیم می‌شوند:
الف) ترکیبهای حاوی اکسیژن: غالباً هیدروفیلیک و قطبیاند مثل ژل سیلیس و زئولیت؛
ب) ترکیبهای پایه کربنی: غالباً هیدروفوبیک و غیرقطبی‌اند مثل کربنفعال و گرافیت؛
ج) ترکیبهای پایه پلیمری: قطبی و غیرقطبی در ماتریس متخلخل پلیمری.
در جذب سطحی اصلیترین انواع مواد جذب‌کننده شامل کربنفعال، پلیمرهای مصنوعی و سیلیکای دارای توانایی جذب می‌شود. پلیمرهای آلی و سیلیکای دارای توانایی جذب در فرآیند جذب فاضلاب به‌ندرت استفاده می‌شوند، زیرا دارای هزینه‌ی بالایی هستند. در عمل تقریباً فقط کربن برای حذف مواد غیرقطبی بهکار میرود. دلیل اصلی آن‌هم بحث اقتصادی می‌باشد. به علت حجم آبی که باید تصفیه شود و دامنه‌ی وسیع ترکیبات که در اکثر آب‌ها یافت می‌شوند هر دو فاکتور مهم میباشند. به‌علاوه، جاذب موفق نباید خود آب را جذب کند (مثل ژل سیلیس)، پس جذب از آبوفاضلاب محدود به مواد غیرقطبی می‌شوند.
در تعریف پدیده‌ی جذب، میتوان گفت جذب، تجمع مواد روی سطح مشترک می‌باشد. این سطح مشترک ممکن است مایع- مایع، مایع- جامد، گاز- مایع و یا گاز- جامد باشد. به‌عبارت‌دیگر، جذب، فرآیند جمعکردن موادی که در آب یا فاضلاب به‌صورت محلول میباشند بر روی یک سطح است. این فرآیند، فرآیند انتقال است که در آن ماده‌ی جایگزینشونده از فاز یک مایع به فاز جامد منتقل می‌شود. ماده‌ی جذب‌شونده هم ماده‌ای است که در حال حذفشدن از فاز مایع در سطح مشترک می‌باشد. ماده‌ی جذب‌کننده دارای فاز جامد، مایع یا گاز می‌باشد که مواد جذب‌شونده را جمع می‌کند. در این میان تنها حالت جذب مایع- جامد به‌وفور در آبوفاضلاب استفاده میگردد. مواد محلول یا تمایل به تجمع در سطح مشترک دارند یا بر اساس مقاومت نسبی جذب خودشان یا جاذب از سطح مشترک پخش می‌شوند. درنتیجه مولکولهای غیر قطبی تمایل به مهاجرت به سمت سطح مشترک دارند.[۳۶]
4-3-1-1 معرفی کربن فعال
مواد پایهکربنی طیف وسیعی از جاذبهای صنعتی را تشکیل میدهند که شاخصترین آن‌ها کربنفعال است. کربنفعال نوعی گرافیت آمورف و به‌شدت متخلخل است. طبق تعریف، کربنفعال جامدی بسیار متخلخل، غیرقطبی و آمورف است که حاوی میکروکریستال با شبکه‌های گرافیتی می‌باشد. سطح ویژه‌ی بالا m2/g )۱۵۰۰–۵۰۰)، تخلخل زیاد و طیف وسیع عملکرد سطحی، کربنفعال را به یک جاذب پرکاربرد تبدیل کردهاست. خصوصیات کربنفعال به ماده‌ی خامی که از آن تولید شده (چوب، زغال‌سنگ، لیگنین، پوست نارگیل و غیره) و نحوه‌ی فعال‌سازی وابسته است. کربنفعال پودری به طور صنعتی در اروپا در ابتدای قرن ۱۹ میلادی با استفاده از چوب به عنوان ماده‌ی خام تولید شد. اولین استفاده از کربنفعال در تصفیه‌ی آب به سال ۱۹۳۰ در آمریکا برمیگردد که برای حذف بو و مزه از آبهای آلوده استفاده شد. [۳۸]
فرآیند فعال‌سازی کربن باعث ایجاد فضا بین کریستالهای ابتدایی گرافیت شده و علاوه بر آن باعث ایجاد ترکهایی در ساختار متخلخل کربن، موازی و یا عمود بر صفحات گرافیت می‌شود. بدین شکل سطح ویژه‌ی کربن افزایش می‌یابد. فرآیند فعال‌سازی به دو صورت فیزیکی و شیمیایی انجام می‌شود. در فرآیند فیزیکی در ابتدا ماده‌ی خام ۶۰۰ – ۵۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود تا مواد فرار آن تخلیه شود. سپس گازهای اکسیدی مانند 2CO با دمای ۱۰۰۰ – ۸۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد به آن دمیده می‌شود که باعث توسعه‌ی تخلخل و سطح ویژه‌ی آن می‌شود. تفاوت اصلی بین فعال‌سازی شیمیایی و فیزیکی تعداد مراحل موردنیاز فعال‌سازی می‌باشد. فعال‌سازی شیمیایی در یک مرحله رخ میدهد، درحالی‌که فعال‌سازی فیزیکی در دو مرحله شامل کربوناسیون و فعال‌سازی انجام میگردد. کربنهای فعالشده در دمای ۴۰۰ – ۲۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد معمولاً اکسیدهای اسیدی و محلولهای pH پایین به وجود میآورند. آن‌ها بازها را جذب میکنند و هیدروفیلیک هستند. کربنفعال در دمای ۱۰۰۰ – ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد اکسیدهای بازی و محلول با pH بالا به وجود میآورند و اسید جذب میکنند[۳۸].
ازلحاظ اندازه، کربنفعال به دو صورت موجود می‌باشد یکی کربنفعال پودری (PAC) که معمولاً دارای قطری کمتر از ۷۵/۰ میلی‌متر (الک ۲۰۰) می‌باشد و کربن فعال دانهای (GAC) که دارای قطری بیشتر از ۱/۰ میلی‌متر (تقریباً الک ۱۴۰) می‌باشد، ویژگی‌های کربن دانهای و پودری در جدول 4-۲ خلاصه‌شده است [۳۹].
جدول 4-۲ – ویژگی‌های کربن فعال دانهای و پودری]۳۹[
پارامتر واحد کربن فعال دانهای کربن فعال پودری
کل سطح مقطع



قیمت: 11200 تومان

متن کامل پایان نامه ها در 40y.ir

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *