Vanliga antibiotika från svinuppfödning bör hindras från att spridas i naturen. Sulfametizol (SMZ), Enrofloxacin (ENR) och Klortetracyklin (CTC) har undersökts med avskiljning i anaeroba bioreaktorer. CTC avskildes med adsorption, ENR med en kombination av adsorption och biologisk nedbrytning samt SMZ med adsorbtion, men bara i måttlig omfattning.
Av: Jörgen Hanaeus
Veterinärmedicinska antibiotika i avloppsvatten från svinuppfödning har väckt negativ uppmärksamhet för spridning i naturen. De vanliga: SMZ, ENR och CTC har utsatts för avskiljningsförsök i anaeroba bioreaktorer med kort uppehållstid.
Vid organisk belastning om 5-20 kg/m3, d i reaktorn avskildes SMZ, ENR och CTC till 0 %, 54 % resp 100 %. Avskiljningsmekanismerna var adsorption och/eller biologisk nedbrytning, olika för de tre produkterna.
Artikeln
I Kina finns hälften av världens grisar, där levererades mer än en halv miljard grisar till marknad år 2020.
Veterinärmedicinska antibiotika tillförs grisarnas föda för att hindra sjukdom och öka tillväxten. Då rester av antibiotikan sprids i naturen, främst genom avloppsvatten, gynnas tillväxten av antibiotikaresistenta bakterier. Kina har infört policys för att begränsa användningen, men fortfarande används stora mängder. Därför produceras stora avloppsvattenmängder med antibiotika.
Sulfonamider (SAs) och tetracykliner(TCs) är de mest frekvent använda veterinära antibiotika och fluoroquinoloner (FQs) är en starkt växande grupp. Då svinens metabolism inte bryter ner dessa antibiotika fullständigt utsöndras rester med fekalier och urin till avloppsvatten. Uppskattningsvis 14 % av TCs och uppemot 70 % av FQs har utsöndrats till omgivande miljö.
Högbelastade anaeroba bioreaktorer har använts för att behandla avloppsvatten från svinuppfödning. Där är granulärt slam (AnGS) en viktig komponent som ger god adsorptionsförmåga och därtill biologisk nedbrytning med god sedimenteringsförmåga.
Då påverkan på olika antibiotika i sådana reaktorer är oklar har här utförts experiment för att a) undersöka avskiljningsvägarna för några vanliga antibiotika och b) karakterisera AnGS’ förmåga till adsorption och biologisk nedbrytning.
Experiment
Sulfamethizol (SMZ), enrofloxacin (ENR) och klortetracyklin (CTC) valdes, ur de mest använda grupperna antibiotika, för experiment.
Slam till inoculum togs från en reaktor som behandlade avloppsvatten från pappersmassetillverkning. Karakteristika: Total Solids 172 mg/L, Volatile Solids 130 mg/L och genomsnittlig partikelstorlek för AnGS 2,84 mm.
Två liter AnGS hälldes i en självfloterande bioreaktor med en effektiv vätskevolym om3 L. Därefter tillfördes syntetiskt svinavloppsvatten med glykos som kolkälla. Under startperioden hölls COD-halten på 5-6 000 mg/L, därefter sänktes den hydrauliska uppehållstiden från 24 till 6 h varvid den organiska belastningen ökade från 5 till 20 kg/m3, d.
Under drift hölls den första veckan belastningen på 6 kg COD/m3, d (ingående COD 1 500 mg/L) och 5 mg/L av de tre valda antibiotika doserades. Hela försökstiden var den hydrauliska uppehållstiden 6 h.
Den andra veckan ökades belastningen till 20 kg COD/m3, d, (ingående COD 5 000 mg/L), i övrigt lika.
Den tredje veckan dubblades antibiotikadoserna till 10 mg/L, i övrigt lika.
Satsvisa skakförsök utfördes i liten skala där 1 g AnGS tillsattes en 50 mL-flaska som omskakades. Lösningar med 100 mg/L SMZ eller ENR, eller 500 mg/L CTC påfördes och skakning pågick i 48 h, varefter adsorptionsisotermer konstruerades.
För bionedbrytning tillsattes 5 g AnGS till 200 mL syntetiskt svineriavloppsvatten utan kolkälla. I försöksgrupp 1 var den enda kolkällan 50 mg/L antibiotika, i grupp 2 tillsattes dessutom 5 g/L glykos och i grupp 3 kompletterades antibiotikan med acetat, 5 g/L.
Resultat
I period 1 med låg organisk belastning och låg antibiotikatillsats var COD-reduktionen 90 %-ig. I period 2 där den organiska belastningen höjts var COD-reduktionen 73 % och i period 3 där även antibiotikatillsatsen höjts var COD-reduktionen 63 %.
Med ökande organisk belastning byttes ackumuleringen, som dominerats av propionat, mot acetat.
Under perioderna 1 och 2 var avskiljningen av SMZ, ENR och CTC 0, 72 resp 100 %. Under period 3 med högre antibiotikakoncentration blev värdena 0, 54 resp 100 %.
I reaktorn med kontinuerligt flöde var adsorption och bionedbrytning de dominerande mekanismerna. Antibiotikan adsorberades till AnGS. Två modeller provades: Thomas och Yoon-Nelson. Avskiljningen av SMZ och ENR beskrevs bättre av Thomas modell (R2 = 0,97 resp 1,00)
Efter 24 h var reaktorgranulerna mättade m a p SMZ och ingen bionedbrytning vidtog.
Under de första 120 h steg utgående halt ENR från 0 till 1,4 mg/L där den stabiliserades. Efter 48 h dominerade bionedbrytningen med 62 % av separationen.
CTC-halten i effluenten var knappt detekterbar under hela försöksperioden, vilket indikerade att reaktorn adsorberade CTC mycket väl.
Beträffande adsorptionsisotermerna följde SMZ- och CTC-adsorptionen Langmuirmodellen väl medan ENR-adsorptionen anslöt bättre till Freundlichisotermen. Angående kinetiken befanns en pseudo-first-order modell passa bäst för SMZ och CTC-adsorption medan en pseudo-second-order passade bäst för ENR-adsorption.
Slutsatser
Anaerobt granulärt slam avskilde de veterinära antibiotikumen sulfamethizole, enrofloxacin och chlortetracyklin via adsorption eller biologisk nedbrytning, olika för de olika produkterna.
Processvalet blir alltså mycket viktigt vid en selektiv separation av antibiotika.
Källa: Zeng, Z.a), Zheng, P.b), Kang, D.c), Li, W.b), Xu, D.b), Chen, W.b), Pan, C.b) & Guo, L.b) (2019) The removal of veterinary antibiotics in the high-rate anaerobic bioreactor: continuous and batch studies. Water Science & Technology
86.7, pp 1668-1680.
Författarna från:
Department of Environmental Science and Engineering, Faculty of Geosciences, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan, Peoples Republic of China
Department of Environmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 31 00 58, Peoples Republic of China
National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Engineering Research Center of Bejing, Bejing Univerity of Technology, Peoples Republic of China
Kontakt: emlabsubzju [a] 163.com
