Ieškoma pažangių vandens valymo technologijų

Dalia Buivydienė

Kauno technologijos universiteto Aplinkosaugos technologijos katedros doktorantė

2016-03-09

Tai, kad vanduo yra gyvybės šaltinis, aišku kiekvienam. Apie tai, kad jį teršiame, taip pat nereikia aiškinti. Naftos produktai, trąšos, pesticidai – šios cheminės medžiagos nuolat minimos, kai kalba pasisuka apie vandens taršą. Tačiau tai dar ne viskas. Pastaruoju metu, vis didėjant žmonių populiacijai ir tobulėjant sveikatos apsaugai, iškyla naujų, anksčiau nepastebėtų problemų.

Tam tikri plačiausiai paplitę vaistai, pavyzdžiui, antibiotikai, kai kuriose šalyse yra vartojami tokiais pat kiekiais kaip pesticidai ir parduodami be recepto. Nepaisant to, nuosekli medikamentų analizė ir kontrolė dėl patekimo į aplinką, kokia būtina kitiems cheminiams produktams – neatliekama. Neatliekami ir vaistų ilgalaikio poveikio mažomis koncentracijomis testai ar reakcijos, esant mišiniuose su kitomis medžiagomis. Dėl šios priežasties jų buvimo aplinkoje pasekmės yra beveik nežinomos (Fatta-Kassinos, Meric, Nikolaou, 2011).

Nors vaistai kuriami siekiant išgydyti ligas ir padėti žmonėms bei gyvuliams išgyti, aktyviųjų preparatų medžiagų, t. y. originalių junginių ar metabolitų gali patekti į aplinką ir egzistuoti, nors jų koncentracija labai maža. Viena iš pagrindinių vaistinių preparatų patekimo priežasčių – šalutiniai metabolizmo produktai, dėl kurių išskyrimo šios medžiagos patenka į nuotekų valymo įrenginius. Jų valymo eigoje kai kurie medikamentai nėra visiškai suskaidomi. Dėl šios priežasties tam tikra dalis medžiagų kartu su išvalytu nuotekų vandeniu gali patekti į aplinką (Cunningham ir kt. 2006).

Nesame apsaugoti nuo vandens užterštumo medikamentais

Nors Lietuvoje geriamasis vanduo – gruntinis, mes taip pat nesame 100 proc. apsaugoti nuo vandens užterštumo medikamentais. Siekiant apsisaugoti nuo įvairių sunkiai skaidomų teršalų poveikio žmogaus sveikatai, nuolat dirbama siekiant išrasti naujas vandens valymo technologijas, tokias kaip pažangieji oksidaciniai metodai. Būtent šioje srityje Kauno technologijos universiteto Aplinkosaugos technologijos katedroje intensyviai atliekami tyrimai.

Įgyvendinant projektą „Sinergetinis DBI plazmos technologijos modifikavimas pramonės nuotekų valymui“ (MIP024/14), doktorantas Martynas Tichonovas sukonstravo dielektrinio barjerinio išlydžio (DBI) reaktorių (1 pav.), valantį iš vandens vaistus. Šis reaktorius veikia neterminę plazmą (NTP) generuodamas elektroninėmis iškrovomis vandenyje arba dujų sąlyčio su vandeniu metu, taip formuojant oksiduojančius radikalus (H•, O•, OH•) ir vandenilio peroksido ar ozono molekules (Lukes et al., 2005), kurie veiksmingai skaido teršalų molekules. Toks vandens valymo metodas yra priskiriamas pažangiajai oksidacijai.

Tyrimui pasirinkti medikamentai: diklofenakas, ketoprofenas ir karbamazepinas – dažnokai aptinkami valytose nuotekose (Ternes, 1998; Ternes ir kt. 2001;), paviršiniuose (Ahrer, Scherwenik, Buchberger, 2001; Soulet et al., 2002) ar net gruntiniuose (Sacher et al., 2001) vandenyse.

Vieno ar kelių kombinuotų pažangių oksidacijos metodų taikymas prieš arba po biologinio valymo gali ženkliai sumažinti aktyviųjų vaistinių medžiagų kiekį nuotekose ar geriamajame vandenyje. Jie taip pat gali prisidėti naikinant atsparias bakterijas, atsirandančias nedidelės medikamentų koncentracijos vandenyje (Schwartz ir kt., 2003).

Skaidytas diklofenakas

Siekiant nustatyti optimalias vaistų skaidymo sąlygas (optimalų reaktoriaus galingumą ir oro debitą), atliktas eksperimentas naudojant 10 mg/l diklofenako tirpalą. Pastebėta, kad optimaliausios sąlygos, reikalingos gauti didžiausią skaidymo efektyvumą, visų tarpinių junginių ir paties diklofenako yra panašios. Geriausias rezultatas pasiektas, kai oro debitas ? 8 l/min., o galingumas, 22–24 procentai.

Parinkus optimalias reaktoriaus veikimo sąlygas, toliau analizuota 7 papildomų priemonių kombinacijų įtaka skilimo procesams. Čia po pradinio apskaidymo pirmame reaktoriaus cilindre tirpalas siurbliu perkeltas į antrąjį, kuriame stebėta jų įtaka skilimo procesams. Visais atvejais skilimo efektyvumas buvo didžiausias, kai reakcijoje dalyvavo ozonas. Tai tik patvirtino šio metodo tinkamumą valyti vandenį.

Tirtas junginių toksiškumas

Siekiant išsiaiškinti vaistų skilimo metu susidariusių junginių toksiškumą, darytas ekotoksikologinis tyrimas, kuriame naudotas apvalytas vanduo. Jis atliktas banduomuoju organizmu pasirinkus uodo trūklio (lot. Chironomidae) lervas. Šie organizmai pasirinkti todėl, kad plačiai paplitę visame pasaulyje, brendimo laikotarpiu gyvena visiškai panirę po vandeniu ir minta dumbliais, kuriuos filtruoja iš vandens (Coffman, Ferrington, 1996).

Didžiausias uodo trūklio lervų mirtingumas pastebėtas pradiniuose tirpaluose, kuriuose visų 3 medikamentų koncentracija buvo 10 mg/l. Kaip tikėtasi, ir atliekant tyrimą su diklofenaku, ir su karbamazepinu, uodų mirtingumas buvo daug didesnis, lyginant su kontrole, kai naudotas tik modelinis vanduo. Įdomu tai, kad atliekant tyrimą su ketoprofenu, pastebėta, jog vandenyje esant šio medikamento uodų mirtingumas kai kuriais atvejais nėra didesnis nei kontrolinio varianto.

Vengrijos mokslininkai 2014 m. atliko ir aprašė ekotoksikologinius ketoprofeno tyrimus, atliktus su trijų skirtingų klasių organizmais, t. y. Pseudokirchneriella subcapitata žaliuoju dumbliu, Daphnia magna zooplanktonu ir Vibrio fischeri bakterijomis.

Bakterijų ir zooplanktono mirtingumas buvo daug mažesnis nei dumblių. Zooplanktonas D. magna, kai vandenyje buvo ketoprofeno, siekė < 10 proc. ir buvo mažiau jautrūs tarpiniams skilimo produktams. Dumblių mirtingumas buvo itin didelis ir siekė net iki 100 proc. (Illés ir kt., 2014). Toks skirtumas tarp aukštesnės ir žemesnės klasės organizmų galėtų paaiškinti mažą uodo trūklio lervų mirtingumą tiriant ketoprofeno poveikį.

Ieškoma optimaliausių vaistų skaidymo sąlygų

Siekiant sudaryti optimalias vaistų skaidymo sąlygas (2 pav.), kurias taikant uodo trūklio lervų mirtingumas būtų mažiausias, nustatyta, kad jis pasiekiamas, kai skaidymas vyksta 2,5 min., o II reaktoriuje naudojama katalizatoriaus ir ozono kombinacija. Tačiau būtina atkreipti dėmesį, kad tai tik tarpinis taškas, t. y. skaidant ilgiau, mirtingumas vėl ima didėti. Tai reiškia, kad susidarę mažai toksiški tarpiniai produktai toliau skyla, sudarydami junginius, kurių toksiškumas ima didėti. Dėl šios priežasties rekomenduojama medikamentus II DBI reaktoriuje skaidyti ne trumpiau nei 5 minutes. Kai laiko intervalas ilgesnis, ne ką mažiau efektyvus skaidymas vien ozonu. Dėl to ir dėl pastarojo metodo sąlyginai nedidelio reiklumo energijai, galima teigti, kad vaistų skaidymas DBI reaktoriuje be jokių papildomų priemonių yra optimaliausias.

2 pav. Skaidymo trukmės ir metodo įtaka uodų lervų mirtingumui, vertinant visus naudotus vaistus

Vis dėl to, norint padaryti vienareikšmišką išvadą, negalima apsiriboti tik šiais tyrimais. Vertėtų ne tik nustatyti vaistų skilimo metu susidarančius antrinius produktus ir įvertinti potencialų jų poveikį aplinkai, bet ir ištirti didesni kiekį medikamentų. Taip pat sparčiai tobulėjant pažangiosios oksidacijos metodams, reikėtų tarpusavyje palyginti jų efektyvumą. Tik tokiu būdu būtų galima parinkti ekologiškai ir ekonomiškai optimaliausią vandens valymo technologiją, prisidedant prie darnesnio pasaulio vystymosi. Dėl šios priežasties Kauno technologijos universiteto Aplinkosaugos inžinerijos katedros mokslininkai ir toliau kryptingai dirba, siekdami tobulinti vandens valymo įrenginius ir gerinti kiekvieno iš mūsų gyvenimo kokybę.

Parengta pagal užsienio ir Lietuvos mokslininkų tyrimų medžiagą.