Antibiyotiklerin Anaerobik Arıtımı, Toksisite Giderimi ve Biogaz Eldesi

Anaerobic Treatment of Antibiotics, Toxicity Removal and Biogas Production

Hakan ÇELEBİ1, Delya SPONZA2

1.Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü, Tınaztepe Yerleşkesi, Buca/İZMİR

hakan.celebi@deu.edu.tr

2.Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü, Tınaztepe Yerleşkesi, Buca/İZMİR

delya.sponza@deu.edu.tr

Özetçe

1.5 günlük hidrolik bekleme süresi (HBS) ve 3.2

kgKOİ/m3gün’lük organik yüklemede anaerobik çok kademeli

yatak reaktörün (AÇKYR) 30 günlük işletme sonunda

Oksitetrasiklin, Tilosin, Eritromisin ve Amoksisilinin giderim

verimleri %89, %90, %91 ve %88 olmuştur. Maksimum KOİ giderim verimleri sırasıyla %90, %91, %92 ve %89 olarak

saptanmıştır. Seçilen antibiyotikleri ayrı olarak içeren

AÇKYR’de oluşan toplam metan gazı miktarı 10.84 l/gün

olmuştur ve toplam gazdaki metan yüzdeleri %56, %60, %70,

%61 olarak ölçülmüştür. AÇKYR reaktör giriş ve çıkış sularında Daphnia magna ile yapılan akut toksisite testleri

sonucunda EC50 değerleri Tilosin EC50=2 mg/l, Eritromisin

EC50=1 mg/l, Oksitetrasiklin ve Amoksisilin EC50=1.5 mg/l.

Anahtar Kelimeler: Anaerobik Arıtım, Amoksisilin,

Eritromisin, Oksitetrasiklin, Tilosin, Daphnia magna (Su-

piresi).

Abstract

The performance of AMCBR reactor was monitored at a HRT

of 1.5 days and at a organic loading rate of 3.2

kgCOD/m3day. The removal efficiencies of antibiotics were

89%, 90%, 91% and 88% respectively, after 30 days of

operation period. The COD removal efficiencies were 90%,

91%, 92% and 89%. The total methane production was 10.841

l/day, while the methane percentage of total gas were 56%,

60%, 70%, 61% for Amoxycillin, Oxytetracycline, Tylosin and

Erythromycin antibiotics, respectively. The EC50 values of the

aforementioned antibiotics were l.5, 2 and 1 mg/l

respectively, with acute toxicity test carried out using Daphnia

manga.

Keywords: Anaerobic Treatment, Amoxycillin, Erythromycin,

Oxytetracyline, Tylosin, Daphnia magna(water flea).

1. Giriş

İlaç endüstrisinin anaerobik koşullarda arıtılabilirliği ile yapılmış çok az sayıda çalışma yer almaktadır [1]. Bu çalışma kapsamında seçilen antibiyotiklerin AÇKYR ‘de KOİ ve antibiyotik giderimleri, toplam, metan gazı üretimleri, metan yüzdesi ile akut toksisiteler izlenmiştir.

2. Materyal ve Metod 2.1.Anaerobik çok kademeli yatak reaktör sistem

Yüksek hızlı bir reaktör olup toksik, yüksek organik yüklü atıksu arıtımında kullanılır 4.5 l hacminde 3 hazneli olup alttan beslenmekte üstten arıtılmış atıksu alınmaktadır (Şekil 1).

2.1.1. Analitik Yöntemler

Gaz üretimleri sıvıların yer değiştirmesi yöntemi ile

ölçülmüştür [2]. KOİ kapalı reflux kolorimetrik yöntemi ile hesaplanmıştır [3]. Antibiyotik ölçümü EPA’nın belirlediği yönteme göre HPLC’de yapılmıştır.

2.1.2. AÇKYR reaktörün işletme parametreleri

HBS 1.5 gün, 2 l/gün debi, 3.2 kgKOİ/m3gün’lük organik

yüklemede antibiyotik konsantrasyonu 100 mg/l, 37±1 0C sıcaklık ve giriş KOİ konsantrasyonu 4000 mg/l olacak şekilde işletmeye alınmıştır.

Şekil 1. AÇKYR reaktör

2.2.Daphnia Magna Akut Toksisite Testleri

Test için kullanılan Daphnia magna’lar Dokuz Eylül Üniversitesi Çevre Mikrobiyolojisi laboratuarlarında yetiştirilmektedir. [3].

Tüm grafiklerde verilen değerler 3 numunenin ortalama değerleri alınarak belirlenmiştir.

2.3.Regresyon Analizleri

Regresyon analizleri Microsoft Excel’de yapılmıştır. (p<0.001)

3. Sonuçlar ve Tartışma 3.1.AÇKYR reaktörde KOİ giderimleri

AÇKYR’de KOİ giderme verimleri sırası ile %90, %91, %92 ve %89 olarak saptanmıştır. (Şekil 2, 3, 4 ve 5)

050010001500200025003000350040004500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

GünlerGünlerGünlerGünler

KOİ Kons. (mg/l)

KOİ Kons. (mg/l)

KOİ Kons. (mg/l)

KOİ Kons. (mg/l)

0

20

40

60

80

100

KOİ Giderimi (%)

KOİ Giderimi (%)

KOİ Giderimi (%)

KOİ Giderimi (%)

Çıkış ( mg /l) Giriş (mg/l) KOİ Giderimi (%)

Şekil 2. Oksitetrasiklin için KOİ giderme verimleri

050010001500200025003000350040004500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

GünlerGünlerGünlerGünler

KOİ Kons. ( mg /l)

KOİ Kons. ( mg /l)

KOİ Kons. ( mg /l)

KOİ Kons. ( mg /l)

0

20

40

60

80

100

KOİ

Gid

erim

i (%

)

Çıkış ( mg /l) Giriş (mg/l) KOİ Giderimi (%)

Şekil 3. Amoksisilin için KOİ giderme verimleri

0

500

10001500

2000

2500

30003500

4000

4500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

GünlerGün lerGün lerGün ler

KOİ Kons. ( mg /l)

KOİ Kons. ( mg /l)

KOİ Kons. ( mg /l)

KOİ Kons. ( mg /l)

0

20

40

60

80

100

KOİ Giderimi (%)

KOİ Giderimi (%)

KOİ Giderimi (%)

KOİ Giderimi (%)

Çıkış ( mg /L) Giriş (mg/L) KOİ Giderimi (%)

Şekil 4. Eritromisin için KOİ giderme verimleri

05001000

1500200025003000

350040004500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

GünlerGün lerGün lerGün ler

KOİ Kons. ( mg /l)

KOİ Kons. ( mg /l)

KOİ Kons. ( mg /l)

KOİ Kons. ( mg /l)

0

20

40

60

80

100

KOİ Giderimi (%)

KOİ Giderimi (%)

KOİ Giderimi (%)

KOİ Giderimi (%)

Çıkış ( mg/l) Giriş (mg/l) KOİ Giderimi (%)

Şekil 5. Tilosin için KOİ giderme verimleri

Mohan vd.(2001) tarafından yapılan çalışmada çeşitli

antibiyotikleri içeren ilaç endüstrisi atık sularının 1.25 kgKOİ/m3.gün organik yüklemede %80 KOİ giderme verimi olduğu saptanmıştır [4]. 3.2.AÇKYR reaktörde biyogaz üretimi

AÇKYR’de maksimum toplam ve metan gazları ile %metan sırasıyla Oksitetrasiklin için 121 l/gün-12.563 l/gün-%56, Amoksisilin 128 l/gün-12.96 l/gün-%60, Eritromisin 144 l/gün-13.432 l/gün-%70 ve Tilosin ise 121 l/gün-12.456 l/gün-%61 olarak saptanmıştır (Şekil 6, 7, 8, 9). Oluşan metan yüzdesinin %2,5’den fazla değişmediği ve bu açıdan da AÇKYR sistemin kararlı olduğu gözlenmiştir. Chelliapan vd.(2006); ilaç sanayi atıksularının anaerobik arıtımı

sonucunda oluşan gazın %85’inin metan olduğunu belirtmişlerdir [5].

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29Günler Günler Günler Günler

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

0

10

20

30

40

50

60

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Toplam Gaz Üretimi (ml/gün)Metan Gaz Üretimi (ml/gün)Metan Yüzdesi (%)

Şekil 6. Oksitetrasiklin için gaz ve %metan değerleri

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29Günler Günler Günler Günler

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

0

10

20

30

40

50

60

70

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Toplam Gaz Üretimi (ml/gün)Metan Gaz Üretimi (ml/gün)Metan Yüzdesi (%)

Şekil 7. Amoksisilin için gaz ve %metan değerleri

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29Gün ler Gün ler Gün ler Gün ler

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Toplam Gaz Üretimi (ml/gün)Metan Gaz Üretimi (ml/gün)Metan Yüzdesi (%)

Şekil 8. Eritromisin için gaz ve %metan değerleri

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29Günler Günler Günler Günler

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Toplam ve Metan Gaz

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

Üretimi (ml/gün)

0

10

20

30

40

50

60

70

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Metan Yüzdesi (%)

Toplam Gaz Üretimi (ml/gün)Metan Gaz Üretimi (ml/gün)Metan Yüzdesi (%)

Şekil 9. Tilosin için gaz ve %metan değerleri

1m3 biyogaz 4.70 kWh elektrik enerjisine eşdeğerdir [6].

Sistemden çıkan ortalama gaz değeri 325.115 l/gün hesaplanmıştır. Elde edilen biyogazın 1 günlük 50wh, 1 aylık 1550 wh olup yıllık üretimin ise 18870 wh’ı elektrik enerjisine eşdeğerdir. Tablo 1’de elde edilen metanın elektrik enerjisine dönüşümü ile çalıştırılabilecek aletler belirtilmiştir.

Tablo 1. Elde Edilen Biyogazla Laboratuarda Kullanılabilecek

Ekipmanlar

Cihaz Adı Eşdeğer Enerji (wh) Sonik Su Banyosu 575

Santrifüj 150 Mekanik karıştırıcı 1200

Blower 40 Termoreaktör 280

3.3.AÇKYR Reaktörde Antibiyotik Giderimleri

100 mg/l Oksitetrasiklin, Amoksisilin, Eritromisin ve Tilosin anaerobik inkübasyon sonunda sırasıyla giderim verimleri % 85, % 85, %90 ve %80 olarak saptanmıştır (Şekil 10, 11). Kim ve Burgess (2002) yaptıkları çalışmada anaerobik koşullarda Amoksisilin antibiyotiğinin giderme verimini %52 oranında gözlemişlerdir [7]. Bu çalışma farklı besiyeri bileşimleri kullanılmasına rağmen mevcut çalışmamız ile aynı oranda Amoksisilin giderimi vermektedir.

0

20

40

60

80

100

120

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

Gün lerGün lerGün lerGün ler

Oksitetrasiklin

Oksitetrasiklin

Oksitetrasiklin

Oksitetrasiklin

Konsantrasyonu (mg/l)

Konsantrasyonu (mg/l)

Konsantrasyonu (mg/l)

Konsantrasyonu (mg/l)

0

20

40

60

80

100

120

Amoksisilin

Amoksisilin

Amoksisilin

Amoksisilin

Konsantrasyonu (mg/l)

Konsantrasyonu (mg/l)

Konsantrasyonu (mg/l)

Konsantrasyonu (mg/l)

Oksitetrasiklin (mg/l) Amoksisilin (mg/l)

Şekil 10. Antibiyotik giderimleri

0

20

40

60

80

100

120

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

GünlerGün lerGün lerGün ler

Eritromisin

Eritromisin

Eritromisin

Eritromisin

Konsantrasyonu (mg/l)

Konsantrasyonu (mg/l)

Konsantrasyonu (mg/l)

Konsantrasyonu (mg/l)

0

20

40

60

80

100

120

Tilosin Konsantrasyonu

Tilosin Konsantrasyonu

Tilosin Konsantrasyonu

Tilosin Konsantrasyonu

(mg/l)

(mg/l)

(mg/l)

(mg/l)

Eritromisin (mg/l) Tilosin (mg/l)

Şekil 11. Eritromisin ve Tilosin antibiyotik giderimleri

3.4.AÇKYR Reaktörde Akut Toksisite Testleri

Tablo 2, 3 ve 4’te toksisite sonuçları verilmiştir. Sonuçlar daphnid’lerin yüzde ölüm oranı şeklinde belirtilmiştir. 24 saatlik inkübasyon süresinden sonra EC50 değeri (Daphnia

magna’nın %50’sini inhibe eden etki konsantrasyonu) seyrelme oranlarına göre belirlenmiştir. Bu oranlar Oksitetrasiklin, Amoksisilin, Eritromisin ve Tilosin için 0.1 oranına eşdeğer bulunmuştur.

Tablo 2. Oksitetrasiklin=100mg/L, HBS=1.5 gün, EC50=1.5 mg/l

Canlı Daphnia-magna Sayısı

GİRİŞ ÇIKIŞ

Seyrelme Oranı

T=0 T=24 Saat T=24 Saat 0

(0 S+100 ml A) 10 0 0

1/10 (10 S+90 ml A)

10 0 5

1/4 (25 S+75 ml A)

10 2 8

1/2 (50 S+50 ml A)

10 4 10

3/4 (75 S+25 ml A)

10 5 10

*S:safsu *A:atıksu

Tablo3. Amoksisilin=100mg/L, HBS=1,5 gün, EC50=1.5 mg/l

Canlı Daphnia magna Sayısı

GİRİŞ ÇIKIŞ

Seyrelme Oranı

T=0 T=24 Saat T=24 Saat

0 (0 S+100 ml A)

10 0 0

1/10 (10S+90 ml A)

10 0 5

1/4 (25 S+75 ml A)

10 0 9

1/2 (50 S+50 ml A)

10 3 9

3/4 (75 S+25 ml A)

10 5 10

*S:safsu *A:atıksu

Tablo 4. Eritromisin+Tilosin=100mg/L, HBS=1,5 gün, EC50=2 mg/l

Canlı Daphnia magna Sayısı

GİRİŞ ÇIKIŞ

Seyrelme Oranı

T=0 T=24 Saat T=24 Saat

0 (0 S+100 ml A)

10 0 0

1/10 (10 S+90 ml A)

10 0 5

1/4 (25 S+75 ml A)

10 2 9

1/2 (50 S+50 ml A)

10 3 9

3/4 (75 S+25 ml A)

10 4 10

*S:safsu *A:atıksu

Çıkış değerleri dikkate alındığında girişteki toksisitenin anaerobik reaktörde azaltıldığı belirlenmiş görülmektedir. Gartiser vd. (2007), inhibisyon testleri sonucunda Amoksisilin için EC50=2.72 mg/l olarak değiştiği saptanmıştır [8]. Flaherty vd. (2005) yaptıkları akut toksisite testlerinde Eritromisin

antibiyotiği için etki konsantrasyonunun 0.01-0.1 mg/l olduğunu belirtmişlerdir [9]. Bu çalışmalarda elde edilen değerler bulduğumuz sonuçlarla paralellik göstermektedir.

Bu çalışmada AÇKYR Reaktör kullanılarak Oksitetrasiklin, Tilosin, Eritromisin ve Amoksisilin içeren sentetik atıksularda anaerobik inkübasyon sonunda sırasıyla giderim verimleri % 85, % 85, %90 ve %80 olarak saptanmıştır. Ayrıca antibiyotiklerin toksisiteleri % 30- 60 oranlarında giderilmiş ve 1m3 metandan elde edilebilecek elektrik enerjisi ile de Tablo 1’de belirtilen bazı laboratuar aletlerinin çalıştırılmasının mümkün olduğu sonuçlarına varılmıştır. Ayrıca Oksitetrasiklin, Tilosin, Eritromisin ve Amoksisilin’in giderim verimleri, oluşan metan gazı ve toksisite arasında bir ilişkinin olduğu gözlenmiştir (r2=0.80, p<0.001)

Teşekkür

106 Y 306 numaralı proje ile bu araştırmayı kısmen destekleyen TÜBİTAK’a teşekkür ederiz

4. Kaynakça [1] Kim Y., Choi K., Jung J., Park P.G., Park J., 2007. Aquatic toxicity of acetaminophen, carbamazepine, cimetidine, diltiazem and six major sulfonamides, and their potential ecological risks in Korea. Environment International, 33, 370–375. [2] Beydilli M.I., Pavlosathis S.G., Tincher W.C., 1998. Decolorization and toxicity screening of selected reactive azo dyes under methanogenic conditions. Water Science and

Technology, 38 (4-5), 225-232. [3] Standard Methods for the examination of water and wastewater (2005)-8-104. [4] Mohan S.V., Prakasham R.S., Satyavathi B., Annapurna S.V., Ramakrishna S., 2001. Biotreatability studies of pharmaceuticals wastewater using an anaerobic suspended film contact reactor. Water Science Technology, 43(2), 271-276.

[5] Chelliapan S., Wilby T., Sallis P.J., 2006. Performance of an up-flow anaerobic stage reactor (UASR) in the treatment of pharmaceutical watewater containing macrolide antibiotics. Water Research, 40, 507–516.

[6] http://www.soleaenerji.com/images/Organik.pdf. [7] Kim, H., Burgess, D.J. (2002). Effect of drug stability on the analysis of release data from controlled release microspheres. Journal Microencapsulation, 19, 631-640. [8] Gartiser, S., Urich, E., Alexy, R., Kümmerer, K. (2007). Anaerobic inhibition and biodegradation of antibiotics in ISO test schemes. Chemosphere 66, 1839–1848. [9] Flaherty C.M., Dodson S.I. 2005. Effects of pharmaceuticals on daphnia survival, grpwth and reproduction. Chemosphere. 61, 200-207.