Ozonering och biologisk nedbrytning av isotopmärkta mikroföroreningar i avloppsvatten

Abstract (Swedish)

Implementation av ozonering som teknik på avloppsreningsverk är en av de lösningar som
har visat sig effektiv för att avlägsna läkemedelsrester och andra mikroföroreningar och förhindra
att de hamnar i naturliga vattendrag. Uppkomsten av transformationsprodukter till
följd av ozonering och hur väl ett efterföljande biologiskt reningssteg kan ta hand omdem ett
område där mer kunskap behövs.
I detta arbete har mineraliseringen av sex isotopmärkta substanser undersökts vid ozonering
och ett efterföljande biologiskt steg med biobärare under aeroba förhållanden. En position på
dessa ämnen är märktmed en 14C-atomsomkan spåras genom dess sönderfall (utsändandet
av fotoner vid reaktion med en scintillationsvätska) i scintillator. De undersökta ämnena var
diklofenak, ibuprofen, naproxen, karbamazepin, mecoprop och sulfametoxazol. Substanserna
har uppmärksammats som intressanta att övervaka i flera föreskrifter och ämneslistor.
Två undersökningar utfördes: undersökning av ozondosens inverkan på mineralisering och
undersökning av ozoneringens inverkan på biologisk nedbrytning. I den första undersökningen
utreddes fyra ozondoser: 0,3, 0,5, 0,7 samt 1 mg O3/mg DOC. Gemensamt för samtliga
ämnen var att mineraliseringen ökade med ökad ozondos. Högst mineralisering uppmättes
generellt vid den högsta dosen. Vid 1 mgO3/mg DOCmineraliserades diklofenak och ibuprofen
till 36 % respektive 37 %, och var de ämnen som uppnådde högst mineralisering. Mecoprop
och sulfametoxazol mineraliserades till 16 % respektive 21 % vid samma dos. Slutligen
mineraliserades naproxen och karbamazepin till 2 % respektive 9 % vid 1 mg O3/mg DOC,
och uppnådde således den lägstamineraliseringen av de undersökta ämnena.
I den andra undersökningen utreddes huruvida en ozondos på 1 mg O3/mg DOC hade en
inverkan på efterföljande biologisk nedbrytning över en tidsserie på 120 h. Vidare jämfördes
resultaten mot en kontrollserie med endast biologisk nedbrytning för respektive ämne.
För diklofenak, karbamazepin, mecoprop och sulfametoxazol hade ozoneringen en positiv
inverkan på mineraliseringen. För ibuprofen och naproxen hade ozoneringen en marginell
eller ingen invekan. Ozoneringens positiva inverkan på biologisk mineralisering (mätt som
skillnaden i procentuell aktivitet mellan ozonerad serie och kontrollserie) ökade kraftigt för
samtliga ämnen fram till 20 h varpå trenden planade ut. Karbamazepin och sulfametoxazol
hade den största skillnaden i mineraliseringen på 56 % respektive 49 % efter 120h. För diklofenak
och mecoprop låg skillnaden på 21 % respektive 30 %. Den lägsta skillnaden hade
ibuprofen och naproxen på 4 % respektive 10 %.

Abstract

The implementation of ozonation technology in sewage treatment plants is a solution that
has proven efficient in removing residual pharmaceutical substances and other micropollutants
to prevent their spreading in natural water bodies. The appearance of transformation
products originating from micropollutants as a result of ozonation, and how well biological
post treatment can remove these is a research area where more knowledge is needed.
In this study, the mineralization of six radiolabeled substances has been examined during
ozonation and biological post treatment with bio-carriers. One position on these substances
is marked with 14C which can be traced through its decay (emission of photons through reaction
with a scintillation fluid) in a photosensor. The examined substances were: diclofenac,
ibuprofen, naproxen, carbamazepine, mecoprop and sulfamethoxazole. These have all been
proposed as potential candidates to be included in lists of indicator substances by various
directives.
Two experiments have been performed: Study of the influence of ozone dosage on mineralisation
and study of the impact of ozonation on post-biological mineralization. In the first study,
four ozone doses were investigated: 0.3, 0.5, 0.7 and 1 mg O3/mg DOC. The mineralization
increased as the dose increased for all of the studied substances. The highest mineralization
was generally found on the highest dose. At a dose of 1 mg O3/mg DOC, the mineralization
of diclofenac and ibuprofen was 36% and 37%, respectively. These substances reached the
highest mineralization. Mecoprop and sulfamethoxazole reached a mineralization of 16 %
and 21%, respectively. The mineralization of naproxen and carbamazepine was 2% and 9%
respectively and thus displayed the lowestmineralization.
In the second study, the effect an ozone dose of 1 mg O3/mg DOC would have on biological
mineralization by bio-carriers was examined over 120h. Furthermore, the results were
examined against a control series without pre-ozonation which showed only the effects of
biological mineralization. For diclofenac, carbamazepine, mecoprop and sulfamethoxazole,
the ozonation had a positive impact on the biological mineralization. For ibuprofen and naproxen,
the impact was marginal or had no effect. The positive effect of ozonation on biological
mineralization (measured as thepercent difference in activity between the pre-ozonated
samples and control series) showed a clear increase for all substances up to 20 h after which
it plateaued. Carbamazepine and sulfamethoxazole had the largest difference in mineralization,
at 59 % and 49 % difference in activity respectively. For diclofenac and mecoprop the
difference was 21 % and 30 % respectively. The lowest difference was observed for ibuprofen
and naproxen at 4 % and 10 % respectively.

Popular Abstract (Swedish)

Kan ozon skydda vår miljö?
Ozon kan användas för att rena vårt avloppsvatten från läkemedel och andra föroreningar.
Genom att undersöka hur olika ämnen påverkas av ozon kan vi förbättra kvaliteten på det
vatten som släpps ut i våra sjöar och hav.
Läkemedel är livsnödvändigt för många människor och förhöjer livskvaliteten för ännu fler.
Dessvärre hamnar betydande mängder av alla ämnen vi äter i avloppet. Vattnet som spolas
ned i toaletten förs till ett avloppsreningsverk, där det renas bland annat genom att bakterier
äter eller tar upp det som finns i vattnet.Men bakterierna kan inte ta hand om alla ämnen.
De ämnen som inte tas bort hamnar istället i närmaste flod, sjö eller hav. Vissa ämnen som
inte tas bort på reningsverket kan vara farliga för djur- och växtliv. Läkemedel såsom antibiotika
är ett problem då de kan skapa antibiotikaresistenta bakterier. Men det finns också
andra ämnen som används i samhället som inte tas bort i reningsverken och som kan vara
negativt för miljön, t.ex. herbicider som dödar ogräs. Dessa ämnen kallas samlat för organiska
mikroföroreningar för att de är uppbyggda av organiska ämnen och finns i väldigt låga
koncentrationer i vattnet (upp till mikrogram) och trots den låga koncentrationen kan vara
farliga för miljön. På många platser vill man dessutom kunna återanvända avloppsvatten
och då är det extra viktigt att det inte finns några mikroföroreningar kvar i det. Annars kan
människor och djur påverkas negativt av dem.
För att förhindra att ämnena släpps ut i naturen behöver reningsverken uppgraderas med
nya reningssteg. En teknik som har visat sig fungera väldigt bra är att tillsätta ozon till vattnet.
Ozon (O3) reagerar väldigt snabbt och lätt med mikroföroreningarna och gör att de förändrar
struktur eller bryter sönder dem till mindre ämnen, även kallade transformationsprodukter.
Ibland är transformationsprodukterna lättare för bakterierna på reningsverket att bryta ned.
Exakt vilka transformationsprodukter som bildas vet man inte, och vissa av dem kan vara
giftiga. För att se till att man inte släpper ut något giftigt har man därför ett biologiskt steg
efter tillsatsen av ozon.
I vår studie har vi undersökt hur mycket olika ämnen bryts ner och bildar transformationsprodukter
då ozon tillsätts till avloppsvatten, även kallat ozonering. Vi har använt en metod
kallad vätskescintillation som kort sagt gör att vi kan titta på en specifik del av en molekyl och
hur den förflyttar sig i experimentet. Vi har också undersökt vad som händer om man först
ozonerar vattnet och sedan tillsätter bakterier. Vi har gjort detta för att se om det är lättare för
bakterier att bryta ned mikroföroreningarna eller de transformationsprodukter som bildas
efter ozonering.
Vi kom fram till att för det mesta var det är lättare för bakterierna att bryta ner transformationsprodukterna
än det var för dem att bryta ner det ursprungliga ämnet. Vi såg också att ju
mer ozon vi tillsatte desto mer bröts ämnena ner.
En spännande upptäckt var att de ämnen som har liknande struktur bröts ner på liknande
sätt vid ozonering. Karbamazepin, som används i antiepeleptiska läkemedel och mot alkoholabstinens,
bröts inte alls ner av bakterier. Men det visade sig att bakterierna har mycket
lättare för att bryta ner dess transformationsprodukter, vilket är positivt. För de ämnen som
bakterierna redan kan ta hand om verkade ozoneringen inte ta bort mer av ämnet. Detta tros
bero på att vissa ämnen har en struktur som bakterierna kan ta upp medan andra behöver
delas upp i mindre delar för att bakterierna ska kunna ta upp dem.
Studien visade tydligt att transformtaionsprodukterna var mer biologiskt nedbrytbara än vad
de ursprungliga ämnena var. Detta är jättebra eftersom det visar att ozonering med biologisk
efterbehandling kan användas som teknik för att ta hand om miljöfarliga ämnen. Resultaten
från vår studie kan också hjälpa forskare att förstå vad som sker vid ozonering och därför
säkerställa en högre kvalitet på renat avloppsvatten för djur, natur och framtida generationer.

• author: Busk, Oscar and Joman, Siri
• supervisor: Per Falås
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Avloppsvattenrening, läkemedelsrester, mikroföroreningar, ozon, ozonering, avloppsteknik, vattenförsörjningsteknik, water engineering, environmental engineering
• report number: 04
• language: Swedish
• id: 9021691
• date added to LUP: 2020-06-26 11:16:37
• date last changed: 2020-06-26 11:16:37