Möjligheten att kombinera pulveriserat aktivt kol (PAK) och MBBR för avskiljning av organiska mikroföroreningar

Abstract

The increased use of pharmaceuticals in combination with inadequate techniques and procedures in the wastewater treatment plants (WWTPs) have resulted in higher concentrations of pharmaceuticals and other organic micro pollutants (OMPs) in the aquatic environment. It has been established that these pollutants have caused changes in the behaviour and reproduction of fishes. Furthermore, these OMPs have been detected in the Swedish drinking water. Because of this, great effort has been made in recent years to develop applications in order to achieve removal of OMPs before they enter into the environment.
One of the potential solutions is to add powdered activated carbon (PAC) in the WWTPs. The purpose of this master thesis was to investigate the possibility of adding PAC in a Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). The study was divided into three main questions: 1) Can PAC be added to an MBBR in order to achieve removal of OMPs? 2) Can PAC be separated after an MBBR process in order to be prevented in effluent water and allow for its recirculation in the process? And 3) Can PAC be recirculated to an MBBR?
The first question was answered by a thorough review of existing literature. It was established that the combination PAC and MBBR has not been studied before except for one still unpublished experiment recently performed at the Department of Chemical Engineering, LTH. The result of the experiment showed that it is possible to add PAC at doses between 5 and 30 mg/l to an MBBR without affecting the existing water treatment adversely. Furthermore, in the experiment, the removal of selected OMPs was achieved to a high extent (around 80 % removal when 30 mg PAC/l was added).
The second question was answered partly by studying existing separation methods and partly by a practical lab-scale study. Separation methods such as sedimentation, flotation and different types of filtration appear to be possible alternatives. In the laboratory work, jar-tests with sedimentation were performed for PAC concentrations of 10–300 mg/l. For the tested concentrations a satisfactory separation of PAC was achieved. It was also observed that at higher concentrations of PAC the flocs became heavier and the time of sedimentation was reduced.
The answer to the third question was based on previous experiences from Germany. PAC that has only been used once was found to be able to adsorb more OMPs. By recycling a PAC dose of 10 mg/l 11 times, removal of more than 80 % for some selected OMPs could be accomplished. The resulting PAC concentrations in the reactor after a recirculation of 11 times for PAC doses of 10-30 mg/l can be separated through sedimentation. However, before an exact number of how many times it is feasible to recirculate PAC in an MBBR, several questions need to be answered; What degree of separation is desirable, how should the resulting sludge be handled and will the biological treatment be affected by high PAC and sludge concentrations in the system?
In summary, it seems promising to add PAC to an MBBR and separate it afterwards. However, further studies need to be carried out to find whether or not it is applicable to recycle PAC to an MBBR.

Abstract (Swedish)

Den ökade användningen av läkemedel och otillräcklig teknik i reningsverken har lett till allt större halter av läkemedel och andra organiska mikroföroreningar (OMF) i naturliga vatten. Detta har i sin tur konstaterats påverka exempelvis fiskars beteende och fortplantningsförmåga. OMF har även detekterats i det svenska dricksvattnet. På grund av detta har en satsning skett de senaste åren inom forskningen och utvecklingen av tillämpningar för att avskilja OMF innan de når naturen.
En av de möjliga lösningar som presenterats är användningen av pulveriserat aktivt kol (PAK) som tillsats i avloppsreningsverk (ARV). Syftet med det här examensarbetet var att undersöka möjligheten att tillsätta PAK i en Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Denna fråga delades sedan upp i tre delfrågor: 1) Kan PAK tillsättas i en MBBR för att avskilja OMF? 2) Kan PAK separeras efter en MBBR-process för att undvikas i utgående vatten samt möjliggöra för dess recirkulation i processen? Och 3) Kan PAK recirkuleras till en MBBR-process?
Första frågan besvarades genom en grundlig genomgång av befintlig litteratur. Det konstaterades då att kombinationen PAK och MBBR inte har studerats tidigare utöver ett ännu opublicerat experiment som nyligen genomförts vid Institutionen för Kemiteknik, LTH. Resultatet från försöket kan sammanfattas med att det går att tillsätta PAK i doser mellan 5 och 30 mg/l till en MBBR utan att den befintliga reningen påverkas negativt. Dessutom avskildes i försöket utvalda OMF i hög utsträckning (runt 80 % avskiljning vid tillsats av 30 mg PAK/l).
Andra frågan besvarades dels genom en studie av förekommande separationsmetoder och dels genom en praktisk undersökning i labb. Separationsmetoder som sedimentering, flotation och olika typer av filtrering verkar vara möjliga alternativ. I det laborativa arbetet genomfördes jar-tester med avslutande sedimentering för PAK-koncentrationer på 10–300 mg/l. Det kunde fastslås att för samtliga koncentrationer kunde en tillfredsställande avskiljning av PAK uppnås. Dessutom observerades att en högre koncentration PAK ledde till tyngre flockar och därmed en kortare sedimenteringstid.
Tredje frågan diskuterades med stöd av tidigare erfarenheter från Tyskland. PAK som endast använts en gång visades ha förmåga att adsorbera ytterligare OMF. Genom att 11 gånger recirkulera 10 mg PAK/l kunde en avskiljning av utvalda OMF uppgå till mer än 80 %. PAK-koncentrationerna som uppkommer vid dosering av 10-30 mg PAK/l och en recirkulering på 11 gånger konstaterades kunna separeras genom sedimentation. Innan en definitiv siffra bestäms för hur många gånger det är rimligt att recirkulera PAK i en MBBR-process behöver dock flera frågor besvaras. Vilken avskiljning är önskad, hur ska det resulterande slammet tas omhand och påverkas den befintliga biologiska processen av en ännu högre PAK-koncentration och slamhalt i systemet?
Sammanfattningsvis förefaller det lovande att tillsätta PAK i en MBBR samt att separera det efteråt. Ytterligare studier behöver dock genomföras för att ta reda på huruvida det är tillämpbart att även recirkulera PAK till en MBBR.

Popular Abstract (Swedish)

Kol och plast kan rädda våra fiskar!
Det är känt att fiskar som får i sig läkemedel kan ta skada. Antidepressiva läkemedel och p-piller kan leda till beteendeförändringar och försämrad fortplantningsförmåga. Så hur kan det förhindras att läkemedel sprids i naturen och når sjöar och hav?
Dagens avloppsreningsverk i Sverige klarar tyvärr inte av att ta hand om alla läkemedelsrester. Men genom att ta efter den teknikutveckling som skett i främst Tyskland och Schweiz skulle läkemedelsspridningen till sjöar och hav kunna minskas. En av lösningarna är att tillsätta så kallat aktivt kol i verken. Aktivt kol framställs genom att behandla kol för att förbättra dess egenskaper. Kolets förmåga att fånga upp föroreningar förstod människan redan under antiken då kolet användes mot magproblem. Under första världskriget användes kol i gasmasker för att skydda mot den kemiska krigsföringen. Vid avloppsrening kan idag läkemedel och andra små föroreningar tas upp av det aktiva kolet.
Så var, mer exakt, i avloppsreningsverken kan det aktiva kolet tillsättas? I examensarbetet undersöktes framförallt om kolet kan tillsättas i en process som kallas MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor). Det är en biologisk process vilket betyder att den innehåller mikroorganismer som bryter ner föroreningar i vattnet. Organismerna växer på små plastbitar som hela tiden blandas runt i vattenbassängen. Forskare har tidigare kommit fram till att den biologiska processen inte verkar försämras om kol tillsätts. Kombinationen av kol och MBBR anses därför vara en möjlig lösning.
Men hur kan använt aktivt kol sedan separeras så att föroreningarna inte följer med vattnet ut till sjöar och hav? Det genomfördes försök i ett labb som visade att det går att separera kol från processen genom sedimentering. Metoden innebär att olika kemikalier blandas med det vatten som kolet ska separeras ifrån. Kemikalierna får kolpartiklar att klumpa ihop sig och sedan sjunka till botten. På så vis avskiljs kolet från vattnet.
Vad görs sedan med det aktiva kolet som man har separerat? Ambitionen är att återanvända kolet i avloppsreningsverken. Det är kostsamt att framställa aktivt kol och ur ett hållbarhetsperspektiv ska kol inte användas i onödan. Studier talar även för att använt kol fortfarande har förmågan att ta upp läkemedel. Om det i praktiken är genomförbart att återanvända kol vid en MBBR - och i vilken grad - är dock i nuläget inte helt utrett. Frågan lämnas därför över till framtida studier.
Avslutningsvis kan det konstateras att tekniken för att rädda fiskarna från att ta skada av läkemedel finns. Så nu får vi hoppas att den pågående forskningen kan resultera i att även Sverige inom en snar framtid kommer vara med och göra livet för vattenlevande djur lite bättre. Det finns en stor möjlighet att svaret är kol och plast.
/Maja Ignell

Popular Abstract (Swedish)

Framtiden är kolsvart!
Den senaste tidens larm om högre halter läkemedel i naturen har lett till forskning kring hur detta kan motverkas. En av de tekniker som hamnat i fokus är så kallat aktivt kol. Men kan kol verkligen användas för att rena avloppsvatten från läkemedel?
För att besvara detta delar vi upp det i tre delfrågor: 1) Kan kol tillsättas i ett avloppsreningsverk utan att den befintliga reningen påverkas negativt? 2) Kan kolet separeras från vattnet så att det inte följer med det renade vattnet ut i naturen? Och 3) Kan kolet sen återanvändas för att minska mängden som behövs?
Men först behövs en definition för vad som menas med kol. Sedan urminnes tider har människan använt kol för att rena vatten och bota förgiftningar. Nu, under det senaste århundradet, har vi lärt oss att förädla kolet. Vi har fått så kallat aktivt kol. Detta kol har en mycket större yta än vanligt, obehandlat kol och har därför en mycket större förmåga att ta upp exempelvis läkemedel.
Fråga 1:
Det finns många olika typer av reningsprocesser i ett vanligt, kommunalt avloppsreningsverk, till exempel filtrering, användning av kemikalier och nedbrytning med hjälp av bakterier (så kallad biologisk rening). Dessutom finns det idag redan flera reningsverk, främst i Schweiz och Tyskland, där aktivt kol används antingen i den biologiska reningen eller i ett efterföljande steg. I Sverige har försök precis genomförts där aktivt kol har använts i en viss typ av biologisk rening – en så kallad MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor). I denna process har en bassäng fyllts med små, runda plastbitar – de ser nästan ut som pastahjul – och på dessa fäster sedan bakterierna som finns i vattnet. Forskarna kom fram till att den biologiska reningen inte försämrades av att kolet blandades i. Så svaret på den första frågan är Ja.
Fråga 2:
Det finns flera sätt att separera föroreningar från vatten, men den vanligaste är nog sedimentering. Inom ramen för examensarbetet gjordes experiment där avloppsvatten blandades med kol och andra kemikalier för att undersöka om kolet sjönk till botten. Trots att flera olika koncentrationer av kol testades, där den största var mångdubbelt större än vad som sannolikt kommer finnas i avloppsreningsverken, blev resultaten desamma: kolet sjönk och vattnet blev klart. Så svaret på den andra frågan är Ja.
Fråga 3:
Tillverkningen av aktivt kol är en dyr och energikrävande process. Därför ligger det ett stort vinstintresse i att kunna återanvända kolet. Forskare har nyligen konstaterat att kol som bara använts en gång fortfarande har möjlighet att ta upp mer läkemedel. Flera studier på detta har gjorts och det ser lovande ut även om det än så länge inte drivs ett helt reningsverk med en sådan process. Så svaret på den tredje frågan är Ja, i princip.
Fortfarande finns det några obesvarade frågor kring användandet av aktivt kol i avloppsrening, kanske framförallt angående återanvändningen. Men de största pusselbitarna finns på plats och med jakande svar på de tre delfrågorna kan vi konstatera att det finns en stor möjlighet att framtiden är kolsvart – och full av runda plastbitar!
/Sofia Högstrand

• author: Högstrand, Sofia and Ignell, Maja
• supervisor: Michael Cimbritz; Per Falås
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20172
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: PAK, pulveriserat aktivt kol, MBBR, Moving Bed Biofilm Reactor, avancerad rening, avloppsreningsverk, organiska mikroföroreningar, avloppsteknik
• language: Swedish
• id: 8932200
• date added to LUP: 2018-03-12 11:26:56
• date last changed: 2018-03-12 11:26:56