Bromatreducering i den biologiska denitrifikationsprocessen – påverkan av bromat och nitrat

Abstract (Swedish)

Behovet av att rena avloppsvatten från mikroföroreningar, såsom läkemedelsrester, har uppmärksammats de senaste åren då analysmetoderna har förbättrats och kunskapen om riskerna kring utsläppen har ökat. Detta har ökat intresset för att implementera ozonering som ett avancerat reningssteg på avloppsreningsverk i Sverige och i andra länder. Vid ozonbehandling av avloppsvatten finns det en risk för bildning av oönskade transformations- och biprodukter. Detta kan leda till att ofarliga ämnen ombildas till farliga ämnen. Då bromid (Br-) ozoneras bildas bromat (BrO3-) som enligt WHO är potentiellt cancerframkallande för människor. Bromat har också visats sig ha ekotoxiska effekter samt vara persistent i vattenmiljö.

Det finns tre sätt att minska bromatbildningen i avloppsreningsverk, antingen genom att minska ingående bromidkoncentration, minska bromatutbytet (och därmed bromidbildningen) i ozoneringen eller reducera bromat från avloppsvattnet innan det släpps ut.

Tidigare studier har visat att bromat kan reduceras genom denitrifikation. Denna rapport bekräftar detta och visar på att både aktivt slam och biofilmsbärare har förmågan att reducera bildat bromat i en denitrifikationsprocess. De två metoderna hade relativt lika reduktionsförmåga där den biologiska hastighetskonstanten (kbio) för reaktorn med 1 mg bromat/l och kolkälla för biofilmsbärare var 0,58 l/(g*h) och för aktivt slam var 0,64 l/(g*h). Ökad bromathalt resulterade i minskade hastighetskonstanter. Denna rapport bekräftar även bilden av att nitrat verkar hämmande på bromatreduktionen.

Resultaten från experimenten visade att bromatreduceringen i en genomströmningsreaktor med en uppehållstid på 2h uppnådde 80% bromatreduktion vid nitratkoncentration under detektionsgränsen (<0,07 mg/l). Bromatreduktionen var >40% vid nitratkoncentrationer under 1 mg/l och minskade successivt upp till en nitratkoncentration på 2 mg/l. Vid nitrathalter över 2 mg/l så var bromatreduktionen begränsad, 10 - 20 %.

Abstract

The interest of reducing micropollutants, such as pharmaceuticals, in wastewater has increased due to increased knowledge around the risk of releasing micropollutants and improved analysing methods. Ozonation is an advanced treatment method which has the potential of removing these substances and it is therefore of interest to implement the technology in wastewater treatment plants in Sweden and other countries. The drawback with ozonation is the produced biproducts. When ozonating water containing bromide, bromate is produced which is a substance classified as potentially carcinogenic to humans by WHO.

There are three ways of reducing bromate in the effluent from wastewater treatment plants using ozonation. Either by reducing the release of bromide at the source, reducing the formation of bromate at the ozonation or reducing bromate once formed from ozonation.

Previous studies show that bromate reduction is possible through denitrification. This report confirms that result and further shows that both biofilm carriers and activated sludge has the ability to reduce bromate when applied in the denitrification process. This report also confirms that the presence of nitrate inhibits this potential. It further investigates at what nitrate level bromate is reduced and how the amount of bromate affects the reaction rate. Some of the experiments were performed with a CSTR (completely stirred tank reactor) which simulates a real process better than a batch reactor.

The reaction rate constant for bromate reduction with activated sludge and biofilm carriers was quite similar. For example, the biological rate constant (kbio) in a reactor with 1 mg bromate/l and carbon source was 0,58 l/(g*h) with biofilm carriers and 0,64 l/(g*h) with activated sludge. Both experiments with activated sludge and carriers indicated that the reaction rate was higher when adding carbon source and lower when nitrate was present. Furthermore, higher bromate concentrations resulted in lower reaction rate constants. Finally, when nitrate was present in levels below 2 mg/l the bromate reduction increased continuously with decreasing nitrate level resulting in a bromate reduction of >40% at nitrate levels below 1 mg/l. At nitrate levels below detection limit (<0,07 mg/l) the bromate reduction was high, 80%, while at nitrate levels above 2 mg/l the bromate reduction was low, 10-20%. These results were obtained in a CSTR with a hydraulic retention time of 2h.

Popular Abstract (Swedish)

Ozonering är en avancerad reningsmetod som används på avloppsreningsverk för att rena vattnet från exempelvis läkemedelsrester. Om vattnet innehåller höga halter av bromid så kan det potentiellt cancerframkallande ämnet bromat bildas vid ozonering. Reningsverk med höga bromidhalter vill undvika att släppa ut bromat och vill därför kunna reducera bromathalten vilket har visat sig vara möjligt genom biologisk rening.

Utsläpp av läkemedelsrester från avloppsreningsverk är ett problem då det kan leda till oönskade effekter på djur och växter om det släpps ut i vattenmiljön. Exempelvis kan fiskar få njurproblem eller problem med immunförsvaret. Utsläpp av läkemedelsrester så som antibiotika kan också leda till antibiotikaresistenta bakterier som leder till att antibiotika som vi använder oss av förlorar sin effekt. För att rena avloppsvattnet från läkemedelsrester finns det olika reningsmetoder som reningsverk kan införa. En reningsmetod är att behandla vattnet med ozon, så kallad ozonering. En nackdel med denna metod är dock att ozon inte bara reagerar med läkemedelsrester utan även reagerar med ämnen som finns naturligt i vattnet och som i sitt naturliga stadium inte är farliga. När dessa ämnen reagerar med ozonet kan det bildas oönskade produkter som man inte heller vill släppa ut. Ett exempel på detta är om man ozonerar vatten som innehåller bromid (Br-) och det bildas bromat (BrO3-) vilket är potentiellt cancerframkallande.

Bromid är ett ämne som förekommer naturligt i havsvatten. När det stänker havsvatten in mot land hamnar bromat i vattendrag som sedan delvis passerar reningsverk. Bromid i havsvatten kan också nå reningsverk genom att sippra in i ledningsrör i marken som ligger nära vattenytan. Reningsverk som ligger nära havet kan därmed ha extra problem med att använda ozonering för exempelvis läkemedelsrening då deras inkommande avloppsvatten ofta har höga bromidhalter. Bromid kan också nå reningsverk via lite mer konstgjorda vägar då det används i exempelvis kemikalieindustrin.

För att undvika problemet med utsläpp av bromat, så att reningsverk med höga ingående bromidkoncentrationer skulle kunna använda sig av ozonering utan att bekymra sig över bromatutsläpp, har det gjorts olika försök för att se om det går att minska bromatkoncentrationen efter att det har bildats vid ozonering. Bromat förekommer inte naturligt och det finns därmed inte några bakterier som är anpassade till att reducera detta ämne. Men då bromatmolekylen är lik nitratmolekylen har det visat sig att bromat kan reduceras med bakterier som är anpassade till att reducera nitrat. Nitrat reduceras redan idag på reningsverk för att undvika exempelvis övergödning. Dessa bakterier föredrar dock att använda nitrat först vilket kan vara en anledning till att det måste vara väldigt låg nitratkoncentration i reaktorerna för att det ska ske någon större bromatreduktion.

De nitrathalter som behövs för bromatreducering ligger mycket under dagens utsläppskrav för kväve från reningsverk vilket leder till att dagens processer som minskar nitrathalterna måste förbättras eller få en förlängd processtid vilket kan bli ett hinder för att införa ett steg för bromatreducering. Andra utmaningar som finns om biologisk rening skulle tillämpas för bromatreduktion är att ozonering tillsätter mycket syre till vattnet, vilket är ofördelaktigt när man försöker minska bromatkoncentrationen då syret reduceras före både nitrat och bromat.

• author: Fransson, Sandra
• supervisor: Michael Cimbritz; Per Falås
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20212
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Vattenrening, Bromat, Denitrifikation, Vattenförsörjnings- och avloppsteknik
• report number: 2021-07
• language: Swedish
• id: 9068355
• date added to LUP: 2021-11-23 11:36:18
• date last changed: 2021-11-23 11:36:18