Sludge biochar as an adsorbent for pharmaceutical residues in wastewater

Abstract (Swedish)

Den svenska avloppsvattenreningsprocessen består av flera olika steg som utnyttjar mekanisk, kemisk och biologisk rening för att avlägsna så mycket av ohälsosamma ämnen och organismer som möjligt från vattenomloppet. Avloppsvattenreningsprocesserna i Sverige saknar specifika reningsmetoder för vissa typer av organiskt material, såsom läkemedelsrester. Dessa mikroföroreningar bryts enbart delvis ned på avloppsreningsverken alternativt fångas upp i avloppsslam, som ofta används inom jordbruket som gödsel. På så sätt når miljöfarliga ämnen ekosystem och kan påverka organismer på negativa sätt. Mikroföroreningarna följer även med det utgående dricksvattnet, vilket innebär att kemikalierna kommer tillbaka till oss konsumenter. Därför finns det behov av att utöka avloppsreningen. Att använda aktivt kol är en effektiv metod för att rensa ut organiska föreningar då kolet har en utökad ytarea som bidrar till en ökad mängd av adsorptionsplatser som effektiviserar inbindningen av miljöfarliga ämnen. En negativ aspekt av att använda aktivt kol som reningsmetod är att källan som används för att producera det oftast är fossil. Genom att använda avloppsvattenslam för att producera aktiverat slambiokol återanvänds en icke-fossil källa för att förbättra livskvalitén för människor likväl som för andra organismer som påverkas av spridningen av kemikalier från avloppsvatten. Om slam används som källa till aktiverat biokol i avloppsvattenrening skulle det inte endast begränsa spridningen av kemikalier ut i miljön utan även minska klimatpåverkan från avloppsrening och bidra till en cirkulär ekonomi i resursanvändningen.
Filter med aktiverat slambiokol kan implementeras i reningsprocessen för att ta bort organiska föroreningar från avloppsvatten. På så sätt adsorberas kemikalierna och tas bort från avloppsvattenflödet, vilket minimerar deras påverkan på miljö och liv. Att utnyttja restprodukt som avloppsvattenslam kan även vara till fördel för ekonomin då det kan minimera kostnaderna, både ur produktionsperspektiv likväl som transport. Därför är rening med aktivt slambiokol en metod som är värd att utforska. Dessutom är en uppdatering av direktivet kring avloppsvattenrening och hantering av läkemedelsrester på EU:s agenda och förväntas tillämpas under de närmsta åren. Därav finns det ett verkligt behov av att utveckla avloppsvattenrening, specifikt rening av läkemedelsrester. Användningen av aktivt kommersiellt kol är ett alternativ men för klimatet och ekonomins skull är slambiokol ett desto mer lockande alternativ.
I den här undersökningen var biokol, framtaget från avloppsvattenslam från 4 olika reningsverk, aktiverat genom pyrolys med olika förhållanden för att undersöka adsorptionsförmågan hos olika slambiokolspartiklar och finna de mest optimala förhållanden. Olika aktiveringstemperaturer (700, 800, 900 ˚C) och olika aktiveringstider (15 min, 30 min, 1 h, 2 h, 4 h) testades i en rad kombinationer för att kunna dra slutsatser om vilka förhållanden som ger högst aktiveringsgrad. För att mäta aktiveringsgraden mättes adsorptionen av olika organiska ämnen och nivån på adsorptionen kopplades direkt till graden av aktivering, en högre adsorbans tydde på att aktiveringen var av en högre grad. Adsorptionen av organiska föreningar mättes med UV-absorption och radioaktivitet från 14C-isotoper. I experimenten visade det sig att mindre partikelstorlekar, <0.425 mm, nådde en högre aktiverings-grad. En aktivering på högre temperaturer, 800–900 ˚C, behövde en kortare aktiverings-tid för att nå högre grader enligt adsorptionstesten via UV-absorbansen. Aktivering med lägre temperatur, 700 ˚C, krävde en längre tid för att nå samma nivå. Från absorptions-experimenten som gjordes under examensarbetet gav resultaten en kombination av aktiveringstemperatur och tid som uppnådde den mest optimala aktiveringen av de som undersöktes. Resultaten visade att en aktivering på 800 ˚C i 30 minuter bidrog till mest ökad adsorption av organiskt material. Även vid test med radioaktivt märkta kemikalier påvisades slambiokolet (800 ˚C, 30 min) ha den högsta adsorptionen.
Undersökningen resulterade i lovande resultat men utvecklingspotential finns ännu kvar för att finna aktivt slambiokol vars adsorptionsförmåga är mer lik det kommersiella kolet. Fördelarna med att utnyttja restprodukten avloppsvattenslam motiverar en fortsatt utveckling av aktivt slambiokol.

Abstract

The Swedish wastewater treatment processes consists of multiple steps including mechanical, chemical,
and biological cleaning to remove as much of the unhealthy substances and organisms as possible from
the water circulation. The wastewater treatment process in Sweden lacks specific removal methods for
some types of organic material, such as pharmaceutical residues and other microcontaminants. These are
only partly broken down by the wastewater treatment plants or taken up in wastewater sludge. The sludge
is often used in agricultural practices as fertilizer and in that way, environmentally hazardous chemicals
enter ecosystems and can affect the organisms in negative ways. Micropollutants also joins the effluent
drinking water, which means the chemicals find their way back to us consumers. Therefore, there is a need
to expand the wastewater treatment processes. The use active carbon is an efficient method to remove
organic contaminants as the carbon has expanded surface area that contributes to an increase of
adsorption sites which makes the binding of chemicals more efficient. A negative aspect of utilizing active
carbon as a treatment method is that the source used to produce it often is fossil. By using wastewater
sludge to produce activated sludge biochar, a non-fossil resource is reused to improve the life quality of
humans as well as other organisms affected by the leaking of chemicals from wastewater. If sludge was
utilized as activated sludge biochar in wastewater treatments, it would not only limit the leaking of
chemicals into the environment but also diminish climate impact by wastewater treatment and contribute
to a circular resource utilisation.
To remove organic chemical contaminants from the wastewater, filter with activated sludge biochar could
be added to the wastewater treatment process. In this way the chemicals would be adsorbed and removed
from the wastewater stream, minimising their impacts on environment and organisms. To use a residual
product like wastewater sludge could benefit the economy as well as the environment as it could minimise
the costs, from a production and transport point of view. Hence, a treatment step with activated sludge
biochar is worth to investigate. Additionally, an update of the directive on wastewater treatment and
handling of pharmaceutical residues is on the agenda of EU and is expected to be implemented in the
upcoming years. Therefore, there is an actual need to improve the wastewater treatment, specifically the
handling of pharmaceutical residues. The utilisation of commercial carbon is an alternative, but sludge
biochar is the more attractive alternative, for the sake of the climate and economy.
In this experimental study, biochar obtained from wastewater sludge from 4 different wastewater
treatment plants was activated through pyrolysis with different conditions to investigate the adsorption
capacities of the different sludge biochar particles and to find the most optimal conditions. Different
activation temperatures (700, 800, 900 ˚C) and different activation times (15 min, 30 min, 1 h, 2 h, 4 h)
were tested in several combinations to be able to draw conclusions of which conditions give the highest
level of activation. To measure the activity level, the adsorption of different organic substances was
measured, and the level of adsorption was correlated to the level of activation, i.e. a higher adsorption
degree was due to an activation of a higher level. Adsorption of organic material was measured by UV-
absorption and scintillation counting of 14C isotopes. It was found smaller particles, <0.425 mm, reached a
higher activation level. Activation of higher temperatures, 800-900 ˚C, required a shorter activation time to
reach higher levels according to the adsorption test by UV-absorption. For activation with lower
temperature, 700 ˚C, a longer time was required to reach similar levels as the higher temperatures. A
conclusion on the most optimal combination of the activation temperatures and times that were tested
could be drawn from the absorbance-experiments that was done in this thesis work. The results showed
an activation in 800 ˚C for 30 minutes achieved the largest adsorption of organic material. It was shown
also in the test with 14C-labelled chemical residues that the sludge biochar (800 ˚C, 30 min) had the highest
adsorption degree.
The investigation showed promising results but there is still a potential for further development to
discover an active sludge biochar with the adsorption capacity close to that of a commercial active carbon.
The advantages to utilise the residual product wastewater sludge motivate for continuing the research on
activated sludge biochar.

Popular Abstract (Swedish)

Har kol renat vattnet i mitt glas?
Att ha rent vatten är en lyx vi i Sverige är vana vid men vad händer i avloppsreningsverken som gör vattnet så rent? Jo, bland annat kemikalier, bakterier och kol används för att rena vårt avloppsvatten. Tillsammans rensar de ut små och stora partiklar från vattnet. Det uppstår problem när små, stabila organiska ämnen som läkemedelsrester inte fångas i reningsstegen utan följer med ut i naturen via det rena vattnet eller slammet. Slam består av allt som rensas bort från avloppsvattnet och används ofta som gödsel i jordbruk.
På så sätt kan läkemedelsrester direkt nå ut i naturen vilket inte är miljövänligt och det är därför kol kommer in i vattenreningen. Kolet kan fånga organiska ämnen och stoppa deras spridning men det krävs en process som kallas aktivering för att kolet ska fånga in ämnena mer effektivt. Dessutom är kolet som används i reningen från fossila källor så för att göra rening med kol mer hållbar och miljövänlig undersöks möjligheten att skapa ett aktiverat kol från den hållbara källan slam. Det kolet kallas för aktiverat slambiokol och skapas från reningsverkens restprodukt avloppsvattenslam. Kan verkligen slambiokol användas för att rena vattnet från farliga ämnen som läkemedelsrester? Det är vad den här rapporten kommer svara på, i samarbete med Testbädd Ellinge. Efter aktiveringar av biokol från olika sorters slam i olika temperaturer och tider nalkades ett svar om slambiokolets potential. En aktivering på hög temperatur och kort tid gav ett aktiverat slambiokol som mycket riktigt renade avloppsvatten från organiska ämnen, såsom läkemedlet diklofenak. Kanske i framtiden får du istället fråga, har avloppsrester renat vattnet i mitt glas?

• author: Jörntell, Veronika
• supervisor: Åsa Davidsson; David Gustavsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Water engineering, Biochar, Water treatment, Water and environmental engineering
• report number: 2024-03
• language: English
• id: 9160939
• date added to LUP: 2024-06-11 10:40:42
• date last changed: 2024-06-11 10:40:42