Biological degradation of ¹⁴C-labeled micropollutants and their transformation products in ozonated wastewater

Abstract

Ozonation can be applied to reduce the concentration of organic micropollutants in municipal wastewater, and thereby mitigate any adverse effects these compounds may have in natural waters. As ozone is applied to wastewater, organic micropollutants, as well as other compounds present in the water matrix, will be oxidized, resulting in the formation of transformation- and byproducts. Some of these oxidation products have been proven to be toxic and biological posttreatment is recommended to reduce the toxicity of ozonated water. However, while some studies on the biodegradability of ozonation transformation products have been performed, the fate of transformation products in biological posttreatment remains largely unknown.

Through the use of 14C-labeled micropollutants, biological degradation of transformation products in ozonated wastewater was studied. In a first step, selected 14C-labeled micropollutants (sulfamethoxazole, sulfadiazine, carbamazepine, diclofenac, ibuprofen, bisphenol A and trimethoprim) were ozonated to yield 14C-labeled transformation products. By measuring the 14CO2 formation, a partial mineralization of the labeled position was confirmed for all compounds, except for propyl-labeled bisphenol A. Concentration measurements of the parent compound further revealed a complete transformation of all micropollutants at the lowest ozone dose (0.3 mg O3/mg DOC), except for ibuprofen for which the transformation was complete only at the highest dose (1 mg O3/mg DOC). In a second step, biofilm carriers were added to the bottles holding the ozonated water and these were incubated for 72 hours. By continuous monitoring of the 14CO2 formation, an increased mineralization of the labeled position, as compared to the parent compound, could be confirmed for the transformation products of sulfamethoxazole, sulfadiazine, carbamazepine, diclofenac and trimethoprim. The mineralization generally increased with increasing ozone doses but was significant even at lower doses. For ibuprofen and bisphenol A, the 14CO2 formation conversely revealed a decreased mineralization, as compared to the parent compound. The decrease was minor for ibuprofen but significant for bisphenol A, especially at lower ozone doses. The results indicate that an increased biodegradability can be expected for many transformation products, suggesting that biological posttreatment is a suitable method to remove the transformation products that are formed during ozonation.

Abstract (Swedish)

Ozon kan användas för att reducera koncentrationen av organiska mikroföroreningar i avloppsvatten och därmed förhindra att dessa sprids i hav, sjöar och vattendrag, där deras närvaro kan medföra en rad negativa konsekvenser. Vid tillsats av ozon till avloppsvatten oxideras de organiska mikroföroreningarna, tillsammans med andra ämnen i vattenmatrisen, och bildar olika transformations- och biprodukter. Vissa av dessa oxidationsprodukter har visat sig vara giftiga och det är därför rekommenderat att efterfölja ozoneringen med ett biologiskt reningssteg. Ett fåtal studier har genomförts där nedbrytbarheten hos transformationsprodukter undersöks, men till vilken grad olika transformationsprodukter kan brytas ned i en biologisk efterbehandling är fortfarande till stor del oklart.

I det här arbetet studerades biologisk nedbrytning av transformationsprodukter från ozonering med hjälp av 14C-märkta mikroföroreningar. Avloppsvatten spikat med 14C-märkta mikroföroreningar (sulfametoxazol, sulfadiazin, karbamazepin, diklofenak, ibuprofen, bisfenol A och trimetoprim) ozonerades för att generera 14C-märkta transformationsprodukter. Genom att mäta bildandet av 14CO2, kunde en partiell mineralisering av den märkta positionen påvisas för alla ämnen, förutom för bisfenol A med märkning i propyl-gruppen. Mätningar av koncentrationen kvarvarande modersubstans visade vidare att en fullständig transformation uppnåddes för alla organiska mikroföroreningar vid den lägsta dosen (0,3 mg O3/mg DOC), undantaget ibuprofen vars transformation endast var fullständig vid den högsta dosen (1 mg O3/mg DOC). Efter ozonering tillsattes biobärare till det ozonerade vattnet och den biologiska nedbrytningen studerades över ett spann av 72 timmar. Genom kontinuerlig mätning av 14CO2 kunde en ökad mineralisering, jämfört med modersubstansen, påvisas för transformationsprodukterna av sulfametoxazol, sulfadiazin, karbamazepin, diklofenak och trimetoprim. Mineraliseringen ökade vid ökande ozondoser men var signifikant även vid lägre doser. För ibuprofen och bisfenol A, visade bildandet av 14CO2 däremot en minskad mineralisering hos transformationsprodukterna. Minskningen var marginell för ibuprofen men signifikant för bisfenol A, speciellt vid låga ozondoser. Det konstaterades därmed att en ökad nedbrytbarhet kan förväntas för många transformationsprodukter, vilket indikerar att biologisk efterbehandling i huvudsak är en en effektiv metod för att eliminera de transformationsprodukter som bildas vid ozonering.

Popular Abstract (Swedish)

Ozon och bakterier: en superduo för miljön?

Genom att rena avloppsvatten med en kombination av ozon och bakterier kan vi skydda miljön i våra vatten och förhindra utsläpp av läkemedelsrester och andra förorenande ämnen.

I takt med samhällets utveckling har en uppsjö av olika läkemedel, pesticider, hudvårdsprodukter och andra kemikalier kommit ut på marknaden. Du kommer säkert i kontakt med dessa produkter dagligen men har du någonsin funderat på vad som händer med dem efter användning? För de flesta upphör alla tankar på produkten så snart den uppfyllt sin funktion, men detta betyder inte att de aktiva ämnena magiskt försvinner. För att ha effekt är de i regel designade för att vara svårnedbrytbara och kommer till slut att hamna i naturen. Ett brett spektrum av läkemedelsrester och andra problematiska ämnen har kunnat påvisas i hav, sjöar och vattendrag. Där får de samlingsnamnet organiska mikroföroreningar då de ofta återfinns i låga koncentrationer men trots det kan ha en rad negativa effekter; så som att påverka vattenlevande organismer, störa akvatiska ekosystem samt riskera att förorena våra dricksvattenkällor.

I många fall anses dessa ämnen ha en sådan viktig funktion att det inte vore möjligt att förbjuda användningen av dem. För att förhindra att de gör skada ligger tyngdpunkten istället på att rena bort dem innan de släpps ut i naturen, och då avloppsreningsverk utgör viktiga utsläppsvägar för organiska mikroföroreningar är dessa i fokus. I Schweiz är det sedan 2016 redan krav på att stora reningsverk ska rena avloppsvattnet från organiska mikroföroreningar, och i EU väntas liknande regler komma på plats inom de närmsta åren.

Eftersom konventionella reningsverk inte är designade för den typen av rening krävs det nya tekniker och här lyfts ozonering fram som ett starkt alternativ. Vid ozonering tillsätts ozon till avloppsvattnet, där det reagerar med de organiska mikroföroreningarna på ett sådant sätt att deras molekylära struktur förstörs. Detta leder dock inte till att ämnet försvinner helt, utan snarare till att det omvandlas och bildar nya ämnen, så kallade transformationsprodukter. Generellt har man sett att dessa transformationsprodukter är mindre problematiska än det ursprungliga ämnet, men oklarheter kring hur giftiga de faktiskt är kvarstår. För att ta hand om transformationsprodukter och andra skadliga ämnen som kan bildas vid ozonering är det vanligt att ha ett biologiskt reningssteg där dessa kan brytas ned av bakterier och andra mikroorganismer. Det är dock svårt att fastställa hur effektiv reningen av transformationsprodukter är. En närmast oändlig uppsättning transformationsprodukter kan bildas vid ozonering, vilket gör det både komplicerat och tidsödande att identifiera dessa och sedan hålla koll på dem under den biologiska reningen.

I det här arbetet har vi undersökt vad som händer med olika transformationsprodukter vid biologisk rening genom att använda oss av organiska mikroföroreningar märkta med det radioaktiva ämnet kol-14. När de radioaktiva mikroföroreningarna ozoneras bildar de radioaktiva transformationsprodukter som vi, utan att behöva identifiera dem, enkelt kan följa genom att mäta radioaktiviteten. Dessa experiment har visat att ozonering i många fall transformerar organiska mikroföroreningar på ett sådant sätt att dessa blir lättare för bakterier att bryta ned. Vidare såg vi att denna effekt kunde uppnås även vid lägre ozondoser vilket är positivt då kostnaden ökar vid ökande doser. Biologisk rening verkar alltså som en effektiv metod för att ta hand om de transformationsprodukter som bildas vid ozonering och se till att vi inte skapar nya problem i jakten på att rena bort organiska mikroföroreningar.

• author: Busck, Mathilda
• supervisor: Per Falås
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Organic micropollutants, Ozonation, Ozonation transformation products, Biological degradation, Water and environmental engineering
• language: English
• id: 9161156
• date added to LUP: 2024-06-13 10:05:09
• date last changed: 2024-06-13 10:05:09