Kommunala avloppsreningsverk är en av de huvudsakliga källorna för utsläpp av antibiotika till vattenmiljön. En sammanställning av avskiljningen av antibiotika i olika reningsprocesser presenteras, där både biologiska, kemiska och avancerade reningsprocesser ingår.
Av: Bengt Andersson
Kommunala avloppsreningsverk tillhör en av de huvudsakliga utsläppskällorna av rester av antibiotika till naturen. Reningsverken har inte specifikt utformats för att avskilja antibiotika och avskiljningsgraden varierar högst väsentligt mellan olika anläggningar. Det har gjorts och görs många studier och undersökningar av avskiljning av antibiotika i avloppsreningsverk och refererad artikel är ett försök att sammanställa och utvärdera resultat genom en litteratursammanställning med 170 referenser som underlag.
I ett konventionellt avloppsreningsverk kan det biologiska reningssteget uppvisa stora variationer i utformning och uppbyggnad mellan olika anläggningar. Avskiljning av antibiotika i det biologiska reningssteget kan ske genom biotiska processer (i huvudsak nedbrytning genom bakterier och svampar) och abiotiska processer (i huvudsak sorption, hydrolys och jonbyte). Antibiotika som binds i flockarna finns i slammet som tas ut från reningen och det kan medföra begränsningar i möjligheterna att utnyttja slammet för olika ändamål. Hydrofoba antibiotikarester förväntas upptas i högre grad i slammet än hydrofila.
Exempel på driftsparametrar, som påverkar avskiljningen av antibiotika, är innehållet av organiskt material i avloppsvattnet, anoxiska och aeroba volymer, partikelbelastning, specifik organisk belastning, hydraulisk uppehållstid, slamålder, slamhalt, pH och temperatur.
Karakterisering av antibiotika
Antibiotika är läkemedel som skadar bakterieceller men inte mänskliga celler och som används vid behandling av infektioner. De kan grupperas antingen genom den kemiska strukturen eller genom hur de verkar. Antibiotika kan påverka uppbyggnaden av cellväggen, störa proteinsyntesen, störa cellmembranfunktionen, störa nukleinsyrasyntesen eller störa ämnesomsättningen. Följande gruppering valdes i genomgången.
b-laktamer: angriper och förhindrar uppbyggnaden av cellväggen, är de mest använda antibakteriella läkemedlen, exempel är penicilliner
Makrolider: hämmar proteinsyntesen hos bakterier i ribosomen, är effektiva mot grampositiva bakterier (t.ex. streptokocker)
Sulfonamider: stör bakteriernas produktion av folsyra och därmed ämnesomsättning, används ofta tillsammans med trimetoprim
Trimetoprim: används vanligtvis tillsammans med sulfonamider och förstärker dess verkan
Kinoloner: hämmar nukleinsyrasyntesen, ger skador på bakteriernas DNA, har en baktericid verkan
Tetracykliner: vanligt förekommande antibiotika, hämmar proteinsyntesen, verkar tillväxthämmande, används till exempel mot luftvägsinfektioner
Avskiljning av antibiotika i konventionella biologiska processer
En genomgång av avskiljningen av antibiotika vid konventionell rening gav följande resultat (i artikeln finns en omfattande tabell med resultat från samtliga referenser där det för varje substans finns uppgifter om inkommande och utgående halt, avskiljningsgrad och reningsprocess).
b-laktamer avskiljs vanligtvis till mer än 90 % vid konventionell biologisk rening beroende på hydrolys av betalaktamringen. Lägre avskiljningsgrader har dock även rapporterats i några referenser. Avskiljning av 10 olika ämnen tillhörande gruppen har redovisats i 11 referenser.
Makrolider avskiljs i olika grad beroende på ämne i gruppen. Avskiljning av 7 olika ämnen tillhörande gruppen har redovisats i 29 referenser. Avskiljningsgraden är i många fall mindre än 50 %. Avskiljning genom sorption till slam är försumbar men en kraftigt ökad slamålder kan öka avskiljningen.
Innehållet av sulfonamider i avloppsvattnen kan variera högst avsevärt. Rapporterade avskiljningsgrader varierar mellan 20 % och upp till mer än 90 %. Sorption till slammet är försumbar och en hög slamålder verkar inte öka avskiljningsgraden nämnvärt. Avskiljning av 13 ämnen tillhörande gruppen har redovisats i 34 referenser.
Avskiljningen av Trimetoprim är av samma storleksordning som avskiljningen av makrolider och med högst varierande avskiljningsgrad uppgående till mellan 13 och 94 %. Några studier indikerar att nitrifierare kan bryta ner trimetoprim och att avskiljningen ökar med ökad slamålder. Uppgifter om avskiljningen har redovisats i 24 referenser.
Avskiljningen av kinoloner uppgår till cirka 80 % eller mer, där sorption till slam kan vara en betydande avskiljningsmekanism. Uppgifter om lägre avskiljningsgrad har även rapporterats. Avskiljning av 10 olika ämnen tillhörande gruppen har redovisats i 27 referenser.
Tetracykliner har komplexbildande egenskaper och kan lätt bindas till kalcium och liknande joner i form av stabila komplex. Sorption är den huvudsakliga avskiljningsmekanismen i en aktivtslamprocess och avskiljningen är normalt hög (mellan 80 och 90 %) även om lägre avskiljning rapporterats. Avskiljning av 7 ämnen i gruppen har redovisats i 15 olika referenser.
Litteraturgenomgången visade att konventionell biologisk rening i en aktivtslamprocess inte kan avskilja antibiotika fullständigt, att avskiljningsgraden genom processer med membranbioreaktorer är något högre och att kompletterande reningsprocesser erfordras för att uppnå en ökad avskiljning. Genomgången visade även att det inte går att göra några mera detaljerade jämförelser mellan olika reningsprocesser och mellan olika anläggningar eftersom det oftast saknas erforderliga uppgifter om driftförhållanden och -betingelser.
Kompletterande avskiljning med avancerad reningsteknik
Möjliga tekniker för en mera långtgående avskiljning av antibiotika är membranfiltrering, behandling med aktivt kol och avancerade oxidationsprocesser.
Membranfiltrering genom nanofiltrering (porstorlek 0,001 mm) och omvänd osmos (porstorlek < 0,001 mm) kan effektivt avskilja lågmolekylära föreningar inom samtliga ovan nämnda grupper av antibiotika med en avskiljningsgrad överstigande 90 % med några få undantag. Membranfilter med större porstorlek uppvisar lägre avskiljningsgrad. En reningsprocess med en membranbioreaktor följd av nanofiltrering och omvänd osmos gav en avskiljning av drygt 99 %.
Vid behandling med aktivt kol är efterbehandling med pulverformigt aktivt kol den vanligaste applikationen. Med en koldos av mellan 10 och 20 mg/l kan en avskiljning mellan 50 och 99 % uppnås. Aktivt kol kan även doseras till den biologiska reaktorn men då erfordras en högre dos. Vid aktivtkolbehandling av utgående vatten från biologisk rening kan löst organiskt material konkurrera om adsoptionsplatsen och minska kapaciteten för avskiljning av antibiotika.
Avancerade oxidationsprocesser är tämligen nya reningsteknologier, där hydroxylradikaler med starkt oxiderande verkan bildas. Värt att notera är att kunskaper om bildandet av skadliga biprodukter vid närvaron av löst organiskt material ännu så länge är begränsade. Oxidationsprocesserna kan vara utformade för UV bestrålning, för kombinationer av väteperoxid, ozon och UV-bestrålning, för homogen oxidation med Fenton-reagens, för heterogen fotokatalys med halvledarematerial (t.ex. TiO2) och för sonolys (bestrålning med ultraljud).
UV-bestrålning har visat sig effektiv för att avskilja antibiotika. Resultatet påverkas av halten organiskt material, UV-dosen, kontakttiden och ämnets kemiska struktur. Än större effekt kan nås om väteperoxid dessutom tillsätts. Refererade studier visar att sulfonamider, kinoloner och tetracykliner avskiljs så gott som fullständigt medan makrolider endast avskiljs i mindre grad.
Ozonbehandling är en lovande behandlingsprocess för att bryta ned antibiotika. Behandlingen har visat sig ha effekt på samtliga ämnesgrupper med en avskiljningsgrad vanligtvis mellan 90 och 100 %.
Fenton-oxidation är en process där hydroxylradikaler bildas från väteperoxid med tvåvärt järn som katalysator. Behandlingen resulterar i höga avskiljningsgrader för de flesta substanserna. Nackdelen med processen är att pH-värdet måste vara lågt för att undvika järnutfällning.
Fotokatalys med TiO2 uppvisar många intressanta egenskaper som hög kemisk stabilitet inom ett brett pH-område, stark motståndskraft mot kemisk nedbrytning och fotokorrosion, kommersiell tillgänglighet och bra prestanda. Avskiljningsgraden uppgick till i det närmaste 100 % för många antibiotika.
Sonolys är en relativt ny process och det finns endast en referens, där avskiljningsgraden av amoxillin (i gruppen b-laktamer) uppgick till cirka 40 %.
Slutsatser
Avskiljningen av antibiotika i konventionella biologiska processer varierar högst avsevärt. En jämförelse är dessutom svår att göra eftersom uppgifter om driftförhållanden och belastningsdata saknas i tillräcklig omfattning.
En process med membranbioreaktorer uppvisar i många fall bättre prestanda än en konventionell aktivtslamanläggning.
Kompletterande avancerade processer kan förbättra avskiljningen av antibiotika avsevärt. Införandet av nya processer medför dock betydligt högre kostnader för reningen.
Ytterligare studier erfordras för att bättre förstå mekanismerna för avskiljning av antibiotika både för konventionella och avancerade processer.
Det är viktigt att notera att det än så länge föreligger bristande kunskap om bildandet av nedbrytningsprodukter (särskilt med avancerade oxidationsprocesser) som kan vara mera skadliga för miljön än ursprungsämnena.
Källa: I. Michael, L. Rizzo, C.S. MaArdell, C.M. Manaia, C. Merlin, T. Schwartz, C. Dagot, D. Fatta-Kassinos. Urban wastewater treatment plants as hotspots for the release of antibiotics in the environment: A review. Water Research 47 (2013) 957-995.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
