Samhällets växande beroende av nanoteknologi ökar förekomsten av nanopartiklar i avloppsvattnet och kunskaperna om effekten på avloppsvattenreningen är bristfällig. Refererad studie baserat på långtidsförsök med en blandning av två vanligt förekommande nanopartiklar kan bidra till ökade kunskaper.
Av: Bengt Andersson
Nanopartiklar (NP) av olika slag blir mer och mer vanliga i många typer av produkter och en sammanställning har visat att de vanligaste NP i hushållsprodukter innehåller silver (48 %) och titandioxid (10 %). En signifikant del av NPs når avloppsreningsverken och studier under senare tid har visat att NPs som TiO2, ZnO, CeO2 och Ag kan påverka mikrobiologin och avskiljningen av COD, fosfor och kväve. Studierna har huvudsakligen avsett exponering under kort tid av individuella NPs och det finns en begränsad kunskap om effekten av en blandning av NPs och vid långtidsexponering.
Målsättningen med refererad studie var att undersöka långtidseffekten på avskiljningen av COD i en aktivslamprocess vid exponering av två metalloxid NPs (Ag2O och TiO2), individuellt och i blandning,. Valet av NPs baserades på att de produceras i stora kvantiteter och de finns i ett stort antal olika kommersiella produkter.
Genomförande
Försöken genomfördes i aeroba SBR-reaktorer i laboratorieskala med ett syntetiskt avloppsvatten med två olika COD-halt (250 och 500 mg/l) och två olika NP koncentrationer (1 resp. 10 mg/l). 1 mg/l ansågs vara en miljömässigt relevant koncentration och 10 mg/l valdes mot bakgrund av den starka utvecklingen av nanotekniken.
Två uppsättningar med 8 reaktorer startades med aktivt slam från en luftningstank vid ett kommunalt avloppsreningsverk i New Delhi. Två reaktorer användes som referens utan NP. Effekten av Ag2O NP testades i två reaktorer (1 resp. 10 mg/l), av TiO2 i två reaktorer och av en blandning av NPs i två reaktorer.
Slammets morfologi i reaktorerna analyserades genom elektronmikroskopering, elementaranalyser gjordes med röntgenspektroskopi och innehållet av metalljoner i slam och utgående avloppsvatten bestämdes med atomabsorptionsspektrometer.
Resterande COD efter rening i olika prov jämfördes statistiskt med t-test på signifikansnivån p < 0,05. En variansanalys gjordes för bestämning av parametrars påverkan på COD-avskiljningen på signifikansnivån p < 0,05.
Resultat
COD-avskiljningen i de reaktorer, som exponerades för NPs, skilde sig statistiskt signifikant från kontrollreaktorerna för både enskilda NP och för blandningen. Vid exponering av 1 resp. 10 mg Ag2O/l med en inkommande COD-halt av 500 mg/l minskade COD-reduktionen från 92 – 94 % i kontrollreaktorn till 91 resp. 85 %. Påverkan på COD-reduktionen vid exponering av TiO2 medförde en genomsnittlig COD-reduktion av 88 resp. 81 % vid dosering av 1 resp. 10 mg/l. Störst påverkan uppkom vid en exponering av en blandning av de två NPs, där COD-reduktionen minskade till 76 resp. 72 %.
Motsvarande COD-avskiljning med en inkommande COD-halt av 250 mg/l uppgick till 88 resp. 80 % vid exponering av 1 resp. 10 mg/l Ag2O, till 88 resp. 79 % vid exponering av TiO2 och till 84 resp. 70 % vid exponering av en blandning av NPs.
Halterna Ag och Ti i utgående vatten och i slammet innan exponeringen av NP var lägre än detektionsgränsen på 0,1 mg/l i samtliga reaktorer. Halten silver i utgående vatten efter 180 dygn vid exponering av 1 resp. 10 mg/l Ag2O ökade till 0,26 resp. 2,7 mg/l oavsett inkommande COD-halt. Halten i slammet med 10 mg/l Ag2O hade vid försökets slut ökat till mellan 3,4 och 3,7 mg Ag/g SS.
Halten titan i utgående vatten ökade till 0,9 resp. 9,2 mg/l med 500 mg COD/l vid en exponering av 1 resp. 10 mg/l TiO2. Med 250 mg COD/l var halten oförändrad under detektionsgränsen vid 1 mg/l TiO2 och 3,1 mg/l vid 10 mg/l. Halten i slammet med 10 mg/l TiO2 ökade till 14,2 resp. 7,6 mg Ti/g SS med 500 resp. 250 mg COD/l i inkommande avloppsvatten.
Försöken visade att blandning av de två NP hade störst negativ påverkan på COD-reduktionen med en minskning med 25 resp. 11 % i förhållande till kontrollreaktorn vid en NP-exponering av 10 resp. 1 mg/l. Motsvarande minskning uppgick till 11 resp. 5 % vid exponering av TiO2 och till 9 resp. 5 % vid exponering av Ag2O.
Variansanalysen visade att alla tre parametrarna NP typ, NP koncentration och organisk halt hade en signifikant inverkan på COD-avskiljningen. Oberoende av typ av NP hamnade metalljonerna i större utsträckning i slammet än i utgående vatten. Detta gällde särskilt för TiO2, som har en låg vattenlöslighet
Refererad studie var den första som genomförts där effekten av en blandning av NP belysts i en långtidsstudie. Förekomsten av NP i avloppsvatten är ofrånkomlig med ett växande beroende av nanoteknologi, vilket gör denna typ av studier viktiga.
Slutsatser
Slutsatserna av långtidsförsöken med exponering av metalloxid nanopartiklar enskilt eller i blandning för bestämning av påverkan av på COD-avskiljningen i en aktivtslamprocess var att
- exponering av en blandning av Ag2O och TiO2 gav en större negativ effekt på COD-reduktionen än exponering av ämnet ensamt och vid exponering av TiO2 erhölls en större negativ effekt än vid exponering av Ag2O
- statistisk analys visade att alla tre faktorerna typ av NP, halt av NP och halt organiskt material hade en signifikant påverkan på COD-avskiljningen
- oberoende av typ av NP återfanns metalljonerna i större utsträckning i slammet än i utgående vatten
- fler studier behövs för bestämning av innehållet av nanopartiklar i avloppsvatten med försök vid realistiska exponeringsnivåer, med relevanta blandningar av NP och som långtidsförsök
Källa: B. Sundaram, A. Kumar. Long-term effect of metal oxide nanoparticles on activated sludge. Water Science & Technology 75.2 (2017), pp 462 – 473.
