Ökad nedbrytning av läkemedel i en trestegs bio-ozon-

Försök med en trestegsprocess med ozonering med biologisk för- och efterbehandling visade en hög avskiljning av utvalda läkemedel vid en låg ozondos och kort uppehållstid och processen medförde möjligheter att optimera erforderlig ozondos.

Av: Bengt Andersson

Avskiljning av läkemedelsrester genom oxidation med ozon är en effektiv teknik med en hög avskiljning av många läkemedel. Ett utgående avloppsvatten från kommunala avloppsreningsverk innehåller varierande halter av harmlöst organiskt material i väsentligt högre halt än läkemedelsresterna. Detta organiska material oxideras även av ozon och härigenom skapas en konkurrens om ozonet, vilket leder till en ökad dosering för att uppnå erforderlig avskiljning. Vid ozonbehandling bildas dessutom omvandlingsprodukter, som kan vara toxiska och som normalt erfordrar ett efterbehandlingssteg.

Biologisk behandling kan vara ett komplement till ozonbehandling både som förbehandling för avskiljning av organiskt material före ozontillsatsen och som efterbehandling för avskiljning av mera lättnedbrytbara omvandlingsprodukter. I refererad studie har en trestegs bio-ozon-bio (BO₃B) process undersökts för avskiljning av läkemedelsrester från ett utgående avloppsvatten. Syftet med studien var att utvärdera effekten av ozondosen och den hydrauliska uppehållstiden i bioreaktorerna på resultatet både ur kemisk och ur toxikologisk synpunkt samt att värdera processen ur ett kostnadsperspektiv.

Genomförande

Avloppsvatten för försöken togs från avloppsreningsverket i Bennekom i Nederländerna, en aktivtslamanläggning utformad för biologisk kväve- och fosforrening. Utgående TOC-halt uppgick i genomsnitt till 17,3 +/- 3,3 mg/l. En lösning av 9 olika läkemedel (koffein, carbamazepin, diklofenak, gemfibrozil, ibuprofen, metoprolol, naproxen, sulfametoxazol och trimetoprim) blandades med inkommande vatten till anläggningen så att koncentrationen av ämnena uppgick till omkring 200 mg/l. Läkemedlen valdes efter konsumtionsmönster, förekomst i omgivningen, fysiokemiska egenskaper och analyserbarhet.

Försöksanläggningen utgjordes av en bioreaktor (BR1) med sedimentering, en ozonreaktor (O₃R) och en bioreaktor (BR2). Bioreaktorerna var identiska och aeroba och de fylldes med sand 1,2 – 1,6 mm från ett vattenverk blandat med ymp av biomassa från tre olika fullskaleanläggningar. Ozonreaktorn belastades med vatten från BR1, ozon tillsattes i botten av reaktorn och utloppet från O₃R belastade BR2.

Försök utfördes med en uppehållstid i bioreaktorerna av 1,46, 0,47 resp. 0,3 timmar med en ozondos av 0,1, 0,2, 0,4 resp. 0,5 g O₃/g TOC. Analyser gjordes med avseende på TOC och utvalda läkemedel. Satsvisa försök utfördes för att värdera om processen var begränsad av innehållet av näringsämnen i inkommande avloppsvatten. Dessutom bestämdes toxiciteten vid tre olika trofinivåer (Daphnia magna, Pseudokirchneriella subcapitata och Vibrio fischeri).

Resultat

Under försöken konstaterades att en fullständig nitrifikation uppnåddes i BR1 till följd av de aeroba förhållandena. Batchförsök visade att inkommande vatten innehöll tillräckligt med närsalter för den biologiska processen. Biomassan i rektorerna var väl anpassad till läkemedlen utan att någon ytterligare anpassning skedde under försöken. Sandbäddarna i bioreaktorerna fungerade väl utan någon igensättning.

Vid en uppehållstid av 1,46 timmar uppgick avskiljningen av TOC över BR1 till 38 +/- 4 %, över O₃R i genomsnitt till 13 % oberoende av ozondos och till 17 +/- 3 % över BR2. Avskiljningen över BR1 med en hydraulisk uppehållstid av 0,47 resp. 0,3 timmar minskade till 31 resp. 19 %. Med en normaliserad ozondos kunde tillsatt mängd ozon minskas proportionellt mot TOC-avskiljningen över BR1.

Med en uppehållstid av 1,46 timmar i bioreaktorerna och en ozondos av 0,2 g/g TOC erhölls en avskiljning större än 95 % av läkemedlen utom för metoprolol (60 %). Lättnedbrytbara ämnen som koffein, gemfibrozil, ibuprofen, naproxen och sulfametoxazol avskildes till mer än 95 % över BR1 medan avskiljningen av metoprolol och trimetoprim var 32 resp. 42 % och de mer svårnedbrytbara ämnena carbamazepin och diklofenak mindre än 14 %. Genom ozonbehandling uppnåddes en avskiljning av carbamazepin, diklofenak och trimetoprim av mellan 50 och 80 % och låga resterande halter av diklofenak och trimetoprim efter ozoneringen avskildes helt i BR2.

Vid utvärdering av effekten av ozondosen användes carbamazepin som indikator på grund av dess höga hastighetskonstant. Vid de höga doseringarna 0,4 och 0,5 g/g TOC var avskiljningen fullständig medan den begränsades till 90 resp. 75 % vid de lägre doseringarna 0,2 resp. 0,1 g/g TOC. För övriga läkemedel utom trimetoprim var avskiljningen fullständig även vid de lägre doseringarna och även under de delar av försöken då BR1 fungerade sämre.

Vid en utvärdering av effekten av uppehållstiden i bioreaktorerna användes de lättnedbrytbara ämnena koffein, ibuprofen och naproxen som indikatorer. Vid 0,47 och 1,46 timmar uppnåddes en hög avskiljning över BR1 av indikatorerna och de flesta övriga ämnen medan avskiljningen begränsades vid 0,3 timmars uppehållstid. Dock var avskiljningen för de flesta ämnena likartad över hela processen även vid en kort uppehållstid genom avskiljningen vid ozonering.   

Ingen signifikant akut toxicitet konstaterades för någon av testorganismerna och kombinationen ozonering och efterföljande biologisk behandling var effektiv för att minska toxiciteten.

En uppskattning visade att tillkommande kostnader för BO₃B-processen var lägre än 0,06 €/m3, vilket motsvarade mindre än 15 % av den totala kostnaden för reningen och erforderlig taxehöjning skulle kunna begränsas till mindre än 10 %.

Slutsatser

Försök med en BO₃B-process med biologisk behandling före och efter ozonering visade att

Källa: A. de Wilt, K. van Gijn, T. Verhoek, A. Vergnes, M. Hoek, H. Rijnaarts. Enhanced pharmaceutical removal from water in a three step bio-ozon-bio process. Water Research 138, 2018, pp 97 – 105.

Hela artikeln från Water Research finns att läsa gratis här.