Oxidation av organiska miljöstörande ämnen vid disinfekt

Alternativa disinfektionsprocesser, som kan ersätta traditionella processer som klorering, be-hövs särskilt vid disinfektion av ett renat avloppsvatten för återanvändning. Det är en fördel om en reduktion av organiska toxiska ämnen kan uppnås i samma process. Fotokemiska pro-cesser med UV-behandling kan härvid vara intressanta alternativ.

Av: Bengt Andersson

I många delar av världen är tillgången till vatten begränsad och en bättre hushållning med vattenresurserna erfordras. Återanvändning av avloppsvatten för olika ändamål en självklar lösning, vilket ställer stora krav på vattnets bakteriella och toxiska status. För återanvändning av avloppsvatten krävs processer för disinfektion men även för nedbrytning av organiska toxiska ämnen. Det skulle vara en fördel om båda syftena kan uppnås i en och samma process.

För att uppnå syftet kan avancerade oxidationsprocesser användas där reaktiva hydroxylradikaler bildas som både kan bryta ner organiska ämnen och inaktivera bakterier. Fotokemiska teknologier kan även vara intressanta, där UV-strålning används. UV-strålningen kan indelas i olika våglängdsområden. UV-C är strålning med våglängder mellan 100 och 280 nm med en starkt fotokemisk skadeverkan. UV-A är strålning med våglängder mellan 315 och 400 nm med främst en termisk skadeverkan.

Enbart strålning med UV-C har används sedan länge både separat och tillsammans med väteperoxid (H₂O₂₎. Ett annat sätt är att kombinera UV-A strålning och titandioxidbelagda filter (TiO₂) för att uppnå en fotokatalytisk oxidation.

Syftet med refererad studie var att jämföra olika processer (UV-C, UV-C/ H₂O₂, UV-A/TiO₂ och UV-A/TiO₂/ H₂O₂) såväl vad gäller inaktivering av bakterier som nedbrytning av organiska toxiska ämnen.

Försökens genomförande

Försöken genomfördes i en ringformad fotoreaktor placerad i ett slutet recirkulerande system med en reservoar. Belysning skedde med tubformade lampor placerade i reaktorns axel. Två olika lampor användes, en lampa som avgav UV-C strålning med en effekt av 1,63 W med möjlighet till avgränsning till 0,11 W och en lampa som avgav UV-A strålning med en effekt av 0,91 W. Vid UV-A strålning användes titandioxid som fotokatalysator antingen i suspenderade form eller immobiliserat på ett bärarmaterial.

Avjoniserat vatten och ett konstgjort avloppsvatten med ett kolinnehåll motsvarande utgående vatten efter biologisk rening användes som modellvatten i försöken.

E. coli valdes som modellorganism på grund av dess allmänna användning som indikatororganism för fekal förorening. Den initiala bakteriekoncentrationen var 10³ CFU/ml och detektionsgränsen var 1 CFU/ml.  

Fyra läkemedel från olika läkemedelsgrupper valdes att representera organiska miljöstörande ämnen. De var 4-acetamidoantipyrin (anti-inflammatoriskt), hydroklorothiazid (blodtryckssänkande), sulfametoxazol (antibiotiskt) och diklofenak (smärtstillande). Blandningar med en initial koncentration av 20 mg/l av varje ämne användes i försöken.

Resultat

Vid försök med UV-C strålning med låg effekt (0,11 W motsvarande 7,8 W/m²) kunde ingen skillnad i tid för att uppnå en fullständig inaktivering av E. Coli ses för de olika modellvattnen, vilket tyder på att mekanismen för inaktivering baseras på direkt absorption av fotonerna av DNA i bakterierna. Erforderlig strålningstid för fullständig inaktivering uppgick till 15 minuter. Högre strålningseffekt (1,63 W motsvarande 115,6 W/m2) medförde att strålningstiden för fullständig inaktivering blev något kortare. Lampan släcktes efter 60 minuter. Efter 24 timmar i mörker hade en återväxt av E. coli skett till initial koncentration, vilket innebär att inaktiveringen inte ledde till irreversibla skador av bakterierna. Den fotolytiska nedbrytningen av läkemedlen var mycket långsammare än inaktiveringen av bakterierna och den blev ganska begränsad. Detta bekräftar att inaktivering av bakterier och nedbrytning av läkemedel inte bygger på samma fotolytiska mekanism.

Försök med UV-C strålning och tillsats av väteperoxid visade att inaktiveringen av bakterier förbättrades med ett ökat k-värde (första ordningens kinetiska konstant). Dock minskade inte erforderlig strålningstid i motsvarande grad, vilket innebär att huvudmekanism vid inaktiveringen är UV-C strålningen. Ingen återväxt av bakterier observerades och processen var irreversibel, vilket beror på en bakterostatisk effekt och inte på bildandet av hydroxylradikaler. Tillsats av väteperoxid ökade inte nedbrytningen av läkemedel.

Med en UV-A/TiO₂ process ökade erforderlig strålningstid för fullständig inaktivering av E. coli till omkring 60 minuter vid försök med avjoniserat vatten. Processen var irreversibel och ingen återväxt av bakterier observerades. En fullständig nedbrytning av läkemedlen uppnåddes efter cirka 30 minuters stålning. Processen är mera känslig för vattnets innehåll av joner och organiskt material beroende på att mekanismen bygger på bildandet av hydroxylradikaler. Detta ökade den erforderliga tiden för strålning med 3 gånger för inaktivering av bakterier och med 5 gånger för nedbrytning av läkemedel vid försök med ett konstgjort avloppsvatten. Enbart strålning med UV-A gav ingen effekt på inaktivering av E. coli.

Med en UV-A/TiO₂ process och tillsats av väteperoxid kunde erforderlig strålningstid för fullständig inaktivering av E. coli minskas från 180 till 45 minuter vid försök med konstgjort avloppsvatten Erforderlig tid för nedbrytning av läkemedel minskade dock inte.

Slutsatser

UV-C baserade processer

UV-A/TiO₂ baserade processer

Källa: C. Pablos, J. Marugán, R. van Grieken, E. Serrano. Emerging micropollutant oxidation during disinfection processes using UV-C, UV-C/H₂O₂, UV-A/TiO₂ and UV-A/TiO₂/ H₂O₂. Water Research 47 (2013) pp 1237 – 1245.

Hela artikeln från Water Research finns här.