En kritisk granskning av den kemiska och biologiska utvärderingen av allmänt tillämpade reningsteknologier för avloppsvatten En omfattande granskning har gjorts av metoder för värdering av miljöpåverkan av icke önskvärda organiska toxiska ämnen i utgående avloppsvatten från olika reningsprocesser ur ett kemiskt och ekotoxikologiskt perspektiv.
Av: Bengt Andersson
Vattenmiljön utsätts kontinuerligt för utsläpp av patogener och antropogena kemikalier och utsläppen från de kommunala avloppsreningsverken är en av de viktigaste och största källorna. Intresset för icke önskade organiska ämnen i avloppsvattnet (s.k. Contaminants of Emerging Concern (CEC)) har ökat och CEC utgör en stor grupp av ämnen av olika ursprung, uppbyggnad och toxicitet. Inom EU finns idag över 100 000 kemikalier ute på marknaden och det tillkommer omkring 4000 nya ämnen varje år.
Syftet med granskningen var att belysa vilka kemiska och ekotoxikologiska analysverktyg som finns tillgängliga för att värdera konventionella och avancerade reningsprocesser med avseende på deras potential att minska de toxiska riskerna av CEC i utgående avloppsvatten för växt- och djurliv och för människan. Avsikten var vidare att bedöma om verktygen är tillräckliga för en tillfredsställande utvärdering och vilka parametrar som är avgörande för att bestämma den övergripande avloppsvattenkvaliteten.
Granskningen har uppdelats i ett avsnitt om tillgängliga kemiska och ekotoxikologiska metoder för värdering av vattenkvaliteten och ett avsnitt om värdering av vattenkvaliteten från olika reningsteknologier. Fördelar och begränsningar av de olika metoderna diskuteras kritiskt och varje metodgenomgång avslutas med en kort sammanfattning av fördelar, begränsningar och behov av framtida utveckling och förbättringar. Granskningen av olika reningsteknologier, såväl konventionella som avancerade processer, avslutas med vad som kommer sedan och med några specifika utmaningar för analytiska kemister och ekotoxikologer.
Metodgranskning
Metodgranskningen inleds med att understryka vikten av relevant provtagning, provbehandling och provextraktion för såväl kemiska som ekotoxikologiska analyser.
Granskade kemiska metoder omfattar analys av kända ämnen (målanalys), screening av okända ämnen i kombination med misstankeanalys, bestämning av summaparametrar, identifiering och kartläggning av omvandlingsprodukter, matematisk modellering samt effektinriktad analys och identifiering av toxicitet.
Analys av kända ämnen är ett av de huvudsakliga verktygen för en kemisk bedömning av avloppsvattenkvaliteten och många utvecklade analysmetoder är känsliga nog för att detektera CEC vid vanligen förekommande koncentrationer i avloppsvatten ner till några ng/l. Ämnen med ökad polaritet som bildade oxidationsprodukter är dock svåra att detektera med de vanliga analysmetoderna. Screening av okända ämnen är ett prioriterat område med tanke på den kraftiga ökningen av antalet nya kemikalier varje år och det finns ännu så länge endast ett fåtal referenser, som har belyst området. Summaparametrar är till stor hjälp för att bestämma den övergripande avloppsvattenkaraktären och metoder för bestämning av summan av toxikologiskt relevanta parametrar som fenoler, aldehyder och nitrosaminer behöver utvecklas och göras lättillgängliga och standardiserade. Förståelsen för vilka omvandlings- och oxidationsprodukter, som bildas vid olika reningstekniker, är ännu i sin linda, utveckling pågår och ytterligare utveckling behövs. Med hjälp av matematisk modellering kan avskiljningen av CEC prognostiseras och riskerna bedömas, vilket kan reducera behovet av t.ex. djurförsök. Modellerna behöver dock utvecklas för att t.ex. förklara hur och vilka omvandlingsprodukter som bildas. Effektinriktad analys och toxicitetsvärdering är metoder som identifierar ämnen som uppvisar toxiska egenskaper med hjälp av en specifik och effektiv provanrikning.
Granskade ekotoxikologiska metoder omfattar in vitro tester (cytotoxicitet, gentoxicitet, mutagenitet, hormonstörningar, adaptiva stressreaktioner och toxikogenomik) och in vivo tester (med test av enstaka eller flera arter samt bioövervakning).
Möjligheterna att detektera toxiska CEC genom in vitro test i komplexa blandningar är enklare, mindre tidskrävande och billigare än genom in vivo prövningar. Däremot är extrapolering från in vitro test till toxisk relevans för organismer och ekosystem mycket osäker och här ger in vivo prövningar bättre resultat. Cytotoxiska ämnen är allmänt toxiska för celler och en vanlig metod är mätning av inhibering av bioluminescens. Gentoxiska ämnen kan skada cellernas DNA och är ofta cancerogena, dock inte alltid. Vanliga metoder är Ames test och umuC prövning. In vitro test av hormonstörande ämnen har använts sedan 1990-talet och en rad olika metoder har utvecklats och använts. Adaptiva stressreaktioner kan ses som tidig varningssignal innan egentlig påverkan inträffar.
Värdering av vattenkvaliteten från olika reningsteknologier
I granskningen ges aktuell status för forskningen avseende kemisk och ekotoxikologisk värdering av såväl konventionella processer som de mest använda avancerade processerna som ozonbehandling och andra oxidationsprocesser, aktivt kol samt tryckdriven membranteknologi. Avsikten med granskningen var inte att ge en generell sammanställning av avskiljningseffekten av CEC eftersom det redan finns flera tillgängliga sammanställningar som belyser detta.
Tusentals CEC kommer till de kommunala avloppsreningsverken och analys av utgående avloppsvatten har tydligt visat att konventionell rening inte avskiljer CEC i tillräcklig omfattning även om variationerna är påtagliga. Nedbrytningen av CEC leder ofta till bildandet av ett stort antal omvandlingsprodukter, som ofta har en ökad polaritet och ökad stabilitet jämfört med de ursprungliga ämnena och som kan bidra till en ökad toxicitet.
Olika avancerade reningsprocesser har kommit eller planeras komma till användning som komplement till konventionell rening för en ökad avskiljning av CEC. Många CEC, som påverkas marginellt vid konventionell rening, kan oxideras till mer än 90 % genom behandling i olika avancerade oxidationsprocesser (AOP).
Ozonbehandling är en av de mest lovande AOP. Ozon är ett selektivt oxiderande ämne som reagerar snabbt med elektronrika delar i CEC, som t.ex. dubbelbindningar, medan ämnen som saknar dessa delar påverkas i mindre grad. Avloppsvattnets karaktär och särskilt pH har stor betydelse för resultatet då OH-radikaler bildas vid alkaliska förhållanden. Minskningen av den biologiska aktiviteten hos toxiska ämnen genom ozonbehandling är väldokumenterad avser särskilt hormonstörande och antibakteriella ämnen. Även om ozonbehandling signifikant minskar koncentrationen av CEC mineraliseras inte föreningarna fullständigt utan minskningen kan egentligen ses som en ersättning av kända föreningar med okända oxidationsprodukter (OP), som sällan identifieras. Många toxicitetsstudier har visat att ozonbehandling ökar den icke-specifika reaktiva toxiciteten på grund av bildandet av reaktiva OP. För att undvika utsläpp av toxiska och reaktiva OP vid ozonbehandling finns oftast ett efterbehandlingssteg som sandfiltrering eller filtrering genom aktivtkol.
Andra AOP med processer för fotolys med UV ensamt eller i kombination med ozon (UV/O3), med väteperoxid (UV/H2O2), med fotokatalys (UV/TiO2), med Fenton-reagens eller med elektrokemiska metoder ses även som lovande reningsmetoder för avskiljning av CEC även om de hittills huvudsakligen undersökts i laboratorie- eller pilotskala. Nedbrytningen av CEC sker med starkt reaktiva syreföreningar och särskilt OH-radikaler, som medför en effektiv avskiljning. Olika OP bildas även i dessa processer och variationerna är troligtvis större än för ozon beroende på den ospecifika reaktiviteten av OH-radikalerna.
Aktivtkolbehandling (AC) kan utformas som filter med granulerat kol, som pulver som doseras till avloppsvattnet och som biologisk aktivtkol filtrering med påväxt på granulerna. Mekanismen utgörs av adsorption på en stor specifik yta (upp till 2000 m2/g). En effektiv avskiljning av icke polära och medelpolära CEC uppnås medan avskiljningen av CEC med högre polaritet är lägre, vilket är av särskild betydelse om AC används som efterbehandlingssteg efter ozonbehandling. En stor fördel med AC är att inga omvandlingsprodukter bildas och risken för en ökad toxicitet är minimal.
Det finns ett flertal olika teknologier för tryckdriven membranfiltrering (MF) av vilka nanofiltrering (NF), osmos (FO) och omvänd osmos (RO) är viktigast för avskiljning av CEC. Avskiljningen är starkt beroende av ett stort antal faktorer som avloppsvattnets karaktär, de kemiska egenskaperna hos CEC och membrankarakteristiken. Avskiljningen av både positivt och negativt laddade CEC är god medan avskiljningen av neutrala CEC varierar. Avskiljningen av små molekyler utan laddning är dock otillräcklig. RO är en av de mest effektiva reningsprocesserna för avskiljning av toxicitet. Även om membranteknologi medför en avskiljning utan omvandlingsprodukter bildas toxiska disinfektionsprodukter vid den erforderliga rengöringen av membranen, som oftast släpps ut utan rening.
Klorering är en disinfektionsprocess som inte utformats för avskiljning av CEC men som genom bildandet av toxiska biprodukter och negativa effekter på miljön har tagits med i granskningen.
Slutsatser
Studien visade att:
- eliminering av CEC används för närvarande som huvudsaklig värdering av avancerade reningsteknologier och ett stort antal kemiska och ekotoxikologiska analysmetoder finns tillgängliga
- otillräcklig information föreligger om omvandlingsprodukter, som bildas både i biologiska och oxidativa reningsprocesser och som bidrar till den samlade toxiciteten i avloppsvattnet
- analysmetoderna behöver utvecklas att omfatta ämnen med hög polaritet, som bland annat bildas vid oxidationsprocesser och som inte avskiljs i tillräcklig omfattning av aktivt kol, samt icke laddade ämnen med låg molekylvikt
- metoder för provanrikning vid biologisk värdering behöver utvidgas till att omfatta även högpolära och flyktiga ämnen som vanligtvis förloras vid normala extraktionsmetoder
- det finns ett behov av utveckling av summaparametrar för specifikt toxiska delar som aldehyder och nitrosaminer
- systematiska studier behöver utföras för att förbättra tillförlitligheten av förutsägelser med hjälp av modellering för både omvandlingskinetik och bildandet av omvandlingsprodukter
Avslutande kommentar
En omfattande granskning av 430 olika referenser har gjorts och den kritiska granskningen utgör en kompakt sammanfattning i form av ett 37-sidigt dokument, såväl tungt och innehållsrikt som initierat och kompetent. En sammanfattning av en utomordentlig sammanfattning av ett viktigt område är en grannlaga uppgift, som självfallet är näst intill omöjlig att ge någon rättvisa över huvud taget.
Källa: C. Prasse, D. Stalter, U. Schulte-Oehlmann, J. Oehlmann, T. A. Ternes. Spoilt for choice: A critical review on the chemical and biological assessment of current wastewater treatment technologies. Water Research 87 (2015) pp 237 – 270.
