| Popis: |
Forekomsten af lægemidler og personlig plejeprodukter (PPCP) i spildevand har fået meget forskningsopmærksomhed. Disse forbindelser findes i spildevand i koncentrationer fra nanogram pr. liter til milligram pr. liter og derfor betegnes de som mikroforureningsstoffer. Da konventionelle spildevandsrensningsanlæg ikke er designet til at nedbryde mikroforureningsstoffer, fjernes de ofte kun delvist. Mikroforureningsstofferne er, selv ved meget lav koncentration, påvist at have akutte og/eller kroniske toksiske virkninger på vandorganismer. Derfor er fjernelsen af disse forbindelser afgørende for en god miljøtilstand.Biofilm-baserede processer, såsom Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), har vist sig at være effektive til at fjerne en række mikroforurenden stoffer i meget kompakte renseanlæg. MBBR består af biofilm dyrket på plastbærere, som suspenderes i en reaktor via mekanisk blanding eller luftning. Dette giver en kompakt og robust teknologi til behandling af spildevand. Derfor er tekniske og operationelle forbedringer der vil medføre øget fjernelse af mikroforureningsstoffer i denne behandling yderst attraktive. Ud over fjernelse af mikroforureningsstofferne er undersøgelser af deres nedbrydningsprodukter og tilhørende toksicitet også vigtige.I tidligere undersøgelser blev den højeste nedbrydningshastighedskonstant (k) til fjernelse af 22 lægemidler fra forskellige kategorier primært tilskrevet den første reaktor i en trinvis MBBR. Men da disse nedbrydningshastighedskonstanter (k) blev normaliseret med den respektive biomasse i hver reaktor (kbio), havde den sidste reaktor i en trinvis MBBR den mest kompetente biofilm. Med andre ord udviste biofilm i den sidste reaktor potentiale til at nedbryde svært nedbrydelige lægemidler, dvs. diclofenac, og et højere forhold af biomassen var involveret i nedbrydning.På trods af at den sidste reaktor præsenterede den mest kompetente biofilm, var biomasse-overfladen i denne reaktor for lav til at udføre tilstrækkelig fjernelse af lægemidler. Derfor blev intermitterende fodring designet til at øge biomassen samtidig med at kompetencen bevares. Dette nye koncept blev testet i laboratorieskala MBBR’er polerende renset spildevand og reaktorerne blev fodret intermitterende med råt spildevand. Resultaterne viste en højere kbio, især for diclofenac, atenolol og metoprolol, når man sammenlignede med andre undersøgelser af aktiveret slam og suspenderet biofilm. Faktisk blev diclofenac fuldstændigt fjernet i batchforsøg med en halveringstid på 2,1 timer.Hospitalsspildevand er en af hovedkilderne, hvor høje koncentrationer af lægemidler er til stede. Derfor er behandling på stedet af hospitalsspildevand blevet overvejet for at reducere tilførelsen af lægemidler til kommunale spildevandsrensningsanlæg. En pilotskala MBBR anlæg bestående af seks reaktorer i serie blev bygget med integration af intermitterende fodring af de sidste reaktorer med henblik på en mere effektiv fjernelse af mikroforurenende stoffer. Resultaterne viste at de nitrifikerende MBBR’er havde en højere fjernelse end denitrifiserende MBBR’er med undtagelse for stofferne: azithromycin, clarithromycin, diatrizosyre, propranolol og trimetoprim. I batchforsøg har nitrificerende MBBR'er evnen til at fjerne de analyserede lægemidler bortset fra carbamazepin, diclofenac og iopamidol med nedbrydningshastighedskonstanter fra 5,0·10-3 h-1 til 2,6 h-1. Generelt er de højeste nedbrydningshastighedskonstanter (k) fra de nitrificerende MBBR'er. Men da nedbrydningshastighedskonstanterne blev normaliseret til den respektive biomasse (kbio), var det de intermitterende fodrede reaktorer som havde den højeste specifikke aktivitet. Af de 22 undersøgte forbindelser blev 17 forbindelser fjernet med mere end 20% gennem dette pilotanlæg. Desuden er det estimeret at 8 af disse forbindelser bliver næsten fuldstændig fjernelse efter MBBR-behandling. Dette indbefatter 3 af de 4 ioderede røntgenkontrastmedier, der anvendes i vid udstrækning på hospitaler.Ved fjernelse af lægemidler opnås der ofte ikke en total mineralisering til kuldioxid og vand og dannelse af transformationsprodukter, der eventuelt er svært nedbrydelige, vil forekomme. I MBBR batch forsøg blev den biologiske nedbrydningen af antibiotikaene, clindamycin og fusidinsyre, samt transformationsproduktdannelsen undersøgt. Clindamycin blev fjernet via biologisk behandling med dannelse af transformationsprodukterne, clindamycinsulfoxid og N-desmethylclindamycin såvel som 3 andre mono-oxygenerede produkter. Fusidinsyre dannede også transformationsprodukter, men disse blev fjernet over tid, hvorved ingen synlig kromatografisk top blev opnåede efter 72,5 timers behandling. Desuden viste bioassay ingen signifikante antibakterielle aktiviteter, efter at fusidinsyre var blevet nedbrudt. En reduceret Microtox®-inhibering blev også observeret efter fusidinsyre-bionedbrydning. I modsætning hertil viste resultaterne, at ferskvandskrebsdyr, Daphnia magna, ikke påvirkes af fusidinsyre, selv i koncentrationer så højt som 250 mg L-1.Konklusionen på arbejdet er at MBBR kan anvende som erstatning for konventionelt aktiveret slam (CAS) til behandling af hospital/kommunalt spildevand og som et poleringstrin efter WWTP for at sænke farmaceutiske koncentrationer før afledning samt til at behandle industrielt spildevand. The detection of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in wastewater has caught the awareness of many societies, due to their impacts on the environment. The presence of these compounds in wastewater ranging from nanograms per liter to milligrams per liter is described as micropollutants. Since micropollutants are only removed partially by conventional wastewater treatment plants (WWTPs) as these treatment systems are not designed to remove pharmaceuticals, they can be detected in receiving water. These micropollutants, even at a very low concentration, were reported to pose acute and/or chronic toxic effects on aquatic organisms. Therefore, removal of these compounds is crucial in shaping a sustainable environment.Biofilm-based processes, such as Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), have shown to be effective in removing a number of micropollutants, despite its relatively small footprint. MBBR consists of biofilm grown on plastic carriers, which are suspended in a reactor via mechanical mixing or aeration. This offers a compact and resilient technology to treat wastewater. Hence, technical and operational enhancements to boost micropollutant removal in this treatment are extremely attractive. Other than micropollutant removal, investigations on their fate and associated toxicity are also of importance.In previous studies, the highest degradation rate constant (k) for the removal of 22 pharmaceuticals from diverse categories, was primarily attributed to the first reactor in a staged MBBR. However, when these degradation rate constants (k) were normalized with the respective biofilm in each reactor (kbio), the last reactor in a staged MBBR presented the most competent biofilm. In other words, biofilm in the last reactor exhibited the potential to degrade persistent pharmaceuticals, i.e. diclofenac, and a higher ratio of this biomass was involved in the degradation.Despite the fact that the last reactor presented the most competent biofilm, biomass abundance in this reactor was too low to perform sufficient pharmaceutical removal. Therefore, intermittent feeding was designed to boost the biomass abundance while retaining the competency. This novel concept was implemented to a laboratory-scale MBBR operated on effluent wastewater intermittently fed with settled raw wastewater. Results showed a relatively higher kbio, especially for diclofenac, atenolol and metoprolol, when comparing with other studies on activated sludge and suspended biofilm. In fact, diclofenac was removed completely in the batch experiment with half-life of 2.1 hours.Hospital wastewater is one of the main sources where high concentrations of pharmaceuticals are presence. Hence, an on-site treatment of hospital wastewater has been considered, in order to decrease pharmaceutical input into municipal wastewater treatment plants (WWTPs). A pilot-scale MBBR consisting of six reactors in series was built with integration of intermittent feeding of the latter reactors aimed for a more efficient micropollutant removal. Based on the results, the nitrifying MBBR achieved higher removal compared with denitrifying MBBRs, except for azithromycin, clarithromycin, diatrizoic acid, propranolol and trimethoprim. In the batch experiment, nitrifying MBBRs have the ability to remove most of the analyzed pharmaceuticals except for carbamazepine, diclofenac and iopamidol, with degradation rate constants ranging from 5.0 × 10-3 h-1 to 2.6 h-1. In general, the highest degradation rate constants (k) are from the nitrifying MBBRs. However, when the degradation rate constants were normalised to the respective biomass (kbio), the intermittently fed reactors presented the highest specific activity. Out of the 22 compounds studied, 17 compounds were removed with more than 20% through this pilot plant. Moreover, based on a model of the MBBR system, 8 of these compounds were estimated to be almost completely removed after MBBR treatment. This includes 3 of the 4 iodinated X-ray contrast media, which are used extensively in hospitals.During biological removal of pharmaceuticals, total mineralization into carbon dioxide and water, is not often achieved. In many circumstances, formation of transformation products that are possibly persistent can occur. In this research study, the antibiotics, clindamycin and fusidic acid, were tested to investigate the pathways following MBBR treatment. Clindamycin was removed via biological treatment, forming transformation products, clindamycin sulfoxide and N-desmethyl clindamycin as well as 3 other mono-oxygenated products. Fusidic acid, on the other hand, formed transformation products that were removed over time, achieving no visible chromatographic peak after 72.5 hours of treatment. Furthermore, bioassay showed no significant antibacterial activities after fusidic acid has been degraded. A reduced Microtox® inhibition was also observed following fusidic acid biodegradation. In contrast, results showed that freshwater crustacean, Daphnia magna, is not affected by fusidic acid, even at concentrations as high as 250 mg L-1.In conclusion, MBBR could apply as a substitute for conventional activated sludge (CAS) to treat hospital/municipal wastewater, and as a polishing step after WWTP to lower pharmaceutical concentrations before discharge. The application to treat industrial wastewater was also proved feasible. |
