Nedbrydning af miljøfremmede stoffer i spildevand undersøges ved optimeringsforsøg i et biologisk pilotrenseanlæg på renseanlægget Lynetten. Formålet er at kortlægge de styrende procesmekanismer mhp. at optimere den biologiske nedbrydning af miljøfremmede stoffer.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2005 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af ph.d.-studerende Kåre Press-Kristensen, Miljø & Ressourcer, DTU og projektkoordinator Carsten Thirsing, Lynettefællesskabet I/S
Spildevand fra moderne bysamfund er en kompleks cocktail af miljøfremmede stoffer. Anvendelsen af hygiejneprodukter, farmaceutiske stoffer, rengøringsmidler og kemikalier i industrien, husholdningerne og på hospitalerne er væsentlige kilder. Men også forurenet regn bidrager med miljøfremmede stoffer.
Der eksisterer intet samlet overblik over miljøfremmede stoffers skæbne i renseanlæggene, men en lang række af stofferne passerer renseanlæggene og genfindes i vandmiljøet, hvor kønsforstyrrede fisk er en velkendt forureningseffekt. Stofferne udgør en trussel for drikkevandsforsyningen i lande, der udnytter overfladevand til drikkevand, og mange forureningseffekter er endnu ukendte. Miljøfremmede stoffer skal derfor fjernes bedre i renseanlæggene. I den forbindelse spiller den biologiske nedbrydning en væsentlig rolle, men vores viden herom er yderst begrænset.
Miljøfremmede stoffer i spildevand
Ud fra deklarationen på almindelige hygiejne- og rengøringsprodukter er det estimeret, at gråt spildevand (husholdningsspildevand uden toiletspildevand) fra en typisk dansk husholdning indeholder mere end 900 forskellige miljøfremmede stoffer [1]. I Holland anvendes desuden omkring 850 aktivstoffer i de registrerede medikamenter, der via urin og fækalier kan havne i toiletspildevandet [2]. En litteraturgennemgang viser, at mindst 640 miljøfremmede stoffer kan forventes i regnvand [3]. Dertil kommer de 100.000 kemikalier, der er registreret i ESIS (European chemical Substances Information System) og ukendte stoffer og nedbrydningsprodukter. Samlet anslås det, at almindeligt byspildevand indeholder titusinder af forskellige miljøfremmede stoffer ved indløbet til renseanlæggene.
Nuværende fjernelse i renseanlæg
Selvom nuværende renseanlæg ikke er designet til at fjerne miljøfremmede stoffer, så har flere anlæg en forholdsvis høj renseeffekt via kemisk eller biologisk nedbrydning, stripning (aktiv fordampning) og sorption til slammet. Sidstnævnte er årsagen til, at meget spildevandsslam ikke længere kan anvendes i landbruget og i stedet må brændes eller deponeres.
Erfaringer med biologisk nedbrydning viser, at øget hydraulisk opholdstid og øget slamalder fremmer nedbrydningen af miljøfremmede stoffer. Der mangler dog fortsat systematiske og detaljerede undersøgelser, der kan bruges som grundlag for optimering af nedbrydningen.
Effekter i det akvatiske miljø
Den generelle erfaring viser, at fortynding, udjævning og fjernelse i kloaker, renseanlægget og recipienten reducerer koncentrationen af miljøfremmede stoffer til omkring eller under et mikrogram pr. liter i det akvatiske miljø. Lokale industrier kan naturligvis øge niveauet betydeligt. Den største miljørisiko er derfor forbundet med miljøfremmede stoffer, der har effekter under et mikrogram pr. liter. Det gælder primært stoffer med en specifik økotoksikologisk virkning, f.eks. hormonforstyrrende stoffer som østrogener og visse phenoler og phthalater.
For hovedparten af de farmaceutiske stoffer er miljøeffekten ukendt. Stofferne er designet, så de har en specifik biologisk virkning og er ekstremt potente i meget lave koncentrationer. Mange er bioakkumulerende, og der må derfor forventes toksiske effekter i det akvatiske miljø. Men man ved ikke, hvilke miljøeffekter f.eks. blodtryksdæmpende midler eller epilepsimedicin har på naturens millioner af forskellige arter, så forskerne er fortsat på bar bund. Vi ved ikke, hvilke miljøeffekter der skal overvåges i vandmiljøet, eller hvilke laboratorieforsøg, der kan afsløre stoffernes specifikke giftvirkning.
For at understrege vigtigheden af at tage højde for de farmaceutiske stoffers specifikke giftvirkning kan nævnes, at hvis p-pille-østrogens specifikke virkning i form af hormonforstyrrende effekt udelades fra risikovurderingen, vil man undervurdere toksiciteten for fisk omkring en million gange.
Grænseværdier
Der eksisterer ingen grænseværdier for udledning af miljøfremmede stoffer fra kommunale renseanlæg, selvom miljøeffekterne af forureningen har været kendt i årtier. Det skal sandsynligvis tilskrives, at der ikke er en gennemarbejdet dansk eller international strategi for fjernelse af miljøfremmede stoffer i renseanlæg. Renseteknikkerne er dårlig belyst, og der mangler en samlet belastningsanalyse med fokus på renseanlæggenes belastning af recipienterne.
Fakta om pilotanlægget
Pilotanlægget (forhold 1:14.700) er en kopi af Lynettens fuldskalaanlæg efter primær bundfældning.
Tilløbet til anlægget er derfor forklaret spildevand fra fuldskalaanlægget, og pilotanlægget indeholder følgende hovedenheder: Bio-P-tank, to luftningstanke og en efterklaringstank. Bio-P-tanken er inddelt i fem mindre tanke mhp. fordenitrifikation, biomasseselektion og egentlige Bio-P-processer. Anlægget drives efter Bio-Denipho-princippet.
I Bio-P-tanken blandes det forklarede spildevand med returslam fra efterklaringstanken under anaerobe forhold, hvilket er første skridt i den biologiske P-fjernelse. Derfra strømmer spildevandet videre ind i luftningstankene, der drives alternerende, dvs. skiftevis aerobe faser (nitrifikation) og anoxiske faser (denitrifikation). Samtidig mineraliseres organisk stof, slammet optager store mængder phosphor, og de fleste patogener udkonkurreres af spildevandsbakterierne.
I efterklaringstanken bundfælder slammet og returneres til Bio-P-tanken. Det rensede vand udtages via et overløb. Overskudsslam udtages automatisk fra den ene luftningstank via en overskudsslamtank.
Procesovervågningen og processtyringen foretages af et centralt opstillet SRO-anlæg af typen TAC 2000. Derved kan mængden af udtaget overskudsslam nøje defineres, og slamalderen kan ændres til det ønskede. Ligeledes kan redoxforholdene reguleres ved at ændre på luftindblæsningen og på længden af faserne i luftningstankene eller ved at afkoble Bio-P-tanken fra anlægget.
Udvalgte modelstoffer
Stofferne udvælges ud fra tre hovedkriterier: De måles hyppigt i udløbet fra renseanlæg i hele verden, de målte udløbskoncentrationer udgør en trussel for miljøet eller drikkevandsressourcerne, og stofferne forventes at være biologisk nedbrydelige i renseanlæg. Dertil kommer underkriterier som analysemuligheder, ekstrapolationsmuligheder og andre praktiske forhold.
Nedbrydningsforsøgene på pilotanlægget udføres 2005-06 med fem udvalgte miljøfremmede stoffer som modelstoffer. To industrikemikalier (nonylphenol og bisphenol-A), 17a-ethinyløstradiol (p-pille-østrogen) og to endnu ikke udvalgte farmaceutiske stoffer f.eks. aktivstofferne i blodtryksdæmpende præparater, lykkepiller, antibiotikum, epilepsimedicin eller smertestillende medicin.
Nonylphenol bruges som rent stof i visse industrier, men er primært et nedbrydningsprodukt fra non-ioniske detergenter, der fortsat findes i mange vaske- og rengøringsmidler. Bisphenol-A er primært et mellemprodukt ved industriel fremstilling af polycarbonat, men frigives fra urenheder i færdigvarer, der bl.a. omfatter den indvendige overflade af konservesdåser, sutteflasker og andre plastprodukter.
17a-ethinyløstradiol stammer hovedsagelig fra p-piller og udskilles primært gennem urinen.
Alle tre stoffer anses for hormonforstyrrende og belastningen fra renseanlæg anses for medvirkende til kønsforstyrrelser hos hanfisk og andre akvatiske organismer. Udløbskoncentrationer fra renseanlæg er typisk et par mikrogram pr. liter for nonylphenol og bisphenol-A, mens 17a-ethinyløstradiol ofte måles i udløbskoncentrationer nede omkring et par nanogram pr. liter. Til gengæld anses hormonvirkningen af 17a-ethinyløstradiol for 1.000-10.000 gange så kraftig som virkningen af de to industrikemikalier.
Forsøgene på pilotanlægget
Modelstoffernes nedbrydning undersøges ved kontrollerede forsøg i pilotrenseanlægget.
Hypotesen er, at nedbrydningen af miljøfremmede stoffer kan fremmes ved at stimulere de eksisterende blandingskulturer af mikroorganismer via optimale fysisk-kemiske forhold.
Som referencescenarium undersøges den biologiske nedbrydning af modelstofferne under driftsforhold svarende til fuldskalaanlægget. Dernæst undersøges øget hydraulisk opholdstid (længere reaktionstid) i anlægget som helhed og i udvalgte delprocesser samt effekten af at øge slamalderen for at skabe en optimal koncentration og sammensætning af biomasse. Desuden eksperimenteres der med redoxforhold og tilsætning af biomasse tilpasset til nedbrydning af modelstofferne. Endelig undersøges forskellige kombinationer af ovenstående forhold.
Parallelt med nedbrydningsforsøgene udføres der forsøg for at kvantificere abiotiske fjernelsesmekanismer, primært sorption, stripning og kemisk nedbrydning. Effekten på de traditionelle renseparametre følges, så renseeffekten for organisk stof og næringsstoffer ikke forringes. De ydre forhold overvåges (f.eks. regn og spildevandets temperatur) sideløbende med forsøgene.
Naturligvis vil resultaterne kun være valide for de undersøgte modelstoffer, men ved at ekstrapolere til andre stofgrupper og udføre lignende forsøg, fås den anvendelsesorienterede og fremadrettede viden, der er nødvendig for at stoppe den kemiske forurening af det akvatiske miljø.
Fremtidens renseanlæg
Ved at gennemføre ovenstående forsøg opnås der ny viden om de procesmekanismer, der er afgørende for at stimulere den biologiske nedbrydning af miljøfremmede stoffer i renseanlæg. Derved kan der opstilles kriterier for den hydrauliske opholdstid, slamalderen og styring af redoxforholdene for at optimere den eksisterende nedbrydning af miljøfremmede stoffer. Kriterierne skal integreres i de anvendte drifts- og dimensioneringsmodeller for nuværende og fremtidige renseanlæg, så modellerne fremover inddrager biologisk nedbrydning af miljøfremmede stoffer.
<BROD>Biologisk nedbrydning kan imidlertid ikke stå alene. Der er fortsat behov for en effektiv forskning såvel som forbrugerinformation og kemikalieindsamling, så antallet og koncentrationen af de miljøfremmede stoffer i spildevandet reduceres og substitueres til letnedbrydelige stoffer.
Referencer
1. Eriksson E., Auffarth K., Henze H. & Ledin, A. (2002). Characteristics of grey wastewater. Urban Water 4, (pp. 85-104).
2. Derksen J.G.M., Rijs G.B.J. & Jongbloed R.H. (2004). Diffuse pollution of surface water by pharmaceutical products. Water Science and Technology, (pp. 213-221), Vol. 49, No. 3.
3. Eriksson E., Albrechtsen H-J., Baun A., Boe-Hansen R., Mikkelsen P.S. & Ledin A (2002). Hazard identification of rainwater collected for non-potable reuse in households. Discharged urban waters – Resource or risk? First World Wide Workshop for Junior Environmental Scientists, France.
Ph.d.-studerende Kåre Press-Kristensen foran SRO-anlægget, der muliggør en nøje styring af det fuldautomatiske pilot-renseanlæg.
Projektkoordinator Carsten Thirsing (Lynettefællesskabet I/S) og i baggrunden ph.d.-studerende Kåre Press-Kristensen ved den automatiske prøveudtager.
Ph.d.-studerende Kåre Press-Kristensen tager manuelt prøver direkte gennem dækslet øverst i de enkelte tanke. I baggrunden ses tre projektstuderende fra DTU.
Anlægsdata for pilotanlægget.
