De opkomende verontreinigingen zijn chemicaliën en micro-organismen die niet vaak in het milieu worden gecontroleerd, maar ze dragen het potentieel om schadelijke effecten op de gezondheid van de mens en ecosystemen te veroorzaken. Deze diverse groep omvat farmaceutische producten, persoonlijke verzorgingsproducten, endocriene stoffen, pesticiden en industriële chemicaliën. Hun toenemende detectie in afvalwaterstromen is een kritische zorg geworden voor waterbehandelingsinstallaties wereldwijd, omdat traditionele behandelingsmethoden niet voldoende zijn om ze te verwijderen. Begrijpen hoe deze contaminanten omgaan met secundaire afvalwaterbehandelingsprocessen is essentieel voor de bescherming van de waterkwaliteit en de volksgezondheid.

Begrijpen van secundaire afvalwaterbehandeling

Secundaire afvalwaterbehandeling vertegenwoordigt het biologische stadium van het behandelingsproces, na primaire sedimentatie. Het primaire doel is het verwijderen van opgeloste en zwevende organische stof, voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor, en pathogenen. Dit stadium is gebaseerd op natuurlijk voorkomende micro-organismen die organische verontreinigende stoffen consumeren onder gecontroleerde omstandigheden. De meest voorkomende systemen zijn actief slib, druppelfilters, roterende biologische contactoren, en bewegende bed biofilm reactoren (MBBRs).

Geactiveerde slibsystemen beluchten afvalwater om de groei van een microbiële floc die organische materialen metaboliseert te bevorderen. Tricklingfilters gebruiken een bed van media, zoals rotsen of plastic, waarover afvalwater druppelt, waardoor microbiële biofilms verontreinigende stoffen kunnen afbreken. MBBRs combineren opgeschorte groei en biofilmprocessen door gebruik te maken van kleine plastic dragers die oppervlakte bieden voor biofilms terwijl ze in suspensie worden gehouden door beluchting. Elk systeem heeft zijn eigen operationele parameters en kwetsbaarheden bij blootstelling aan opkomende verontreinigingen.

Secundaire behandeling is ontworpen om te komen tot kwaliteitsnormen voor afvalwater die de biochemische zuurstofvraag (BOD) en de totale zwevende vaste stoffen (TSS) verminderen tot niveaus die veilig zijn voor lozing in natuurlijke waterlichamen of voor verdere geavanceerde behandeling. Echter, de aanwezigheid van sporen organische verbindingen en andere opkomende verontreinigingen kan deze delicate biologische balans verstoren.

De aard van opkomende verontreinigingen

Opkomende verontreinigingen kunnen in grote lijnen worden ingedeeld in verschillende groepen op basis van hun oorsprong en chemische structuur:

  • Farmaceutica en persoonlijke verzorgingsproducten (PPCP's): Bevat antibiotica, analgetica, hormonen, zonnebrandmiddelen en geurstoffen. Deze worden uitgescheiden of afgewassen en in rioolsystemen gebracht.
  • Endocrine-verstorende chemicaliën (EDC's): Zoals bisfenol A (BPA), ftalaten en nonylfenolen, die interfereren met hormonale systemen in wilde dieren en mensen.
  • Per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS): Gebruikt in anti-kleefcoatings, brandbestrijdingsschuim en waterbestendig textiel. Ze zijn extreem persistent en bioaccumulerend.
  • Pesticiden en industriële chemicaliën: Met inbegrip van herbiciden, insecticiden, weekmakers en brandvertragers.
  • Nanomaterialen en microplastics: Kleine deeltjes uit consumptieproducten en industriële processen die andere verontreinigende stoffen kunnen vervoeren.

Veel van deze verbindingen zijn niet gereguleerd volgens de huidige waterkwaliteitsnormen en de langetermijneffecten ervan op ecosystemen en de menselijke gezondheid worden nog onderzocht. Ze zijn vaak aanwezig in sporenconcentraties (ng/L tot μg/L), wat zowel de detectie als verwijdering bemoeilijkt.

Effect op secundaire behandelingsprocessen

Interferentie met biologische activiteit

Micro-organismen in secundaire behandelingssystemen zijn de werkpaarden van organische stof degradatie. Echter, veel opkomende verontreinigingen zijn biologisch actief door ontwerp. Antibiotica, bijvoorbeeld, kunnen selectief remmen of doden gevoelige bacteriële soorten, waardoor de microbiële gemeenschap structuur. Dit kan verminderen het behandelingssysteem vermogen om BOD en voedingsstoffen te verwijderen, wat leidt tot een slechtere afvalwaterkwaliteit.

Antimicrobiele verbindingen zoals triclosan (eenmaal gebruikelijk in zeep) hebben aangetoond dat ze de concentratie van de biotopen in actieve slibinstallaties verminderen. Nitirfying bacteriën zijn bijzonder gevoelig voor toxische schokken van farmaceutische residuen. Een studie gepubliceerd in Milieuwetenschap & technologie meldde dat bepaalde niet-steroïdale anti-inflammatoire geneesmiddelen (NSAID's) microbiële ademhaling kunnen remmen, wat resulteert in tragere afbraak en hogere BOD-concentraties van afvalwater. Na verloop van tijd kunnen microbiële gemeenschappen verschuiven naar meer resistente soorten, maar deze aanpassing kan ten koste gaan van de totale efficiëntie van de behandeling.

Persistentie en verwijdering uitdagingen

Veel opkomende contaminanten zijn recalcitrant, wat betekent dat ze de biologische afbreekbaarheid tijdens conventionele secundaire behandeling weerstaan. PFAS-verbindingen hebben bijvoorbeeld sterke koolstof-fluorbindingen die niet gemakkelijk worden verbroken door gewone biologische processen. Studies tonen aan dat geactiveerde slibsystemen doorgaans minder dan 50% van vele PFAS-typen verwijderen, met kortere keten PFAS vaak persistenter dan lange-keten degenen. Evenzo, carbamazepine (een anticonvulsivum) en sulfamethoxazol (een antibioticum) vaak door secundaire behandeling bijna intact, worden gedetecteerd in effluenten en ontvangende wateren.

De persistentie van deze verbindingen roept zorgen op over hun accumulatie in het milieu. Zelfs bij lage concentraties kan chronische blootstelling endocriene verstoring veroorzaken bij vissen en andere in het water levende organismen. Bovendien kan de aanwezigheid van antibiotica in effluenten de ontwikkeling van antibioticaresistente bacteriën en resistentiegenen bevorderen, een groeiende bedreiging voor de volksgezondheid die door de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) wordt erkend.

Sommige contaminanten kunnen ook tijdens biologische behandeling in meer toxische metabolieten veranderen. Bijvoorbeeld, bepaalde geurstoffen zoals synthetische muskus kunnen worden omgezet in meer persistente en bioaccumulerende vormen. Dit compliceert risicobeoordelingen en toont aan dat het meten van de verwijdering van de moederverbinding niet het volledige risico kan inhouden.

Effecten op slibverwerking en verwijdering

De opkomende verontreinigingen hebben niet alleen invloed op de vloeistofstroom, ze kunnen ook in het slib (biovaste stoffen) worden verdeeld dat tijdens de secundaire behandeling wordt gegenereerd. Hydrofobe verbindingen zoals triclosan, BPA en sommige pesticiden hebben de neiging om te adsorberen op de vaste fractie. Wanneer biosolids worden toegepast op landbouwgrond als meststof, kunnen deze verontreinigingen de bodem in, worden opgenomen door gewassen, of leach in grondwater. Regels voor biosolids vaak niet rekening houden met deze opkomende verontreinigingen, waardoor een mogelijke route voor menselijke blootstelling en ecologische schade.

Bovendien kan de aanwezigheid van antimicrobiële stoffen in slib de anaërobe vergistingsprocessen remmen die worden gebruikt voor de stabilisatie van slib, de productie van biogas verminderen en de operationele kosten verhogen.

Case studies en onderzoeksbevindingen

Verschillende studies hebben de reële effecten van nieuwe verontreinigingen op secundaire behandeling gedocumenteerd. Een uitgebreide beoordeling in Wateronderzoek analyseerde gegevens van meer dan 100 afvalwaterbehandelingsinstallaties (WWTP's) in Europa en Noord-Amerika. Het bleek dat, hoewel conventioneel actief slib meer dan 80% van sommige verbindingen zoals acetaminofen en cafeïne kon verwijderen, de verwijderingspercentages voor diclofenac en carbamazepine lager waren dan 30%. Tricklingfilters toonden over het algemeen lagere verwijderingsefficiëntie voor veel geneesmiddelen in vergelijking met geactiveerd slibsystemen.

Een andere studie uitgevoerd bij een WWTP in Zweden onderzocht het effect van antibiotica op de vetstofwisseling. De onderzoekers merkten op dat pieken in de ciprofloxacineconcentratie correleerden met tijdelijke dalingen in de ammoniakverwijderingsefficiëntie, waarvoor chemische supplementen nodig waren om de naleving te handhaven.

Microplastische verwijdering tijdens secundaire behandeling is ook een groeiend onderzoeksterrein. Een studie van de Universiteit van Toronto heeft uitgewezen dat geactiveerd slibprocessen ongeveer 90% van de microplastics uit invloed verwijderen, maar de resterende 10% (dat kan miljarden deeltjes per dag) worden geloosd in ontvangende wateren. Bovendien kunnen microplastics andere verontreinigende stoffen adsorberen, die als vectoren voor toxische verbindingen fungeren.

De persistentie van PFAS heeft geleid tot een toenemende toetsing van de regelgeving. Het Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) heeft gezondheidsadviseurs voor bepaalde PFAS in drinkwater ingesteld en overweegt strengere grenswaarden voor afvalwaterlozing. Recent onderzoek wijst erop dat conventionele secundaire behandeling minimale PFAS-verwijdering bereikt, met massabalansen die vaak geen significante afbraak vertonen, alleen partitionering tussen vloeibare en vaste fasen.

Migratiestrategieën

Geavanceerde oxidatieprocessen (AOP's)

Om de beperkingen van de biologische behandeling te overwinnen, integreren veel faciliteiten geavanceerde oxidatieprocessen als een tertiaire stap of direct binnen de secundaire behandeling trein. AOP's zoals ozon (O3) in combinatie met waterstofperoxide (H2O2), ultraviolette (UV) fotolyse, en Fenton reacties genereren zeer reactieve hydroxyl radicalen die zelfs de meest persistente organische verontreinigende stoffen kunnen afbreken. Ozonatie is effectief gebleken voor het verwijderen van veel geneesmiddelen en hormoonontregelaars, maar het kan bijproducten produceren die verdere behandeling vereisen. Kosten en energie eisen blijven belemmeringen voor een wijdverspreide toepassing, maar recente vooruitgang in UV-LED-technologie verminderen operationele kosten.

Adsorptietechnologieën

Actieve kool, zowel in poedervorm (PAC) als in korrelvormige (GAC) vormen, wordt op grote schaal gebruikt om organische contaminanten te adsorberen. PAC kan direct worden toegediend in het actieve slibbekken, waarbij wordt geïntegreerd met bestaande biologische behandeling. GAC-filters, vaak geplaatst na secundaire verduidelijking, bieden een polijststap die restresten sporenverbindingen opvangt. Studies tonen aan dat actieve koolstof meer dan 90% van veel geneesmiddelen en pesticiden kan verwijderen, hoewel verzadigings- en regeneratiekosten moeten worden beheerd. Alternatieve adsorbenterende stoffen zoals biochar- en ionenuitwisselingharsen worden ook onderzocht voor specifieke contaminentenklassen zoals PFAS.

Membraanbioreactoren (MBR's)

Membraanbioreactoren combineren biologische behandeling met membraanfiltratie (microfiltratie of ultrafiltratie). Het membraan behoudt biomassa en deeltjes, waardoor hogere biomassaconcentraties en langere slibretentietijden worden bereikt die de groei van langzaam groeiende bacteriën die recalcitrantverbindingen kunnen vernederend bevorderen. MBR's hebben aangetoond dat veel geneesmiddelen beter verwijderd worden dan conventionele geactiveerd slib. Echter, membraanverontreiniging en energieverbruik blijven uitdagingen. Doorlopend onderzoek naar nieuwe membraanmaterialen en vuilbestrijdingsstrategieën is de haalbaarheid van MBR's voor het opkomende verwijderen van verontreinigingen verbeterd.

Procesoptimalisatie en bioaugmentatie

Het aanpassen van operationele parameters kan de veerkracht van biologische processen verbeteren. Het verhogen van de slibretentietijd (SRT) geeft micro-organismen meer tijd om zich aan te passen aan en langzaam biologisch afbreekbare verbindingen te degraderen. Het handhaven van hogere opgeloste zuurstofniveaus en het optimaliseren van de nutriëntenratio's ondersteunen ook de microbiële gezondheid. Bioaugmentatie .De toevoeging van specifieke microbiële stammen met bekende afbraakmogelijkheden ..heeft belofte getoond in laboratoriumstudies voor verbindingen zoals chloor oplosmiddelen en sommige pesticiden. Echter, toepassingen in het veld staan voor uitdagingen bij het vaststellen en handhaven van de geïntroduceerde stammen in een concurrerende omgeving.

Broncontrole en voorbehandeling

Het voorkomen van nieuwe verontreinigingen in de eerste plaats is een kostenefficiënte strategie. Dit kan onder meer zijn farmaceutische terugnameprogramma's, beperkingen op het gebruik van bepaalde chemicaliën in consumentenproducten (bijvoorbeeld het verbieden van microbeads in cosmetica), en industriële vereisten voor de behandeling. Ziekenhuizen en industrieën die hoge ladingen geneesmiddelen of chemicaliën lozen kunnen worden vereist om ter plaatse behandelingssystemen te installeren. Openbare voorlichtingscampagnes over de juiste verwijdering van medicijnen en huishoudelijke chemicaliën spelen ook een rol.

Een combinatie van deze benaderingen is vaak noodzakelijk. Behandelingsfaciliteiten kunnen nodig zijn om een multi-barrièresysteem dat biologische behandeling, AOPs, en adsorptie omvat effectief beheren van de diverse reeks van opkomende verontreinigingen.

Regelgevings- en toezichtskaders

Huidige normen

De meeste landen reguleren conventionele verontreinigende stoffen in afvalwaterafval, zoals BOD, TSS en nutriënten.Maar weinig landen hebben specifieke grenzen voor opkomende verontreinigingen. De Europese Unie heeft via haar kaderrichtlijn water bepaalde prioritaire stoffen opgenomen op haar wachtlijst, zoals diclofenac en sommige hormonen, die de lidstaten verplicht om ze te controleren. De Verenigde Staten hebben geen federale regelgeving voor geneesmiddelen in afvalwater, hoewel sommige staten beginnen te richten PFAS. De Ongereguleerde Controle van Contaminanten Regel (UCMR) van de EPA onderzoekt regelmatig drinkwatersystemen voor opkomende verontreinigingen, maar dit niet direct reguleert de lozing.

Zonder regelgevende bestuurders, nutsbedrijven kunnen niet de financiering en stimulans om de behandeling processen te upgraden. Echter, het toenemende bewijs van ecologische schade, in combinatie met de publieke druk, duwt toezichthouders om nieuwe normen te overwegen. In 2021, de Europese Commissie voorgesteld een herziening van de richtlijn stedelijke afvalwaterbehandeling die eisen om microverontreinigingen te verwijderen en energie-efficiëntie te verbeteren omvat.

Toekomstige aanwijzingen

Vooruitgang in de analytische chemie, zoals vloeibare chromatografie-tandem massaspectrometrie (LC-MS/MS), maakt het nu mogelijk om verontreinigingen bij extreem lage concentraties te detecteren. Dit maakt een uitgebreidere monitoring en risicobeoordeling mogelijk. Echter, screening voor alle mogelijke verontreinigingen is onpraktisch. Een leidende benadering is het gebruik van effectgebaseerde monitoring .Meemeten van de biologische activiteit van het effluent (bijvoorbeeld, estrogeniciteit) in plaats van kwantificeren van elke afzonderlijke verbinding. Dit kan toxicologisch relevante mengsels identificeren en de behandelingsupgrades begeleiden.

De regelgevingskaders zullen waarschijnlijk evolueren naar een meer holistische risicogebaseerde aanpak, rekening houdend met de cumulatieve effecten van mengsels van verontreinigende stoffen. Het concept van "chemische voetafdruk" en het gebruik van milieukwaliteitsnormen (MKN) die zijn afgestemd op specifieke omstandigheden, wordt onderzocht.

Vooruitkijken

De opkomende verontreinigingen vormen een complexe en evoluerende uitdaging voor secundaire afvalwaterbehandelingsprocessen. Hun vermogen om biologische behandeling te verstoren, door conventionele processen te blijven aanhouden en zich op te hopen in het milieu vraagt om een proactieve reactie. De meest effectieve strategieën combineren broncontrole, procesoptimalisatie en geavanceerde technologieën zoals AOP's, geactiveerde koolstof en membraanbioreactoren. Voortzetting van onderzoek naar het lot en de effecten van deze verbindingen, gekoppeld aan adaptieve regelgeving, is essentieel om de waterkwaliteit en de volksgezondheid te beschermen.

De toepassingen moeten ook rekening houden met economische en energie-afruil. Retrofits voor geavanceerde behandeling kunnen kostbaar zijn, en energie-eisen van technologieën zoals ozonatie en UV kunnen in conflict komen met koolstofreductiedoelstellingen. Opkomende oplossingen zoals door zonne-energie aangedreven AOPs, biologische verwijdering van PFAS via specifieke enzymroutes en slimme monitoringsystemen die contaminante ladingen voorspellen, bieden veelbelovende wegen vooruit.

Samenwerking tussen onderzoekers, ingenieurs, regelgevers en het publiek is van cruciaal belang. Door op de hoogte te blijven van de laatste bevindingen en te investeren in veerkrachtige behandelingsinfrastructuur, kan de watersector voor blijven op het opkomende vloedgolf en ervoor zorgen dat behandeld afvalwater veilig is voor het milieu en voor hergebruiktoepassingen.

Voor meer informatie over dit onderwerp, de EPA levert middelen op Contaminenten van opkomende bezorgdheid, en de WHO heeft rapporten gepubliceerd over [Antimicrobiële resistentie in afvalwater[]. Daarnaast publiceren academische tijdschriften zoals Wateronderzoek regelmatig peer-reviewed studies over mitigatietechnologieën en het milieu lot.