Ekotoxikologisk utvärdering av avancerade reningstekniker för att ta bort läkemedel från avloppsvatten

Ekotoxikologisk utvärdering av avancerade reningstekniker för att ta bort läkemedel från avloppsvatten Magnus Breitholtz Docent i tillämpad miljövetenskap vid Stockholms universitet Materialet i presentationen bygger på samarbeten med ffa Joakim Larsson, Göteborgs universitet, Jerker Fick Umeå universitet och Maritha Hörsing, Lunds Tekniska Högskola

Innehåll 1. Bakgrund - Allmän problembeskrivning - Tre olika projekt - Varför ekotoxikologi? 2. Översiktligt om metoder 3. Resultat från de tre projekten a) Stockolm Vatten b) MistraPharma c) Behandlingsvåtmarker 4. Slutsatser

1. Bakgrund ALLMÄN PROBLEMBESKRIVNING qrening av avloppsvatten i Sverige = kombination av mekanisk, kemisk och biologisk rening. à Organiskt material och näringsämnen tas bort för att motverka syrebrist och övergödning qmen många andra substanser återfinns i avloppsvattnet (t.ex. tungmetaller, bekämpningsmedel, flamskyddsmedel, läkemedel och hälsovårdsprodukter) à Passera reningsverken och återfinns i den akvatiska miljön Införande av mer avancerad reningsteknik?

1. Bakgrund TRE OLIKA PROJEKT q SU, GU och SLU har åt Stockholm Vatten genomfört två studier (2007 & 2008) m.a.p. kompletterande tekniker till konventionell rening: Fokus på biologiska effekter och halter av ett mindre urval av läkemedel Ej hänsyn till installations- och driftskostnader q MistraPharma har tagit detta arbete 2008-2011 och en andra fas inleddes 1 januari 2012. Fokus på både biologiska effekter och halter q Behandlingsvåtmarkers effektivitet för att rena bort läkemedel?

1. Bakgrund VARFÖR EKOTOXIKOLOGI? q Att mäta halter av kända substanser tar ej hänsyn till: ü ü ü Samverkanseffekter Biotillgänglighet Oidentifierade substanser, som kan vara giftiga Ekotoxikologisk testning + kemisk analys!

2. Metoder EKOTOXIKOLOGISK TESTNING q Mikro- och makroalger Tillväxthämning q Kräftdjur Dödlighet, tillväxt, reproduktion q Fisk Beteende, reproduktion, dioxinlikaoch östrogena responser, förändringar i organstorlek Mätningar av en lång rad kroppsegna småmolekyler (aminosyror, lipider mm) i blodplasma. Förändringar i plasmaprofilen avslöjar en påverkan på fisken fysiologi, och kan fungera som en tidig varningsflagga

2. Metoder KEMISK ANALYS q Stockholm vatten-projekten - Ffa analys av traditionella vattenkemiska parametrar - Även analys av ett mindre antal (ca 40st) läkemedel q MistraPharma - Fokus på de 120 mest prioriterade läkemedlen i Sverige - Labskala i fas I, syntetiska mixar + avloppsvatten - Semi- och fullskala i fas II, avloppsvatten q Behandlingsvåtmarker - Fokus på de 120 mest prioriterade läkemedlen i Sverige - Inkommande och utgående vatten från våtmarker

Stockholm Vatten

Sjöstadsverken 2007 Henriksdal STP Influent L1 Primary sedimentation L2 Drum filter L1 Activated sludge Tap water L1 Secondary sedimentation L1 Sand filter Ozone 15 mg/l L2 Membrane Bio Reactor (MBR) Activated Biofilm Biofilm Carbon reactor reactor (MBBR) (MBBR) A1 Ref. C Cs Cs+MBBR Cs+O 3 Cs+O 3 MBR Tapwater + 2% L1 effluent 2nd Sedimentation Effluent Sandfilter effluent Biofilter effluent Ozone effluent +MBBR Ozone+ Biofilter MBR effluent Från Samuelsson et al. (2011) Robust 1H NMR-based metabolomic responses in fish exposed to different sewage effluents in two separate studies Environmental Science and Technology. In press. dx.doi.org/10.1021/es104111x

Henriksdal 2008 Henriksdal STP Influent Henriksdal Primary sedimentation Henriksdal Activated sludge Tap water Henriksdal Secondary sedimentation Henriksdal Sand filter Ozon 5 mg/l Activated Activated Ozone Ozone Biofilm UV/H 2 O 2 Carbon Carbon 5 mg/l 15 mg/l reactor 0,75Wh/L (MBBR) 10 mg/l A1 Ref. C2 C2+AC C2+O 3,low C2+O 3,high C2+O 3 C2+UV/H 2 O 2 Tapwater+ 2% Hdal effluent Sandfilter effluent Activated Carbon effluent 5 mg/l Ozone effluent 15 mg/l Ozone effluent +MBBR Ozone + Biofilter UV/H 2 O 2 effluent Från Samuelsson et al. (2011) Robust 1H NMR-based metabolomic responses in fish exposed to different sewage effluents in two separate studies. Environmental Science and Technology. In press. dx.doi.org/10.1021/es104111x

Sammanvägd rankingtabell över testade reningstekniker -3, -2, -1 à anger olika grad av försämrad reningseffekt jämfört med sandfilter +1, +2, +3 à anger olika grad av förbättrad reningseffekt jämfört med sandfilter ± 0 à anger en oförändrad reningseffekt jämfört med sandfilter. Alg Kräftdjur Fisk Reningsteknik Tillväxt Populationstillväxt Plasma Dioxin Organ Reproduktion Östrogen Kemi Ranking Rank ( score ) Sandfilter= referensnivå 0 = Måttlig na Test ej genomfört * Test endast på juvenil tillväxt under 2007 0 = Negativ popul.tillväxt 0 = Som kontroll 0 = Betydande 0 = Betydande 0 = Ej betydande 0 = Mätbara 0 = Viss reduktion 6 (±0) Sandfilter + Aktivt kol -1 +1 ±0 +2 +2 na +3 +3 1 (+10) Sandfilter + Ozon (5 mg/l) ±0 +2-1 +1 +2 ±0 +3 +2 2 (+9) Sandfilter + Ozon (15 mg/l) -1 +1-2 +2 +2 ±0 +3 +3 3 (+8) Sandfilter + MBBR +1 ±0* -2 ±0 +2 na +1 +1 4 (+3) Sandfilter + UV/H 2 O 2-1 ±0-2 ±0 +1 na +1 +1 6 (±0) MBR (ej sandfilter före) -1 ±0* -2 +1 ±0 ±0 +2 +1 5 (+1)

Identification and Reduction of Environmental Risks Caused by Human Pharmaceuticals Christina Rudén (KTH), Berndt Björlenius (KTH), Ingvar Brandt (UU), Joakim Larsson (GU), John Sumpter (Brunel university, UK), Karin Liljelund (Stella Futura AB), Magnus Breitholtz (SU), Mats Tysklind (UmU)

WP1 WP2 WP3 WP4 WP5 WP6 Rening av prioriterade läkemedel i avloppsvatten Utvärdering av reningstekniker i pilot- och semifullskala Kombination av ekotoxikologiska och kemiska undersökningar Fokus på ozon och aktivt kol Målsättning att ta dessa metodiker närmare implementering

Labskala fas I OZON HAR GOD FÖRMÅGA ATT OXIDERA LÄKEMEDEL I SYNTETISK MIX (ca 100 SUBST.)

Labskala fas I ÄVEN I UTGÅENDE AVLOPPSVATTEN!

Labskala fas I - avloppsvatten GENERERAR OZON TOXISKA METABOLITER? 100 80 Mikroalg 100 80 Growth inhibition % 60 40 20 0-20 -40-60 60 40 20 0-20 -40-60 Reduction (%) -80-80 -100-100 Controls 2 h 40mg Na2SO3/L 24 h 0mg Na2SO3/L Tillsats av O 3 till avloppsvatten

Labskala fas I Syntetisk mix GENERERAR OZON TOXISKA METABOLITER? 90 80 70 Kräftdjur 60 50 Mortality (%) 60 50 40 30 20 10 40 30 20 10 Reduction (%) 0 M7 0:1 0.5:1 1:1 2:1 5:1 0 O3:API mix molar ratio

Utvärdering av behandlingsvåtmarker för tertiär rening av läkemedelssubstanser Examensarbete i Miljö- och vattenteknik, 30hp Maria Näslund, student Handledare: Magnus Breitholtz, Daniel Stråe VRS Samarbete med 4 mellansvenska kommuner Inom ramen för MistraPharma Publikation: Breitholtz et al. 2012. Ecotoxicology and Environmental Safety 78, 63-71.

Behandlingsvåtmarker ALLMÄN BESKRIVNING Oxelösund Trosa Nynäshamn Eskilstuna Uppehållstid ca 6-14 dagar. 6-28 ha stor vattenyta Sampling i februari under kalla vinterförhållanden Inkommande och utgående vatten Stickprover i Trosa och Eskilstuna Samlingsprov över 6 dygn i Oxelösund Samlingsprov över 24 h i Nynäshamns inkommande vatten och ett stickprov i utgående vatten

Behandlingsvåtmarker METODER q Ekotoxikologiska tester - tillväxthämning Kräftdjuret Nitocra spinipes Makroalgen Ceramium tenuicorne q Läkemedelsanalyser Ca 100 läkemedel, Umeå universitet q Oorganiska analyser Ex. Ca, Zn, Mg, Cl. Ackrediterat laboratorium q Övriga parametrar BOD, totalkväve, totalfosfor, ammonium utfördes av respektive kommun.

Behandlingsvåtmarker LÄKEMEDEL - RENINGSGRAD Antal läkemedel 25 20 15 10 5 0 Oxelösund < 0 % 0-20 % 21-79 % >80 % Reningsgrad 25 20 15 10 5 0 Nynäshamn < 0 % 0-20 % 21-79 % >80 % Reningsgrad Trosa Eskilstuna Antal läkemedel 25 20 15 10 5 0 < 0 % 0-20 % 21-79 % >80 % Reningsgrad 25 20 15 10 5 0 < 0 % 0-20 % 21-79 % >80 % Reningsgrad

Behandlingsvåtmarker ÖVERGRIPANDE RESULTAT q Reningseffektivitet av läkemedel i paritet med vanliga reningsverk med mer avancerad reningsteknik. q Dålig korrelation mellan toxicitet och halter av läkemedel q De våtmarker med mest effektiv kväverening under provtagningen hade mest effektiv läkemedelsrening (Oxelösund och Nynäshamn). q Enligt spårämnensanalyser (klorid och karbamazepin) skedde det ingen utspädning i våtmarkerna

4. Slutsatser Ozon och aktivt kol effektiva metoder för att rena bort läkemedel. Är metaboliter skadliga på sikt för vattenlevande organismer? Är det ekonomiskt och klimatmässigt motiverat att installera dessa tekniker? Behandlingsvåtmarker har en relativt god förmåga att rena läkemedelsrester vintertid. Är reningen betydligt mer effektiv under sommartid? Kan tekniken vara ett komplement till traditionell rening där mer avancerade tekniker blir för dyra?

Tack! q Ni som lyssnat! q All personal vid ITM, LU, GU och SLU som har bidragit till att ta fram de rapporter som ligger till grund för denna sammanvägda bedömning inom ramen för SVs arbete. q All inom MistraPharma! q Personal vid ITM: Elena Gorokhova, Margareta Adolfsson- Erici, Britta Eklund, Tomas Alsberg, Elin Lundström, Sara Furuhagen, Karin Ek, Margareta Linde q Stockholm Vatten AB, framförallt Cajsa Wahlberg och Berndt Björlenius (numera KTH), för inspirerande och konstruktivt samarbete genom hela projektet, samt övrig personal som bistått vid exponeringsförsök och provtagningar.

Kontakt Docent Magnus Breitholtz Institutionen för tillämpad miljövetenskap (ITM) Stockholms universitet Svante Arrhenius väg 8c SE-106 91 Stockholm Tel: 08-674 7241 E-post: magnus.breitholtz@itm.su.se Hemsida: www.itm.su.se Kolla även MistraPharmas hemsida: www.mistrapharma.se