Metaller och Avloppsvattenrening Helle Ploug Marina Institutionen GU

Metaller och Avloppsvattenrening Helle Ploug Marina Institutionen, GU 1

Metaller 2

Metaller översikt: • Aluminium, arsenik, bly, kadmium, kobolt, koppar, krom, kvicksilver, nickel, tenn, vanadin, zink • Deposition från luften (t. ex. Hg) • kadmium från gödsel • dränage från gruvindustrin • Industriavlopp • Avfallshantering Ger olika toxiska effekter på organismer, ofta förstärkt genom biomagnifiering 3

Kvicksilver • Förekommer i låga halter i naturen – men har hög förmåga att anrikas i biologiska system • Huvudform i atmosfären är Hg 0. Denna oxideras fotokemiskt till Hg 2+. • Det mesta som kommer ut i akvatiska miljöer är Hg 2+. • Adsorberas till partiklar – kan där metaboliseras av bakterier till fr. a. metyl-Hg (CH 3‑Hg) Detta är lösligt och anrikas i näringskedjan. 4

Kvicksilver • Metyl-Hg kan metyleras av bakterier till dimetyl-Hg – flyktigt • Båda formerna binder till proteiner och anrikas i näringskedjan. • Metyl-Hg är c: a 100 ggr mer toxiskt än Hg 2+ – kan anrikas över 1 miljon ggr i fisk – är ett potentiellt neurotoxin • Problem i insjöar. Svartlistning vid >1 mg Hg / kg gäddmuskel 5

Kvicksilver • Omvandlingar i anaeroba sediment: – Metanogena bakterier: CH 3–Hg CH 4 + Hg 0 – Hg (Hg 2+) kan också reagera med sulfid och bilda Hg. S. Mycket låg löslighet. • Om sedimentet blir syresatt kan sulfiden oxideras och kvicksilvret frisläpps igen. • Lösligheten hos Hg-föreningar ökar med minskat p. H 6

Omvandlingar av kvicksiler i akvatisk miljö (Madigan, Martinko, Parker: ”Brock Biology of Micro-organisms”, 10 uppl. ) 7

Bravo et al. 2017 Me. Hg produceras i sediment i eutrofa sjöer Me. Hg avlägsnas från terrestrisk källa i oligotrofa sjöer 8

https: //www. nature. com/articles/ncomms 14255 https: //www. youtube. com/watch? v=Rld. DGOo. DH 8 A 9

Avloppsvattenrening 10

Avloppsvattenrening Krävs för att: • Minska spridningen av smittsamma sjukdomar • Minska utsläpp av gifter (t. ex. tung metaller) • Minska syreförbrukningen i de vattendrag som tar emot utsläppet (recipienten) genom att: – Minska mängden organiska ämnen – Minska mängden närsalter som kan ge ökad algtillväxt

Pathogene bakterier • Chlorinering • Ozon • UV 12

Tungmetaller • Fällning • Adsorption (t. ex. aktivt kol) • Membran filtration 13

Avloppsvattenrening I ett traditionellt avloppsreningsverk sker reningen i tre steg: • Mekanisk, • Biologisk • Kemisk rening. 18

Avloppsvattenrening • primär rening – mekanisk, galler och försedimentering • sekundär rening, biologisk nedbrytning av org. material – aktiv-slam-metoden, bakterieaggregat i suspension – biofilm, i bädd el. på carriers, bakterierna fast på ytor • tertiär rening, avlägsna närsalter – Fosfor, kemisk fällning – Kväve, biologiska steg, aktivt-slam el. biofilm • eftersedimentering – avlägsna partiklar – recirkulera bakterier

Avloppsreningsverk

Mekanisk rening När avloppsvattnet kommer in till reningsverket passerar det genom ett galler där större föremål och skräp fångas upp. t. ex: bomullspinnar, tamponger, våtservetter, plast, hushållspapper 21

Mekanisk rening: Sandfång Sedimentering av sand, kaffesump och andra tyngre partiklar https: //www. tekniskaverken. se/tjanster/vatten/avloppsreningsverk/ 22

Kemisk rening Genom att tillsätta järnsulfat fälls fosforn ut och bildar flockar. I försedimenteringsbassänger sjunker sedan flockarna till botten och bildar slam, som går till rötgaskamrarna och blir biogas. . https: //www. tekniskaverken. se/tjanster/vatten/avloppsreningsverk/ 23

Fosforrening • Kemisk fällning med salt av Al eller Fe • Biologisk (polyfosfat ackumulerande bakterier) 24

Biologisk rening I den biologiska reningen renas organiskt material och kväve bort med hjälp av mikroorganismer. Organiskt material minskar annars syrehalten i vattendrag och kväve bidrar till övergödning 25

I en biobädd renas avloppsvattnet under aeroba förhållanden. Reningen sker genom att avloppsvattnet får sippra genom en bädd av sten som är täckta av en biofilm 26 http: //www. hufo-vattenrening. se/sv/referenser/gislaved-kommun/

I en biobädd renas avloppsvattnet under aeroba förhållanden. Reningen sker genom att avloppsvattnet får sippra genom en bädd av sten som är täckta av en biofilm: • Cyanobakterier • Nitrifikanter 27

Fotosyntes: CO 2 + H 2 O CH 2 O + O 2 ljus cyanobakterie biomasse N, P

Syre koncentrationen i biobädd filter med cyanobakterier avhänger av ljusets intensitet och stimulerar respiration (Kuhl et al. , 1996)

Aktivt slam: I stora luftningsbassänger får bakterier bryta ner biologiskt material. I den efterföljande sedimenteringsbassängen avskiljs slammet, en del av slammet pumpas tillbaka till luftningsbassängerna för att behålla en bakteriestam i processen, detta kallas returslam: 30

Aktivt slam: Respiration med syre och nitrat (denitrifikation: NO 3 - N 2) (Schramm et al. , 1999) 31

32

Kväverening i avloppsvattenrening är de samma processer som finns i sediment i havet 33

Ammonifikation: POM + O 2 →NH 4+ + CO 2 Nitrifikation: 2 NH 4+ + 3 O 2 → 2 NO 2− + 2 H 2 O + 4 H+ (Nitrosomonas) 2 NO 2− + O 2 → 2 NO 3− (Nitrobacter, Nitrospina) Denitrifikation: NO 3− → NO 2− → NO → N 2 (g)

Nitrifikation • bakteriell oxidation, ammonium nitrit nitrat • Två steg, som görs av olika bakterier god koppling mellan organismgrupperna • Nitrifikationsbakterier växer långsamt • Viktig process både i vatten och sediment 35

Nitrifikation - miljökrav och förekomst • PH - optimum vid 7 – 9 • kräver ammonium och syre, men klarar låga syrehalter • Nitrifikationsbakterierna har hög känslighet för inhiberande ämnen, t. ex. bekämpningsmedel • Nitrifikationen är hämmad i fotiska zonen i akvatiska miljöer 36

Denitrifikation • Bakteriell reduktion av kväveoxider (istället för syre, vid respiration av organiska kolföreningar) • nitrat nitrit N 2 O N 2 – alla är fria mellanprodukter • Ofta stor variabilitet i tid och rum • N 2 O är en fri intermediär – normalt < 1 % av bildad N 2 – andelen N 2 O kan öka vid lågt p. H / små mängder O 2 37

Anammox - discovered in 1999 in Delft by G Kuenen: NH 4+ + NO 2− → N 2 + 2 H 2 O. A bioreactor contaning the anammox bacterium Kuenenia stuttgartiensis, Radboud University Nijmegen Globalt står anammox för 30 -50% av all N 2 gas producerad i havet (Kuypers et al. , 2003, 2005) 38

Anammox • • Anaerob ammoniumoxidation Utförs av bakterier inom Planctomycet-gruppen NH 4+ + NO 2 - → N 2 + 2 H 2 O Sker i miljöer som är syrefria eller har mycket låg syrehalt • Ännu relativt okänd process, men har hittats i flera syrefria vattenmassor (Svarta Havet, Sydamerikas västkust, utanför sydvästafrika) • I flera av dessa vattenmassor verkar anammox vara viktigare än denitrifikation för kvävgasbildning 39

Två huvudmodeller för kväverening Fördenitrifikation: denitrifikationssteget före nitrifikationssteget • kräver recirkulering – allt vatten kan inte kväverenas • kräver oftast inte tillsats av kolkälla till denitrifikationen – billigare Efterdenitrifikation: denitrifikationssteget efter nitrifikationssteget • allt vatten går igenom kvävereningen - bättre N-rening • kräver tillsats av kolkälla till denitrifikationen - kostnad

Lustgas, N 2 O • Lustgas (N 2 O) – konc. i atmosfären ökar med c: a 0, 2 % per år – katalyserar nedbrytning av ozon i stratosfären – fungerar som växthusgas • en ökad anv. av kvävegödning kommer troligen att leda till både en förhöjd denitrifikation och nitrifikation — båda processerna producerar lustgas 41

Ökad N-belastning ger minskad andel av tillfört N som avlägsnas som N 2 Långtidsförsök (flera år), USA: s östkust 42

Mikroorganismerna bryter ner det organiska materialet och omvandlar kvävet till kvävgas. Kvävgasen ventileras ut och återförs till atmosfären som redan innehåller 79 % kvävgas I eftersedimenteringsbassänger sjunker slammet till botten. Stora delar av slammet pumpas tillbaka till de biologiska bassängerna. Det resterande slammet, överskottsslammet, går till rötgaskamrarna för att bli biogas. https: //www. tekniskaverken. se/tjanster/vatten/avloppsreningsverk/ 43

Ryaverket

RYAVERKET: Behandlingen består av mekanisk, kemisk och biologisk rening. Biologisk rening: Organiskt material bryts ner i aktivslambassänger där bakterier förbrukar det organiska materialet och bygger upp cellmassa. För detta behövs syre (nerbrytning av organisk material) eller nitrat (nerbrytning av organisk material samt denitrifikation) Detta utgör slutsteget i kvävereningen. Kemisk rening: Fosfor avlägsnas genom fällning med järnsulfat i aktivslambassängerna. Den producerade bakteriecellmassan avlägsnas från vattnet genom sedimentering och bildar slam. I rötkammare omvandlas en del av slammet sedan till energirik biogas (metan och koldioxid) Biogasen upparbetas och säljs som fordonsgas. Det som blir kvar avvattnas för att minska mängden. Slammet används för att göra jord eller som gödsel. Renad avloppsvatten släpps ut i Göta älv strax utanför Rya Nabbe. 46

Andre reningsverker inom Sverige: http: //www. syvab. se/himmerfjardsverket/reningsprocessen https: //www. tekniskaverken. se/tjanster/vatten/avloppsreningsverk/ 47

Övningsfrågor 48

Hur kan mäta mängd syreförbrukande ämnen i ett utsläpp? Vilka fördelar och nackdelar har de olika metoderna? Hur påverkas balansen mellan fosfat och nitrat i den akvatiska miljön av utsläpp fran avlopp och jordbruk. Hur påverkar vattenskiktningen på västkusten spridning och omsättning av närsalter, och ger detta eutrofieringseffekter? Vilken biologisk process kan tillföra kväve till ekosystemet från atmosfären? Vilka organismer kan utföra denna process i Östersjön? 49

Hur kan syrehalten i ovanliggande vatten styra effektivitet i ett sediments denitrifikation? En eutrofierad havsvik drabbas av syrebrist så länge att de bottenlevande djuren försvinner. Vad händer med processerna nitrifikation och denitrifikation i viken under syrebristsituationen och efteråt om det kommer in nytt syrerikt bottenvatten? Vad händer normalt med fosfat i en syresatt respektive syrefri sediment? Hur är fosfat särskilt viktig i Östersjöns ekosystem? 50

På vilket sätt omvandlar bakterier kvicksilver, och vilka effekter får detta i näringskedjorna och för kvicksilvrets spridning? Vilka kopplingar finns mellan nedbrytning av organiskt material och denitrifikation i ett reningsverk? Hur kan detta hanteras i reningsverkets driftsstrategi? Varför är eftersedimenteringens effektivitet viktig vid driften av ett reningsverk som drivs med aktivslamsteg? 51