Environmental Project, 899 – Degradation af estrogens in sewage treatment processes

Degradation of Estrogens in Sewage Treatment Processes

Sammenfatning og konklusioner

Der har i de seneste år været en stigende opmærksomhed og bekymring både blandt miljøfolk og i offentligheden omkring de mulige effekter af spredningen af hormonforstyrrende stoffer (østrogener) i vandmiljøet. Renseanlæg for almindeligt spildevand anses for at være en sandsynlig hovedkilde til udledning af sådanne stoffer, men den tilgængelige viden om de processer i renseanlæg, der betyder noget for fjernelsen af østrogener fra spildevand, er endnu meget begrænset.

Derfor har Miljøstyrelsen iværksat dette projekt, som har til formål at tilvejebringe ny viden om almindelige renseanlægsprocessers evne til fjerne østrogener fra spildevandet dvs. især adsorption til slam og mikrobiologisk nedbrydning af stofferne. Rapporten beskriver især det gennemførte eksperimentelle arbejde, men giver også en generel introduktion til spildevandsrensning i Danmark samt viden fra litteraturen om østrogener i spildevand og deres skæbne i renseanlæg.

Der var i 2002 i alt 1267 renseanlæg >30 PE i Danmark, hvoraf omkring en femtedel renser ca. 90% af det samlede spildevandsvolumen. De danske renseanlæg >5.000 PE er blevet væsentligt opgraderet siden iværksættelsen af den første Vandmiljøplan (VMP 1) i 1987, således at de i dag kan leve op til de strengere udledningskrav for næringssalte og organisk stof, der blev indført som en del af planen. Det typiske, større danske renseanlæg foretager i dag en indledende mekanisk rensning af spildevandet, hvorefter det underkastes biologisk behandling, herunder fjernelse af kvælstof og omsætning af organisk stof i et aktivslam-system, og kemisk fældning af fosfor. Til sidst passerer det rensede spildevand gennem en efterklaringstank (+ evt. filter) før det ledes ud.

Slammet, der er benyttet til hovedparten af forsøgene i dette projekt, stammer fra renseanlægget i Egå ved Århus. Dette anlæg på 90.000 PE må betegnes som rimeligt repræsentativt for de større renseanlæg i Danmark, men har dog en afløbskvalitet, der er lidt bedre end gennemsnittet.

De østrogener, der har indgået i det eksperimentelle arbejde er de naturlige østrogener østron (E1) og 17â-østradiol (E2) samt 17á-ethinyløstradiol (EE2), der er det aktive stof i de fleste p-piller. Disse tre stoffer tegner sig i almindelighed for langt størstedelen af den østrogene aktivitet, der kan måles i spildevand. Desuden er to konjugater af E1 (et glucuronid og en sulfat) blevet undersøgt da det er på konjugeret form at østrogener udskilles fra kroppen og ledes ud i spildevandssystemet. Konjugaterne er i sig selv ikke østrogent aktive, men kan i spildevandet eller renseanlægget blive tilbagetransformeret til deres oprindelige, frie former (E1, E2 el. EE2).

Forskningen omkring østrogener i spildevand og renseanlæg er ret ny og der foreligger kun ret få publicerede undersøgelser om emnet. Disse indikerer imidlertid, at det indledende mekaniske rensetrin kun har ringe effekt på østrogener, og at den væsentligste fjernelse finder sted i aktivslam-trinnet. E2 forsvinder hurtigt (omdannes til E1), mens E1 fjernes lidt langsommere og i mere varierende grad. EE2 er noget langsommere nedbrydeligt end de naturlige østrogener. Konjugater, især glucuronider, synes at blive spaltet ret let i spildevandssystemer, således at de frie moderstoffer genopstår. En høj slamalder synes ifølge litteraturen at have en positiv effekt på fjernelse af østrogener i renseanlæg.

Projektets eksperimentelle del omfattede sorptionsforsøg med aktivt slam fra hhv. Egå og Lundtofte renseanlæg (kun frie østrogener), dokumentation af østrogenernes abiotiske stabilitet i vand samt nedbrydningen i aktivslam under hhv. nitrificerende (aerobe) og denitrificerende (anaerobe) betingelser (konjugater kun testet i det aerobe testsystem).

Isotermen for sorption til slam blev bestemt efter en modificeret udgave af US EPA's standardmetode, mens den mikrobielle nedbrydning i det aktive slam foregik i cylindriske 1 liters reaktorer af glas med 0,5 g aktivslam/liter og daglig tilførsel af næringsstoffer i form af kunstigt spildevand fremstillet efter OECD's standard. For at sikre en homogen blanding af slam og vand samt at opretholde aerobe betingelser i reaktoren blev systemet kontinuert gennem-boblet med ilt via en slange monteret i bunden. De anaerobe forsøg foregik på tilsvarende vis, blot blev der her tilført kvælstof til reaktoren i stedet for ilt.

Resultaterne af sorptionseksperimentet viste, at østrogenerne sorberede næsten kvantitativt til slammatricen i løbet af ca. en halv time. Der blev fundet en Log K_d på omkring 2,6 for både E2 og EE2 i begge slamprøver, mens værdien for E1 var 2,8 i slam fra Egå og 2,3 i slam fra Lundtofte renseanlæg. Sidstnævnte resultat stemmer bedst overens med data fundet i litteraturen, der angiver, at sorptionen af E1 er lidt lavere end for E2 og EE2. Resultaterne indikerer, at ved almindelige slamkoncentrationer i danske renseanlæg vil omkring 35-45% af E1 og 55-65% af E2 og EE2 sorbere til slammet.

Testen for abiotisk stabilitet viste, at der praktisk taget ikke foregik nogen nedbrydning i vand under sterile betingelser, og at eventuel nedbrydning i de biotiske systemer således kan tilskrives mikrobielt betingede reaktioner (incl. enzymatiske reaktioner).

Den aerobe nedbrydning af E1 og E2 i aktivslammet foregik meget hurtigt, dvs. med halveringstider på få minutter ved de testede koncentrationer og endda endnu lavere ved almindeligt forekommende slamkoncentrationer i danske renseanlæg (ca. 4 g slam/liter; beregnede halveringstider). Halveringstiden for EE2 var mere end 100 gange så høj, dvs. fra 1,4 timer ved den høje slamkoncentration (4 g/L) til 11 timer ved den testede koncentration. Glucuronidkonjugatet af E1, E1-3Glu, blev omdannet en smule langsommere end E1 og E2 (halveringstid 2-16 minutter), mens sulfatkonjugatet, E1-3Sul, blev nedbrudt betydeligt langsommere, dvs. med en hastighed mere i retning af EE2's. Sammenfattende kan de undersøgte østrogeners aerobe nedbrydelighed i slam beskrives som: E2 > E1 > E1-3Glu >> EE2 > E1-3Sul.

Under anaerobe (denitrificerende) betingelser i det aktive slam foregik nedbrydningen af E1 og EE2 betydeligt langsommere (10-20 gange) end i det aerobe forsøg, mens nedbrydningshastigheden for E2 ikke var væsentligt forskellig, dvs. halveringstiden var også her nogle få minutter.

Ud fra de eksperimentelt bestemte hastighedskonstanter samt de hydrauliske opholdstider i aktivslam-anlægget på Egå renseanlæg er der givet et estimat på østrogennedbrydningen under virkelige forhold. Ifølge estimatet vil mere end 99,9 % af E1, E2 og E1-3Glu blive fjernet fra spildevandet, mens 3,3 % EE2 vil kunne forekomme i udløbet. Fjernelsen af E1-3Sul kunne ikke bestemmes. De estimerede fjernelsesgrader er højere, end hvad der normalt observeres i moniteringsstudier på renseanlæg.