Assessing the cumulative pressure of micropollutants in Swedish wastewater effluents and recipient water systems using integrated toxicological and chemical methods

• In recent decades, a substantial amount of work has been conducted to determine the occurrence, fate, and effects of organic micropollutants (OMPs) in aquatic environments. Incomplete removal of OMPs by conventional wastewater treatment plants (WWTPs) has been observed, and OMPs have been detected in surface water worldwide. In this study, WWTP influent, effluent, and sludge, and upstream and downstream waters in WWTP recipients, were analyzed for a total of 225 OMPs, including pharmaceuticals, hormones, personal care products, industrial chemicals, PFASs, and pesticides. The OMPs were selected based on annual usage in a wide range of household products and concerns about possible effects on humans and aquatic organisms. In addition, 11 different types of toxicity bioassays and fish embryo toxicity tests were applied to WWTP influent and effluent, and upstream and downstream waters in WWTP recipients.A total of 158 contaminants were detected in at least one sample, in mean concentrations ranging from ng/L to mg/L in wastewater samples and from ng/L to μg/L in surface water samples. Two industrial chemicals (tetraethyleneglycol, laureth-5 and di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid), 15 pharmaceuticals (salicylic acid, diclofenac, losartan, valsartan, venlafaxine, oxazepam, lamotrigine, carbamazepine, tramadol, hydrochlorothiazide, theophyline, furosemide, ranitidine, bicalutamide, and metformin), and the stimulants caffeine and nicotine were responsible for 70% of the combined concentration of pollutants in WWTP influent and effluent, and in surface water. Of the 225 target OMPs, 104 were detected in sludge samples. Analysis of sludge revealed large variations in concentrations between individual WWTPs, which can be explained by differences in OMP composition in influent water and in operating conditions at WWTPs.In vitro toxicity testing showed relatively high activities for the studied endpoints in influent waters. The removal efficiency in WWTPs varied between endpoint and plant. For estrogenic and androgenic activities, the removal efficiency was consistently high (97-99%). For AhR activity and oxidative stress, the removal efficiency ranged from 60 to 99% in different WWTPs.The results revealed that the high concentrations of OMPs in WWTPs and sludge are introduced to aquatic environments. However, there is limited information about the removal mechanisms of OMPs in WWTPs. Advanced technologies, namely membrane filtration, carbon adsorption, and AOPs (advanced oxidative processes), are now being widely adopted for OMPs removal, but the performance and cost of different unit processes vary by case. Therefore, the influence of treatment performance and process stability in WWTPs on reducing the effects and concentrations of OMPs should be evaluated. The results could provide a theoretical basis for optimization of existing treatment systems of different designs, and could contribute significantly to protecting recipient waters.

• De senaste åren har ett omfattande arbete lagts ner på att bestämma förekomst, öde, spridning och effekter av organiska mikroföroreningar (OMF) i den akvatiska miljön. Ofullständig borttagning av OMF har observerats i konventionella avloppsreningsverk och OMF har även observerats i ytvatten över hela världen över. I denna studie analyserades inkommande och utgående avloppsvatten, avloppsslam samt ytvatten uppströms och nedströms avloppsreningsverk för totalt 225 organiska mikroföroreningar bestående av läkemedel, hormoner, kroppsvårdsprodukter, industrikemikalier, PFAS-ämnen och pesticider. Urvalet av OMF baserades på årlig användning av ett brett spektrum av hushållsprodukter samt oron för deras potentiella effekter hos människor och akvatiska organismer. Utöver detta utfördes 11 olika typer av toxicitetstoxiska bioassays och fiskembryotester på det inkommande och utgående avloppsvattnet samt uppströms och nedströms i ytvattnet hos avloppsreningsverkens recipienter.Totalt detekterades 158 kontaminerande ämnen i åtminstone ett prov, medelkoncentrationerna varierade mellan ng/l till mg/l i avloppsvattenproverna och mellan ng/l till μg/l i ytvattenproverna. Två industrikemikalier (tetraethyleneglycol, laureth-5 and di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid), 15 läkemedel (salicylsyra, diklofenak, losartan, valsartan, venlafaxin, oxazepam, lamotrigine, karbamazepin, tramadol, hydroklortiazid, furosemid, ranitidin, bikalutamid och metformin) och stimulanterna kaffein och nikotin representerade 70 % av den kombinerade koncentrationen av föroreningar i inkommande och utgående avloppsvatten samt ytvatten. Av de 225 målföroreningarna organiska mikroföroreningarna kunde 104 detekteras i avloppsslamsproverna. Analys av slammet avslöjade stora koncentrationsvariationer mellan de olika reningsverken, vilket kan förklaras av olikheter i det inkommande avloppsvattnets föroreningssammansättning samt verkens olika reningssteg.I cellbaserade toxicitetstester i provrör avslöjades hög aktivitet hos de studerade slutpunkterna parametrarna i det inkommande avloppsvattnet. Reningseffektiviteten varierade mellan toxicitetsparametrarna men även mellan reningsverken. För östrogena och androgena aktiviteter var reningseffektiviteten genomgående hög (97—99 %). Reningseffektiviteten varierade mellan 60— och 90 % för aktiviteten av AhR och oxidativ stress i de olika reningsverken.Resultaten från denna studie visade att de höga koncentrationerna av OMF i reningsverken och avloppsslammet överförs till akvatiska miljöer. Det finns emellertid begränsad information om reducering av mikroföroreningar i avloppsreningsverk. Avancerad teknik såsom membranfiltrering, koladsorptrion och AOP (advanced oxidative processes) anpassas för avlägsnandet av OMF men prestationen effektiviteten och kostnaden varierar för varje enskilt avloppsreningsverk. Följaktligen bör effektiviteten av reningsmetoderna och processernas stabilitet i reningsverken utvärderas för att kunna säkerställa att effekter och koncentrationer av OMF reduceras. Resultaten kan tillhandahålla en teoretisk bas för att optimera olika typer av befintliga reningssystem och kan bidra till ett signifikant skydd av vatten i recipienter.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Miljövetenskap (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Environmental Sciences (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Oceanografi, hydrologi och vattenresurser (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Oceanography, Hydrology and Water Resources (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Miljöbioteknik -- Vattenbehandling (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Environmental Biotechnology -- Water Treatment (hsv//eng)

Nyckelord

Screening

sewage treatment plant

wastewater

recipient

Screening

sewage treatment plant

wastewater

recipient

Nationell miljöövervakning

National

Miljögiftssamordning

Toxic

Screening

Screening

A Non-Toxic Environment

Giftfri miljö

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

rap (ämneskategori)