LIFE13 ENV /SI/ LIFE PharmDegrade

Transcription

1 LIFE13 ENV /SI/ LIFE PharmDegrade Izroček / Deliverable B3 Poročilo o rezultatih enoletnega monitoringa z oceno stroškov delovanja naprave B3 The report on the results of on-year monitoring of the prototype with the evaluation of the costs of the pilot plant operation Oznaka akcije: B3 Monitoring delovanja; F1: Monitoring vsebnosti farmacevtikov v odpadnih vodah pred in po tretiranju F2: Meritve fizikalo-kemijskih parametrov vode F3: Spremljanje stroškov delovanja naprave B3 Monitoring of the operation F1 Monitoring of the concentration of the pharmaceuticals before and after treatment F2 Measurements of physical and chemical parameters F3 Monitoring of the plant operation costs Datum izdelave poročila: Poročilo pripravil: Sodelavci Fakulteta za farmacijo univerze v Ljubljani, Arhel d.o.o., Anita Klančar, Jurij Trontelj, Lovro Pokorn, Maša Čater, Robert Roškar, Luka Teslič, Mario Marinovič, Jošt Grum, Tinkara Rozina, Albin Kristl, Gorazd Lakovič, Neža Finžgar, Marko Gerl, Maja Zupančič Justin Citiranje poročila / Citation of this report: Anita Klančar, Jurij Trontelj, Lovro Pokorn, Maša Čater, Robert Roškar, Luka Teslič, Mario Marinovič, Jošt Grum, Tinkara Rozina, Albin Kristl, Gorazd Lakovič, Neža Finžgar, Marko Gerl, Maja Zupančič Justin (2016). Poročilo o rezultatih enoletnega monitoringa z oceno stroškov delovanja naprave (The report on the results of on-year monitoring of the prototype with the evaluation of the costs of the pilot plant operation), LIFE13 ENV/SI/ PharmDegrade - Degradation of pharmaceuticals in wastewaters from nursing homes and hospitals Final Report. Annex 11. Arhel d.o.o. and University of Ljubljana Faculty of Pharmacy, Slovenia.

2 KAZALO VSEBINE 1 SUMMARY UVOD OPIS PILOTNE NAPRAVE IZ IZVAJANJA MONITORINGA PREDSTAVITEV POSKUSNIH SERIJ MONITORINGA DELOVANJA PILOTNE ČISTILNE NAPRAVE V OKVIRU PROJEKTA LIFE PHARMDEGRADE Razlaga osnovnega principa ŠARŽNI NAČIN TRETIRANJA (OD S0 DO S15) Serije od S0 do S Serije S9 do S KROŽNO TRETIRANJE (OD S16 DO S23) Serije brez predfiltriranja (od S16 do S18) Serije s predfiltriranjem (od S19 do S23) RAZVOJ IN VALIDACIJA POL-AVTOMATSKE METODE ZA SPREMLJANJE FARMACEVTIKOV V ODPADNIH VODAH RAZVOJ PRIPRAVE VZORCA: RAZVOJ LC-MS/MS METODE: KONČNI POGOJI METODE ZA VREDNOTENJE FARMACEVTIKOV V ODPADNI VODI: Končna metoda priprave vzorca Končna LC-MS/MS metoda za analizo vzorcev OVREDNOTENJE METODE TESTIRANJE DELOVANJA ELEKTROKEMIJSKE OKSIDACIJE V ELEKTROLIZNIH CELICAH PREDSTAVITEV POSKUSNIH SERIJ VREDNOTENJE UČINKOVITOSTI ČIŠČENJA V PRVEM SKLOPU POSKUSNIH SERIJ Serije Serije OPTIMIZACIJA UČINKOVITOSTI DELOVANJA ČISTILNE NAPRAVE Z ELEKTROLIZNIMI CELICAMI VREDNOTENJE UČINKOVITOSTI ČIŠČENJA V DRUGEM SKLOPU POSKUSNIH SERIJ Seriji 16, Učinkovitost odstranjevanja pri različnem toku (A) skozi sistem: Učinkovitost odstranjevanja z večkrat ponovljenim elektroliznim postopkom (kroženje skozi elektrolizno celico) Seriji 16, Učinkovitost odstranjevanja pri različnih pretokih skozi elektrolizno celico Serije Učinkovitost odstranjevanja z dodanim filtrom Ocena odstranjevanja analitov samo s filtrom Ocena celokupnega odstranjevanja analitov Serije 16, 19, Primerjava učinkovitosti odstranjevanja brez filtra in z uporabo peščenega filtra Serije 16, 21, Primerjava učinkovitosti odstranjevanja brez filtra in z uporabo oglenega filtra Seriji 16, Primerjava učinkovitosti odstranjevanja brez filtra in z uporabo kombinacije oglenega in peščenega filtra Serija 16, Skupna primerjava PRIMERJAVA UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA KONVENCIONALNEGA (BIOLOŠKA ČISTILNA NAPRAVA) IN NAPREDNEGA OKSIDACIJSKEGA POSTOPKA ČIŠČENJA (ELEKTROLIZNA CELICA) Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 2

3 6.2.1 Serije Učinkovitost odstranjevanja v biološki čistilni napravi (biočn) Primerjava učinkovitosti odstranjevanja v biološki čistilni napravi (biočn) in z razvitim naprednim oksidacijskim postopkom čiščenja KONCENTRACIJE IZMERJENIH FARMACEVTIKOV V PREISKOVANIH VZORCIH VODE IDENTIFIKACIJA NASTALIH RAZGRADNIH PRODUKTOV SPREMLJANJE FIZIKALNO KEMIJSKIH PARAMETROV V ČASU MONITORINGA DELOVANJA PILOTNE NAPRAVE STROŠKOVNO OVREDNOTENJE DELOVANJA SISTEMA SKLEP PRILOGA 1 - ZBIRKA OPRAVLJENIH KEMIJSKIH ANALIZ PRI POSAMEZNI SERIJI PRILOGA 2 - ZBIRKA OPRAVLJENIH MERITEV TEMPERATURE, PH, ELEKTRO PREVODNOSTI IN OKSIDACIJSKO REDUKCIJSKEGA POTENCIALA VODE PRILOGA 3 - PREGLED PORABE ENERGIJE V ČASU TRAJANJA ELEKTROLIZE IN ČAS ELEKTROLIZE V POSAMEZNIH POSKUSNIH SERIJAH PRILOGA 4 - SLIKOVNO GRADIVO Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 3

4 KAZALO PREGLEDNIC PREGLEDNICA 1:PROGRAM UPORABLJENE METODE NA SPE-DEX SISTEMU PREGLEDNICA 2: PARAMETRI GRADIENTNE ELUCIJE PREGLEDNICA 3: NASTAVITVE MASNEGA SPEKTROMETRA ZA KVANTIFIKACIJO FARMACEVTIKOV PREGLEDNICA 4: VALIDACIJSKI PARAMETRI ANALIZNE METODE PREGLEDNICA 5: KARAKTERISTIKE VZORČENJ PREGLEDNICA 6: KARAKTERISTIKE VZORČENJA V TRETJEM SKLOPU RAZISKOVALNEGA DELA PREGLEDNICA 7: UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA Z RAZVITIM NAPREDNIM OKSIDACIJSKIM POSTOPKOM ODSTRANJEVANJA PRIMERJALNO Z ODSTRANJEVANJEM V BIOLOŠKI ČISTILNI NAPRAVI; *-IZLOČILI SMO NEGATIVNE VREDNOSTI ODSTRANJEVANJA. 48 PREGLEDNICA 8:IZRAČUNANE POVPREČNE KONCENTRACIJE PRED BIOLOŠKO ČISTILNO NAPRAVO TER PRED IN PO EL. CELICI (UPOŠTEVANE MERITVE 19-23) PREGLEDNICA 9: REZULTATI OPRAVLJENIH ANALIZ KPK, AMONIJEVEGA IN NITRATNEGA DUŠIKA TER AOX PREGLEDNICA 10: REZULTATI MERITEV TEMPERATURE, PH, ELEKTRO PREVODNOSTI IN OKSIDACIJSKO REDUKCIJSKEGA POTENCIALA PREGLEDNICA 11: PREGLED PORABE ENERGIJE V ČASU TRAJANJA ELEKTROLIZE IN ČAS ELEKTROLIZE V POSAMEZNIH POSKUSNIH SERIJAH KAZALO SLIK SLIKA 1: SHEMA PROCESA ČIŠČENJA ODPADNE VODE V PILOTNI NAPRAVI (OZNAČBA MEHČALEC VODE PREDSTAVLJA PEŠČENI FILTER). 11 SLIKA 2: ŠARŽNI NAČIN TRETIRANJA VODE V ELEKTROLITSKIH CELICAH SLIKA 3: KROŽNO TRETIRANJE SLIKA 4: UPORABA PEŠČENEGA FILTRA (NA SLIKI OZNAČENO MEHČANJE VODE) SLIKA 5: FILTRIRANJE SKOZI OGLENE FILTRE SLIKA 6: KOMBINIRANO FILTRIRANJE SLIKA 7: SHEMATIČNI PRIKAZ RAZVOJA PRIPRAVE IN ANALIZE VZORCA SLIKA 8: SHEMA PRIPRAVE VZORCA SLIKA 9: OPTIMIZACIJA KROMATOGRAFSKEGA DELA-IZBOR KOLONE SLIKA 10: KROMATOGRAM STANDARDNE RAZTOPINE IZBRANIH FARMACEVTIKOV PRI OPTIMIZIRANIH KROMATOGRAFSKIH POGOJIH IN MASNI DETEKCIJI V MRM NAČINU SLIKA 11: PRIKAZ TOČK VZORČENJA ZA IZRAČUN UČINKOVITOSTI. VZORČILI SMO PRED IN PO ELEKTROLIZNI CELICI SLIKA 12: UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA FARMACEVTIKOV PRI TOKU 1,1 A SLIKA 13: UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA FARMACEVTIKOV PRI TOKU 2,2 A SLIKA 14: UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA FARMACEVTIKOV PRI TOKU 3,8 A SLIKA 15: PRIMERJAVA UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA ZA SERIJE SLIKA 16: PRIMERJAVA POVPREČNIH VREDNOSTI MERITEV ZA POSAMEZNO JAKOST TOKA; SIPANJE JE PODANO KOT STANDARDNA DEVIACIJA SLIKA 17: TESTIRANJE UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA Z DVEMA ELEKTROLIZNIMA CELICAMA SLIKA 18: TESTIRANJE UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA S ŠTIRIMI ELEKTROLIZNIMI CELICAMI SLIKA 19: PRIMERJAVA UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA FARMACEVTIKOV Z 2 (POVPREČNA VREDNOST SERIJ 9-12) ALI S 4 ELEKTROLIZNIMI CELICAMI (POVPREČNA VREDNOST SERIJ 13-15). SIPANJE JE PODANO S STANDARDNO DEVIACIJO SLIKA 20: PRIKAZ TOČK VZORČENJA ZA PRIMERJAVO UČINKOVITOSTI. VZORČILI SMO PRED IN PO ELEKTROLIZNI CELICI SLIKA 21: UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA GLEDE NA UPORABLJENO JAKOST TOKA. BISOPROLOLA IN CIPROFLOKSACINA (SERIJA 16, 3,0 A) IN SERTRALINA (SERIJA 17, 1,5 A) NISMO ZAZNALI NA VTOKU V ELEKTROLIZNO CELICO, ZATO ZANJE TUDI NI PODANE UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA SLIKA 22: PRIKAZ TOČK VZORČENJA ZA PRIMERJAVO UČINKOVITOSTI. VZORČILI SMO PRED IN PO ELEKTROLIZNI CELICI SLIKA 23: UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA PO ŠTIRIH ZAPOREDNIH VZORČENJIH KUMULATIVNO GLEDE NA ZAČETNO VREDNOST. OZNAKE E1, E2, E3 IN E4 PRI TEM POMENIJO 4,63, 6,50, 12,27 IN 13,52 PREHODOV 1M 3 VODE SKOZI ŠTIRI ELEKTROLITSKE CELICE (SERIJA 16) SLIKA 24: UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA V PETIH ZAPOREDNIH ČASOVNIH VZORČENJIH GLEDE NA ZAČETNO VREDNOST (SERIJA 17) SLIKA 25: PRIKAZ TOČK VZORČENJA ZA PRIMERJAVO UČINKOVITOSTI. VZORČILI SMO PRED IN PO ELEKTROLIZNI CELICI SLIKA 26: UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA PRI RAZLIČNEM PRETOKU SKOZI ELEKTROLIZNO CELICO. BISOPROLOLA IN CIPROFLOKSACINA (SERIJA 16, 5,2 L/MIN) NISMO ZAZNALI NA VTOKU V ELEKTROLIZNO CELICO, ZATO ZANJU TUDI NI PODANA UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 4

5 SLIKA 27: PRIKAZ VZORČNIH TOČK ZA IZRAČUN UČINKOVITOSTI. VZORČILI SMO TIK PRED IN TIK ZA FILTROM (F) SLIKA 28: PRIMERJAVA UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA ANALITOV S SPECIFIČNIM FILTROM ALI V KOMBINACIJI. REZULTATI SO PODANI RELATIVNO GLEDE NA NAJVIŠJI IZKORISTEK (%) SLIKA 29: PRIKAZ VZORČNIH TOČK ZA IZRAČUN UČINKOVITOSTI. VZORČILI SMO NA VTOKU NA SISTEM IN NA KONCU, KO JE VODA PREŠLA CELOTEN SISTEM ČIŠČENJA SLIKA 30: UČINKOVITOST CELOKUPNEGA ODSTRANJEVANJA Z UPORABO PEŠČENEGA FILTRA SLIKA 31: UČINKOVITOST CELOKUPNEGA ODSTRANJEVANJA Z UPORABO OGLENEGA FILTRA SLIKA 32: UČINKOVITOST CELOKUPNEGA ODSTRANJEVANJA Z UPORABO OGLENEGA IN PEŠČENEGA FILTRA V KOMBINACIJI SLIKA 33: PRIKAZ VZORČNIH TOČK ZA IZRAČUN UČINKOVITOSTI. VZORČILI SMO NA VTOKU IN NA KONCU, KO JE VODA PREŠLA CELOTEN SISTEM ČIŠČENJA SLIKA 34: PRIMERJAVA UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA Z/BREZ UPORABE PEŠČENEGA FILTRA. BISOPROLOLA IN CIPROFLOKSACINA (SERIJA 16, BREZ FILTRA) NISMO ZAZNALI NA VTOKU V ELEKTROLIZNO CELICO, ZATO ZANJU TUDI NI PODANA UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA SLIKA 35: PRIKAZ VZORČNIH TOČK ZA IZRAČUN UČINKOVITOSTI. VZORČILI SMO NA VTOKU NA SISTEM IN NA KONCU, KO JE VODA PREŠLA CELOTEN SISTEM ČIŠČENJA SLIKA 36: PRIMERJAVA UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA Z/BREZ UPORABE OGLENEGA FILTRA. BISOPROLOLA IN CIPROFLOKSACINA (SERIJA 16, BREZ FILTRA) NISMO ZAZNALI NA VTOKU V ELEKTROLIZNO CELICO, ZATO ZANJU TUDI NI PODANA UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA SLIKA 37: PRIKAZ VZORČNIH TOČK ZA IZRAČUN UČINKOVITOSTI. VZORČILI SMO NA VTOKU NA SISTEM IN NA KONCU, KO JE VODA PREŠLA CELOTEN SISTEM ČIŠČENJA SLIKA 38: PRIMERJAVA UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA S KOMBINACIJO PEŠČENEGA IN OGLENEGA FILTRA TER BREZ UPORABE FILTRA. BISOPROLOLA IN CIPROFLOKSACINA (SERIJA 16, BREZ FILTRA) NISMO ZAZNALI NA VTOKU V ELEKTROLIZNO CELICO, ZATO ZANJU TUDI NI PODANA UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA SLIKA 39: PRIMERJAVA UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA FARMACEVTIKOV BREZ, Z UPORABO POSAMEZNEGA FILTRA IN S KOMBINACIJO PEŠČENEGA IN OGLENEGA FILTRA. BISOPROLOLA IN CIPROFLOKSACINA (SERIJA 16, BREZ FILTRA) NISMO ZAZNALI NA VTOKU V ELEKTROLIZNO CELICO, ZATO ZANJU TUDI NI PODANA UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJA SLIKA 40: PRIKAZ VZORČNIH TOČK ZA IZRAČUN UČINKOVITOSTI. VZORČILI SMO V ZBIRALNIKU PRED BIOLOŠKO ČISTILNO NAPRAVO IN NEPOSREDNO ZA NJO SLIKA 41: PRIMERJAVA UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA FARMACEVTIKOV V BIOLOŠKI ČISTILNI NAPRAVI; *-UČINKOVITOST ODSTRANJEVANJE JE BILA IZMERJENA NIŽJE KOT -40% IN POSLEDIČNO NI PRIKAZANA SLIKA 42: PRIMERJAVA UČINKOVITOSTI ODSTRANJEVANJA FARMACEVTIKOV V BIOLOŠKI ČISTILNI NAPRAVI IN Z RAZVITIM NAPREDNIM OKSIDACIJSKIM PROCESOM; *-IZLOČILI SMO NEGATIVNE VREDNOSTI ODSTRANJEVANJA SLIKA 43: PRIMERJAVA POVPREČNIH KONCENTRACIJ IZMERJENIH PRED BIOLOŠKO ČISTILNO NAPRAVO, PRED IN PO ELEKTROLIZNI CELICI (NG/L); UPOŠTEVANJE MERITVE SLIKA 44: NEKATERI GLAVNI IDENTIFICIRANI MEHANIZMI DEGRADACIJE: ODPRTJE ALIKILNIH OBROČEV, OKSIDATIVNO DEALKILIRANJE, ODCEP OBROČEV IN AROMATSKA HIDROKSILACIJA SLIKA 45: PREGLED SPREMINJANJA VREDNOSTI KPK V SERIJAH S16 S SLIKA 46: PREGLED SPREMINJANJA VREDNOSTI AOX V SERIJAH S 16 S SLIKA 47: PREGLED SPREMINJANJA VREDNOSTI AMONIJEVEGA DUŠIKA V SERIJAH S 16 S SLIKA 48: PREGLED SPREMINJANJA VREDNOSTI NITRATNEGA DUŠIKA V SERIJAH S 16 S SLIKA 49: PREGLED SPREMINJANJA PH, SPECIFIČNE ELKTROPREVODNOSTI IN TEMPRATURE V SERIJAH S16, S17, S SLIKA 50: ODVZEM VZORCEV VODE NA DOTOKU V BIOLOŠKO NAPRAVO SLIKA 51: ODVZEM VZORCEV VODE NA IZTOKU PILOTNE NAPRAVE SLIKA 52: IZVEDBA MERITEV S SISTEMOM SCADA SLIKA 53: IZVAJANJE ROČNIH MERITEV FIZIKALNO KEMIJSKIH PARAMETROV NA LOKACIJI PILOTNE NAPRAVE Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 5

6 1 SUMMARY The report presents the results of monitoring activities carried out during the operation of the pilot plant constructed within the project LIFE PharmDegrade. The report was made by the planned actions in the project application, where we anticipated a minimum of 24 sampling events during the operation of the pilot plant. Due to a delay in setting up the pilot plant, the monitoring has been carried out a shorter period, but we have conducted significantly more water sampling events. We conducted 23 experimental batches of operation and thus performed 110 sampling events. At each sampling, we conducted physical and chemical analyses of samples and analysis of residues of selected pharmacologically active substances. We have regularly monitored the consumption of electricity, which allowed us to estimate the costs of operation of the device. The report consists of the following sections: Description of the pilot plant. Description of developed of extraction and analytical methods. Description of implementation of the physical and chemical measurements. Description of testing the electrochemical oxidation regarding the impact of current intensity, the number of electrolytic cells and length of the electrolysis. Evaluation of the monitored physical and chemical parameters. Description of improvements in the sampling method, which allowed for more precise assessment of the removal efficiency of pharmaceuticals on a single stage of treatment and testing the impact of current intensity, flow, multiple passes through the cell and different types of filters in front of electrolytic cells. Calculation of the operating costs of the device. Development and validation of semi-automatic method for monitoring of pharmaceuticals in wastewaters In previous actions, we selected eight pharmaceuticals based on literature overview and later upgraded this selection with two additional pharmaceuticals found in wastewaters. Due to different physical and chemical characteristics, the development of a method that will enable simultaneous monitoring of all analytes is quite difficult and time-consuming process. An additional difficulty represents the determination of the presence of these substances in the wastewater, which is a complex medium, and pharmaceuticals are present there in low concentrations. During the development and optimisation of the method, we separately developed the part of the preparation of the samples (extraction and concentration) and the part of the analytical methods. The method of choice for preparation of aqueous environmental samples was solid-phase extraction (SPE), which provides effective purification of the matrix and concentration of the sample. We used a semi-automated SPE system, which has numerous advantages over conventional or manual SPE and represents the most suitable implementation of the system for wastewater treatment. A detailed description of the development and optimisation of sample preparation is shown in a previously delivered report (ANNEX 5 Final Report: A1F6 Long-term monitoring of "Golnik wastewater and determination of needed pre-treatment, 29/2/2016). In short, during the optimisation process, we selected the most suitable type of SPE disk, conditions of preconditioning and equilibration, suitable Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 6

7 dilution with a buffer, intermediate drying of the disc, soaking time and the choice of a proper elution solvent, and optimisation of drying and reconstitution of the sample. Liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was the first method of choice for environmental analysis. It enabled a sensitive and accurate simultaneous determination of the presence of a large number of compounds. During the development of LC-MS/MS method, we separately optimised the chromatographic and mass part. In the latter case, we have selected the appropriate MRM transitions, and settings of the ion source to achieve optimal sensitivity. In the chromatographic part of the optimisation, we have chosen a proper stationary phase (optimal chromatography column), a mobile phase and total chromatographic conditions that provide good chromatographic separation. Due to the complex background, which wastewater is, the analysis on LC-MS/MS can be disturbed by many contaminants (mucus, organic and inorganic materials...). These contaminants could falsely increase or decrease the response to a specifically studied compound, which is why we included in the method isotopically marked pharmaceuticals as internal standards. Testing the operation of electrochemical oxidation in electrolytic cells In the second part of the monitoring activities of the pilot plant operation, the objective was to evaluate the efficiency of operation of electrolytic cells at different operating conditions and selection of the most appropriate settings regarding efficiency and energy consumption. The electrolytic cells were equipped on both sides with boron doped diamond electrodes, each with surface 60cm 2 and 12 cm 3 volume. When optimising the operation of electrolytic cells, we studied the effects of the following parameters: number of cells used, flow- rate through the cells, number of passes through the cell (length of the electrolysis) and current density applied. To calculate the efficiency of the removal of pharmaceuticals, we used the equation: removal efficiency (%) = value before treatment section value after treatment section value before teratment section Evaluation of treatment efficiency in the first set of test series In the first set of the experiments, we evaluated the effect of applied current on the operation of the electrolytic cell. In general, the removal efficiency improved with the increase of applied current density. The double passage of the water through two cells installed in parallel was in this set of observations not sufficient to achieve high removal efficiency for all target analytes. Further on, 50 ma/cm 2 current density was applied on four electrolytic cells positioned in parallel. The efficiency was followed at different lengths of electrolysis and flow rates. The highest removal efficiency was always detected for atorvastatin, ciprofloxacin and diclofenac, which high removal was achieved already at short exposure to electrochemical oxidation. Other pharmaceuticals needed longer exposure times. Optimisation of operation efficiency of the pilot plant In the next part of the experimental series, we improved the sampling method and assessed the influence on the treatment performance regarding current, the number of passes through the cells, and the inclusion of additional filters in front of the electrolytic cell. Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 7 x100

8 During the optimisation of sampling method, we considered retention times in specific parts of the wastewater treatment system, which allowed us a precise determination of the removal efficiency of individual pharmaceutical in a specific part or in the whole system. We must explain that the removal efficiency was only possible for the pharmaceuticals, which we determined at the inflow. In case any of pharmaceuticals was not already present at the beginning, we were not able to control its removal. In any of the experimental series, we have not detected imatinib, chlofibric acid and fluoxetine in wastewater (which were however detected in the monitoring carried out before the pilot plant installation). There has been some occasional absence of the remaining seven pharmaceuticals in some of the experimental sets. At each experimental set, we collected the water from the reservoir (before the biological treatment plant), after the biological treatment plant, before the electrolytic cells and after the electrolytic cells (several consecutive samples during the water circulation). In the series 19-23, additional samples were collected after filtration on different types of filters that have been placed just before the electrolytic cells. In the context of the limited analytical monitoring of degradation products of pharmaceuticals by electrochemical oxidation, the observed degradation products (open aliphatic rings; dealkylation, deamination and dehydroxylation of aliphatic amines and alcohols) is likely to have no remained pharmacological activity. Likewise, we have found no increase in concentrations of AOX-s, and the resulting AOX molecules were degraded by continuing of the electrochemical oxidation. The electrochemical oxidation also did not contribute to the deterioration of other physical and chemical parameters, for example to the excessive temperature increase. COD values were not reduced in the process of electrochemical oxidation, meaning that the complete oxidation of remained organic compounds did not occur under selected operation conditions of the electrolytic cell. During the monitoring, the highest concentrations were measured for ciprofloxacin and diclofenac, >2000 ng/l. During the LIFE PharmDegrade project, additional measurements of pharmaceuticals in wastewaters after treatment were also carried in other locations in Slovenia (PhD thesis A. Klančar; activities out of scope of this project), which showed comparable concentrations. For example, the average concentration of ciprofloxacin and diclofenac were 1.1 µg/l and 1.4 µg/l. Other pharmaceuticals have also been determined in this research, like metformin 6.6 µg/l, amantadine 2.2 µg/l, rosuvastatin 1.9 µg/l (individual measurements > 20 µg/l), caffeine 0.8 µg/l, and paracetamol 0.4 µg/l. Based on these measurements, we can conclude on existing environmental pressure of pharmaceuticals in Slovenia. Therefore we propose to test the developed technology also on a large number of pharmaceuticals for its further application in advanced wastewater treatment. Conclusions By measuring the removal efficiency of individual pharmaceutical from wastewater, we proved that the developed advanced oxidation treatment process significantly improved the overall removal efficiency compared to the conventional biological wastewater treatment. The energy cost of electrochemical oxidation of the pilot plant was 0,014 /m 3. As an optimal treatment set, defined by the measurements performed in the pilot plant, we can determine the following composition: biological waste water treatment plant use of a sand filter twelve passages through a set of 4 electrolytic cells settings of the electrolytic cell: flow 5.2 L/min; current 3 A Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 8

9 In this case, the entire process enabled removal of >90% of the input concentration of a particular pharmaceutical; the removal efficiency did not increase significantly with the longer exposure to electrochemical oxidation. Given the fact that the limit values of pharmaceuticals for the release into the waters are not determined yet, we used for the further calculations of the size and capacity of the treatment system a target value of 80% of average reduction of pharmaceuticals. This corresponded in a given system to ca 4.6 passes of the water through the system of the electrolytic cells, without using the filters. During the monitoring, we also have encountered certain limitations: The detected inflow concentrations of pharmaceuticals have been lower during the pilot plant monitoring activities, as they were detected during the preparatory activities of the project, and some pharmaceuticals were not present at all times (occurrence of e.g. antibiotics in the water was very seasonally conditioned) Also, it was found that the sewage system, feeding the treatment plant, receives a large proportion of rainwater, which causes dilution. Water losses in the sewage system are also possible. In the case of a possibility of continuation of demonstration activities on the pilot plant, we would propose the following tests: Testing of the removal efficiency of pharmaceuticals as well as other micropollutants in locations with a more pronounced appearance of pharmaceuticals (e.g. at the newly constructed municipal wastewater treatment plants receiving sewerage without rainwater and, consequently, the expected higher levels of pharmaceuticals). Implementation of monitoring over a long period of observations, which would cover all seasons. Defining the optimal composition of advanced treatment system based on the occurrence or the concentration of pharmaceuticals. Testing the use of a filtration system after the electrochemical oxidation Closely monitor the degradation products of electrochemical oxidation and conducting ecotoxicological tests. Evaluation of the impact of the advanced treatment system to reduce the incidence of bacterial resistance. Implementation of a demonstration system on a larger scale - capture the total quantity of wastewater treatment plant. Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 9

10 2 Uvod Poročilo predstavlja monitoring delovanja pilotne naprave izgrajene v okviru projekta LIFE PharmDegrade. Poročilo smo sestavili skladno s predvidenimi akcijami v prijavi projekta. V prijavi projekta smo predvideli minimalno 24 vzorčenj delovanja naprave v času enoletnega monitoringa. Zaradi zakasnitve pri postavitvi pilotne naprave smo monitoring izvajali krajše časovno obdobje, vendar pa smo opravili bistveno več vzorčenj vode. Opravili smo 23 poskusnih serij delovanja naprave in pri tem opravili 110 vzorčenj. Ob vsakem vzorčenju smo opravili fizikalno kemijske analize vzorcev in analizo ostankov izbranih zdravilnih učinkovin. Redno smo spremljali porabo električne energije, ki nam omogoča oceno stroškov delovanja naprave. Poročilo skladno s potekom izvedbe projekta sestavljajo naslednji sklopi: Opis pilotne naprave Opis razvoja ekstrakcijske in analizne metode Opis načina izvajanja fizikalno kemijskih meritev Opis testiranja elektrokemijske oksidacije z vidika vpliva jakosti toka, trajanja elektrolize ter števila elektroliznih celic Vrednotenje spremljanih fizikalno kemijskih parametrov Opis izboljšave načina vzorčenja, ki omogoča natančnejše ugotavljanje učinkovitosti odstranjevanja farmacevtikov na posamični stopnji čiščenja ter testiranje vpliva jakosti toka, pretoka, večkratnega prehoda ter različnih vrst filtrov pred elektroliznimi celicami Preračun stroškov obratovanja naprave Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 10

11 3 Opis pilotne naprave iz izvajanja monitoringa 3.1 Predstavitev poskusnih serij monitoringa delovanja pilotne čistilne naprave v okviru projekta LIFE PharmDegrade Razlaga osnovnega principa Spodnja slika prikazuje proces obdelave fekalne vode v pilotni napravi na Golniku. Vodo v enakomernih časovnih razmikih zajemamo direktno iz končnega zadrževalnika očiščene vode obstoječe čistilne naprave na Golniku in jo prečrpavamo v malo biološko čistilno napravo (BČN) locirano v prvem kontejnerju. Število in dolžina intervalov prečrpavanja nam dnevno omogočata pretok 1-3 m 3 /dan. Za ocenjevanje učinkovitosti smo v različnih poskusnih serijah vzorčevali vodo na različnih vzorčnih mestih. Vsaka serija se je začela s prečrpavanjem 1 m 3 vode. Osrednji del testiranj je bila uporaba elektroliznih celic z elektrokemijsko oksidacijo. To se je vršilo na dva načina, šaržni in krožno. iztok Slika 1: Shema procesa čiščenja odpadne vode v pilotni napravi (označba mehčalec vode predstavlja peščeni filter). Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 11

12 Pojasnitve k vzorčenju in poimenovanju vzorcev: SxPB - Ta oznaka označuje vzorec vode vzet pred BČN. Nujen komentar k vzorcem s to oznako je, da jih ne moremo primerjati z vzorci v isti seriji, saj so ti vzorci vzeti iz pretočnega dela, tako da so časovno zelo spremenljivi in jih posledično težko uporabljamo za primerjave z drugimi vzorci z namenom ugotavljanja uspešnosti odstranjevanja analitov. SxPFx Vzorec s to oznako je vzet na iztoku MBČN pred vstopom v sistem filtrov. Števka za PF označuje konfiguracijo filtrov. SxPE - To je oznaka za vzorec vzet pred vstopom v elektrolitske celice. SxEx: Pri šaržnem postopku tretiranja, kjer se je voda pretakala iz enega zalogovnika v drugega (slika 2) skozi elektrolitske celice; števka za črko E pove število prehodov celotnega volumna (1 m 3 ). Slika 2: Šaržni način tretiranja vode v elektrolitskih celicah Pri krožnem načinu (slika 3) števka za črko E pove le časovno zaporedje odvzema vzorca. Kolikokrat je tretiran volumen vode prešel skozi elektrolitske celice, lahko izračunamo iz časa odvzema vzorcev vode. Slika 3: Krožno tretiranje Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 12

13 3.2 Šaržni način tretiranja (od S0 do S15) Serije od S0 do S8 Pri serijah v tem sklopu se je elektroliza izvajala na celicah s pozlačenimi vzmetnimi kontakti, kar se je izkazalo za nezanesljivo in so bile celice v nadaljnjih poskusnih serijah posodobljene. I. Serijam v tem sklopu je skupno: Tekočino se je tretiralo z dvema elektrolitskima celicama, pri konstantnem skupnem pretoku 5 l/min. (Skozi vsako celico je torej teklo 2,5 l/min.) Vse meritve so se izvajale izven procesa, neposredno na vzetih vzorcih. Na večini vzorcev smo fizikalno kemijske meritve izvajali z ročnimi inštrumenti in nekaj meritev s senzorji vgrajenimi v sistem SKADA. Dvojno merjenje je bilo namenjeno umerjanju merilnih postopkov sistema SKADA. Na terenu smo merili temperaturo, ph vrednost, oksidacijsko redukcijski potencial in električno prevodnost vzorcev. V laboratoriju se je vzorcem naknadno izmerilo še KPK (kemijska potreba po kisiku za razgradnjo organskih molekul. V laboratorijih Fakultete za farmacijo pa vsebnost izbranih farmacevtikov. II. V tem sklopu smo testirali vpliv električnega toka na odstranjevanje farmacevtikov. Tok skozi celice je bil pri serijah: S0, S1, S2 = 1,1 A, S3, S4, S5 = 2,2 A, S6, S7, S8 = 3,0 A Serije S9 do S15 Pred začetkom serije S9 smo elektrolitske celice opremili z novimi elektrodnimi materiali, ker smo posumili na obrabo obstoječih celic. Serije v tem sklopu in vseh nadaljnjih sklopih so bile izvedene na izboljšanih elektrolitskih celicah. I. Serijam v tem sklopu (od oznake S9 do oznake S15) je skupno: Vse fizikalno kemijske meritve so se izvajale izven procesa, neposredno na vzetih vzorcih. Na večini vzorcev smo meritve delali z ročnimi inštrumenti, na nekaterih smo poleg tega meritve izvajali tudi s senzorji vgrajenimi v sistem SKADA. Dvojno merjenje je bilo namenjeno umerjanju merilnih postopkov sistema SKADA. Na terenu smo merili temperaturo, ph vrednost, oksidacijski potencial in Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 13

14 električno prevodnost vzorcev. V laboratoriju se je vzorcem naknadno izmerilo še KPK, amonijev in nitratni dušik ter AOX. V laboratorijih Fakultete za farmacijo pa vsebnost izbranih farmacevtikov. II. Specifike po serijah v tem sklopu: S9, S10, S11: Te tri serije so bile namenjene preverjanju učinkovitosti novih celic, ki se je izkazala za zadovoljivo. Vse tri smo opravili s tretiranjem skozi 2 elektrolitski celici, pri toku I = 3 A, in pretoku 5 l/min skozi obe celici. Opomba: Vzorca S11E1 nismo uspeli odvzeti, zaradi napake v delovanju naprave. Pri seriji S12 smo uporabili iste pogoje kot v prejšnjih treh (2 elektrolitski celici, 3 A, 5 l/min) in pri tem merili porabo električne energije izključno za izvajanje elektrolize. Serije S13, S14 in S15 smo izvajali s štirimi elektrolitskimi celicami, pri toku I = 3 A in pretoku 5,85 l/min (To nanese pretok ~1,5 l/min skozi posamezno celico, za tak pretok je črpalka nastavljena na najvišjo hitrost ). Tudi pri teh serijah smo merili porabljeno el. energijo za izvajanje elektrolize. 3.3 Krožno tretiranje (od S16 do S23) Serije brez predfiltriranja (od S16 do S18) Ta sklop je bil izvajan, drugače kot prejšnja dva (slika 3), zato so z istim imenovanjem, označeni drugačni vzorci. I. Serijam v tem sklopu (od oznake S16 do oznake S18) je skupno: Vse meritve so se izvajale izven procesa, neposredno na vzetih vzorcih. Meritve se je izvajalo dvojno, z ročnimi inštrumenti in inštrumenti vklopljenimi v sistem SKADA. Na terenu smo merili temperaturo, ph vrednost, oksidacijsko redukcijski potencial in električno prevodnost vzorcev. V laboratoriju se je vzorcem naknadno izmerilo še KPK, amonijev in nitratni dušik ter AOX, laboratorijih Fakultete za farmacijo pa vsebnost izbranih farmacevtikov.. Tudi v tem sklopu smo merili porabo električne energije. II. Specifike po serijah: Pri seriji S16 smo krožno tretirali 1 m 3 vode skozi 4 elektrolitske celice, pri 3 A in skupnem pretoku 5,2 l/min. Tretirani volumen vode je skozi celice zaokrožil 13,54- krat. Pri seriji S17 smo v primerjavi s serijo S16 spremenili le električni tok in sicer na 1,5 A. Relativno število ciklov tretiranega volumna je bilo 22,31. Pri seriji S18 smo v primerjavi s serijo S16 spremenili le skupni pretok in sicer na 2,5 l/min. Relativno število ciklov tretiranega volumna je bilo 10,20. Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 14

15 3.3.2 Serije s predfiltriranjem (od S19 do S23) V tem sklopu smo vodo pred tretiranjem, filtrirali skozi različne konfiguracije filtrov. I. Serijam v tem sklopu (od oznake S19 do oznake S23) je skupno: Vse serije v sklopu so bile, kar se tiče elektrolize, tretirane v istem režimu: ciklično tretiranje 1 m 3 vode, skozi 4 elektrolitske celice, pri I = 3 A in skupnem pretoku 5,2 l/min. Vse meritve so se izvajale izven procesa, neposredno na vzetih vzorcih. Meritve se je izvajalo dvojno, z ročnimi inštrumenti in inštrumenti vklopljenimi v sistem SKADA. Na terenu smo merili temperaturo, ph vrednost, oksidacijsko redukcijski potencial in električno prevodnost vzorcev. V laboratoriju se je vzorcem naknadno izmerilo še KPK, amonijev in nitratni dušik ter AOX; v laboratoriju Fakultete za farmacijo pa farmacevtike. Tudi v tem sklopu smo merili porabo električne energije. II. Specifike po serijah: Pri serijah S19 in S20 je šla voda pred tretiranjem skozi peščeni filter (Slika 4). Zaradi izpada nadzornega sistema za serijo S19 nimamo podatkov o številu tretiranj. Pri S20 je bilo število relativnih tretiranj 22,62. Slika 4: Uporaba peščenega filtra (na sliki označeno mehčanje vode) Ogleni filter pred elektroliznimi celicami smo uporabili v serijah S21 in S22 (Slika 5). Tretiranje S21 se je relativno izvedlo 21,08 krat, tretiranje pri seriji S22 pa 23,09 krat. Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 15

16 Slika 5: Filtriranje skozi oglene filtre Pri seriji S23 je šla voda pred tretiranjem skozi peščeni filter in skozi ogleni filter (Slika 6). Število relativnih tretiranj je bilo 22,46. Slika 6: Kombinirano filtriranje Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 16

17 4 Razvoj in validacija pol-avtomatske metode za spremljanje farmacevtikov v odpadnih vodah V predhodnih akcijah smo na osnovi pregleda literature izbrali 8 farmacevtikov in kasneje ta nabor nadgradili še z dvema dodatnima farmacevtikoma. Zaradi različnih fizikalno-kemijskih karakteristik je razvoj metode, ki bo omogočala sočasno spremljanje vseh analitov precej zahteven in zamuden proces. Dodatna otežitev je ugotavljanje prisotnosti teh snovi v odpadnih vodah, saj le-te predstavljajo kompleksen vodni medij, ter tudi pričakovane nizke koncentracije. Pri razvoju in optimizaciji metode se ločeno usmerimo k razvoju priprave vzorca (ekstrakcija in koncentriranja) ter k razvoju analizne metode (slika 1). 4.1 Razvoj priprave vzorca: Slika 7: Shematični prikaz razvoja priprave in analize vzorca. Metoda izbora za pripravo vodnih okoljskih vzorcev je ekstrakcija na trdnem nosilcu (SPE), ki omogoča učinkovito čiščenje matriksa in koncentriranje vzorca. V okviru našega dela smo uporabili Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 17

18 pol-avtomatiziran SPE sistem, ki ima v osnovi številne prednosti pred klasičnim oz. ročnim SPE in predstavlja najprimernejšo izvedbo sistema za obdelavo odpadnih vod. Natančen opis razvoja in optimizacije priprave vzorca je prikazan v predhodno pripravljenem poročilu (ANNEX 5 Končnega poročila: A1F6 Long-term monitoring of Golnik wastewater and determination of needed pretreatment, 29/2/2016). Na kratko, med procesom optimizacije smo izbrali najugodnejšo vrsto SPE diska, pogoje prekondicioniranja in ekvilibracije, primerno redčitev s pufrom, vmesno sušenje diska, čas namakanja in izbira ustreznega elucijskega topila ter optimizacijo sušenja in rekonstitucije vzorca. Posamezni koraki priprave vzorca so shematsko prestavljeni na sliki Slika 8: Shema priprave vzorca. 4.2 Razvoj LC-MS/MS metode: Tekočinska kromatografija sklopljena s tandemsko masno spektrometrijo (LC-MS/MS) je metoda prvega izbora za okoljske analize. Omogoča nam občutljivo in točno sočasno ugotavljanje prisotnosti večjega števila spojin. Pri razvoju LC-MS/MS metode smo ločeno optimizirali kromatografski del in masni del. Pri slednjem smo izbrali ustrezne MRM prehode (preglednica 2) ter nastavitve ionskega izvora za dosego čim boljše občutljivosti, medtem ko smo pri kromatografskem delu izbrali ustrezno stacionarno fazo (optimalna kromatografska kolona), mobilno fazo ter celokupne kromatografske pogoje, ki omogočajo dobro kromatografsko ločbo (Slika 3 in 4). Zaradi kompleksnega ozadja, ki ga odpadna voda predstavlja, analizo na LC-MS/MS lahko motijo številne primesi (sluzi, organske in anorganske snovi ), ki bi lahko lažno zvišale ali znižale odziv za posamezno preiskovano spojino, zato smo v metodo vključili izotopsko označene farmacevtike kot interne standarde (preglednica 3). Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 18

19 Slika 9: Optimizacija kromatografskega dela-izbor kolone. Slika 10: Kromatogram standardne raztopine izbranih farmacevtikov pri optimiziranih kromatografskih pogojih in masni detekciji v MRM načinu. Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 19

20 4.3 Končni pogoji metode za vrednotenje farmacevtikov v odpadni vodi: Končna metoda priprave vzorca Vzorec (250 ml) razredčimo s 250 ml 50 mm kalijevega dihidrogen fosfatnega pufra (KH 2PO 4) ph=7 in premešamo. Celoten volumen tj. 500 ml prenesemo na pol-avtomatski sistem SPE-DEX (HorizonTechnology, ZDA). Pogoji na SPE-DEX sistemu: - Izbrani diski: Atlantis HLB (HorizonTechnology, ZDA) - Izbrani filtri: kombinacija 1 in 5 µm filtra - Volumen vzorca: 500 ml - Elucijsko topilo*: ACN:MeOH:iPrOH= 2:1:1 Za ekstrakcijo uporabimo metodo prikazano v preglednici 1. Preglednica 1:Program uporabljene metode na SPE-DEX sistemu. Topilo Namakanje (s) Sušenje (s) Priprava diska metanol 15 0 metanol prečiščena voda prečiščena voda nanos vzorca Spiranje diska / Sušenje diska 210 Elucija Elucijsko topilo* Po ekstrakciji eluat prenesemo v 25 ml bučko. Trikrat po 2 ml prenesemo v steklene epruvete in posušimo do suhega v toku dušika pri 50 C. Suhe zaostanke rekonstituiramo v 200 µl rekonstitucijskega topila v sestavi: ACN:MeOH:H 2O:HCOOH 44:44:10:2 (v/v/v/v), prenesemo v steklene viale z inserti in analiziramo z LC-MS/MS Končna LC-MS/MS metoda za analizo vzorcev Vzorce smo analizirali s tekočinsko kromatografijo (1290 Infinity LC, Agilent Technologies, ZDA), sklopljeno s tandemskim masnim spektrometrom vrste trojni kvadrupol (Agilent 6460 QQQ, Agilent Technologies, ZDA). Na kolono Poroshell EC-C18 (100 3,0 mm, 2,7 μm, Agilent Technologies, ZDA) smo injicirali 1 μl vzorca. Kolona je bila termostatirana na 50 C. Uporabili smo gradientno elucijo s topilom A (0,1-odstotna mravljična kislina v vodi) in topilom B (acetonitril (ACN)). Uporabljeni pretoki in deleži topila A v posameznih časovnih točkah so predstavljeni v preglednici 2. Čas analize posameznega vzorca je bil 8,2 min. Igla za injiciranje se je po vsakem injiciranju sprala s topilom MeOH:H2O (80:20, v/v). Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 20

21 Preglednica 2: Parametri gradientne elucije. čas (min) topilo A (%) pretok (ml/min) 0, ,50 1, ,65 2, ,65 3, ,65 4, ,65 5, ,65 5, ,65 6,50 5 0,65 6,70 5 0,65 6, ,65 8, ,50 Za ionski izvor smo uporabili Agilent JetStream ESI z naslednjimi nastavitvami: temperatura sušilnega plina 275 C, pretok plina 5 L/min, nebulizator 45 psi (3,1 bar oz. 310 kpa), temperatura plašča 320 C, pretok plina v plašču 11 L/min, napetost na kapilari 4000 V in napetost na šobi 1000 V. V preglednici 3 so za vsako spojino predstavljeni podatki o detekciji farmacevtikov - MRM prehodi, kolizijske energije (CE), napetosti fragmentorja (V) in polariteta ionizacije. Preglednica 3: Nastavitve masnega spektrometra za kvantifikacijo farmacevtikov. 4.4 Ovrednotenje metode Po optimizaciji smo metodo ustrezno ovrednotili (validirali). Ovrednotili smo naslednje parametre; območje linearnosti, determinacijski koeficinet (R 2 ), ponovljivost (RSD %), izkoristek ekstrakcijskega Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 21

22 postopka (%), ter meje določitve (LOQ). Mejo določitve smo opredelili z dvema različnima postopkoma; prvi je po navodilih strogih analitskih smernic (FDA smernice za bioanalizne metode) in predstavlja najnižjo izmerjeno koncentracijo, ki je še primerno ponovljiva (RSD <20%) in točna (bias < ±20%). Pri okoljskih meritvah pa se običajno uporabljajo manj strogi kriteriji, in sicer se za LOQ določi tisto najnižjo koncentracijo, kjer je razmerje med signalom in šumom enako 10 ali višje (ang. signal to noise ratio S/N). Na ta način smo določili nekajkrat nižje vrednosti (preglednica 4). Preglednica 4: Validacijski parametri analizne metode *- na osnovi razmerja med signalom in šumom 10:1 Cilj prvega dela raziskovalnega dela je bil razviti ustrezno analitsko podporo, ki bo primerna za rutinsko spremljanje prisotnosti izbranih farmacevtikov ter za natančno ugotavljanje njihove koncentracije z namenom izračuna učinkovitosti odstranjevanja z naprednim oksidacijskim postopkom čiščenja odpadnih voda. Ovrednotena analizna metoda, glede na dobljene rezultate validacije, potrjuje primernost za namenjeno uporabo. Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 22

23 5 Testiranje delovanja elektrokemijske oksidacije v elektroliznih celicah 5.1 Predstavitev poskusnih serij V drugem delu aktivnosti monitoringa delovanja pilotne naprave je bil cilj določiti učinkovitost delovanja elektrolizne celice pri različnih pogojih obratovanja ter izbor najustreznejših nastavitev z vidika učinkovitosti in hitrosti ter porabe električne energije. Pri optimizaciji delovanja elektrolizne celice smo preučevali učinke naslednjih parametrov: število uporabljenih celic, pretok vode skozi celice, število prehodov skozi celice in električni tok (preglednica 5). Preglednica 5: Karakteristike vzorčenj. Vzorčenje Oznaka vzorca Datum/čas vzorca serija 0 S0PB :30 S0PE :30 S0E :30 S0E :00 serija 1 S1PB :20 S1PE :40 S1E :00 S1E :15 serija 2 S2PB :40 S2PE :30 S2E :05 S2E :45 serija 3 S3PB :20 S3PE :30 S3E :30 S3E :15 serija 4 S4PB :30 S4PE :00 S4E :30 S4E :10 serija 5 S5PB :50 S5PE :40 S5E :05 S5E :50 serija 6 S6PB :40 S6PE :30 S6E :20 S6E :00 serija 7 S7PB :15 S7PE :30 S7E :00 S7E :30 serija 8 S8PB :30 S8PE :00 Število celic Pretok (L/min) Tok (A) 2 5 1, , , , , , Opombe PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 23

24 S8E :30 PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi S8E :20 elektrolitsko celico serija 9 S9PB :20 PB = pred biološko čistilno napravo S9PE :10 PE = pred elektrolizno celico S9E :10 E1-E2 = število prehodov skozi S9E :10 elektrolitsko celico serija 10 S10PB S10PE S10E S10E serija 11 S11PB :00 S11PE :35 S11E1 S11E :40 serija 12 S12PB :30 S12PE :20 S12E :00 S12E :20 serija 13 S13PB :20 S13PE :15 S13E :15 S13E :30 serija 14 S14PB :20 S14PE :00 S14E :10 S14E :20 serija 15 S15PB :30 S15PE :15 S15E :45 S15E : , , ,85 3 PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E2 = število prehodov skozi elektrolitsko celico vzorčnje Slika 11: Prikaz točk vzorčenja za izračun učinkovitosti. Vzorčili smo pred in po elektrolizni celici. Za izračun učinkovitosti odstranjevanja farmacevtikov smo uporabili enačbo (1): Enačba 1 vrednost pred el.celico vrednost po el.celici Učinkovitost odstranjevanja (%) = 100% vrednost pred el.celico Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 24

25 Učinkovitost odstranjevanja (%) Učinkovitost odstranjevanja (%) Ta enačba bo uporabljena vedno pri vseh izračunih učinkovitosti čiščenja, razen v primerih, kjer se določa učinkovitost čiščenja tudi v drugih segmentih čistilne naprave, npr. v biološki čistilni napravi ali na predfiltrih. V teh primerih bo enačba za izračun učinkovitosti posebej podana. 5.2 Vrednotenje učinkovitosti čiščenja v prvem sklopu poskusnih serij Serije 0-8 Po uspešnem konstruiranju smo začeli preverjati različne parametre na elektrolizni celici. Uporabili smo 2 elektrolizni celici in pretok 5 L/min. Najprej smo želeli določiti ustrezen tok za odstranjevanje farmacevtikov. Testirali smo 3 jakosti toka: 1,1 A (serija 0-2) 2,2 A (serija 3-5) 3,0 A (serija 6-8) serija 0 serija 1 serija 2 Slika 12: Učinkovitost odstranjevanja farmacevtikov pri toku 1,1 A serija 3 serija 4 serija Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 25

26 Učinkovitost odstranjevanja (%) Učinkovitost odstranjevanja (%) Slika 13: Učinkovitost odstranjevanja farmacevtikov pri toku 2,2 A serija 6 serija 7 serija Slika 14: Učinkovitost odstranjevanja farmacevtikov pri toku 3,8 A serija 0 serija 1 serija 2 serija 3 serija 4 serija 5 serija 6 serija 7 serija 8 Slika 15: Primerjava učinkovitost odstranjevanja za serije 0-8. Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 26

27 Učinkovitost ostranjevanja (%) ,1 A 2,2 A 3,0 A 0-20 Slika 16: Primerjava povprečnih vrednosti meritev za posamezno jakost toka; sipanje je podano kot standardna deviacija. Komentar: V prvem setu poskusov smo ocenjevali vpliv jakosti toka na delovanje elektrolizne celice. Z meritvami pri posamezni vrednosti toka (za vsako moč, 3 serije meritev) smo ocenili, da je boljša učinkovitost odstranjevanja pri najvišjemu toku. Našo ugotovitev lahko potrdimo predvsem z rezultati za ciprofloksacin in atorvastatin, medtem ko za preostale analite spremembe niso izrazite. Sklepamo pa, da je dvakraten prehod skozi celico premalo (ob uporabi dveh elektrolitskih celic celic) in je treba prilagoditi ostale parametre z namenom izboljšanja odstranjevanja vseh farmacevtikov. V nadaljevanju smo uporabljali 3 A (z izjemo serije 17, kjer smo ponovno testirali vpliv jakosti toka) Serije 9-15 Iz ugotovljenih učinkovitosti v prvih serijah smo predvideli tudi možnost obrabe celic. Zato smo testiranje nadaljevali z novimi. Najprej smo testirali učinkovitost odstranjevanja z dvema elektroliznima celicama, nato pa smo vpeljali štiri elektrolizne celice. Odpadna voda je 2-krat prešla skozi sistem elektroliznih celic. Preverjali smo vpliv števila elektroliznih celic (3A, 5L/min): 2 elektrolizni celici (serije 9-12) 4 elektrolizne celice (serije 13-15) Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 27

28 Učinkovitost odstranjevanja (%) Učinkovitost odstranjevanja (%) Učinkovitost odstranjevanja (%) serija 9 serija 10 serija 11 serija Slika 17: Testiranje učinkovitosti odstranjevanja z dvema elektroliznima celicama serija 13 serija 14 serija Slika 18: Testiranje učinkovitosti odstranjevanja s štirimi elektroliznimi celicami celici 4 celice -20 Slika 19: Primerjava učinkovitosti odstranjevanja farmacevtikov z 2 (povprečna vrednost serij 9-12) ali s 4 elektroliznimi celicami (povprečna vrednost serij 13-15). Sipanje je podano s standardno deviacijo. Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 28

29 Komentar: Pri testiranju dveh oz. štirih elektroliznih celic (ob dvojnem prehodu skozi celico) opazimo primerljivo, a relativno slabo učinkovitost odstranjevanja. Nekoliko bolje se odstranjujejo atorvastatin, ciprofloksacin in diklofenak, med tem ko so povprečne učinkovitosti odstranjevanja za bisoprolol, metoprolol in karbamazepin blizu vrednosti 0. V vseh primerih je šlo za maksimalno 2 prehoda skizi elektrolitske celice. Pri testiranju učinkovitosti odstranjevanja farmacevtikov iz odpadne vode tako z dvema ali štirimi celicami opazimo tudi izredno visoko variabilnost med ponovitvami poskusov. To je verjetno posledica neoptimalnega časa vzorčenja na vstopni in izstopni točki elektrolizne celice z neupoštevanjem časa zadrževanja v posamičnem predelu čistilne naprave. To je tudi razlog da dobljenim rezultatom, ki kažejo, kot da število celic nima nobenega vpliva, ne verjamemo in kljub temu sklepamo, da bi večkraten prehod skozi celice dejansko moral izboljšati učinkovitost odstranjevanja. Poleg vzorčenja pred in po elektrolizni celici smo vzorčili odpadno vodo tudi pred biološko čistilno napravo, vendar zaradi iste napake neupoštevanja zadrževalnega časa, bi bili izračuni celokupnega odstranjevanja lahko zavajajoči, saj tako ne vzorčimo dejansko istega vodnega vzorca pred in po obdelavi, ampak naključni trenutni vzorec, koncentracija farmacevtikov pa s časom na posamezni vzorčni točki niha, zato ti rezultati niso podani. Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 29

30 6 Optimizacija učinkovitosti delovanja čistilne naprave z elektroliznimi celicami V drugem sklopu smo bistveno izboljšali način vzorčenja ter ugotavljali vpliv na učinkovitost čiščenja z vidika toka, števila prehodov skozi celice, ter vključitve dodatnih filtrov pred elektroliznimi celicami. Pri optimizaciji vzorčenja smo upoštevali zadrževalne čase v posameznem delu celotnega sistema za čiščenje odpadne vode, kar nam je omogočalo natančno ugotavljanje učinkovitosti odstranjevanja posameznih farmacevtikov v določenem delu ali sistemu kot celota (celokupna učinkovitost odstranjevanja). Pojasniti moramo, da smo učinkovitost odstranjevanja lahko določili le za tiste farmacevtike, ki smo jih določili na vtoku oz. zbiralniku, kajti če nekateri od spremljanih farmacevtikov niso bili prisotni že v začetku, njihovega odstranjevanja nismo mogli nadzirati. V nobeni seriji poskusov tako nismo v vzorcih zaznali imatiniba, klofibrinske kisline ter fluoksetina. Morebitna odsotnost preostalih 7 farmacevtikov je označena pri posamezni seriji poskusov. V vsaki seriji smo vzorčili v zbiralniku (pred biološko čistilno napravo), po biološki čistilni napravi, pred elektrolizno celico in po elektrolizni celici (večkrat, saj je voda krožila). V serijah smo dodatno vzorčili še po različnih vrstah filtrov, ki so bili vstavljeni tik pred elektroliznimi celicami (preglednica 6). Pri vsakem opisanem testiranju je s sliko dodatno prikazano, katera vzorčna mesta smo uporabili za izračun učinkovitosti odstranjevanja. Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 30

31 Preglednica 6: Karakteristike vzorčenja v tretjem sklopu raziskovalnega dela. Vzorčenje Oznaka vzorca Datum/čas vzorca serija 16 S16PB :30 Število prehodov preko sistema elektrolize S16PE :20 S16E :30 4,63 S16E :30 6,50 S16E :00 12,27 S16E :00 13,52 serija 17 S17PB :40 S17PE :00 S17E :00 7,49 S17E :50 8,68 S17E :00 15,29 S17E :10 16,90 S17E :30 22,31 serija 18 S18PB :00 S18PE :15 S18E :00 3,10 S18E :15 6,74 S18E :00 10,20 serija 19 S19PB :30 S19PF :30 S19PE :50 S19E :00 6,29 S19E :40 15,55 S19E :00 22,83 serija 20 S20PB :30 S20PF :00 S20PE :50 S20E :40 7,00 Število celic Pretok (L/min) Tok (A) Opombe 4 5, ,2 1,5 4 2, , ,2 3 PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E4 = zaporedni odvzem vzorca vode po elektrolizi PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E4 = zaporedni odvzem vzorca vode po elektrolizi PB = pred biološko čistilno napravo PE = pred elektrolizno celico E1-E4 = zaporedni odvzem vzorca vode po elektrolizi PB = pred biološko čistilno napravo PF = pred filtrom (peščeni) PE = pred elektrolizno celico E1-E3 = zaporedni odvzem vzorca vode po elektrolizi PB = pred biološko čistilno napravo PF = pred filtrom (peščeni) PE = pred elektrolizno celico E1-E3 = zaporedni odvzem vzorca vode po elektrolizi Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 31

32 S20E :15 14,35 S20E :45 22,62 serija 21 S21PB :00 S21PF :00 S21PE :45 S21E :50 5,95 S21E :40 14,32 S21E :20 21,08 serija 22 S22PB :15 S22PF :00 S22PE :30 S22E1 S22E2 S22E :30 ni meritve :50 8,42 23,09 serija 23 S23PB :45 S23PF1& :55 S23PE :00 S23E :45 6,16 S23E :18 14,13 S23E :00 22,46 4 5, , ,2 3 PB = pred biološko čistilno napravo PF = pred filtrom (ogleni) PE = pred elektrolizno celico E1-E3 = zaporedni odvzem vzorca vode po elektrolizi PB = pred biološko čistilno napravo PF = pred filtrom (ogleni) PE = pred elektrolizno celico E1-E3 = zaporedni odvzem vzorca vode po elektrolizi PB = pred biološko čistilno napravo PF = pred filtrom (ogleni + peščeni) PE = pred elektrolizno celico E1-E3 = število prehodov skozi elektrolizno celico Final Report LIFE 13 ENV/SI : Annex 11 32

33 Učinkovitost odstranjevanja (%) 6.1 Vrednotenje učinkovitosti čiščenja v drugem sklopu poskusnih serij Seriji 16, Učinkovitost odstranjevanja pri različnem toku (A) skozi sistem: 3,0 A (serija 16) 1,5 A (serija 17) Ponovno smo ocenili učinkovitost odstranjevanja farmacevtikov pri dveh različnih tokovih (1,5 in 3,0 A), a tokrat z uporabo štirih elektroliznih celic pri pretoku 5,2 L/min. Vzorčili smo vodo pred elektrolizno celico in po zaključenem kroženju skozi elektrolizno celico. V seriji S16 (tok 3,0A) je voda zaokrožila ca 13-krat skozi elektrolizno celico in v serji S17 ca 22-krat. Za izračun učinkovitosti odstranjevanja smo uporabili enačbo 1. vzorčenje Slika 20: Prikaz točk vzorčenja za primerjavo učinkovitosti. Vzorčili smo pred in po elektrolizni celici ,5 A 3 A Slika 21: Učinkovitost odstranjevanja glede na uporabljeno jakost toka. Bisoprolola in ciprofloksacina (serija 16, 3,0 A) in sertralina (serija 17, 1,5 A) nismo zaznali na vtoku v elektrolizno celico, zato zanje tudi ni podane učinkovitosti odstranjevanja.

34 Komentar: Pri analitih, ki so bili prisotni tako v seriji 16 (uporabljen tok 3,0 A) in seriji 17 (uporabljen tok 1,5 A), lahko neposredno primerjamo učinkovitost odstranjevanja. Opazimo, da se metoprolol le zmerno, karbamazepin pa izrazito boljše odstranjuje pri višjem toku 3,0 A, medtem ko je pri atorvastatinu in diklofenaku izboljšanje komaj zaznavno, saj je že pri nizkem toku odstranjevanje zelo visoko. Pri tem je bil pri uporabljenem višjem električnem toku čas elektrolize krajši, izvedeno je bilo 9 kroženj manj, kot v seriji S17 z dovajanim tokom 1.5 A, kar dodatno potrjuje boljšo učinkovitost odstranjevanja pri toku 3,0 A) Učinkovitost odstranjevanja z večkrat ponovljenim elektroliznim postopkom (kroženje skozi elektrolizno celico) V seriji S16 (3,0A) smo opravili 4 zaporedna vzorčenja vode v času trajanja elektrolize in v seriji S17 (1,5 A) 5 zaporednih vzorčenj. Primerjali smo naraščanje stopnje učinkovitosti odstranjevanja s časom trajanja elektrolize. Slika 22: Prikaz točk vzorčenja za primerjavo učinkovitosti. Vzorčili smo pred in po elektrolizni celici. Za vsak dodaten cikel smo izračunali % odstranjevanja glede na začetno vrednost. Uporabili smo enačbo 1. vzorčenje serija 16 (4 časovna vzorčenja v času trajanja elektrolize).

35 Učinkovitost odstranjevanja (%) Učinkovitost odstranjevanja (%) E 2E 3E 4E Slika 23: Učinkovitost odstranjevanja po štirih zaporednih vzorčenjih kumulativno glede na začetno vrednost. Oznake E1, E2, E3 in E4 pri tem pomenijo 4,63, 6,50, 12,27 in 13,52 prehodov 1m 3 vode skozi štiri elektrolitske celice (serija 16). Komentar: V seriji 16 smo v začetnem vzorcu zaznali le 5 analitov (poleg sicer ves čas odsotnih imatiniba, fluoksetina, klofibrične kisline, sta bila dodatno odsotna še ciprofloksacin in bisoprolol). Opazimo lahko, da je pri metoprololu, karbamazepinu in setralinu delež odstranjenega analita s trajanjem elektrolize narašča, medtem ko po 3. in 4. vzorčenju ni več opazne razlike. Na podlagi teh rezultatov sklepamo, da je zadostovalo 6,5 kroženj skozi elektrolizne celice. Pri atorvastatinu in diklofenku pa opazimo, da se praktično v celoti odstranita že v prvem vzorčenju, to je po 4,6 kroženjih v elektrolizni celici. serija 17 (5 zaporednih časovnih vzorčenj v času trajanja elektrolize) E 2E 3E 4E 5E Slika 24: Učinkovitost odstranjevanja v petih zaporednih časovnih vzorčenjih glede na začetno vrednost (serija 17). Komentar:

36 V seriji 17 smo v začetnem vzorcu zaznali 6 analitov (odsoten je sertralin). Podobno kot pri seriji 16 opazimo, da se atorvastatin, diklofenak in ciprofloksacin odstranijo že po prvem vzorčenju, ki je ustrezalo v tem primeru 7,5 prehodom skozi elektrolizne celice, medtem ko se preostali analiti metoprolol, bisoprolol in karbamazepin bolj postopoma odstranjujejo. V seriji 17 smo spremljali celokupno 22,3 prehodov skozi elektrolizno celico in ugotovili, da bi bilo za bolj odporne analite dovolj 15 prehodov, saj ne zaznamo bistvenega izboljšanja med tretjim, četrtim in petim vzorčenjem v času trajanja elektrolize. Zaključek tega sklopa testiranj je, da je bilo za bolj občutljive analite (ciprofloksacin, diklofenak, atorvastatin) dovolj opraviti c.a 4,6 prehodov skozi elektrolizne celice; za bolj odporne spojine (oba beta blokatorja, karbamazepin) pa je smiselno opraviti največ 12 prehodov skozi elektrolizno celico, saj s podaljševanjem elektrolize odstranjevanja bistveno ne izboljšamo, hkrati pa povečujemo obratovalne stroške Seriji 16, Učinkovitost odstranjevanja pri različnih pretokih skozi elektrolizno celico pretok 2,5 L/min (serija 18) pretok 5,2 L/min(serija 16) vzorčenje Slika 25: Prikaz točk vzorčenja za primerjavo učinkovitosti. Vzorčili smo pred in po elektrolizni celici. Primerjali smo prva odvzeta vzorca v času trajanju elektrolize, ki sta v seriji S16 (5 L/min) ustrezala 4,6 prehodom skozi elektrolizne celice in v seriji S18 (2,5 L/min) pa 3,1 prehodom skozi celice. Učinkovitost odstranjevanja so izračunali po enačbi 1.

37 Učinkovitost odstranjevanja (%) ,5 L/min 5,2 L/min Slika 26: Učinkovitost odstranjevanja pri različnem pretoku skozi elektrolizno celico. Bisoprolola in ciprofloksacina (serija 16, 5,2 L/min) nismo zaznali na vtoku v elektrolizno celico, zato zanju tudi ni podana učinkovitost odstranjevanja. Komentar: Iz slike 20 lahko ugotovimo primerljivo učinkovito odstranjevanje pri obeh pretokih, zato je smiselno uporabiti največji možni pretok skozi celico tj. 5,2 L/min Serije Učinkovitost odstranjevanja z dodanim filtrom Čiščenje v elektrolizni celici poteka s tvorbo hidroksilnih radikalov, ki so neselektivni oksidanti. To pomeni, da razgrajujejo vse organske snovi prisotne v vodi. Količina proizvedenih hidroksilnih radikalov je neposredno odvisna od dovedenega toka na dano površino elektrolizne celice. Ker predstavlja glavni strošek čiščenja pri elektrokemijski oksidaciji poraba električne energije, je v našem interesu, čistiti odpadno vodo s čim nižjo koncentracijo raztopljene organske snovi. Biološke čistilne naprave, v primeru ustreznih pogojev delovanja, običajno odstranijo zadostno količino biološko razgradljivih organskih snovi. Preostanek organske snovi v vodi opredeljujemo z biološko potrebo po kisiku (BPK) in kemijsko potrebo po kisiku (KPK). V primeru dobrega delovanja lahko pričakujemo na iztoku bioloških čistilnih naprav KPK vrednosti pod 150 in BPK vrednosti pod 30 mg O 2/L. V primeru slabšega delovanja naprave lahko vrednosti precej nihajo. Z uporabo dodatnih filtrov postavljenih pred elektrolizne celice, smo želeli preveriti, ali dodatno zmanjšanje koncentracije organske snovi izboljša učinkovitost razgradnje farmacevtikov, ki prehajajo skozi filtrirne sisteme. Drugi cilj uporabe različnih filtrirnih sistemov je bil zaščititi elektrolitske celice pred morebitnim mašenjem ali obrabo zaradi abrazije. Pred izpustom vode iz biološkega dela čiščenja v odvodnik poteka usedanje in bistritev vode. Določena količina neraztopljenih delcev pa lahko prehaja v iztok. Ti delci bi lahko zamašili reže elektrolitskih celic, ki so širine 2 mm. V primeru mašenja oziroma nalaganja delcev na površino elektrod, bi se učinkovitost čiščenja v elektroliznih celicah zmanjšala.

38 Ocena odstranjevanja analitov samo s filtrom peščen filter (seriji 19, 20) oglen filter (seriji 21, 22) kombinacija peščenega in oglenega filtra (serija 23) Za primerjavo učinkovitosti odstranjevanja posameznega filtra smo vzorčili tik pred in po filtru (slika 27). Učinkovitost odstranjevanja samega filtra smo izračunali z enačbo (2). 𝑣𝑟𝑒𝑑𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑝𝑟𝑒𝑑 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜𝑚 𝑣𝑟𝑒𝑑𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑝𝑜 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑢 𝑣𝑟𝑒𝑑𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑝𝑟𝑒𝑑 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜𝑚 Enačba 2 Učinkovitost odstranjevanja (%) = 100% Uspešnost odstranjevanja farmacevtikov smo podali primerjalno med posameznimi filtri in sicer, relativno glede na najboljšo učinkovitost filtra (100%). vzorčenje Relativna učinkovitost odstranjevanja (%) Slika 27: Prikaz vzorčnih točk za izračun učinkovitosti. Vzorčili smo tik pred in tik za filtrom (F) peščeni ogleni peščeni + ogleni Slika 28: Primerjava učinkovitosti odstranjevanja analitov s specifičnim filtrom ali v kombinaciji. Rezultati so podani relativno glede na najvišji izkoristek (%).

39 Komentar: Rezultati so prikazani relativno glede na najvišji izkoristek med različnimi variantami filtrov in služijo za primerjavo kateri filter je najbolj učinkovit za odstranjevanje farmacevtikov. Zato prikazane vrednosti ne predstavljajo dejanske učinkovitosti čistilnega sistema, temveč le manjši segment, kar je kasneje nazorno predstavljeno (slike 34, 36 in 38). Iz slike 28 lahko ugotovimo, da je za večino analitov najboljše odstranjevanje doseženo z uporabo kombinacije obeh filtrov. Pri ciprofloksacinu in sertralinu bi zadostovala že uporaba samo peščenega filtra. V primeru karbamazepina pa se je kot najboljši izkazal ogleni filter. Pri tem moramo omeniti, da so poskusi potekali kratko časovno obdobje z uporabo novih filtrov, zaradi česar ni bilo moč ovrednotiti njihove učinkovitosti v obdobju njihovega ustaljenega delovanja, kot tudi ne trajanja uporabe filtrov in potrebe po njihovi zamenjavi Ocena celokupnega odstranjevanja analitov Za primerjavo učinkovitosti odstranjevanja celotnega postopka čiščenja smo vzorčili na vtoku (v zbiralniku) in na iztoku iz čistilnega sistema. Upoštevali smo zadrževalni čas v celotnem sistemu, da smo zajeli isti vzorec. Oceno učinkovitosti odstranjevanja smo preučevali ločeno za peščeni filter, ogleni filter in njuno kombinacijo (postavljena sta bila zaporedoma). Učinkovitost odstranjevanja celotnega postopka čiščenja smo izračunali z enačbo (3). vrednost v zbiralniku vrednost po el.celici Enačba 3 Učinkovitost odstranjevanja (%) = 100% vrednostv zbiralniku vzorčenje vzorčenje Slika 29: Prikaz vzorčnih točk za izračun učinkovitosti. Vzorčili smo na vtoku na sistem in na koncu, ko je voda prešla celoten sistem čiščenja.

40 Peščeni filter diclofenac atorvastatin sertraline carbamazepine bisoprolol metoprolol ciprofloxacin serija 20 serija Učinkovitost odstranjevanja (%) Slika 30: Učinkovitost celokupnega odstranjevanja z uporabo peščenega filtra. Ogleni filter diclofenac atorvastatin sertraline carbamazepine bisoprolol metoprolol ciprofloxacin serija 22 serija Učinkovitost odstranjevanja (%) Slika 31: Učinkovitost celokupnega odstranjevanja z uporabo oglenega filtra. Ogleni + peščeni filter diclofenac atorvastatin sertraline carbamazepine bisoprolol metoprolol ciprofloxacin serija Učinkovitost odstranjevanja (%) Slika 32: Učinkovitost celokupnega odstranjevanja z uporabo oglenega in peščenega filtra v kombinaciji.

41 Komentar: V zadnjih petih serijah meritev smo ocenili uspešnost odstranjevanja posameznih analitov zgolj z uporabo filtrov. Na slikah (28-32) so prikazani rezultati. Ugotovimo lahko, da je učinkovitost odstranjevanja zelo visoka (za večino > 90%). Pri prvem poskusu, ko smo uporabili peščene filtre, opazimo nekoliko večjo variabilnost pri učinkovitosti odstranjevanja (predvsem pri bisoprololu, karbamazepinu in metoprololu) v primerjavi z drugim poskusom, ko smo uporabili oglene filtre (nekoliko višjo variabilnost vidimo le pri ciprofloksacinu). Kombinacija obeh filtrov ne izboljša bistveno odstranjevanja analitov iz odpadne vode, pri karbamazepinu vidimo celo slabše odstranjevanje. Nižji procent odstranjevanja pri karbamazepinu bi lahko pojasnili z dejstvom, da se le-ta lahko nalaga na material filtra in se nato nenadzorovano oz. variabilno ponovno spira v vodo, kar daje višje koncentracije tega analita v vodi po filtriranju in lažno znižuje učinkovitost odstranjevanja (%) analita. Za dejanski prispevek uporabljenih filtrov bi morali opazovanja izvajati daljše časovno obdobje, ob stalnem, 24-urnem pretoku vode skozi filtre. V našem primeru so bili v posamezni seriji filtri uporabljeni le nekaj minut. Poleg tega je bila koncentracija organskih snovi na iztoku biološke čistilne naprave zelo nizka, kar je omogočalo zelo visoko učinkovitost uporabljenih filtrov in jih za zaščito elektrolitskih celic ne bi potrebovali. Glede na ceno filtrirnega materiala (peščeni filter, aktivno oglje), je smiselno v nadaljnih postopkih uporabljati cenejši peščeni filtrirni sistem za zaščito elektrolitskih celic pred neraztoplenimi delci Serije 16, 19, Primerjava učinkovitosti odstranjevanja brez filtra in z uporabo peščenega filtra brez filtra (serija 16); 13,52 opravljenih prehodov elektrolize s peščenim filtrom (seriji 19, 20); 22,83 in 22,62 opravljenih prehodov elektrolize Primerjali smo serije, ki so se razlikovale v uporabi ali neuporabi filtra. Pretok in električni tok sta bila enaka. Trajanje elektrolize v serijah brez filtra je bilo približno 2-krat krajše. Z ustreznim vzorčenjem v zbiralniku in po elektrolizni celici smo ocenili celokupno učinkovitost odstranjevanja za posamezen analit (enačba 3). V začetnem vzorcu serije 16 (test brez filtra) nismo zaznali 2 analitov ciprofloksacina in bisoprolola, zato primerjava pri teh dveh analitih ni mogoča. Na sliki 34 je poleg meritev serije 16 prikazano tudi povprečje meritev serije 19 in 20, skupaj kot meritev z uporabo peščenega filtra. vzorčenje vzorčenje Slika 33: Prikaz vzorčnih točk za izračun učinkovitosti. Vzorčili smo na vtoku in na koncu, ko je voda prešla celoten sistem čiščenja.

42 Učinkovitost odstranjevanja (%) peščeni filter brez filtra Slika 34: Primerjava učinkovitosti odstranjevanja z/brez uporabe peščenega filtra. Bisoprolola in ciprofloksacina (serija 16, brez filtra) nismo zaznali na vtoku v elektrolizno celico, zato zanju tudi ni podana učinkovitost odstranjevanja. Komentar: Iz slike 34 lahko vidimo, da filter nima vpliva na učinkovitost odstranjevanja sertralina, atorvastatina in diklofenaka. Izrazito se izboljša odstranjevanje z uporabo peščenega filtra pri metoprololu, deloma pa pri karbamazepinu, kar lahko pripišemo večkratnemu prehodu skozi elektrolizne celice v slednjem primeru. Pri ostalih dveh analitih iz znanih razlogov (odsotnost) nismo mogli narediti primerjave. Še enkrat pa lahko potrdimo, da preveliko prehodov elektrolize ni smotrno (>15), saj je ob skoraj 2-krat večjem številu prehodov skozi celico, učinkovitosti odstranjevanja farmacevtikov ostala dokaj primerljiva. Omeniti moramo, da bi bilo treba za bolj natančno vrednotenje prispevka posameznega sistema čiščenja opraviti več ponovitev istih serij poskusov, kar pa nam čas žal ni dopuščal. Dodatno težavo pri vrednotenju je predstavljala odsotnost posamičnih analitov v času vzorčenja. Nekateri farmacevtiki imajo na primer izrazit sezonski vrh v pojavljanju, kot to npr. velja za nekatere antibiotike, katerih poraba je bistveno večja v času zimske sezone in s tem njihova koncentracija v vodah. Rezultati vsekakor kažejo, da je smiselno pred izborom tehnologije čiščenja preveriti sestavo vode in opraviti pilotni preskus za opredelitev najprimernejše kombinacije četrte stopnje čiščenja za odstranitev tarčnih mikroonesnažil Serije 16, 21, Primerjava učinkovitosti odstranjevanja brez filtra in z uporabo oglenega filtra brez filtra (serija 16); 13,52 opravljenih prehodov elektrolize z oglenim filtrom (seriji 21, 22); 21,08 in 23,09 opravljenih prehodov elektrolize Primerjali smo serije, ki so se razlikovale v uporabi ali neuporabi filtra. Pretok in tok sta bila enaka. Trajanje elektrolize v serijah brez filtra je bilo krajše. Z ustreznim vzorčenjem v zbiralniku in po elektrolizni celici smo ocenili celokupno učinkovitost odstranjevanja za posamezen analit (enačba 3). V začetnem vzorcu serije 16 (test brez filtra) nismo zaznali dveh analitov ciprofloksacina in bisoprolola, zato primerjava pri teh dveh analitih ni mogoča. Na sliki 30 je poleg meritev serije 16 prikazano tudi povprečje meritev serije 21 in 22, skupaj kot meritev z uporabo oglenega filtra.

43 Učinkovitost odstranjevanja (%) vzorčenje vzorčenje Slika 35: Prikaz vzorčnih točk za izračun učinkovitosti. Vzorčili smo na vtoku na sistem in na koncu, ko je voda prešla celoten sistem čiščenja ogleni filter brez filtra Slika 36: Primerjava učinkovitosti odstranjevanja z/brez uporabe oglenega filtra. Bisoprolola in ciprofloksacina (serija 16, brez filtra) nismo zaznali na vtoku v elektrolizno celico, zato zanju tudi ni podana učinkovitost odstranjevanja. Komentar: Pri uporabi oglenega filtra so rezultati podobni kot pri peščenem filtru, le da so izboljšanja učinkovitosti odstranjevanja pri metoprololu in karbamazepinu bolj izrazita, kar se tudi vidi v naslednjih dveh poglavjih ter slikah 38 in 39. Pri ostalih analitih pa prisotnost filtra ni povzročila nikakršnega izboljšanja celokupne učinkovitosti odstranjevanja Seriji 16, Primerjava učinkovitosti odstranjevanja brez filtra in z uporabo kombinacije oglenega in peščenega filtra brez filtra (serija 16); 13,52 opravljenih prehodov elektrolize kombinacija peščenega in oglenega filtra (serija 23); 22,46 opravljenih prehodov elektrolize

44 Učinkovitost odstranjevanja (%) Primerjali smo serije, ki so se razlikovale v uporabi ali neuporabi filtra. Pretok in tok sta bila enaka. Trajanje elektrolize v serijah brez filtra je bilo tudi pri tem poskusu približno 2-krat krajše. Z ustreznim vzorčenjem v zbiralniku in po elektrolizni celici smo ocenili celokupno učinkovitost odstranjevanja za posamezen analit (enačba 3). V začetnem vzorcu serije 16 (test brez filtra) nismo zaznali 2 analitov ciprofloksacina in bisoprolola, zato primerjava pri teh dveh analitih ni mogoča. Na sliki 37 so prikazane meritve serije 16 in serije 23 z uporabo kombinacije peščenega in oglenega filtra. vzorčenje vzorčenje Slika 37: Prikaz vzorčnih točk za izračun učinkovitosti. Vzorčili smo na vtoku na sistem in na koncu, ko je voda prešla celoten sistem čiščenja peščeni + ogleni filter brez filtra Slika 38: Primerjava učinkovitosti odstranjevanja s kombinacijo peščenega in oglenega filtra ter brez uporabe filtra. Bisoprolola in ciprofloksacina (serija 16, brez filtra) nismo zaznali na vtoku v elektrolizno celico, zato zanju tudi ni podana učinkovitost odstranjevanja.

45 Učinkovitost odstranjevanja (%) Komentar: Kombinacije obeh filtrov daje primerljive rezultate pri uspešnosti odstranjevanja analitov kot posamezen filter - oglen (slika 36) ali peščen (slika34). Zato smatramo, da uporaba kombinacije filtrov ni smotrna. Prav tako lahko ponovno ugotovimo, da uporaba filtrov (vsaj na kratki rok) ne poveča uspeha čiščenja pri nobenem od analitov razen pri metoprololu tokrat namreč tudi ni bilo opaziti razlike pri karbamazepinu Serija 16, Skupna primerjava Na sliki 39 so zbrani skupni rezultati testiranj primernosti dodatne uporabe filtrov. V začetnem vzorcu serije 16 (test brez filtra) nismo zaznali dveh analitov ciprofloksacina in bisoprolola, zato primerjava pri teh dveh analitih ni mogoča. brez filtra peščeni filter ogleni filter peščeni + ogleni filter Slika 39: Primerjava učinkovitosti odstranjevanja farmacevtikov brez, z uporabo posameznega filtra in s kombinacijo peščenega in oglenega filtra. Bisoprolola in ciprofloksacina (serija 16, brez filtra) nismo zaznali na vtoku v elektrolizno celico, zato zanju tudi ni podana učinkovitost odstranjevanja. Komentar: Opazimo lahko, da je za dva analita (metoprolol in karbamazepin) znatno izboljšano odstranjevanje, ko v čistilni proces dodatno vključimo filter. Oba analita se bolje odstranjujeta, ko uporabimo ogleni filter. Presenetljivo pa je, da kombinacija peščenega in oglenega filtra poslabša učinkovitost odstranjevanja karbamazepina. Vzrok je lahko v spiranju nizkih koncentracij substanc iz predhodnih meritev. Za sertralin, atorvastatin in diklofenak so rezultati primerljivi z ali brez uporabe filtra. Ciprofloksacin se je sicer v drugih poskusnih serijah brez uporabe filtrov dobro odstranjeval v elektroliznih celicah. 6.2 Primerjava učinkovitosti odstranjevanja konvencionalnega (biološka čistilna naprava) in naprednega oksidacijskega postopka čiščenja (elektrolizna celica)

46 Učinkovitost odstranjevanja v biočn (%) Serije Učinkovitost odstranjevanja v biološki čistilni napravi (biočn) Z odvzemom vzorca v zbiralniku (pred biološko ČN) in neposredno po biološki čistilni napravi (slika 40) smo lahko ocenili, kolikšen delež analitov se odstrani v tem delu čiščenja odpadne vode (slika 41). Za oceno čiščenja biočn smo uporabili enačbo (4). Enačba 4 vrednost v zbiralniku vrednost po biočn Učinkovitost odstranjevanja (%) = 100% vrednostv zbiralniku vzorčenje vzorčenje Slika 40: Prikaz vzorčnih točk za izračun učinkovitosti. Vzorčili smo v zbiralniku pred biološko čistilno napravo in neposredno za njo * * serija 19 serija 20 serija 21 serija 22 serija 23 Slika 41: Primerjava učinkovitosti odstranjevanja farmacevtikov v biološki čistilni napravi; *-učinkovitost odstranjevanje je bila izmerjena nižje kot -40% in posledično ni prikazana. Komentar: Na sliki 41 lahko opazimo izjemno veliko variabilnost odstranjevanja posameznega farmacevtika med serijami. Pri nekaterih farmacevtikih opazimo negativne vrednosti, ki so posledica izmerjenih višjih vrednosti po biočn kot pred čiščenjem v biočn. Do tega je najverjetneje prišlo zaradi zaostajanja farmacevtikov v biočn in njihovega zakasnelega izplavljanja. Na splošno lahko ocenimo sposobnost biočn za odstranjevanje preiskovanih farmacevtikov kot slabo in manj primerno tehnologijo.

47 Učinkovitost odstranjevanja (%) Omeniti je treba, da smo učinkovitost izračunali na podlagi trenutnih odvzetih vzorcev. Za natančnejše vrednotenje bi bilo smiselno opraviti 24-urna vzorčenja vode na vtoku in iztoku z upoštevanjem zadrževalnega časa vode v sistemu Primerjava učinkovitosti odstranjevanja v biološki čistilni napravi (biočn) in z razvitim naprednim oksidacijskim postopkom čiščenja V zadnjem koraku smo želeli primerjati konvencionalno čiščenje (biočn) z razvitim oksidacijskim postopkom čiščenja, ki poleg BČN vključuje še uporabo filtra in elektrolizne celice. Kot optimalno izvedbo smo določili uporabo oglenega filtra in ca. 12-kratno kroženje skozi elektrolizno celico. Za oceno čiščenja BČN smo uporabili enačbo 4, za oceno celokupnega čiščenja z razvito napredno tehnologijo pa enačbo 3. Na sliki 42 so podane povprečne vrednosti meritev v serijah (oznaka biočn), podane povprečne vrednosti meritev v serijah z izločenimi negativnimi vrednostmi (oznaka biočn*) in povprečne vrednosti meritev v serijah 21 in 22, ki smo ju določili kot optimalno izvedbo naprednega oksidacijskega čiščenja. diclofenac atorvastatin sertraline carbamazepine bisoprolol biočn biočn* celotni proces metoprolol ciprofloxacin Slika 42: Primerjava učinkovitosti odstranjevanja farmacevtikov v biološki čistilni napravi in z razvitim naprednim oksidacijskim procesom; *-izločili smo negativne vrednosti odstranjevanja. Komentar: Iz rezultatov je jasno razvidno, da je razviti napredni oksidacijski postopek izrazito izboljšal odstranjevanje farmacevtikov v odpadni vodi, saj je celotna učinkovitost odstranjevanja za vse farmacevtike nad 85%. V preglednici 7 je izračunano absolutno izboljšanje čiščenje z razvitim procesom v primerjavi s čiščenjem v biološki čistilni napravi. Povprečno se izboljša učinkovitost odstranjevanja za več kot 50 % oz. v območju od 43,4 do največ 61,5 %, če upoštevamo podane povprečne vrednosti meritev v serijah z izločenimi negativnimi vrednostmi (biočn*).

48 Preglednica 7: Učinkovitost odstranjevanja z razvitim naprednim oksidacijskim postopkom odstranjevanja primerjalno z odstranjevanjem v biološki čistilni napravi; *-izločili smo negativne vrednosti odstranjevanja. Celotni proces biočn* % odstranjevanja ciprofloksacin 86 24,1 +61,5 metoprolol 91 37,1 +54,1 bisoprolol 96 45,0 +50,7 karbamazepin 94 38,9 +54,6 sertralin 97 53,6 +43,4 atorvastatin 98 45,5 +52,2 diklofenak 91 34,3 +56,3

49 7 Koncentracije izmerjenih farmacevtikov v preiskovanih vzorcih vode Preglednica 8:Izračunane povprečne koncentracije pred biološko čistilno napravo ter pred in po el. celici (upoštevane meritve 19-23). Analit Povprečna koncentracija (ng/l) pred biočn pred el. celico po el. celici ciprofloksacin 2054,9 1657,2 287,7 metoprolol 100,5 73,4 9,0 bisoprolol 405,7 279,8 16,2 karbamazepin 422,9 304,5 25,4 sertralin 75,3 49,1 2,3 atorvastatin 61,6 42,3 1,2 diklofenak 2479,1 1845,9 223, Povprečna koncentracija (ng/l) pred biočn Povprečna koncentracija (ng/l) pred el. celico Povprečna koncentracija (ng/l) po el. celici Slika 43: Primerjava povprečnih koncentracij izmerjenih pred biološko čistilno napravo, pred in po elektrolizni celici (ng/l); upoštevanje meritve Komentar: V preglednici 8 in na sliki 43 so podane izračunane vrednosti pred biočn ter pred in po el. celici (upoštevali smo ca. 12-kratni prehod skozi celico in uporabo filtrov), ki nam dodatno potrdi neučinkovitost odstranjevanja samo z biološko čistilno napravo (upoštevne so meritve serije 19 do 24; izračunane negativne vrednosti so izpuščene). Koncentracije padajo s procesom čiščenja do zelo nizkih ng/l območij. V času trajanja projekta so bile izvedene meritve odpadnih voda po Sloveniji (doktorska naloga A. Klančar), ki so pokazale primerljive koncentracije, npr. povprečna izmerjena koncentracija za ciprofloksacin je bila 1,1 µg/l, za diklofenak pa 1,4 µg/l. Raziskave so bile narejene na širšem naboru farmacetikov, zato lahko dodatno omenimo nekatere, ki so bile izmerjene v visokih koncentracijah, npr.metformin 6,6 µg/l, amantadin 2,2 µg/l, rosuvastatin 1,9 µg/l (posamezna meritev tudi >20

50 µg/l), kofein 0,8 µg/l in paracetamol 0,4 µg/l. Na osnovi teh meritev lahko sklepamo na obremenjenost odpadnih voda v Sloveniji, zato bi bilo potrebno razvito obstoječo tehnologijo testirati na večjem številu farmacevtikov, nato pa bi jo lahko uporabili za čiščenje v obstoječih čistilnih napravah.

51 8 Identifikacija nastalih razgradnih produktov Ker nas je zanimalo, kaj nastane pri razgradnji preučevanih farmacevtikov, smo poskusili identificirati njihove razgradne produkte z aparatom LC-MS. Analize so bile narejene na čistih vodnih vzorcih obogatenih s preučevanim farmacevtikom v visoki koncentraciji (1mg/L). Ta raztopina je bila podvržena delovanju laboratorijskega prototipa elektrolizne celice in čas obdelave je bil 1 uro. Po zaključku obdelave so bili vzorci injicirani na UHPLC-kolono in produkti identificirani z masnim detektorjem, ki je najprej deloval v načinu snemanje spektra (ang. full scan, iskanje neznanih spojin), potem pa na podlagi dodatnih podatkov iz literature, tudi v načinu multrezidualne analize (MRM). Rezultati te študije kažejo pričakovan potek razgradnje z mehanizmom oksidacije. Strukture, ki so bile najbolj podvržene omenjeni oksidaciji, so bili aromatski obroči, ki so se epoksidirali ali hidroksilirali (npr. diklofenak, karbamazepin), ter alifatski obroči, ki so se odpirali ali se odcepljali (npr. ciprofloksacin, imatinib), slika 44. Pri drugih, bolj obstojnih farmacevtikih, kot sta metoprolol in bisoprolol, so se oksidirali alifatski amini in alkoholi, kar je vodilo do oksidativne dealkilacije, deaminacije in dehidroksiliranja. V vseh omenjenih primerih ugotovljeni razgradni produkti najverjetneje nimajo nobene preostale farmakološke aktivnost. Opozarjamo pa, da zaradi pomanjkanja podatkov onjihovi dejanski toksičnosti, ne moremo trditi, da so produkti razgradnje z novo razvito elektrolizno celico popolnoma varni in neškodljivi. Ta pomemben vidik predstavljene nove tehnologije čiščenja odpadne vode velja temeljito preučiti. Zaradi zahtevnosti tako materialne, kot tudi infrastrukturne - za zanesljivo identifikacijo potrebujemo masni spektrometer s točnim merjenjem mase in visoko resolucijo je to izvedljivo le v ločenem posebnem raziskovalnem projektu. V zaključku tega poglavja je še enkrat treba poudariti, da ta študija ni dokončna in dovolj izčrpna, da bi se na podlagi njenih zaključkov smelo sklepati o varnosti nastalih produktov, saj je bila izvedena le kot stranska raziskava in tudi ni bila planirana v prijavi projekta, saj je po svoji obsežnosti in zahtevnosti to predmet celotnega novega projekta, v katerem bi bilo treba dokazati varnost tudi in vivo.

52 Slika 44: Nekateri glavni identificirani mehanizmi degradacije: odprtje alikilnih obročev, oksidativno dealkiliranje, odcep obročev in aromatska hidroksilacija.

53 9 Spremljanje fizikalno kemijskih parametrov v času monitoringa delovanja pilotne naprave Spremljanje fizikalnih in kemijskih parametrov je potekalo v istih vzorcih vode kot za meritve farmacevtikov. Temperaturo, ph, elektro prevodnost, raztopljeni dušik in oksidacijsko redukcijski potencial smo merili s pomočjo prenosnih in fiksnih sond WTW, in Oakton ter v sistem vgrajenih sond, katerih meritve smo spremljali preko sistema SCADA. Nitratni in amonijev dušik, kemijsko potrebo po kisiku in AOX-e smo merili fotometrično (spektrofotometer Nanocolor VIS) z uporabo testov Macherey-Nagel, Nemčija (KPK: NANOCOLOR COD 160 (REF ); amonijev dušik NANOCOLOR Ammonium 3 (REF ); nitratni dušik: NANOCOLOR Nitrat Z (REF ); AOX: NANOCOLOR AOX 3 (REF )). Rezultati analiz so predstavljeni v PRILOGI 1 in PRLOGI 2. Eden od ciljev fizikalno kemijskih meritev je bil preveriti, ali uporaba elektrolitskih celic v kakršnem koli smislu prispeva k slabšanju kakovosti vode po njenem čiščenju na biološki čistilni napravi. Po pričakovanjih je temperatura vode po tretiranju z elektrolitskimi celicami nekoliko narasla, še posebej v primeru krožnega sistema čiščenja. Najvišja izmerjena temperatura po elektrolizi je bila 22 o C, v poskusni seriji S17, ko je elektroliza delovala 71 ur, kar pa je bilo še vedno daleč pod mejnimi vrednostmi za izpust v vode, 30 o C. Zaključimo lahko, da pri majhnih obremenitvah vode z velikimi pretoki ni potrebe po hlajenju sistema. Razlik v vrednostih ph pred in po elektrolizi ni bilo zaznati. Elektro prevodnost je s trajanjem elektrolize rahlo upadala. Vtok na biološko čistilno napravo pilotnega sistema je predstavljal iztok iz obstoječe biološke čistilne naprave. KPK vrednosti vtoka so bile nekoliko nad mejnimi vrednostmi za izpust v vode (120 mgo 2/L) in so se gibale med 204 in 40 mgo 2/L. Biološka čistilna naprava pilotnega sistema je dodatno znižala KPK za 47 do 85%. Po prehodu vode skozi elektrolitske celice, nismo zaznali zmanjšanja vrednosti KPK. To pomeni, da elektrolitske celice niso prispevale k dokončni oksidaciji preostalih organskih molekul. Adsorbljivi organski halogeni (AOX) so skupek organskih snovi, ki vsebujejo kloridne, bromidne in jodidne atome in se adsorbirajo na aktivno oglje. Ob prisotnosti npr. kloridnih ionov v vodi, lahko hidroksilni radikali, ki nastajajo pri elektrokemijski oksidaciji, oksidirajo kloridne ione v klor, ki lahko nadalje reagira s preostalo organsko snovjo v vodi in vodi v nastanek AOX-ov. Z analizami smo preverili, ali do teh produktov prihaja. Na dotoku v elektrolitsko celico nismo zaznali AOX-ov. V prvih vzorcih po elektrolizi pa smo zaznali zelo nizke vrednosti AOX-ov, ki so se gibale pod 0,06 mg/l. Z nadaljevanjem elektrokemijske oksidacije so koncentracije zopet upadle, kar kaže na njihovo kasnejšo razgradnjo v procesu elektrolize. Zaznane nastale koncentracije AOX-ov so bile daleč pod normativnimi vrednostmi za izpust v vode, ki znašajo 0,5 mg/l. Zaključimo lahko, da pri odstranjevanju mikroonesnažil iz vode z nizko vrednostjo organske snovi in klorida (ali drugih halogenih elementov), ni nevarnosti nastajanja AOX-ov.

54 Koncentracija nitratnega dušika se je gibala pred vstopom vode v elektrolitsko celico med 11 in <0,3 mg NO 3-N/L in s tem občasno presegala mejne koncentracije za iztok v vode, 10 mg/l. Z elektrolizo se je koncentracija nitratnega dušika v serijah S16 S18 nekoliko povišala, med tem ko je v nadaljnjih poskusnih serijah po elektrolizi koncentracija padla. Razlike v rezultatih si lahko razlagamo s koncentracijo amonijevega dušika v vodi. V serijah S16 do S18 so bile koncentracije amonijevega dušika pred elektrolizo višje (13,9 4,9 mg NH 3-N/L), kar je omogočilo tvorbo oksidacijskega produkta v elektrolizi nitrata. V nadaljnjih poskusnih serijah je bila koncentracija amonijevega dušika na vtoku v elektrolitsko celico nižja (največ 5,19 mg NH 4-N/L), kar ni omogočalo tvorbe nitrata v procesu elektrokemijske oksidacije.

55 10 Stroškovno ovrednotenje delovanja sistema V procesu elektrokemijske oksidacije predstavlja glavni obratovalni strošek poraba električne energije. Porabo energije smo redno spremljali (PRILOGA 3). Na primeru poskusne serije S 16 smo preračunali porabo električne energije za 1m 3 čiščenja vode. Glede na rezultate analiz smo upoštevali, da lahko pričakujemo v povprečju 80% odstranitev farmacevtikov v času 14,83 ur delovanja elektrolitske celice, pri pogojih, ki jih omogoča pilotni sistem: 4 elektrolitske celice, s skupnim volumnom 48cm 3 in pretokom vode 5,2 L/min. V tem primeru predstavlja strošek elektrike za elektrolizo 0,014 /m 3. Kalkulacije z ocenami investicijskih in obratovalnih stroškov za večje sisteme smo izdelali v poročilu Report on the socio-economic assessment of the pilot plant operation, ANNEX 12 Final Report). S16 skupno trajanje elektrolize 43,33 h pretok 5,2 L/min količina pretočene vode v 43,33 urah delovanja 13,52 m 3 poraba elektrike samo za elektrolizo 42,00 kwh Poraba elektrike na 1m 3 3,12 kwh Cena elektrike 0, Strošek elektrike za elektrolizo za 1 m 3 vode 0,014 /kwh trajanje elektrolize za odstranitev 80% učinkovin 14,83 h pretok 5,2 L/min količina pretočene vode v 14,83 urah delovanja 4,63 m 3 Strošek elektrike za očiščenje 4,63m 3 (80% učinkovitost) 0,065

56 11 SKLEP Z meritvami učinkovitosti odstranjevanja posameznega farmacevtka iz odpadne vode smo dokazali, da je razviti napredni oksidativni postopek čiščenja izrazito izboljšal učinkovitost njihovega odstranjevanja. V okviru omejenih analiz spremljanja razgradnih produktov farmacevtikov po elektrokemijski oksidaciji, ugotovljeni razgradni produkti (odprti alifatski obroči; dealkilacija, deaminacija in dehidroksiliranje alifatskih aminov in alkoholov) najverjetneje nimajo nobene preostale farmakološke aktivnost. Ravno tako ni prihajalo do povišanih koncentracij AOX-ov, oziroma so se nastale molekule razgradile z nadaljevanjem elektrokemijske oksidacije. Uporabljena elektrokemijska oksidacija ravno tako ni prispevala k poslabšanju drugih fizikalno kemijskih parametrov, npr. k prekomernemu povišanju temperature. KPK vrednosti se v procesu elektrokemijske oksidacije niso zmanjševale, kar pomeni, da ni prihajalo do popolne oksidacije organskih molekul. Kot optimalno sestavo postopka čiščenja na podlagi opravljenih meritev na pilotni napravi lahko opredelimo naslednjo kombinacijo: 1. Biološka čistilna naprava 2. Uporaba peščenega filtra prehodov skozi sklop štirih elektroliznih celic 4. Nastavitve elektrolizne celice: pretok 5,2 L/min tok 3 A V tem primeru je celoten proces omogočil odstranitev > 90 % vhodne vrednosti posameznega farmacevtika, učinkovitost pa se s podaljševanjem trajanja elektrolize ni bistveno povečevala. Glede nato, da mejne vrednosti farmacevtikov, kot mikroonesnažil, za izpust v vode niso določene, smo za nadaljnje izračune potrebne velikosti sistema upoštevali doseganje ciljne vrednosti 80% povprečne odstranitve farmacevtikov, ki v danem sistemu ustreza ca 4,6 prehodom skozi sistem elektroliznih celic pilotnega sistema. V času izvajanja monitoringa smo naleteli na določene omejitve: koncentracije farmacevtikov so bile v času izvajanja monitoringa nižje, kot smo jih zaznali pred začetkom monitoringa, oziroma nekateri farmacevtiki niso bili prisotni ves čas; (pojavljanje npr. antibiotikov v vodi je bilo zelo sezonsko pogojeno) naknadno je bilo ugotovljeno, da v kanalizacijskem sistemu, ki napaja čistilno napravo Golnik, prihaja do velikih izgub vode kot tudi redčitev zaradi velikega deleža meteorne vode. V primeru možnosti nadaljevanja demonstracijskih aktivnosti na plotni napravi bi želeli preveriti naslednje: učinkovitost odstranjevanja farmacevtikov kot tudi drugih mikroonesnažil na lokacijah z izrazitejšim pojavljanjem farmacevtikov (npr. ob novejši komunalni čistilni napravi z urejenim ločenim kanalizacijskim sistemom in posledično pričakovanimi višjimi vrednostmi farmacevtikov) izvedba monitoringa v daljšem časovnem obdobju opazovanj, ki bi zajel vse letne čase definiranje najoptimalnejšega sestava naprednega sistema čiščenja glede na vrstno pojavljanje in koncentracijo sestavo farmacevtikov

57 testiranje uporabe filtracijskega sistema po elektrokemijski oksidaciji podrobno spremljanje razgradnih produktov elektrokemijske oksidacije in izvedba ekotoksikoloških testov vrednotenje vpliva naprednega sistema čiščenja na zmanjšanje pojavljanja bakterijske rezistence izvedba demonstracijskega sistema v večjem merilu zajem celotne količine odpadnih vod čistilne naprave.

58 12 PRILOGA 1 - Zbirka opravljenih kemijskih analiz pri posamezni seriji vzorec Preglednica 9: Rezultati opravljenih analiz KPK, amonijevega in nitratnega dušika ter AOX KPK (mg/l) el. prevodnost (us/cm) AOX (mg/l) NH4-N (mg/l) NO3-N (mg/l) S16PB ,33 5 S16PE <0,01 1,8 3,2 S16E <0,01 4 3,4 S16E S16E S16E <0,01 3,7 4,3 S17PB ,9 1 S17PE <0,01 2,4 5,1 S17E ,06 2,9 5,9 S17E S17E S17E ,02 2,4 6,6 S17E ,03 2,4 6,3 S18PB ,9 <0,3 S18PE <0,01 12,1 1,5 S18E ,01 10,7 2,7 S18E <0,01 11,6 2,6 S18E <0,01 11,6 1,6 S19PB ,14 2 S19PF ,04 11 S19PE <0,01 1,39 10 S19E <0,01 3,44 2,1 S19E ,01 3,1 2 S19E <0,01 2,96 2,1 S20PB ,58 2 S20PF ,06 9 S20PE <0,01 0,9 9 S20E <0,01 1,1 5 S20E S20E <0,01 0,63 5,1 S21PB ,19 2 S21PF ,69 4 S21PE <0,01 0,57 4 S21E ,03 0,22 2 S21E

59 S21E <0,01 0,18 2 S22PB ,05 3 S22PF ,24 9 S22PE <0,01 0,33 4 S22E S22E S22E <0,01 0,07 1 S23PB ,61 2 S23PF1& ,88 2 S23PE ,02 0,39 3 S23E , S23E ,02 0,07 11 S23E <0,01 0,13 1

60 Slika 45: Pregled spreminjanja vrednosti KPK v serijah S16 S23

61 Slika 46: Pregled spreminjanja vrednosti AOX v serijah S 16 S23

62 Slika 47: Pregled spreminjanja vrednosti amonijevega dušika v serijah S 16 S23

63 Slika 48: Pregled spreminjanja vrednosti nitratnega dušika v serijah S 16 S23

64 13 PRILOGA 2 - Zbirka opravljenih meritev temperature, ph, elektro prevodnosti in oksidacijsko redukcijskega potenciala vode. Preglednica 10: Rezultati meritev temperature, ph, elektro prevodnosti in oksidacijsko redukcijskega potenciala. Temperatura vzorca [ C] ph ORP [mv] El. prevodnost [us/cm] Označba vzorca Datum/čas vzorca Ročno SKADA Ročno SKADA Ročno SKADA Ročno (Maša) SKADA S0PB : S0PE : S0E : S0E :00 22,7 7, S1PB :20 19,3 7, S1PE :40 22,0 7, S1E :00 21,6 7, S1E :15 22,1 7, S2PB :40 18,0 7, S2PE :30 21,5 7, S2E :05 20,1 7, S2E :45 21,0 6, S3PB :20 17,7 7, S3PE :30 20,2 7, S3E :30 19,8 7, S3E :15 20,7 7, S4PB :30 18,4 7, S4PE :00 20,4 7, S4E :30 20,5 7, S4E :10 21,3 7, S5PB :50 18,4 7, S5PE :40 20,0 7, S5E :05 20,3 7, S5E :50 21,1 7, S6PB :40 18,0 18,4 7,42 7,4-38 1, S6PE :30 19,8 19,9 7,52 7, S6E :20 20,7 20,5 7,19 7, , ,9 S6E :00 21,6 21,2 7,4 7, , S7PB :15 18,2 17,9 7,55 7, , S7PE :30 20,0 19,7 7,46 7, , S7E :00 19,2 18,9 7,3 7, , ,8 S7E :30 20,2 19,9 7,5 7, , ,9 S8PB :30 18,6 18,4 7,4 7,3-6 28, ,3 S8PE :00 19,6 19,2 7,5 7, , ,9 S8E :30 19,8? 7,36 7, S8E :20 20,2? 7,46 7, S9PB :20 16,7 11,9 7,09 7, S9PE :10 19,1 14,4 7,54 7, S9E :10 17,9 12,9 7,45 7, S9E :10 18,8 13,9 7,58 7, S10PB ,8 20,5 7,35 7, , ,6 S10PE ,8 22,5 7,23 7, , ,1 S10E ,1 22,7 7,27 7, , ,7 S10E ,1 22,7 7,3 7, , ,8

65 S11PB :00 16,7 15,7 7,29 7,4-8 2, S11PE :35 21,1 20,7 7,45 7, , ,9 S11E1 S11E :40 23,7 23,2 7,25 7,5 54 0, ,2 S12PB :30 17,1 17,2 7,43 7, ,1 S12PE :20 20,2 19,9 7,35 7, , ,9 S12E :00 21,0 20,5 7,51 7, , ,5 S12E :20 21,6 21,2 7,33 7,6 53 1, ,4 S13PB :20 18,6 18,7 7,33 7, , S13PE :15 20,3 20,2 7,37 7, S13E :15 20,1 19,7 7,43 7, , S13E :30 20,9 20,5 7,45 7, ,3 S14PB :20 18,0 17,9 7,30 7, ,7 S14PE :00 19,1 18,7 7,32 7, , ,4 S14E :10 20,1 19,7 7,42 7, S14E :20 20,2 19,9 7,44 7, S15PB :30 17,5 17,7 7,35 7, S15PE :15 19,4 19,2 7,54 7, S15E :45 19,2 18,9 7,53 7, S15E :50 20,3 19,7 7,64 7, S16PB :30 17,4 17,2 7,46 7, S16PE :20 18,3 17,9 7,42 7, S16E :30 20,0 19,4 7,72 7, S16E : S16E : S16E :00 24,4 23,7 7,65 7, , S17PB :40 16,3 15,9 7,60 7, S17PE :00 16,2 15,9 7,59 7, S17E :00 18,8 18,4 7,54 7, S17E :50 20,2 484 S17E :00 19,8 541 S17E :10 21,4 536 S17E :30 19,3 19,2 7,48 7, S18PB :00 16,0 15,9 7,53 7, S18PE :15 16,2 16,2 7,44 7, S18E :00 16,9 616 S18E :15 18,9 606 S18E :00 18,9 18,2 7,45 7, S19PB :30 14,5 14,6 7,66 7, S19PF :30 13,9 13,9 7,62 7, S19PE :50 13,7 13,6 7,73 7, S19E :00 16,7 576 S19E :40 15,5 590 S19E :00 17,3 17,2 7,88 7, S20PB :30 15,4 7, S20PF :00 15,7 15,7 7,56 7, S20PE :50 15,6 15,4 7,64 7, S20E :40 17,4 7, S20E :15 21,2 540 S20E :45 19,2 537 S21PB :00 15,4 7, S21PF :00 15,2 7, S21PE :45 15,7 7, S21E :50 18,2 7, S21E :40 22,2 7, S21E :20 19,2 7, S22PB :15 12,1 7, S22PF :00 13,4 7, S22PE :30 13,4 7, S22E :30 17,2 7, S22E2 S22E :50 17,4 7, S23PB :45 12,4 7, S23PF1& :55 12,4 7,

66 S23PE :00 10,4 7, S23E :45 14,4 7, S23E : S23E :00 13,4 7,

67 Slika 49: Pregled spreminjanja ph, specifične elktroprevodnosti in temprature v serijah S16, S17, S18

68 14 PRILOGA 3 - Pregled porabe energije v času trajanja elektrolize in čas elektrolize v posameznih poskusnih serijah Preglednica 11: Pregled porabe energije v času trajanja elektrolize in čas elektrolize v posameznih poskusnih serijah Označba vzorca Datum/čas vzorca Čas elektrolize [h] Poraba glede na čas [kw/h] Strošek čiščenja (0,0446 /kwh) S9PB :20 S9PE :10 S9E :10 S9E :10 S10PB S10PE S10E S10E S11PB :00 S11PE :35 S11E1 S11E :40 S12PB :30 S12PE :20 S12E :00 S12E :20 0,8 0,0036 S13PB :20 S13PE :15 S13E :15 S13E :30 1,7 0, S14PB :20 S14PE :00 S14E :10 S14E :20 1,56 0, S15PB :30 S15PE :15 1,88 Poraba izključno za elektrolizo [kwh] Strošek čiščenja z elektrolitsko celico (0,0446 /kwh) Število ciklov []

69 S15E :45 S15E :50 0, S16PB :30 S16PE :20 S16E :30 14,83 5,26 0,02 4,63 S16E :30 20,83 7,39 0,03 6,50 S16E :00 39,33 13,96 0,06 12,27 S16E :00 43, , ,38 0,07 13,52 S17PB :40 S17PE :00 S17E :00 24,00 2,76 0,01 7,49 S17E :50 27,83 3,20 0,01 8,68 S17E :00 49,00 5,64 0,03 15,29 S17E :10 54,16 6,23 0,03 16,90 S17E :30 71, ,51 8,22 0,04 22,31 S18PB :00 S18PE :15 S18E :00 20,67 5,73 0,03 3,10 S18E :15 44,92 12,44 0,06 6,74 S18E :00 68, ,24 18,84 0,08 10,20 S19PB :30 S19PF :30 S19PE :50 S19E :00 S19E :40 S19E :00 17,76 0, S20PB :30 S20PF :00 S20PE :50 S20E :40 22,42 6,26 0,03 7,00 S20E :15 46,00 12,83 0,06 14,35 S20E :45 72, ,24 20,20 0,09 22,62 S21PB :00 S21PF :00 S21PE :45 S21E :50 19,08 5,57 0,02 5,95 S21E :40 45,91 13,41 0,06 14,32 S21E :20 67, ,30 19,70 0,09 21,08 S22PB :15

70 S22PF :00 S22PE :30 S22E :30 27,00 324,00 1,45 8,75 0,04 8,42 S22E2 S22E :50 74,00 23,94 0,11 23,09 S23PB :45 S23PF1& :55 S23PE :00 S23E :45 19,75 7,05 0,03 6,16 S23E :18 45,30 16,17 0,07 14,13 S23E :00 72, ,59 25,72 0,11 22,46

71 15 PRILOGA 4 - Slikovno gradivo Slika 50: Odvzem vzorcev vode na dotoku v biološko napravo. Slika 51: Odvzem vzorcev vode na iztoku pilotne naprave

72 Slika 52: Izvedba meritev s sistemom SCADA. Slika 53: Izvajanje ročnih meritev fizikalno kemijskih parametrov na lokaciji pilotne naprave