Inleiding

Zuivering van huishoudelijk afvalwater (influent) start met een mechanische reiniging via roosters om grof vuil te verwijderen. Daarna volgt een microbiologische zuivering in een actief-slib systeem, waarbij micro-organismen het opgeloste en fijnverdeelde organische materiaal verwerken: menselijke uitscheidingsproducten, voedselresten en detergenten. Dit organisch materiaal wordt omgezet in koolstofdioxide, water en nieuwe biomassa (slib). Nitrificatie en denitrificatie verwijderen grotendeels de stikstofverbindingen, terwijl een chemisch proces fosfor doet neerslaan. Na deze biologische en chemische stappen volgt een nabezinking waarbij het slib zich scheidt van het gezuiverde water (effluent), dat vervolgens rechtstreeks in een waterloop terecht komt.

Medicijnen zijn hardnekkig

Geneesmiddelen worden ontwikkeld om in het menselijk lichaam voldoende stabiel te blijven om hun therapeutisch effect te kunnen uitoefenen, want het menselijk lichaam is chemisch en enzymatisch zeer actief met o.a. maagzuur, metabole enzymen en oxidatieve processen. Diezelfde chemische stabiliteit van medicijnen maakt dat sommige van deze stoffen ook in het aquatisch milieu relatief moeilijk biologisch afbreekbaar zijn.

Veel medicijnmoleculen zijn dan ook geen gemakkelijk ‘voedsel’ voor de micro-organismen in een waterzuiveringsstation. Zo staat diclofenac bekend als persistent in klassieke rioolwaterzuivering. Daarbovenop kunnen sommige moleculen, zoals antibiotica, een remmend of zelfs toxisch effect hebben op de microbiële populaties die instaan voor de waterzuivering. Zo blijft een aanzienlijk deel van de aangevoerde medicijnresten intact en spoelen ze door naar de waterloop waarin het effluent terechtkomt.

In een standaard waterzuiveringsstation is geen specifieke module voorzien om medicijnresten te verwijderen. Toch is het mogelijk om een deel tegen te houden via co-incidentele afbraak (een deel wordt afgebroken als co-substraat bij de biologische zuivering) en door adsorptie aan slib: sommige hydrofobe medicijnen hechten zich aan slibvlokken en worden met het zuiveringsslib uit het water gehaald en vervolgens thermisch verwerkt (verbranding). Gemiddeld haalt waterzuivering ongeveer de helft van de medicijnresten uit het afvalwater, maar de spreiding is groot: >90% voor paracetamol, <30% voor diclofenac en <10% voor carbamazepine. Dat betekent dat er altijd een restfractie doorgaat.^1,2

Extra zuivering

Om ook die laatste (micro)verontreinigingen te verwijderen, zijn extra geavanceerde zuiveringstechnieken nodig: een vierde zuiveringsstap na de mechanische, biologische, en chemische fase.

Bij ozonatie (geavanceerde oxidatie) bubbelt ozongas op het einde van de zuiveringsketen in het effluent. Ozon is een sterk oxidans en kan veel organische moleculen ontbinden door het doorbreken van dubbele bindingen en ringstructuren. Ozon oxideert diclofenac, carbamazepine en sulfamethoxazol tot kleinere fragmenten die gemakkelijker verder biologisch afbreekbaar zijn. De verwijderingsrendementen van een ozonbehandeling variëren tussen 50 en 90%, afhankelijk van het type geneesmiddel.² Maar ozonisatie kent ook bijwerkingen. Zo kan ozon reageren met bromide waardoor het persistente en potentieel schadelijke bromaat tot stand komt. Daarnaast vormen zich transformatieproducten waarvan de toxiciteit onduidelijk is. Daarom wordt ozonatie vaak gecombineerd met een nafiltratie met actieve kool om eventuele restbijproducten te verwijderen.

Het effluent van een waterzuiveringsinstallatie door een bed van actieve kool leiden, laat toe om organische microverontreinigingen, waaronder geneesmiddelenresiduen, te adsorberen. Deze techniek is effectief voor veel vervuilende stoffen (60-95% verwijdering) en produceert weinig bijproducten. De verzadigde kool wordt regelmatig vervangen en verbrand.

Bij nanofiltratie of omgekeerde osmose wordt het effluent onder hoge druk door een semipermeabele membraan geperst, waarbij verontreinigingen worden tegengehouden op basis van molecuulgrootte en lading. Deze technieken kunnen rendementen halen van rond de 80%, maar zijn momenteel duur en energie-intensief in vergelijking met ozonatie of actieve kool. Een kritieke beperking voor grootschalige toepassing van nanofiltratie is de productie van een concentraatstroom (brijn) waarin microverontreinigingen zich ophopen en die een complexe nabehandeling noodzakelijk maakt.¹

Combinatiezuivering

Naast ozon, actieve kool en membraantechnologie loopt er onderzoek naar verschillende aanvullende technologieën om medicijnresten te verwijderen: Uv-licht gecombineerd met waterstofperoxide, elektrocoagulatie, nanobubble-technologie, enzymatische filtratie, zuivering via planten (fytoremediatie), alg-gebaseerde systemen en microbial fuel cells.

Geen enkele methode haalt op zich 100%, en allemaal vergen ze aanzienlijke investeringen. Waterzuivering gaat de richting uit van technologisch complementaire combinaties die een evenwicht nastreven tussen zuiveringsrendement, energieverbruik en kosteneffectiviteit.