Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients - VA-teknik, LTH

76
Water and Environmental Engineering Department of Chemical Engineering Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients and Oestrogens in Wastewater - using Powdered Activated Carbon Master Thesis by Caroline Säfström May 2008

Transcript of Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients - VA-teknik, LTH

Water and Environmental Engineering Department of Chemical Engineering

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients and Oestrogens in Wastewater - using Powdered Activated Carbon

Master Thesis by

Caroline Säfström

May 2008

 

VattenförInstitutionLunds Un

Re

Postal adP.O. BoxSE-221 0Sweden   

rsörjnings- ochnen för Kemitniversitet

eduction

Supervisor

Examiner:

Picture

1. W

2. LaEn

3. Ph

4. MEn

ddress: x 124 00 Lund

h Avloppsteknteknik

n of AcOe

- us

W

: Pro

Pro

es on front pag

Water (Photo: C

aboratory set ngineering, LT

harmaceuticals

easurements ngineering, LT

nik

ctive Phestrogen

sing Powd

Master The

Caro

Water and EnDepartment

ofessor Jes la

ofessor Ann-

ge:

Caroline Säfstr

up at WateTH, Lund Uni

s (Photo: Caro

at Water aTH, Lund Uni

Visiting adGetingeväg

WDLu

harmacns in W

dered Acti

esis number:

oline Säfs

nvironmentaof Chemical

May 2008

a Cour Jansen

Sofi Jönsson

röm)

r and Enviroiversity, Swed

oline Säfström

and Environmiversity, Swed

ddress: gen 60

Water and Enviepartment of Cund University

ceuticalWastewa

ivated Car

2008-05 by

tröm

al Engineerinl Engineering

n

n

onmental Engden (Photo: Th

m)

mental Enginden (Photo: Ca

ironmental EnChemical Engy, Sweden

l Ingredater

rbon

ng g

gineering, Deheres Söderbe

neering, Deparoline Säfströ

T++T+Ww

ngineering gineering

dients a

epartment of erg)

partment of öm)

Telephone: + 46 46-222 8+46 46-222 00Telefax: +46 46-222 45Web address:www.vateknik

and

Chemical

Chemical

2 85 0 00

5 26 : k.lth.se

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“Half the modern drugs could well be thrown out the window except that the birds might eat them.” 

Martin H. Fischer  

  

ABSTRACTPharmaceuticals  in  the  effluent  from  wastewater  treatment  plants  are  today  released  to recipients and thus could constitute a possible threat for the  environment. There is no specific treatment  process  used  in wastewater  treatment  plants  in  Sweden  today  in  order  to  remove pharmaceuticals.  In  this  study  Powdered  Activated  Carbon  (PAC)  has  been  investigated  as  a method to increase removal of Active Pharmaceutical Ingredients (APIs) and oestrogens in the biological  part  of  wastewater  treatment  plants.  This  has  been  done  through  laboratory experiments  scaled  to  correspond  to  the  biological  wastewater  treatment  process  at  Källby wastewater treatment plant, situated in Lund, in the south of Sweden.  

It  was  found  that,  depending  on  the  amount  of  PAC  added  and  the  reaction  time,  up  to  100 percent of the APIs and oestrogens could be removed from the wastewater. An addition of 0.05 g PAC  per  litre  artificial  wastewater  lead  to  an  increased  removal  efficiency  of  diclofenac  (83 compared to 21 percent), ketoprofen (85 compared to 51 percent), naproxen (92 compared to 65 percent), clofibric acid (63 compared to 43 percent), and ethinyl oestradiol (99 compared to 75  percent),  whereas  ibuprofen  and  oestradiol  were  completely  removed  in  the  ordinary biological  treatment  process.  For  the  substances  carbamazepine  and  oestrone  no  conclusion could be drawn due to that it was not possible to analyse carbamazepine with the method used and oestrone was only successfully analysed in one experiment.  

A batch experiment lead to the conclusion that the reaction between PAC and dissolved APIs and oestrogens  is rapid and already after  five minutes 92 to 99 percent of  the added amount APIs (100 μg per litre) and oestrogens (25 μg per litre) had been removed.  

The  addition  of  PAC  to  the  biological  treatment  process  has  in  the  laboratory  experiments proven to be a method that can be used in order to increase removal of APIs and oestrogens. To add 0.05 g PAC per litre artificial wastewater would lead to an increase in wastewater treatment costs of 1 SEK (0.11 EUR1) per m3 treated wastewater, which can be compared to  the average cost  to  treat  wastewater  of  1.9  to  9.3  SEK  (0.2  to  1  EUR)  per  m3  and  also  to  the  fee  which households,  connected  to  Källby  wastewater  treatment  plant,  pay  today  for  wastewater treatment of 6.50 SEK (0.70 EUR). 

  

 

 

 

 

 

Keywords:   Pharmaceuticals; Oestrogens; Activated carbon;  Ibuprofen; Diclofenac; Ketoprofen;   Naproxen;  Clofibric  acid;  Carbamazepine; Oestrone; Oestradiol;  Ethinyl  oestradiol;   Wastewater treatment 

                                                                 1 1 EUR = 9.28 EUR (Finansportalen, 2008) 

ii 

 

     

iii 

PREFACE This  master  thesis  has  been  performed  at  Water  and  Environmental  Engineering  at  the Department  of  Chemical  Engineering,  LTH,  Lund  University  together  with  the  Technical University of Denmark (DTU) and is the final part of my Master in Environmental Engineering at LTH, Lund University.  

The project has been supervised by Jes la Cour Jansen and Ann‐Sofi Jönsson, both professors at the Department of Chemical Engineering. The thesis has been a part of the research programme MistraPharma  and  focused  on  the  reduction  of  APIs  and  oestrogens  using  PAC.  All  of  the laboratory  parts  have  been  planned  and  performed  together  with  Theres  Söderberg,  also working on her master thesis.  

Throughout  the work  the  following  persons  have  shown great  interest  as well  as  giving  good advice and therefore merit a sincere thank you for their patience and willingness to share their knowledge.  

First of all I would like to thank my supervisor Jes la Cour Jansen for good advice, feedback on the thesis as well as sharing his knowledge within water  treatment.  I would also  like  to  thank Ann‐Sofi  Jönsson  for  perspective  and  motivation  as  well  as  good  feedback  throughout  the project. The  laboratory parts would not have been possible without  the  great  assistance  from the  laboratory personnel; Gertrud Persson  and Ylva Persson  –  thank you.  I would  also  like  to thank  Henrik  Andersen  and  Kamilla  Hansen  at  DTU,  whom  have  shown  great  patience  and knowledge  in  the  analysis  part  of  the  project.  All  the  personnel  from  Källby  wastewater treatment plant have been very helpful, especially Michael Petersson – thank you. My gratitude also goes to Theres Söderberg for her patience and good companionship throughout the project.  

Finally I would like to thank my family and friends for the support and interest they have shown throughout my studies. 

 

Lund 20 May 2008 Caroline Säfström 

iv 

  

ABBREVIATIONS  

APIs  Active Pharmaceutical Ingredients 

BOD7  Biochemical Oxygen Demand 

CAS Registry Number  Numerical identifier for chemicals 

COD  Chemical Oxygen Demand 

DTU  Technical University of Denmark 

EUR  Euro 

GC‐MS  Gas Chromatography Mass Spectrometry 

HCl  Hydrochloric Acid  

IS  Internal Standard 

Ka  Acid Dissociation Constant 

LTH  Faculty of Engineering at Lund University 

MeOH  Methanol 

Mistra  The Foundation for Strategic Environmental Research 

NH4‐N  Ammonium nitrogen 

NO3‐N  Nitrate nitrogen 

NSAIDs  Non Steroidal Anti‐Inflammatory Drugs 

O2  Oxygen 

PAC  Powdered Activated Carbon 

pH  Measurement of how acid or basic a solution is 

pKa  Negative decimal logarithm of Ka 

R0  Control reactor, no PAC added 

R1  Reactor one, with PAC added 

SEK  Swedish Crown 

SPE  Solid Phase Extraction 

Tot‐N  Total Nitrogen  

vi 

  

CONTENTS 1  INTRODUCTION ...................................................................................................................................................... 1 

1.1  AIM ................................................................................................................................................................................................ 1 1.2  PROBLEM FORMULATION .......................................................................................................................................................... 1 1.3  LIMITATIONS ............................................................................................................................................................................... 2 

2  BACKGROUND  ­  WASTEWATER,  PHARMACEUTICALS,  OESTROGENS  AND  POWDERED ACTIVATED CARBON ..................................................................................................................................................... 3 

2.1  WASTEWATER ............................................................................................................................................................................. 3 2.2  KÄLLBY WASTEWATER TREATMENT PLANT ........................................................................................................................... 3 2.2.1  Biological treatment ....................................................................................................................................................... 3 

2.3  ACTIVE PHARMACEUTICAL INGREDIENTS (APIS) AND OESTROGENS ................................................................................ 4 2.3.1  APIs used in the experiment......................................................................................................................................... 4 2.3.2  Oestrogens used in the experiment........................................................................................................................... 5 2.3.3  Effects in the environment from the release of APIs and oestrogens ........................................................ 5 2.3.4  APIs and oestrogens in wastewater treatment plants today ....................................................................... 6 

2.4  POWDERED ACTIVATED CARBON ............................................................................................................................................ 7 2.4.1  Property ................................................................................................................................................................................ 7 2.4.2  Production of PAC ............................................................................................................................................................ 8 2.4.3  Previous experiments with PAC ................................................................................................................................. 8 

3  METHODOLOGY ................................................................................................................................................... 11 

3.1  THEORY ..................................................................................................................................................................................... 11 

4  LABORATORY EXPERIMENTS .......................................................................................................................... 13 

4.1  PURPOSE OF THE EXPERIMENTS ............................................................................................................................................ 13 4.2  EXPERIMENTAL ........................................................................................................................................................................ 13 4.2.1  Chemicals ........................................................................................................................................................................... 13 4.2.2  Artificial wastewater .................................................................................................................................................... 14 4.2.3  Pharmaceutical and oestrogen solution .............................................................................................................. 14 4.2.4  Sludge .................................................................................................................................................................................. 15 4.2.5  Laboratory set up ........................................................................................................................................................... 16 4.2.6  Advice for future running the reactor experiments ........................................................................................ 20 4.2.7  Sampling ............................................................................................................................................................................. 21 4.2.8  Solid phase extraction .................................................................................................................................................. 23 4.2.9  Gas chromatography­mass spectrometry ........................................................................................................... 24 

5  RESULTS ................................................................................................................................................................. 25 

5.1  BATCH 1 .................................................................................................................................................................................... 25 5.2  BATCH 2 .................................................................................................................................................................................... 25 5.2.1  PAC concentration ......................................................................................................................................................... 26 5.2.2  Reaction time ................................................................................................................................................................... 27 5.2.3  Oestrogens ......................................................................................................................................................................... 28 5.2.4  Batch 2 in total ................................................................................................................................................................ 29 

5.3  EXPERIMENT 1 – 0.1 G PAC PER LITRE ARTIFICIAL WASTEWATER ............................................................................... 29 5.3.1  APIs – experiment 1 ....................................................................................................................................................... 30 5.3.2  Oestrogens – experiment 1 ......................................................................................................................................... 32 5.3.3  Experiment 1 in total .................................................................................................................................................... 33 

5.4  EXPERIMENT 2 – 0.05 G PAC PER LITRE ARTIFICIAL WASTEWATER ............................................................................. 33 5.4.1  APIs – experiment 2 ....................................................................................................................................................... 33 

Contents 

5.4.2  Oestrogens – experiment 2 ......................................................................................................................................... 35 5.4.3  Experiment 2 in total .................................................................................................................................................... 36 

5.5  EXPERIMENT 3 – 0.05 G PAC PER LITRE ARTIFICIAL WASTEWATER ............................................................................. 36 5.5.1  APIs – experiment 3 ....................................................................................................................................................... 37 5.5.2  Oestrogens – experiment 3 ......................................................................................................................................... 38 5.5.3  Experiment 3 in total .................................................................................................................................................... 39 

5.6  REAL WASTEWATER EXPERIMENT – 0.05 G PAC PER LITRE WASTEWATER ................................................................ 39 5.6.1  APIs – real wastewater experiment ....................................................................................................................... 39 5.6.2  Oestrogens – real wastewater experiment ......................................................................................................... 40 5.6.3  Real wastewater experiment in total .................................................................................................................... 41 

5.7  APIS AND OESTROGENS IN THE INFLUENT AND EFFLUENT TO KÄLLBY BIOLOGICAL TREATMENT PART .................. 41 5.8  IN TOTAL ................................................................................................................................................................................... 41 

6  DISCUSSION ........................................................................................................................................................... 43 

6.1  FUTURE APPLICATIONS ........................................................................................................................................................... 43 6.1.1  Cost of PAC ......................................................................................................................................................................... 44 6.1.2  The time aspect ............................................................................................................................................................... 45 

6.2  SOURCE OF ERRORS ................................................................................................................................................................. 45 6.3  APIS AND OESTROGENS IN SLUDGE INSTEAD ...................................................................................................................... 45 6.4  OTHER METHODS ..................................................................................................................................................................... 46 

7  CONCLUSIONS ....................................................................................................................................................... 47 

8  REFERENCES ......................................................................................................................................................... 49 

9  APPENDICES .......................................................................................................................................................... 52 

A.  PARAMETERS FOR THE EXPERIMENTS....................................................................................................................................... 52 B.  BUFFERS USED IN THE EXPERIMENTS ........................................................................................................................................ 54 C.  INCREASE IN COD FROM PAC AND METHANOL ...................................................................................................................... 55 D.  SCIENTIFIC PAPER ......................................................................................................................................................................... 56 

    1 Introduction 

1 INTRODUCTION In 2007 over 32 800 million SEK (3 508 million EUR2) were spent on pharmaceuticals for human use  in  Sweden  (Apoteket,  2008).  These pharmaceuticals  help maintain human health but  also constitute  a  possible  environmental  threat  when  spread  in,  for  example,  the  aquatic environment.  A  recognized  example  of  this  is  that  male  fish  have  become  feminized  when exposed to oestrogens distributed in domestic wastewater (Larsson, et al., 1999).  

To  identify  and  reduce  the  spread  of  pharmaceuticals,  Mistra  (The  Foundation  for  Strategic Environmental  Research)  in  Sweden  started  the  research  programme MistraPharma with  the purpose  of  “identification  and  reduction  of  environmental  risks  caused  by  the  use  of  human pharmaceuticals”.  The  aim  of  the  programme  is  to  evaluate  the  risks  that  APIs  pose  to  the aquatic environment and, from this analysis, make recommendations regarding “pre‐marketing identification  of  future  APIs  of  environmental  concern,  environmentally  cautious  prescription and use of pharmaceuticals, and improved wastewater treatment technologies” (Mistra, 2007).  

The  MistraPharma  programme  is  a  cooperation  between  seven  partners  of  which  Lund University and the DTU represent one. Furthermore the work is organized in five different work‐packages  and  this  master  thesis  is  a  part  of  the  package  “Evaluate  wastewater  treatment technologies”. This package will investigate different physical, chemical and biological methods to reduce APIs.  

This master  thesis has  focused on  the potential of  reducing APIs and oestrogens by  the use of PAC. PAC is a sorbent to which substances, like APIs and oestrogens, can adsorb and as a result the concentrations of the substances in the water solution are reduced.  

1.1 AIM This master  thesis  is  aimed  to  investigate  the possibility  to  remove APIs and oestrogens  from wastewater, through a method that could be used in Swedish wastewater treatment plants with similar conditions as the treatment plant, for which the experiments have been scaled.  

The main purpose is to present the findings and evaluations of how effective the method of using PAC is at removing the selected APIs and oestrogens in wastewater. The method is based on a laboratory set up resembling the biological part of a wastewater treatment plant process. APIs and  oestrogens  have  been  added  to  the  standard  wastewater  treatment  process  as  well  as dosage of PAC before the sedimentation part. A post treatment to remove residues of PAC from the effluent through filtration was also included. 

1.2 PROBLEM FORMULATION The set out has been to be able to answer the following questions; 

• Does  addition  of  PAC  to  the  biological  wastewater  treatment  process,  at  a  laboratory scale,  increase  the  removal  of  APIs  and  oestrogens  compared  to  ordinary  biological treatment with activated sludge? 

• Which dosage of PAC, based on effectiveness and cost, should be used? 

                                                                 2 1 EUR = 9.28 SEK (Finansportalen, 2008) 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

• At what time in the treatment cycle should PAC be added in order to have enough time to react with the substances present? 

1.3 LIMITATIONS Concentrations  and  substances  used  in  the  experiments  were  chosen  due  to  the  ability  to analyse them at DTU. The concentration of APIs (100 μg per litre) used in the experiments is 14 to 630 times higher than concentrations that were found in a study of the influent to wastewater treatment  plants  (Westerlund,  2007).  Since  a  high  concentration  of  pharmaceuticals  has  been used, due to the detection limit in the analysis, a  larger amount of PAC has been needed in the laboratory experiments compared to real wastewater concentrations.  

Continuous experiments with the addition of PAC were conducted at the longest for one week at a time and therefore no knowledge has been gained of how the PAC behaves, e.g. if there is a risk of leakage of APIs and oestrogens from the PAC, in the sludge over a longer time period.  

 

   

    2 Background 

2 BACKGROUND ‐ WASTEWATER, PHARMACEUTICALS, OESTROGENS AND POWDERED ACTIVATED CARBON 

This  chapter  will  briefly  describe  today’s  wastewater  treatment,  with  focus  on  the  biological treatment and the pharmaceutical and oestrogen reduction that take place in this biological part. Källby wastewater treatment plant, to which the experiments have been scaled to, is also further described. The APIs and oestrogens used in this master thesis are presented further as well as their  potential  threat  to  the  environment.  The  section  about  PAC  describes  the  production  of PAC, its property used in the experiment and some previous results gained by the use of PAC in connection with wastewater treatment.  

2.1 WASTEWATER In  Sweden  7.7  million  people  are  connected  to  the  wastewater  disposal  system  and  1.5  km3 wastewater  is  processed  each  year.  The 2 000 wastewater  treatment  plants  together  produce 240 000 tons sludge (dry substance) annually. Altogether in Sweden 2003 the cost for producing drinking water and processing wastewater was 14.3 billion SEK (1.52 billion EUR3), of which the part  for  processing wastewater  is  somewhat  larger  than  for  that  for  drinking water  (Svenskt Vatten, 2005). 

2.2 KÄLLBY WASTEWATER TREATMENT PLANT Källby wastewater  treatment  plant  situated  southwest  of  Lund,  county  Skåne  in  the  south  of Sweden, has 79 000 people connected and every twenty‐four hours 30 000 m3 of wastewater is processed. The  incoming water contains approximately 4 900 kg organic material  (BOD7), 200 kg phosphorus and 1 000 kg nitrogen per day (Tekniska Förvaltningen, VA‐verket, 2004).  

Figure 2.1 shows a simplified description of the treatment process at Källby; 

 

FIGURE 2.1 A simplified description of the treatment process used by Källby wastewater treatment plant. 

The mechanical treatment includes screening where larger objects are removed, sand traps and pre‐sedimentation. In the biological treatment nitrogen, organic substances and phosphorus are separated and in the following chemical treatment ferric chloride is used to enhance the removal of phosphorus. The final post treatment part before the recipient is biological ponds (Tekniska Förvaltningen, VA‐verket, 2004). 

The experiments performed have been scaled to correspond to the biological treatment part in Källby wastewater treatment plant, which will therefore be described further. 

2.2.1 BIOLOGICAL TREATMENT In the biological treatment decomposition of organic substances takes place which decreases the amount  oxygen  that  will  be  used  in  the  recipient.  The  decomposition  is  carried  out  by                                                                  3 1 EUR = 9.28 SEK (Finansportalen, 2008) 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

microorganisms which uses the organic material to grow. Nitrification (oxidation of ammonium to nitrate) and denitrification (reduction of nitrate to nitrogen gas), see below, also take place in the biological treatment part (Tekniska Förvaltningen, VA‐verket, 2004). 

Nitrification:  NH O2 NO 2H H O 

  NO O2 NO  

NH 2O2 NO 2H H O 

Denitrification:  2NO H organic matter N HCO  

Oxygen  is  added  to  the  process  of  decomposing  the  organic  substances  and  also  to  the nitrification, which both takes place in the aerobic tank, whereas denitrification takes place in an anoxic zone. In the anoxic zone bacteria uses oxygen from nitrate compared to from oxygen in the aerobic zone (Kemira Kemwater, 2003).  

In Källby wastewater treatment plant one anaerobic zone is followed by four anoxic zones and three aerobic zones in that order. The average COD concentration in the influent to the biological part varies between 380  to 480 mg per  litre  (average 430 mg per  litre) and  the  inflow  to  the biological  part  varies  between 230  and 340  L/s  (year  average 310 L/s)  (M.  Petersson, Källby wastewater treatment plant, personal communication, February 18, 2008).  

The  charge  per  m3  treated  wastewater  is  approximately  6.50  SEK  (0.7  EUR4),  including wastewater network and pump fee. The process cost per m3 was estimated to 2 SEK (0.2 EUR) according to M. Petersson at Källby wastewater treatment plant (personal communication, May 7, 2008).  

2.3 ACTIVE PHARMACEUTICAL INGREDIENTS (APIS) AND OESTROGENS A number of APIs and oestrogens considered of special interest were selected for the first part of the MistraPharma programme. Six pharmaceuticals and  three oestrogens,  some  that had been focused on in the first part of the MistraPharma programme but also others, were selected to be used in the laboratory experiments based on that they behave in the same way as the internal standard  (IS)  used.  The  substance  mecoprop,  a  weak  acid  (pKa=3.11  at  25°C)  (University  of Hertfordshire & FOOTPRINT, 2008), was used as IS in the analysis and APIs and oestrogens were thus chosen based on their alikeness in pKa value to mecoprop. Concentrations were also chosen due to the ability to analyse them (K. Hansen, DTU, personal communication, March 14, 2008). 

2.3.1 APIS USED IN THE EXPERIMENT The APIs found in Figure 2.2 were selected to be used in the laboratory experiments. 

   

                                                                 4 1 EUR = 9.28 SEK (Finansportalen, 2008) 

 

 

FIGURE 2.2

Ibuprofegroup  osubstanto  a  diLäkemeto  patieregulatoacid is tKarolins

2.3.2 The follo

FIGURE 2.3

Oestronassist  inmembradevelopoestroge(FASS, 2

2.3.3 Medicalthreat tospread Paxéus, 

Ibuprofen

Naproxen

2 APIs used in 

en, diclofenaof  pharmacces reducesiminished  pdelsverket, ents  sufferinors,  is  used the metaboliska Institute

OESTROGENowing three

Oestrone1 

3 Oestrogens u

ne and oestrn  controllinanes.  Due  tped syntheticens  is  ethin2008; Nation

EFFECTS IN  substanceso the enviroin  the  enviGinn, & Log

 

 

the experimen

ac, ketoprofceuticals  cas pain and inproduction 2008). Carbng  from  epias  an  antiliite that is uset, 2008; Ald

NS USED IN THe oestrogens

 

used in the exp

adiol are nang  the  mento  their  effecally and usnyl  oestradinalencyklop

THE ENVIROs are designonment and ronment  thge, 2005; Bes

D

Clo

nts (FASS, 200

fen and napralled  Non  Snflammationof  pain  elbamazepineilepsies,  whipemic, meased in lipid der, et al., 20

HE EXPERIMs were selec

Oestr

periments (FAS

atural oestrostruation  cyect  on  reprsed in contraiol,  used  inpedin, 2008)

ONMENT FROned to have it has been hey  act  as  csse & Garric

Diclofenac 

ofibric acid1

8; 1Wikipedia,

roxen are thSteroidal  Ann by inhibitilicitation  sue is used as hereas  clofibaning  it  helpregulators (006).  

ENT ted for the l

 

adiol

SS, 2008; 1Wik

ogens produycle  in  womoduction  inaceptive pilln  several  co. 

OM THE RELEa biologicalrecognisedcontaminantc, 2008).  

 

 

2008). 

he active subnti‐Inflammng the enzyubstances  (active subsbric  acid,  thps  reducing(Sjukvårdsrå

laboratory e

kipedia, 2008). 

uced by the men  througn  the  humanls. One of thontraceptive

EASE OF APIl effect whic that when pts  (Halling‐

Ketop

Carbama

bstances in dmatory  Drugme cyclooxy(Sjukvårdsrtance in phhe  active  mg  lipid  levelådgivningen

experiments

Ethiny

 

human bodgh  their  effn  body,  oeshese synthete  pills  on  th

S AND OESTRch also makpharmaceutSørensen,  e

2 Backgro

profen 

 

azepine 

drugs belongs  (NSAIDs)ygenase whrådgivningenarmaceuticaetabolite  frs  in  blood. n, 2008; FAS

s, Figure 2.3;

yl oestradiol 

dy. These oefect  on  the strogens  hatically manuhe  Swedish

ROGENS kes them a ptical compoet.  al.,  1998

ound 

 

nging to a ).  These ich leads n,  2008; als given om  lipid Clofibric SS, 2008; 

 

strogens mucous 

ave  been ufactured h  market 

potential unds are 8;  Bendz, 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

It has been indicated that ibuprofen has an antimicrobial effect and also inhibits growth of gram‐positive bacteria (Sanyal, et. al., 1993; Elvers & Wright, 1995). The marine amphipod Amphitoe valida  has  been  shown  to  have  a  lower  survival  rate  and  reduced  fertility  when  exposed  to dumped pharmaceutical waste (Lee & Arnold, 1983). Also synthetic hormones have been found to effect the endocrine systems of fish exposed to hormones from effluent wastewater (Larsson, et  al.,  1999).  Some  endocrine  disrupting  pharmaceuticals,  e.g.  oestrogens,  impact  aquatic organisms at trace concentrations, i.e. ng per litre (Snyder, et al., 2007). 

The different substances’ environmental effects, as known today, are found in Table 2.1 (FASS, 2008). 

TABLE 2.1 The environmental risks for five of the nine substances used in the experiments can be found below. 

Substance  Environmental risk  Decomposition  Bioaccumulation 

Ibuprofen  Low risk  Is decomposed  No potential to be stored in waterliving organisms 

Diclofenac  Negligible risk  Slow decomposition  No potential to be stored in waterliving organisms 

Ketoprofen  Risk can not be excluded 

It can not be excluded that the substance is persistent since no data exists 

It can not be excluded that the substance is stored since no data exists 

Naproxen  Low risk  Slow decomposition  No potential to be stored in waterliving organisms 

Ethinyl oestradiol  High risk  Slow decomposition  Potential to be stored in waterliving organisms 

 For the substances ketoprofen, clofibric acid, carbamazepin, oestrone and oestradiol no data was available  and  it  can  therefore  not  be  excluded  that  these  substances  may  pose  a  possible environmental threat, have a slow decomposition or may bioaccumulate.  

2.3.4 APIS AND OESTROGENS IN WASTEWATER TREATMENT PLANTS TODAY In the experiments performed, a high concentration of APIs and oestrogens were used. However concentrations  found  in  the  influent  are  much  lower.  The  concentrations  in  the  influent  to Swedish  wastewater  treatment  plants  for  four  of  the  APIs  in  this  master  thesis  have  been measured  by  Länsstyrelsen,  county  Skåne,Table  2.2A  (Westerlund,  2007).  Another  study  has measured  concentrations  in  the  influent  and  removal  efficiency  for  the  six  APIs  for  Källby wastewater treatment plant. The results from that study are found in Table 2.2B (Bendz, Paxéus, Ginn, & Loge, 2005). A third study has investigated the reduction in percent for four of the APIs and two of the oestrogens included in this master thesis, in 13 municipal wastewater treatment plants in Canada. These results can be found in Table 2.2C (Lishman, et al., 2006). 

   

    2 Background 

TABLE 2.2 Concentrations in the influent to wastewater treatment plants and removal efficiencies of APIs in Sweden (A  and  B)  and  Canada  (C)  (A. Westerlund,  2007;  B.  Bendz,  Paxéus,  Ginn,  &  Loge,  2005;  C.  Lishman,  et  al.,  2006).  (n.f.) – not found (#) – measurable in the influent and non‐quantifiable in the effluent 

A. Substance 

Conc. (μg/L) 

B.  Substance 

Conc.  (μg/L) 

Removal efficiency  (%) 

C. Substance 

Removal efficiency  (%) 

Ibuprofen  7.4  Ibuprofen  3.6  90  Ibuprofen  95 Naproxen  4.8  Naproxen  3.7  66  Naproxen  93 

Ketoprofen  2.7  Ketoprofen  0.94  69  Ketoprofen  44 

Diclofenac  0.3  Diclofenac  0.16  17‐69  Diclofenac  ‐34 

    Clofibric acid  n.f.    Oestrone  80 

    Carbamazepine  1.7  7  Oestradiol  #  A high reduction of ibuprofen (Canada and Sweden), naproxen (in Canada) as well as oestrone (Canada) was observed in the wastewater treatment plants. Ketoprofen and diclofenac however was not reduced  to  the same extent  in  the  treatment process  in  neither country. The negative value of diclofenac, thus indicating production of diclofenac, could in the Canadian study not be regarded  as  an  extraneous  event  since  several  negative  values  were  suggesting  a  trend (Lishman, et al., 2006).  

The high removal of ibuprofen (> 90 percent) has also been observed at wastewater treatment plants  in  Tokyo.  Compared  to  the  Canadian  and  Swedish  studies  however  the  reduction  of naproxen  in  wastewater  treatment  plants  in  Tokyo  was  lower  (<  50  percent)  (Nakada, Tanishima, Shinohara, Kiri, & Takada, 2006).  

2.4 POWDERED ACTIVATED CARBON 2.4.1 PROPERTY The property used in water treatment from activated carbon is its adsorption capacity, which is a result of a  large surface area made up by different sized pores; macro‐  (diameter: > 25 nm), meso‐ (diameter: 2‐25 nm) and micro‐pores (diameter: < 2 nm). The internal surface is large for activated carbon, normally between 400 to 1 600 m2 per g, as is the pore volume, 30 cm3 per 100 g. (Kemira Kemwater, 2003; Henning & Degel, n.d.).   

The adsorption capacity diminishes when a lower concentration of adsorbent is used as well as when temperature increases (Henning & Degel, n.d.). This can be described for activated carbon by the Freundlich isotherm equation below (Nowotny, Epp, Sonntag, & Fahlenkamp, 2007). 

  q = equilibrium loading c = concentration in the liquid phase K and n = Freundlich constants describing adsorption characteristics

The  hydrophobic  surface  property  of  activated  carbon  has  been  taken  advantage  of  in  the experiments in order to gain a reduction the pharmaceutical substances (Henning & Degel, n.d.). 

Powder  and  granules  are  the  most  commonly  occurring  types  of  active  carbon,  used  in connection to water treatment. Granules are used in filters whereas powdered activated carbon is added directly into the water (Kemira Kemwater, 2003; Snyder, et al., 2007). Since an addition 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

of  activated  carbon  was  wanted  directly  to  the  reactor  volume  in  order  to  minimise reconstructions  needed  in  wastewater  treatment  plants,  PAC  was  used  throughout  all  of  the experiments.  Figure  2.4  and  Figure  2.5  show  photos  of  the  PAC  that  has  been  used  in  the experiments. 

 

FIGURE 2.4 Picture of the PAC used in the experiments. (Photo: Caroline Säfström) 

 

FIGURE  2.5  Photo  of  PAC  when  diluted  in  distilled water in e‐flask. (Photo: Caroline Säfström) 

2.4.2 PRODUCTION OF PAC Activated  carbon  is  produced  by  different  materials,  such  as  wood,  peat,  lignite,  hardcoal, charcoal  and  coconut  shells. A  simplified production  flow chart of  the production of  activated carbon can be seen in Figure 2.6. 

 

FIGURE 2.6 Flow chart for the production of activated carbon. (Henning & Degel, n.d.) 

The first part is grinding of the hardcoal feed followed by oxidation and mixing of the coal dust with  a  binder which  enables  extrusion  to  the  diameter  desired.  In  the  carbonisation  part,  the extrudates are heated to 900°C where they transform to activated coke to finally be activated by steam activation. Each year approximately 350 000 ton activated carbon is produced worldwide, of which 150 000 ton is powdered activated carbon (Henning & Degel, n.d.).  

2.4.3 PREVIOUS EXPERIMENTS WITH PAC Previously it has been shown that PAC can be used to remove oestrone from an aqueous phase. The  reduction  of  oestrone  is  dependent  on  PAC  dosage  and  retention  time  in  the  system  as shown by Snyder et. al.  (2007) and Chang et. al.  (2004). The  factors  limiting the adsorption of oestrone on PAC are film diffusion and internal surface diffusion. A maximum removal of 95‐96 percent oestrone has been achieved, whereas the last three percent are residuals that PAC is not capable to remove (Chang, Waite, Ong, Schäfer, & Fane, 2004).  

Since PAC provides a limited number of surface sites there is a competitive adsorption between the  oestrone  and  other  dissolved  constituents,  where  a  lower  PAC  dosage  means  increased competitive  adsorption  (Chang, Waite,  Ong,  Schäfer,  &  Fane,  2004;  Nowotny,  Epp,  Sonntag,  & Fahlenkamp, 2007).  

    2 Background 

The following mass transfer processes are included when PAC is used to remove oestrone; bulk solution  transport,  external  (film)  transport,  internal  (pore)  transport  and  adsorption  (Chang, Waite, Ong, Schäfer, & Fane, 2004).  

It has also been shown that the percentage removal of endocrine‐disrupting compounds, such as oestrogens, and pharmaceuticals is independent of the initial compound concentration and that high PAC dosage increase the removal (Westerhoff, Yoon, Snyder, & Wert, 2005). 

The following removal percentage, Table 2.3, can be expected when using a PAC concentration of 5 mg per litre wastewater according to Snyder et. al. (2007).  

TABLE 2.3 Removal, in percentage, when using 5 mg PAC/L according to Snyder et. al. (2007).

API  Removal (%)  Oestrogen  Removal (%) 

Ibuprofen  17  Oestrone  69 Diclofenac  39  Ethinyl oestradiol  79 

Naproxen  52  Oestradiol  84 

Carbamazepine  74      In another study a concentration of 10 mg PAC per litre wastewater was used, which resulted in that  pharmaceuticals  were  reduced  to  a  concentration  lower  than  0.1  μg  per  litre  (Nowotny, Epp,  Sonntag,  &  Fahlenkamp,  2007).  Natural  organic  matter  can  however  to  a  great  extent reduce the efficiency of PAC, since it competes with the pharmaceuticals for the binding sites and might also block the pores (Snyder, et al., 2007; Nowotny, Epp, Sonntag, & Fahlenkamp, 2007).  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

10 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    3 Methodology 

11 

3 METHODOLOGY In order to find out the potential to remove APIs and oestrogens by use of PAC, literature within the area was studied, see section 2.4. Further, to evaluate the effectiveness of PAC as a method of reducing APIs in wastewater, eight experiments, Table 3.1, were performed in the laboratory at Water  and  Environmental  Engineering,  Department  of  Chemical  Engineering,  LTH,  Lund University.  

TABLE 3.1 Duration of the seven experiments. A more detailed description of the experiments is found in section 4.1. 

Experiment  Performed   

Trial experiment 1  12 February 2008 ‐ 18 February 2008   

Trial experiment 2  19 February 2008 ‐ 4 Mars 2008   

Batch 1  19 February 2008   

Batch 2  26 February 2008   

Experiment 1  5 March 2008 ‐ 13 March 2008   

Experiment 2  26 March 2008 – 3 March 2008   

Experiment 3  16 April 2008 – 24 April 2008   

Real wastewater experiment  28 April 2008 – 29 April 2008   

 The experiments were performed in order to optimise the amount of PAC added, the timing at which  the PAC was  added and  to  test  the method on  real wastewater. All  of  the  experiments, apart  from  the  two batch experiments, were  scaled  to Källby wastewater  treatment plant,  see section  4.2.5,  in  order  to  receive  results  most  likely  to  be  applicable  to  Swedish  wastewater treatment  plants,  with  extended  nitrogen  and  phosphorous  removed  as  is  the  case  in  Källby wastewater treatment plant. 

3.1 THEORY Since it in previous studies has been concluded that PAC can be used in order to remove some APIs and oestrogens from wastewater it was expected that an addition of PAC to the later part of the  biological  treatment  process  would  increase  the  removal  of  these  substances.  In  order  to gain an understanding of  the  improvement of  the biological  treatment process when PAC was added, two biological treatment reactors were set up in the laboratory, one with the addition of PAC  and  one  without  PAC.  It  was  presumed  that  that  the  same  biological  treatment  process would take place in both reactors and therefore expected that the reactor with PAC would show a higher removal of the APIs and oestrogens compared to the control reactor with an ordinary biological treatment process.  

 

 

 

 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

12 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    4 Laboratory experiments 

13 

4 LABORATORY EXPERIMENTS All of the laboratory experiments have taken place in laboratories at Water and Environmental Engineering,  Department  of  Chemical  Engineering,  LTH,  Lund  University  whereas  the  GC‐MS analysis have been performed by DTU in Denmark. 

4.1 PURPOSE OF THE EXPERIMENTS The purpose of the experiments was to see whether PAC could accomplish further reduction of APIs and oestrogens in the wastewater compared to standard biological wastewater treatment without  PAC  when  used  at  a  laboratory  scale.  Different  experiments  were  set  up  for  this purpose, see Table 4.1 below. 

TABLE 4.1 Purpose of the experiments performed. 

Experiment  Purpose 

Trial 1 and 2  Gain  a  laboratory  environment  with  parameters  resembling  Källby wastewater  treatment  plant  as  well  as  to  achieve  two  reactors running in an equivalent way.  

Batch 1  Gain knowledge of which  reduction of APIs and oestrogens  that  can be  expected  at  different  concentrations  of  PAC.  Effluent  from  the laboratory treatment process with artificial wastewater was used for the batch experiment. 

Batch 2  Same as batch 1 but now on the effluent water from the new mixture of  artificial  wastewater  with  a  COD  corresponding  to  Källby wastewater treatment plant. 

Experiment 1  See  which  reduction  that  was  accomplished  with  the  PAC concentration 0.1 g per litre artificial wastewater added. 

Experiment 2  See  which  reduction  that  was  accomplished  with  the  PAC concentration 0.05 g per litre artificial wastewater added. 

Experiment 3  Same  as  experiment  2  but  with  an  accurate  amount  of  PAC  being added, since this was not achieved in experiment 2. 

Real wastewater experiment  See  which  reduction  that  was  accomplished  with  the  PAC concentration  used  in  experiment  2  and  3  but  this  time  with  real wastewater  added,  and  also  find  out  if  the  analysis  method  used would function on real wastewater. 

4.2 EXPERIMENTAL 4.2.1 CHEMICALS The  pharmaceuticals  and  oestrogens  used  are  accounted  for  in  section  4.2.3  and  the  artificial wastewater  in  section  4.2.2.  The  following  chemicals were  also  used  in  the  experiments;  PAC (Material number MERCK1.02186.0250, Merck KGaA, Darmstadt, Germany), methanol and ethyl acetate  (both  from  MERCK).  The  type  of  PAC  used  was  chosen  due  to  its  availability  in  the laboratory  and  that  previous  experiments  had  been  done  with  the  same  type  at  Water  and Environmental Engineering, Department of Chemical Engineering, LTH, Lund University (Edalat,  2008). 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

14 

4.2.2 ARTIFICIAL WASTEWATER In order to resemble the wastewater treatment plant, artificial wastewater with the same COD concentration  as  Källby  wastewater  treatment  plant,  was  used  in  the  experiments.  A  stock solution was prepared according to the formula in Table 4.2 and then corrected to a pH in the interval 7.0 to 7.2 by the addition of the buffer solution in Table 4.3 (Nyholm, Berg, & Ingerslev, 1996). In order to prevent growth in the artificial wastewater, peptone and meat extract was not added until the stock solution was to be used. The stock solution has a COD of 1 088 mg per litre and  it was  therefore diluted  to  a  concentration  of  COD at  430 mg per  litre  since  this was  the average  concentration  of  COD  in  the  influent  to  the  biological  part  at  Källby  wastewater treatment  plant  (M.  Petersson,  Källby  wastewater  treatment  plant,  personal  communication, February 18, 2008). Both stock solution and diluted artificial wastewater, apart from the amount being used, were stored in a fridge (6°C) until used, however no longer than four days, in order to  avoid  growth  in  the  wastewater.  Peptone  (order  number  22089)  was  supplied  by  Fluka Sigma‐Aldrich, as was the meat extract (order number 70164). All other chemicals in Table 4.2 to Table 4.4 were supplied by MERCK. 

TABLE 4.2 Chemicals used for the artificial wastewater (Nyholm, Berg, & Ingerslev, 1996).  

Chemical  Amount  (g/L) 

Peptone  8 

Meat extract  5.5 

Urea  1.5 

NaCl  0.35 

CaCl2 ∙ 2 H2O  0.2 

MgSO4 ∙ 7 H2O  0.1 

 

TABLE  4.3  Formula  for  the  buffer  solution  used  to lower  pH  in  the  artificial  wastewater.  1NaH2PO4  ∙  H2O  was  used  in  the  article  but  due  to availability  in  the  laboratory  NaH2PO4  ∙  2  H2O  was used  instead,  after  the  amount  had  been  adjusted (Nyholm, Berg, & Ingerslev, 1996). 

Chemical  Amount  (g/L) 

NaH2PO4 ∙ 2 H2O1 84.21 

KH2PO4  27.2 

K2HPO4  80.1 

An additional buffer solution was added to the artificial wastewater in order to gain an alkalinity corresponding to the nitrogen added from the artificial wastewater. The two chemicals in Table 4.4 were dissolved in distilled water in order to prepare the buffer. 2.5 mL of this buffer solution was added per litre artificial wastewater.  

TABLE 4.4 Chemicals dissolved in distilled water for buffer solution to increase alkalinity. 

Chemical  Amount  (g/L) 

NaHCO3  67.2 

KH2PO4  4.4 

 

4.2.3 PHARMACEUTICAL AND OESTROGEN SOLUTION The  pharmaceutical  oestrogen  solution  used  in  the  experiments  was  mixed  at  DTU  which  in their  turn  ordered  the  substances  from  Sigma‐Aldrich.  The  following  substances  were mixed into the pharmaceutical and oestrogen solution, see Table 4.5. 

 

    4 Laboratory experiments 

15 

TABLE 4.5 Pharmaceuticals  and oestrogens used  in  the experiments. CAS, obtained  from Ternes &  Joss  (2006),  is  a registry number used to identify individual chemicals and pKa is the logarithmic measurement of the acid dissociation constant. All of the substances used were obtained by DTU from Sigma‐Aldrich. 

Pharmaceuticals  CAS  pKa  Oestrogens  CAS  pKa 

Ibuprofen  15687‐27‐1  4.5‐5.2  Oestrone  53‐16‐7  10.71 

Diclofenac  15307‐86‐5  4.15  Oestradiol  50‐28‐2  10.71 

Ketoprofen  22071‐15‐4  4.5  Ethinyl oestradiol  57‐63‐6  10.4‐10.5 

Naproxen  22204‐53‐1  4.2       

Clofibric acid  882‐09‐7  3.0       

Carbamazepine  298‐46‐4  13.9       

 As previously mentioned, section 1.3, the IS functions best for substances that are alike in pKa. Since carbamazepine has pKa much higher than mecoprop, 13.9 compared to 3.11, the analysis for carbamazepine will not be as accurate for this API (K. Hansen, DTU, personal communication, March 14, 2008). This can also be seen further on in the results, found in chapter 5. 

The pharmaceuticals and oestrogens were diluted by DTU  in methanol. 0.1 mL of  the solution added to one litre of artificial wastewater resulted in a concentration of 100 μg of the individual pharmaceuticals  per  litre  artificial wastewater.  For  the  oestrogens  0.1 mL  added  solution  per litre artificial wastewater resulted in a concentration of 25 μg of the individual oestrogens per litre artificial wastewater.  

Concentrations of APIs  and oestrogens were  chosen,  as mentioned  earlier  in  section 1.3, with regard  to  the  analysis method.  That  a  lower  concentration  can  be  used  for  the  oestrogens  is explained  by  that  the  analysis  for  the  oestrogens  is more  sensitive  compared  to  the  analysis method used for the APIs. Due to the methanol, used to dilute the substrates in, an increase in COD concentration in the artificial wastewater occurs when the API oestrogen solution is added. To  counteract  this,  the  dilution  of  the  stock  solution  was  altered  in  order  to  maintain approximately  the same COD concentration  in  the  influent water  as before  the addition of API oestrogen solution. The API and oestrogen solution was stored in a freezer (‐19°C) throughout all of the experiments. 

4.2.4 SLUDGE Sludge  from  Källby wastewater  treatment  plant  was  used  in  all  of  the  experiments  to  gain  a biological wastewater treatment process. This particular wastewater treatment plant represents a  typical  wastewater  treatment  plant  in  the  south  of  Sweden  with  a  high  nitrogen  and phosphorus reduction, with reservation for that their anoxic part is slightly bigger than standard (J. la Cour Jansen, LTH, personal communication, February 18, 2008). 

The sludge was collected in the mornings the 12, 19 February, 5, 26 March, 16 and 28 April, from basin  B9:3,  which  is  included  in  the  aerobic  part  of  the  biological  part  at  Källby  wastewater treatment plant, see Figure 4.1.  

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

16 

 

FIGURE  4.1  Flow  chart  for  Källby  wastewater  treatment,  based  on  figure  in  Källby  environmental  report  2004 (Tekniska förvaltningen, 2005). 

Two  litres of sludge were used  in each reactor and,  to  illustrate  the composition of  the sludge used, the properties of the sludge gathered on the 19 February can be found in Table 4.6. 

TABLE 4.6 Properties of the sludge used in trial experiment 2. (NF) – non‐filtered, (F) ‐ filtered 

NH4­N 

mg/L NO3­N mg/L 

COD­NF mg/L 

COD­F mg/L 

O2 

mg/L pH  Conductivity 

μS/cm Alkalinity mmolHCO3/L 

23  2.7  340  38  0.56  7.0  700  2.8 

 In order  to gain a  sludge age of 30 days, which  is most common  in Sweden (J.  la Cour  Jansen, LTH, personal communication, February 18, 2008); 150 mL of the reactor volume was removed daily Monday  to Thursday and 100 mL was removed on Fridays. The removal was performed during aeration and stirring in order to get a mixed sample. This removal does not mean that the reactor volume is continuously diminishing since there is an inflow of artificial wastewater and a volume of two litres always is maintained after the decantation phase.  

4.2.5 LABORATORY SET UP This  section  will  present  how  the  experiments  were  scaled  to  correspond  to  the  biological treatment  process  at  Källby  wastewater  treatment  plant  and  also  the  set  up  of  the  different experiments. 

Scale related to Källby The  experiments  were  all  scaled  to  correspond  to  Källby  wastewater  treatment  plant,  from which  the  sludge  and wastewater was  collected.  All  information  used  in  the  scaling  has  been obtained  from  M.  Petersson  at  Källby  wastewater  treatment  plant  (personal  communication, February 18, 2008). 

The biological part in Källby contains one anaerobic, four anoxic and three aerobic parts in that order. Due to that it is problematic to get nitrate away in the anaerobic part; only the anoxic and aerobics parts were included in the laboratory experiments. The eight hours cycle time (minus 

    4 Laboratory experiments 

17 

one hour for sedimentation and decantation) was divided up according to the ratio between the anoxic zone and the aerobic one, so that the anoxic time during the experiments lasted for four hours and the aerobic part for three hours. 

The  following  calculations were  performed  in  order  to  scale  the  inflow  of  wastewater  in  the reactors to the inflow to Källby.  

Källby Total zones:    9 Anoxic zones:     4 Aerobic zones:     3 Anaerobic zone:    1 Zone for hydrolysis of return sludge:  1   

Laboratory Anoxic phase:  4 hours Aerobic phase:  3 hours

Average flow, qmedel:  310 L/s Volumebasin used for the anoxic and aerobic zones:  20 000 ·  10   ·     L 

Flow during 4 hours:  4 · 3 600 s  · 310 L/s  Scale Källby:Laboratory:  20 000 ·  10   ·      3 L⁄

To be added per cycle, during anoxic phase: 4 · 3 600 s  · 310 L/s 20 000 ·  10   ·     L   3 L⁄ 0.9 L 

 Since the flow varies throughout the year from 230 L/s in the summer and 340 L/s the rest of the year, one litre artificial wastewater was added to each reactor during the anoxic  four hour phase for each cycle.  

Trial experiments 1 and 2, and experiments 1 to 3 Trial experiments 1 and 2, experiments 1 to 3 and the real wastewater experiment were based on  the  same  flow  chart,  see  Figure  4.2,  whereas  the  batch  experiments  were  performed  as individual batch experiments in e‐flasks not scaled to Källby wastewater treatment plant. 

 

FIGURE 4.2 Flowchart for experiments 1 to 3 and trial experiment 1 and 2. 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

18 

In  the experiments  two reactors, R1 and R0, were used. The  total volume of each reactor was three  litres when  two  litres of  activated sludge and one  litre of artificial wastewater had been added. Both  reactors  cycles were  set  up  in  the  same way  according  to  the  flow  chart  and  the starting and stopping of the different parts were controlled by timers.  

To  reactor  R1  PAC  was  added,  whereas  R0  had  no  addition  of  PAC  and  served  as  a  control reactor  to  provide  information  of  how  much  reduction  of  the  APIs  and  oestrogens  could  be expected through the normal biological wastewater treatment process.  

Start The  experiments  were  started  by  adding  two  litres  of  activated  sludge,  secondary  sludge collected from the biological treatment at Källby wastewater treatment plant, to each reactor. A three  day  initial  running without  dosage  of  PAC was  performed  in  order  to  let  the  activated sludge adjust to the artificial wastewater added.   1. Anoxic phase The  anoxic  phase was  set  to  four hours based  on Källby wastewater  treatment plant.  Stirring (with IKA Labortechnik speed 1 agitators) was continuous throughout this part. 

Addition of wastewater Wastewater was  supplied  from  the  same  container  to both  reactors by  the use of  two pumps (ISMATEC Labinett R1: 46 rpm, R0: 47 rpm) through two separate hoses (inner diameter 2 mm). This drop speed gave an inflow of one litre of artificial wastewater over the four hours that the pumps were set to run for. The wastewater was added throughout the anoxic phase in order to simulate continuous operation. 

2. Aerobic phase The  three  hour  aerobic  phase  also  took  place  under  stirring.  In  order  to  achieve  an  aerobic reactor, aeration was added by a flow of air into the reactors. It was not possible to measure the flow of air, however measurements of the oxygen concentration in the two reactors can be found in Table 9.2  and Table 9.3.  It  is  important  that  there  is oxygen present  in  the  reactors  for  the nitrification to take place.  

Addition of PAC To R1 PAC was added during the aerobic phase. When 30 minutes remained of phase 2 the PAC was added. The PAC was stored in an e‐flask, 500 mL, standing on a magnetic stirrer during the experiments,  in  order  to  prevent  sedimentation  of  PAC  and  covered  with  parafilm  to  avoid evaporation. PAC was dissolved in distilled water into a concentration 100 times stronger than the one desired in one litre of the artificial wastewater since the maximum flow of PAC from the e‐flask was limited by the pump used (Alitea 999 rpm). The dosage of PAC was decided to be as immediate as possible and the pump had the capacity to pump 10 mL of PAC over the time of 4 minutes (with a hose, inner diameter 3 mm), hence the used concentration.  

To R0 no PAC was added. Since PAC is a carbon source added to R1, methanol should have been added to R0 in order to gain the same increase of COD in this reactor as well. This was not done in the experiments due to that this aspect was not observed until after the experiments had been performed.  The  added  amount  of  0.05  g  PAC  per  litre  artificial  wastewater  in  R1,  can  be corresponded by  an  addition  of  0.17 mL methanol  per  litre wastewater  in R0,  resulting  in  an increase in COD with 200 mg per litre, see Appendix C for calculations. 

    4 Laboratory experiments 

19 

3. Sedimentation During sedimentation no stirring or aeration was on in order to let the sludge settle. 

4. Decantation Decantation was performed by two pumps that were connected to glass pipettes  fastened at a set  level  so  that  a  volume  of  two  litres  always  was  maintained  in  the  reactors  after  the decantation. The effluent from each reactor was collected in two separate containers and these containers were used to gather samples from for the daily parameters as well as for the analysis. The two containers also served as a simple version of flow controllers to ensure that R1 and R0 had  the  same  addition  of  artificial  wastewater.  The  time  it  took  to  pump  out  one  litre,  not counting  the  volume  taken  out  for measurement  of  sludge  suspension, was  approximately  10 minutes. 

Figure  4.3,  below,  shows  the  laboratory  set  up  during  the  decantation  phase  when  the  trial experiments were performed, i.e. no PAC addition.  

 

FIGURE  4.3  Laboratory  set  up  of  the  reactors.  The  photo  was  taken  during  decantation  phase  (Photo:  Caroline Säfström). 

The first six cycles in experiment 1 to 3 were carried out with no addition of APIs or oestrogens to the artificial wastewater in order to wash the activated sludge from the real wastewater and to adapt  the  sludge  to  the artificial wastewater used. For  the  next  following eight  cycles, APIs and oestrogens were added to both reactors, from the spiked artificial wastewater, and PAC to R1. This was done before sampling commenced since an accumulation of PAC in the sludge was expected and also in order to reach an API and oestrogen concentration of 100 μg per litre in the reactors. Samples were taken out as 24‐hours collection samples, i.e. sample one from cycle 15 to 17, sample two from cycle 18 to20 and so on. 

Batch 1 and 2 The two batch experiments were performed as one day experiments. The first batch experiment was performed on treated artificial wastewater from trial experiment 1. It was established that the  artificial  wastewater  used  in  batch  experiment  1  had  a  too  high  COD  concentration. Therefore  a  second  batch  experiment,  with  treated  wastewater  that  had  an  adjusted  COD concentration corresponding to Källby wastewater treatment plant, was performed. This second batch experiment was done in order to get results on the treated wastewater from the process with  the  parameters  that would  be  used  in  the  following  experiments.  In  batch  experiment  2 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

20 

testing was  also  done  for  different  reaction  times,  i.e.  the  PAC was  allowed  to  react with  the dissolved constituents during different  long time periods,  in order to gain an understanding of what time is needed for PAC to react with the substances present. 

All of the batch experiments were performed according to the description below, Table 4.7. 

TABLE 4.7 Step by step description of the batch experiments. 

1.  Different PAC concentrations [0.05 0.1 0.2 0.4 0.6 g/L] were added to e‐flasks.  

2.  Treated  artificial  wastewater  from  R1  and  R0  was  spiked  with  the  API  and  oestrogen solution to the concentration of 100 μg APIs per litre and 25 μg oestrogens per litre. 

3.  500 mL of the treated artificial wastewater was added to each e‐flask containing PAC. 

4.  The  e‐flasks  were  placed  in  magnetic  stirrers  and  covered  with  parafilm  to  prevent evaporation. 

5.  After 2 hours (for the e‐flasks with different PAC concentrations) respective [0 15 30 60 120] min (for the e‐flasks testing the time intervals in batch 2), the samples were filtrated.  

6.  The filtration was done through a first filtration in coarse filters (with a flow of 450 mL/min) so that the PAC would not block the finer glass filters and then a following double filtration in glass filters (Whatman GF/C, 1.2 μm). 

7.  After filtration the samples were preserved using a buffer prepared by DTU (contents for this buffer solution for preservation can be found in Appendix B).  

8.  IS was added to the samples just before the Solid Phase Extraction (SPE) was performed and the cartridges were then sent to DTU for analysis in GC‐MS. 

 The set up for the batch experiments can be seen in Figure 4.4. The different reaction times and amounts of PAC that was used can be found in Table 4.8.  

 

 

FIGURE  4.4  Set  up  of  the  batch  experiments  where treated  artificial  wastewater  was  added  to  a  PAC concentration in e‐flasks on magnetic stirrers. 

TABLE 4.8 Reaction time and amount PAC that was used in the 10 different samples in the e‐flasks in batch 2. 

Sample  Reaction time  (min) 

Sample  Amount PAC (g/L) 

0.6 g PAC concentration  120 min reaction time 

1  0  6  0.05 

2  15  7  0.1 

3  30  8  0.2 

4  60  9  0.4 

5  120  10  0.6 

 4.2.6 ADVICE FOR FUTURE RUNNING THE REACTOR EXPERIMENTS Artificial wastewater When the experiments were started it was expected that the artificial wastewater would be able to stand out in room temperature for four days without growth and odour occurring. During the 

    4 Laboratory experiments 

21 

first trial experiment however an odour was noticed from the artificial wastewater already after two days and when  left out  in room temperature, 22°C,  from Friday through Monday a yeasty odour had spread in the laboratory. The problem with growth in  the artificial wastewater was solved  by making  a  solution  of  all  ingredients  but  for  peptone  and meat  extract  in  the  stock‐solution. The peptone and meat extract, which was thought to be the main cause of the growth and  smell, was  then  just  added when  the  solution was  to be used. Throughout  the  rest of  the experiments no further odour or growth was noticed. 

Sludge When the experiment was planned  it was  feared  that  the  texture  and volume and  thereby  the sedimentation  of  the  sludge  might  become  affected  by  the  added  APIs,  oestrogens  and  PAC. However  the  sedimentation did not  seem  to  be  affected  in  the  experiments  and  there was no problem at any time with sludge in the effluent in the decantation. 

PAC The addition of PAC was done from an e‐flask through a hose by a pump, as previous mentioned. This proved to be a  less reliable method. The first  issue was that an instant dosage of the PAC was  desired  whereas  the  pump,  which  was  slow,  needed  four  minutes  in  order  to  add  the decided amount of PAC. This was considered to be of minor importance though. 

In experiment 1 there were problems with the  inflow of PAC, diluted  in distilled water, due to clogging  in  the  hose  (inner  diameter  3  mm).  The  problems  were  experienced  with  PAC  at  a concentration  of  10  g  PAC  per  litre  in  the  e‐flask.  To  counteract  this,  the  PAC  solution  was diluted two times with a corresponding doubling of the volume, 20 mL instead of 10 mL, of the PAC solution added. Also, the PAC‐hose was rinsed each morning and refilled with PAC solution. With a concentration of 5 g PAC per litre in the e‐flask and the rinsing of the hose, the clogging diminished and approximately 0.1 g PAC was added per cycle as intended. 

Since  problems  occurred  with  the  PAC  dosage  and  in  order  to  know  the  exact  amount  PAC added, the e‐flask containing PAC was weighed each morning and an average dosage of PAC was calculated for the collected three cycle sample.  

Clogging of PAC in the hose also occurred in experiment 2, resulting in that not enough PAC was supplied.  The  concentration  used  in  the  e‐flask  was  5  g  per  litre  and  rinsing was  performed daily. The clogging probably occurs due to a too high concentration of PAC in the e‐flask and that there are only three inflows per 24 hours. In the time between the cycles, the PAC clogs up in the hose. A possible  solution  is  to use  a  hose with  a  greater diameter  and  to dilute  the PAC even more.  

In experiment 3, a concentration of 1.25 g PAC per litre was used in the e‐flask. 40 mL of the e‐flask PAC solution was added to R1 and a hose of  larger inner diameter (inner diameter 5 mm instead of the 3 mm one in the previous experiments) was used. This resulted in a more stable and close to 0.05 g PAC dosage per litre wastewater.  

4.2.7 SAMPLING Effluent samples were taken once a day, i.e. the reduction of PAC and oestrogens were analysed on a three cycle average sample.  

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

22 

In order  to  control  that  the  treatment process  in  the  two  rectors, R1 and R0, was  similar,  the following measurements, Table 4.9, were taken Monday to Friday.  

TABLE  4.9  Measurements  and  methods  used,  in  order  to  control  the  running  of  the  two  reactors,  R1  and  R0. 1Nonfiltered/Filtered 

Measurements  Method 

COD (N/F)1  Samples  from  the  effluent  were  analysed  with  Dr  Lange  LCK  114.  Since  the concentration of COD was below the normal measurement interval Dr Lange 814 was used.  

NH ‐N  Ammonium was analysed with Dr Lange LCK 303 on the effluent water. 

NO ‐N  Nitrate was analysed with Dr Lange LCK 339 on the effluent water. 

Tot‐N  Total nitrogen was analysed with Dr Lange LCK 138 on the effluent water. 

O   The oxygen  level was measured approximately 10 minutes after aeration had started with WTW Oxi 197‐S. 

pH  pH was measured  in  the reactors with a WTW pH 320 meter  in  the beginning of  the aerobic phase. 

Conductivity  The conductivity was measured in the reactors during aeration with a WTW Cond 340i Meter. 

Alkalinity  Alkalinity was measured by titration (according to Swedish standard SS‐EN 9963‐1) of effluent samples with hydrochloric acid (HCl) at a concentration of 0.05 M. 

Temperature  Temperature was taken during the aerobic part in the reactors. 

Sludge suspension 

A 10 mL sample from each of the reactors was collected during aeration. The sample was filtrated through a glass filter (VWR Glass Microfilter 691 5.5 cm, 1.6 μm equal to GF/A) that had been weighed, and then dried for 1 hour at 100°C according to Swedish standard SS‐EN 872. This gives the sludge suspension in g/L. 

 Preparation of sample for analysis The samples taken out were filtered twice through glass filters (Whatman GF/C, 1.2 μm) in order to remove as much as possible of  the PAC that might be present,  since still present PAC could disrupt  the  GC‐MS  analysis.  The  decision  to  filter  the  solution  twice, with  change  of  the  glass filter  in between, was based on a  try out where PAC was dissolved  in distilled water and then filtered.  In  the  second  filtration  no  grey  colour  could  be  observed  on  the  filter  and  it  was considered that the PAC had been successfully removed.  

Since the samples were going to be stored in between one day to one week in a fridge before the SPE the samples had to be preserved. After the filtration, a phosphate buffer solution (pH 3) was therefore added. This buffer solution was prepared by DTU, since it had been used in a previous project  (Hansen,  Photochemical  Methods  for  Degradation  of  Estrogens  and  Pharmaceuticals, 2007) where collected samples had been preserved in the same way.  

From each reactor and time of sampling, a sample of 250 mL was preserved. The volume sample, 250 mL, that was used for the SPE was decided by DTU to correspond with the analysis method, GC‐MS. 

   

    4 Laboratory experiments 

23 

4.2.8 SOLID PHASE EXTRACTION SPE is a method to extract substances from a solution onto a solid phase. It is done in order to simplify  the  following  analysis  since  the  matrix  becomes  easier  to  analyse  when  it  is  less complex, i.e. less substances are present (Sigma‐Aldrich, 2008).      The SPE was performed with Oasis HLB 30 μm extraction cartridges supplied by Waters and an IST Vac Master, supplied by  Sorbent, Figure 4.5 and Figure 4.6.  

 FIGURE 4.5 Set up of the SPE. 

 FIGURE 4.6 Oasis cartridges. 

The following steps were performed in the SPE, Table 4.10. 

TABLE 4.10 Steps performed in the SPE. 

Step  Description 

1.  250 μL of the IS mecoprop was added to each of the preserved 250 mL samples. The purpose of adding  a  known  amount  IS  is  to  compensate  possible  losses  in  the  SPE  and  analysis  of  the substances. 

2.  The  cartridges were  activated  through  conditioning with  3 mL  ethyl  acetate,  3 ml methanol followed  by  3 mL  acidified water  (pH  2.6).  The  acidified water  was  prepared  by  adding  the same phosphate buffer that was used for preserving the samples to distilled water until a pH of 2.6 was reached. 

3.  After the activation the cartridges were filled up with another 3 mL of acidified water in order for the cartridges not to go dry in the time it takes for the sample to reach the cartridge through the hose. 

4.  A drop speed of approximately one drop per second was used at a vacuum pressure at 0.25 bar. The  different  flasks  gave  different  flows  and  the  flasks  were  therefore  placed  on  different heights  to  compensate  for  this  so  that  the  cartridges  would  not  overflow.  When  all  of  the samples had passed through the cartridges, the cartridges were dried with maximum vacuum pressure  for one hour or until dry (this can be tested by  looking at the cartridge;  if  the  filling behaves as a powder then the cartridge is dry). 

5.  The dry cartridges were then put in a plastic container and sent to DTU for analysis through GC‐MS. 

 At one occasion there was not enough time to let the cartridges dry completely that day and they were therefore frozen down and dried at another time, this does however not affect the analysis results. It is only dry cartridges that can be stored as they are.  

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

24 

4.2.9 GAS CHROMATOGRAPHY‐MASS SPECTROMETRY After  the  SPE,  the  columns were  sent  onwards  to DTU  for  GC‐MS  analysis.  Since  the  columns were completely dried in the SPE there was no need for freezing them before transport and they were transported in a regular plastic box by car to DTU. 

Only a brief description of the GC‐MS will be presented here since that analysis is not part of this master thesis and was completely performed by DTU.  

The GC separates the different substances from each other through heating. This is possible due to  the  substances  differences  in  volatility.  The  MS  measures  the  substances  based  on  their structure and produces a mass spectrum. (Oregon State University, 2008)  All of the GC‐MS analyses were performed on a MS, Agilent Technologies Mass selective detector 5973  N,  and  a  GC,  Network  GC  System  6890  N  Injector  7683  Series,  by  K.  Hansen,  Research Assistant, DTU Environment, DTU. Details of the method will not be presented here, but can be found  in  Photochemical Methods  for  Degradation  of  Estrogens  and  Pharmaceuticals  (Hansen, Photochemical Methods for Degradation of Estrogens and Pharmaceuticals, 2007).              

    5 Results 

25 

5 RESULTS  In this chapter the results from the different experiments will be presented. It was not possible however  in  the analysis  to gain  results  for carbamazepine, due  to  the  fact  that carbamazepine did not behave linear in the analysis range that was used and it was neither possible to fit a soft curve  to  the  measure  points,  as  can  be  seen  in  Figure  5.1  (K.  Hansen,  DTU,  personal communication, May 8, 2008). Therefore no results for the API carbamazepine will be presented.  

 

FIGURE 5.1 Standard curve for experiment 1, where all substances part from carbamazepine are linear in the interval used. 

Sample 1, 2, 3 etc. have been used throughout the chapter to indicate the order of the days the sample have been collected. 

5.1 BATCH 1 Batch 1 was performed in order to control that the analysis method that was planned for all of the experiments would  function on  the effluent  from the reactors.  It was also done  to gain an understanding  of  the  removal  of  APIs  and  oestrogens  that  could  be  expected  at  different concentrations of PAC.  

It was discovered that the artificial wastewater that had been used in trial experiment 1 had an almost three times higher COD concentration than was planned. Therefore  it was decided that the results  from batch 1 were not relevant as a base  for  the coming experiments. Batch 1 was also performed without access to internal standard due to delivery problems which meant that the  losses  in  the  SPE  and  following  analysis  were  unknown.  However  the  analysis  did  give results  on  concentrations  and  showed  that  the  SPE  and  GC‐MS  would  function  as  analysis method for the upcoming experiments. 

5.2 BATCH 2 In batch 2 the COD concentration in the artificial wastewater had been adjusted and the results from this batch experiment were used to decide which PAC concentration that was going to be added in experiment 1. The batch 2 experiment was also performed in order to gain knowledge of the impact of the reaction time for the PAC so that an appropriate time for addition of PAC to the reactors could be decided. 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

26 

5.2.1 PAC CONCENTRATION The analysis of the sample where no PAC had been added, detected API levels for four of the five APIs  that  were  higher  than  the  added  amount  of  100  μg,  as  shown  in  Figure  5.2.  This  is presumably due to that the APIs and oestrogens bind to the cartridges in a different ratio than the  IS, due to differences  in acidity. The higher concentrations  that were analysed  in sample 1 have been used as starting concentrations for the calculations of the reduction and therefore the removal ratio is not affected by the initially higher concentrations analysed.  

 FIGURE 5.2 Results from batch 2 for sample 1 with no added PAC. It is notable that four of five concentrations detected in the sample are higher than the concentration of 100 μg APIs added per litre, marked out in the figure. 

In order to emphasize the removal in the five samples where PAC was added, these are shown separately in Figure 5.3. 

 FIGURE 5.3 Results from batch 2 for samples 2 to 6 with different amounts [0.05  0.1  0.2  0.4  0.6  g/L] of PAC added. The added amount 100 μg has been marked out in the figure. 

In all five samples where PAC had been added a removal of APIs had occurred. With an addition of 0.4 g PAC per litre wastewater there is a removal efficiency of 99 % or more for all of the APIs. From  an  economic  perspective  a  low  dosage  of  PAC  is wanted.  According  to  the  results  from 

0

100

200

300

400

0 g PAC/L

APIs (μ

g)

Added PAC (g/L)

Batch 2(sample 1)

Ibuprofen Diclofenac Ketoprofen Naproxen Clofibric acid

0

20

40

60

80

100

0.05 0.1 0.2 0.4 0.6

APIs (μg/L)

Added PAC (g/L)

Batch 2 (sample 2 to 6)

Ibuprofen Diclofenac Ketoprofen Naproxen Clofibric acid

    5 Results 

27 

batch  2  a  concentration  of  0.1  g  PAC  per  litre  wastewater  results  in  the  following  removal efficiencies of the different APIs, Table 5.1. 

TABLE 5.1 Detected amounts and removal efficiencies of APIs with a PAC concentration of 0.1 g per litre wastewater.  

API  Ibuprofen  Diclofenac  Ketoprofen  Naproxen  Clofibric acid Amount (μg/L)  21  2.1  12  14  13 Removal (%)  94  98  95  95  90  The  removal  has  been  calculated  based  on  the  sample with  no  PAC,  see  Figure  5.2.  Since  the starting concentrations detected were higher than the 100 μg per litre added to the sample for all  APIs  apart  from  diclofenac,  the  reduction  may  be  overestimated.  This  is,  however,  not necessarily the case, since the same analysis overestimation could account for a higher amount of APIs in the after following samples, therefore resulting in the same reduction ratio. 

Based on the results, all of the APIs reach a removal efficiency of 90 percent or higher when 0.1 g PAC is added per litre wastewater. Clofibric acid has the lowest removal efficiency at 90 percent whereas diclofenac has the highest, 98 percent. 

Given that the aim is to find a method that in the future could be used in wastewater treatment plants,  it  is  important  to minimise  the amount of PAC used  in order  to have as  low  treatment cost as possible. The lower concentration of 0.05 g PAC per litre wastewater was also tested in batch 2. This resulted in the following removal efficiencies, Table 5.2. 

TABLE 5.2 Detected amount and reduction of APIs at a PAC concentration of 0.05 g per litre wastewater. 

API  Ibuprofen  Diclofenac  Ketoprofen  Naproxen  Clofibric acid Amount (μg/L)  52  4.6  14  14  74 Removal (%)  84  95  94  94  42  When a concentration of 0.05 g PAC per litre wastewater is used it results in a removal of 84 to 95 percent for four of the five APIs. Clofibric acid is however only removed by 42 percent.  

A 90 to 98 percent removal, Table 5.1 of all the APIs however was considered sufficient, based on  comparison  with  the  removal  efficiencies  in  the  literature,  see  section  2.4.3,  and  it  was decided  based  on  the  results  from  batch  2  to  use  a  concentration  of  0.1  g  PAC  per  litre wastewater in experiment 1.  

5.2.2 REACTION TIME Results from the different reaction times are found in Figure 5.4, below. A concentration of 0.6 g PAC per litre wastewater was used in all of the time experiments. 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

28 

 FIGURE 5.4 Amount of APIs after the different time intervals with an added PAC concentration of 0.6 g. The line marks the added amount of 100 μg/L APIs. 

In Figure 5.4 it is shown that already after 15 minutes less than 10 μg per litre is left of the five APIs compared to the initial concentrations of 100 μg per litre in Figure 5.2. After two hours 100 percent removal, of all APIs, is achieved.  

Results  for  the  shortest  reaction  time,  five  minutes,  are  presented  in  Table  5.3.  The  same inconsistency occurs here as  in Table 5.1, that e.g. a concentration of 30 μg per  litre  ibuprofen corresponds to a removal efficiency of 92 percent due to that the initial concentration detected is higher than the 100 μg API added per litre. 

TABLE 5.3 Amount and removal efficiency after five minutes reaction time with a PAC concentration at 0.6 g per litre. 

API  Ibuprofen  Diclofenac  Ketoprofen  Naproxen  Clofibric acid Amount (μg/L)  27  1.0  10  16  4.4 Removal (%)  92  99  96  94  97  Batch 2  shows  that  the PAC removal of APIs  is  rapid and after  five minutes 92  to 99 percent, depending  on  API,  have  been  removed.  After  two  hours  100  percent  of  the  APIs  had  been removed.  Based  on  the  results  from  batch  2,  PAC  was  added  to  R1  when  30 minutes  of  the aerobic phase remained in the laboratory set up. 

5.2.3 OESTROGENS In batch 2  the  following  removal efficiencies were obtained  for  the oestrogens when different PAC  concentrations  and  reaction  times  were  used,  see  Table  5.4  and  Table  5.5.  All  of  the oestrogens have been completely or almost completely removed and therefore only the removal efficiencies and no amounts will be accounted for in the oestrogen results. 

   

020406080100

5 15 30 60 120

API (μg/L)

Time (min)

Batch 2(time intervals, added PAC 0.6 g)

Ibuprofen Diclofenac Ketoprofen Naproxen Clofibric acid

    5 Results 

29 

TABLE  5.4  Results  from  batch  2  where  different amounts  of  PAC  have  been  used.  The  reaction  time was two hours. 

Oestrogen  Removal (%) 

  0.05  0.1  0.2  0.4  0.6 

  g PAC/L 

Oestrone  100  100  100  100 100 

Oestradiol  98  98  100  100 100 

Ethinyl oestradiol 

99  99  100  100 100 

 

TABLE 5.5 Results  from batch 2 where 0.6 g PAC per litre artificial wastewater have been allowed  to  react during different time intervals. 

Oestrogen  Removal (%) 

  5  15  30  60  120 

  min 

Oestrone  100  100  100  100 100 

Oestradiol  99  99  100  99  100 

Ethinyl oestradiol 

100  100  100  100 100 

As  can  be  seen  in  Table  5.4  100  percent  removal  efficiency  is  achieved  (detection  limit  for detected but not quantified is 0.25 μg) with a used PAC concentration of 0.02 g per litre artificial wastewater. A PAC dosage of 0.05 and also 0.1 g PAC per litre wastewater results in a reduction of 98 to 100 percent. With a removal efficiency at 98 percent of the oestrogens a PAC dosage of 0.05 g per  litre artificial wastewater would be  satisfactory. Table 5.5  shows  that  already after five minutes there is a 99 to 100 percent reduction of the APIs when a PAC concentration of 0.6 g PAC per litre wastewater has been used. A long reaction time is therefore not needed to gain an adsorbtion of the oestrogens to PAC.  

5.2.4 BATCH 2 IN TOTAL From the results in batch 2 the decision was made to use a PAC concentration of 0.1 g PAC per litre  artificial  wastewater.  Due  to  the  rapid  removal  of  APIs  and  oestrogens  in  the  batch  2 experiment  it  was  also  decided  to  add  the  PAC  30  minutes  before  sedimentation  starts  in experiments  1  to  3.  Another  reason  for  wanting  to  add  the  PAC  as  late  as  possible  in  the treatment  process  is  that  there  is  a  reduction  of  the  APIs  and  oestrogens  in  the  ordinary biological  treatment  process  even  if  no  PAC  is  added,  and  this  reduction  should  be  taken advantage of. 

5.3 EXPERIMENT 1 – 0.1 G PAC PER LITRE ARTIFICIAL WASTEWATER Based on batch 2, 0.1 g PAC per litre artificial wastewater was added to R1 in experiment 1. R0 had no addition of PAC and served as a reference of the removal of APIs to be expected in the treatment process without any PAC added.  

In experiment 1  it was presumed that the PAC dosage would function and therefore no record was taken of the dosage. It proved however that the PAC dosage was less reliable than presumed and the results in Table 5.6 are therefore presented with the reservation that the dosage of PAC most likely was not constant at 0.1 g. 

For all calculations of removal efficiency, the found concentrations of APIs have been compared to the added amount of 100 μg APIs per litre and the analysed concentrations of oestrogens have been compared to the added amount of 25 μg per  litre. The analytical overestimation has thus not been taken into consideration when calculating the removal efficiencies for experiment 1. 

   

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

30 

5.3.1 APIS – EXPERIMENT 1 A concentration of 0.1 g PAC per litre wastewater resulted in the following reductions, Table 5.6.  

TABLE 5.6 Concentrations detected in samples from experiment 1. (< 1) – detected, not quantified 

  Sample  R1  (μg/L) 

R0  (μg/L) 

  Sample  R1 (μg/L) 

R0 (μg/L) 

Ibuprofen  1  < 1  < 1  Diclofenac  1  77  100   2  < 1  < 1    2  13  110   3  < 1  < 1    3  < 1  110   4  110  1.4    4  5.5  79                Ketoprofen  1  40  59  Naproxen  1  8.9  21   2  6.4  57    2  2.2  22   3  < 1  50    3  < 1  23   4  6.3  210    4  21  163                Clofibric acid  1  100  104       2  50  110     3  7.1  110     4  1030  142    As can be seen in the results above, the amount of APIs found is in general lower in the samples where PAC has been added and it is therefore indicated that a further removal of APIs is reached when PAC is added compared to ordinary biological wastewater treatment.  

There are however also results which are more problematic to interpret. Found concentrations in sample 4 of clofibric acid 10 times higher than added is not reasonable since that would mean production of clofibric acid. It has not been possible to establish the reason for this deviation but one possible explanation could be that the IS does not bind in the same way as the substances to the cartridges used.  

The removal efficiencies in percent of ibuprofen and diclofenac for experiment 1 are presented in Figure 5.5 to Figure 5.6 below.  

   

    5 Results 

31 

 

FIGURE 5.5 Removal, in percent, of ibuprofen in R1 and R0 in experiment 1 presented as columns and values. The negative value is not represented as a column. 

 

FIGURE  5.6  Removal,  in  percent,  of  diclofenac  in  R1 and  R0  in  experiment  1  presented  as  columns  and values.  Negative  values  are  not  represented  as columns. 

As can be seen in Figure 5.5 ibuprofen is almost completely removed both in the reactor where PAC has been added as well as in the reactor where no PAC has been added. The conclusion can therefore be drawn that ibuprofen is most likely satisfactorily removed in wastewater treatment plants today.  

The  measurement  for  sample  4,  R1  shows  a  negative  removal,  i.e.  indicating  that  there  is  a production  of  ibuprofen.  This  is  not  considered  possible  and  this  value  has  therefore  been neglected as a possible sample or analysis error.  

Diclofenac,  Figure  5.6,  also  demonstrates  higher  removal  efficiency  when  PAC  is  added.  In sample 2, 3 and 4 for R1 there is a removal of 87, 99 and 95 percent, whereas R0 has a negative removal efficiency for sample 1 to 3. The average removal efficiency for diclofenac in experiment is 76 percent for R1 and 21 percent for R0 (negative values not included in the calculation). 

 

FIGURE  5.7 Removal,  in  percent,  of  ketoprofen  in  R1 and  R0  in  experiment  1  presented  as  columns  and values.  The  negative  value  is  not  represented  as  a column. 

 

FIGURE 5.8 Removal, in percent, of naproxen in R1 and R0 in experiment 1 presented as columns and values. The negative value is not represented as a column. 

For all samples of ketoprofen a better removal efficiency has been achieved in R1 than in R0, see Figure 5.7, and PAC does provide an improved removal of this API. An average removal rate that can be expected for ketoprofen is 87 percent when PAC is used, compared to one of 45 percent 

1 2 3 4R1 100 100 100 ‐10R0 100 100 100 99

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Ibuprofen

1 2 3 4R1 23 87 99 95R0 ‐1 ‐8 ‐9 21

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Diclofenac

1 2 3 4R1 60 94 100 94R0 42 43 50 ‐110

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Ketoprofen

1 2 3 4R1 91 98 100 79R0 79 78 77 ‐63

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Naproxen

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

32 

(the negative removal in sample 4, R0 has not been included in the calculation) without the use of PAC. 

The same consistency can be found with naproxen, see Figure 5.8, where R1 provides a better removal  of  APIs.  The  difference  between  using  PAC  and  not  is  however  not  as  marked  for naproxen as with ketoprofen. The use of PAC provides a removal efficiency of approximately 92 percent whereas not using PAC gives a reduction of 78 percent (once again the negative removal in sample 4, R0 has not been used in the calculation).  

 

 

FIGURE  5.9 Removal,  in  percent,  of  clofibric  acid  in  R1  and  R0  in  experiment  1  presented  as  columns  and  values. Negative values are not represented as columns. 

All  of  the  samples  for  clofibric  acid present  a negative  removal  in R0,  see Figure 5.9.  It  is not likely  however  that  clofibric  acid  has  been  produced  in  the  wastewater  treatment  process. Sample 2 and 3, where PAC has been added, have a reduction of 50 respective 93 percent which might indicate better removal efficiency in R1 compared to R0. However sample 4, R1 shows a negative removal of 930 percent. That would mean that the concentration in the sample would be ten times higher than the one added. Since the results for clofibric acid in experiment 1 are inconsistent no clear conclusions can be made. 

5.3.2 OESTROGENS – EXPERIMENT 1 The oestrogen oestrone was not successfully analysed by DTU for experiment 1, 2 or 3, however the  following  removal  efficiencies  were  achieved  for  oestradiol  and  ethinyl  oestradiol  in experiment 1, Table 5.7. 

TABLE 5.7 Removal in percent of oestradiol and ethinyl oestradiol in R1 and R0 for experiment 1. Detection limit for detected but not quantified is 0.25 μg. 

Oestrogen  Removal (%) 

Sample  1  1  2  2  3  3  4  4 

Reactor  R1  R0  R1  R0  R1  R0  R1  R0 

Oestradiol  100  100  100  100  100  100  100  100 

Ethinyl oestradiol  97  85  100  82  100  44  100  80 

 As  can  be  seen  in  Table  5.7  there  is  a  100  percent  removal  (quantification  limit  0.25  μg)  of 

1 2 3 4R1 1 50 93 ‐930R0 ‐4 ‐12 ‐10 ‐42

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Clofibric acid

    5 Results 

33 

oestradiol  in  both  reactors  and  there  is  therefore  no  need  to  add  PAC  in  order  to  achieve  a removal of oestradiol. For ethinyl oestradiol however there is a difference in removal efficiency where R1, with PAC, demonstrates a higher removal efficiency than R0. The average removal of ethinyl oestradiol in R1 is 99 percent and for R0 73 percent. 

5.3.3 EXPERIMENT 1 IN TOTAL Experiment  1  shows  that  a  satisfactory  removal,  i.e.  100  percent,  of  ibuprofen  and  oestradiol occurs in both reactors and there is no need to add PAC to remove ibuprofen and oestradiol. PAC does however  increase the removal of diclofenac, ketoprofen, naproxen and ethinyl oestradiol. For clofibric acid no clear conclusions could be drawn from the results.  

Based the  fact  that a sufficient removal efficiency was reached for  in experiment 1 with a PAC concentration of 0.1 g PAC per litre wastewater it was decided that a concentration of 0.05 g PAC per  litre wastewater would  be  used  in  experiment  2.  Experiment  2 was  also  intended  to  give information of how much  removal  capacity would be  lost when  the  concentration of PAC was decreased,  since  it  is  important  to  find  a  balance  between  removal  efficiency  and  cost,  i.e. amount PAC used. 

5.4 EXPERIMENT 2 – 0.05 G PAC PER LITRE ARTIFICIAL WASTEWATER In experiment 2 a 0.05 g PAC was added per litre in R1, whereas R0 served as a control reactor to  account  for  the  removal  without  added  PAC.  Due  to  clogging  in  the  hose,  previously mentioned in section 4.2.6, the fixed amount of 0.05 g PAC per litre and cycle was not added. The amount PAC actually added is accounted for in Table 5.8. 

TABLE 5.8 Added amount of PAC. The amount intended to be added was 0.05 g PAC per cycle. 

Sample  PAC added (g/L)  PAC added (%)1  0.045  90 2  0.075  150 3  0.036  72 4  0.026  52 5  0.0035  7 

 The  results  from  experiment  2 will  reflect  the  variance  in  the  PAC  addition  since  it  has  been concluded in batch 2 that a larger amount of added PAC will result in larger removal efficiency.  

In  the  analysis  performed  by  DTU,  the  samples  from  experiment  2  were  analysed  in  two different parts where sample 1, 2, 3 R1 and 1, 2, 3, R0 were analysed at one time and sample 4, 5 R1 and 3, 4, 5 R0 at another time. Removal efficiencies have been calculated in the same way as for experiment 1, see section 5.3. 

5.4.1 APIS – EXPERIMENT 2 Table 5.9 below shows the amounts of APIs found in the samples from experiment 2.  

   

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

34 

TABLE 5.9 Concentrations detected in samples from experiment 2. (< 1) – detected, not quantified 

  Sample  R1  (μg/L) 

R0  (μg/L) 

  Sample  R1 (μg/L) 

R0 (μg/L) 

Ibuprofen  1  < 1  < 1  Diclofenac  1  20  35   2  < 1  < 1    2  43  71   3  < 1  < 1    3  27  91   4  < 1  < 1    4  38  100   5  < 1  < 1    5  3.0  150                Ketoprofen  1  19  32  Naproxen  1  12  21   2  36  53    2  20  29   3  21  63    3  12  34   4  26  61    4  17  38   5  1.9  200    5  1.9  190                Clofibric acid  1  44  57       2  74  101     3  76  110     4  72  120     5  13  100    In  the  same  way  as  in  experiment  1  the  ibuprofen  is  removed  by  the  biological  treatment process itself and there is no need to add extra PAC in order to remove ibuprofen. Figure 5.10 to Figure 5.11 shows removal efficiencies of ibuprofen and diclofenac expressed in percent.  

 

FIGURE  5.10 Removal,  in  percent,  of  ibuprofen  in  R1 and  R0  in  experiment  2  presented  as  columns  and values. 

 

FIGURE 5.11 Removal,  in  percent,  of  diclofenac  in  R1 and  R0  in  experiment  2  presented  as  columns  and values.  Negative  values  are  not  represented  as columns. 

A complete removal is achieved in both R1 and R0 of ibuprofen. For diclofenac the results from experiment 2 shows a lower removal efficiency compared to experiment 1. R1 in samples 1 to 3 provides a removal of diclofenac with an average of 57 percent compared to R0 with an average of 34 percent. Also sample 4 and 5 have a high removal of diclofenac in R1, whereas the removal in R0 is none. The higher dosage of PAC for sample 2 is not traceable in the removal efficiency for diclofenac since no increased removal was shown in sample 2. 

1 2 3 4 5R1 100 100 100 100 100R0 100 100 100 100 100

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Ibuprofen

1 2 3 4 5R1 80 57 33 62 97R0 65 29 9 ‐2 ‐55

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Diclofenac

    5 Results 

35 

 

FIGURE 5.12 Removal,  in percent, of ketoprofen  in R1 and  R0  in  experiment  2  presented  as  columns  and values.  The  negative  value  is  not  represented  as  a column. 

 

FIGURE  5.13 Removal,  in  percent,  of  naproxen  in  R1 and  R0  in  experiment  2  presented  as  columns  and values.  The  negative  value  is  not  represented  as  a column. 

Ketoprofen have a higher removal efficiency in R1, average 70 percent, compared to R0 with an average at 48 percent  (negative value  in  sample 5 not  included).  For naproxen R1 once again presents  a  higher  removal  efficiency  than  R0.  The  average  values  here  are  83  respective  69 percent (negative value in sample 5 not included).  

 

FIGURE 5.14 Removal, in percent, of clofibric acid in R1 and R0 in experiment 2 presented as columns and values. 

In R1 there is a removal of clofibric acid whereas the results for R0 are more unclear indicating a production of clofibric acid in sample two to five. The average removal efficiency of clofibric acid in R1 is 44 percent. 

5.4.2 OESTROGENS – EXPERIMENT 2 In the same way as in experiment 1 no results were obtained for oestrone, however oestradiol was  removed  below  the  quantification  limit  at  0.25  μg  per  litre  in  both  R1  and  R0.  Ethinyl oestradiol was removed according to Table 5.10.  

   

1 2 3 4 5R1 81 64 79 30 98R0 68 47 37 69 ‐100

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Ketoprofen

1 2 3 4 5R1 88 80 68 83 98R0 79 71 66 62 ‐86

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Naproxen

1 2 3 4 5R1 56 26 24 28 87R0 43 ‐1 ‐11 ‐19 ‐1

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Clofibric acid

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

36 

TABLE 5.10 Removal efficiency in percent of ethinyl oestradiol in experiment 2. 

Oestrogen  Removal (%)     

Sample  1  1   2  2  3  3  4  4  5  5 

Reactor  R1  R0  R1  R0  R1  R0  R1  R0  R1  R0 

Ethinyl oestradiol  100  92  90  77  100  76  100  73  100  74 

 R1  is  below  detection  limit  (0.25  μg  per  litre)  in  all  samples  but  for  sample  2,  whereas concentrations  in  R0  vary  between  2  and  6.6  μg  per  litre.  The  average  removal  efficiency  of ethinyl  oestradiol  for  R1  and  R0  is  98  respective  78  percent  and  therefore  according  to experiment  2  addition  of  PAC  does  provide  a  higher  removal  of  ethinyl  oestradiol.  The  extra dosage  of  PAC  in  sample  2  is  not  traced  in  the  results  for  the  oestrogens  since  there  is  no increased removal efficiency for that sample. 

5.4.3 EXPERIMENT 2 IN TOTAL The uneven dosage of PAC cannot clearly be viewed in the results gained in experiment 2. Again a complete removal of  ibuprofen in both reactors occurs and diclofenac demonstrates a higher removal efficiency in R1 than R0.  

As  in  experiment  1  there  is  a  better  removal  of  ketoprofen  and  naproxen  in R1,  however  the lower PAC dosage results in that the average removal efficiency of ketoprofen and naproxen has dropped  from  87  to  70  percent  respective  92  to  83  percent.  To  halve  the  PAC  dosage  has however  not  resulted  in  halved  removal  efficiency.  Experiment  2  compared  to  the  unclear results for R1 in experiment 1 does show a removal of clofibric acid at 44 percent.  

Oestradiol  is completely removed in both reactors, whereas there  is a difference between PAC addition and not  for ethinyl oestradiol where a better removal  efficiency  is achieved with PAC dosage. The lower PAC dosage does not seem to have affected the removal efficiency of ethinyl oestradiol compared to experiment 1.  

5.5 EXPERIMENT 3 – 0.05 G PAC PER LITRE ARTIFICIAL WASTEWATER Experiment 3 was run on the same PAC concentration as in experiment 2 since the PAC dosage had  not  been  working  properly.  With  the  wider  hose  (inner  diameter  5  mm)  and  the  more diluted PAC solution (1.25 g PAC per litre in the e‐flask) used in experiment 3, a more stable PAC dosage of approximately 0.05 g per litre artificial wastewater was achieved, see Table 5.11. 

TABLE 5.11 PAC dosage in experiment 

Sample  PAC added (g/L)  PAC added (%)1  0.04 g  80 2  0.05 g  100 3  0.04 g  80 4  No measurement was done. 

 Removal efficiencies have been calculated in the same way as for experiment 1 and 2, see section 5.3. 

    5 Results 

37 

5.5.1 APIS – EXPERIMENT 3 Table 5.12 below shows the amounts of APIs found in the samples from experiment 3. Sample 4, R1 was not possible to analyse since the IS was outside quality demand and therefore no results are presented for that sample (K. Hansen, DTU, personal communication, May 6, 2008). 

TABLE 5.12 Concentrations detected in samples from experiment 3. (< 1) – detected, not quantified 

  Sample  R1  (μg/L) 

R0  (μg/L) 

  Sample  R1 (μg/L) 

R0 (μg/L) 

Ibuprofen  1  < 1  < 1  Diclofenac  1  < 1  93   2  < 1  < 1    2  < 1  97   3  < 1  < 1    3  < 1  89   4  NA  < 1    4  NA  151                Ketoprofen  1  < 1  56  Naproxen  1  < 1  27   2  < 1  47    2  < 1  24   3  < 1  31    3  < 1  21   4  NA  77    4  NA  91                Clofibric acid  1  16  130       2  14  140     3  28  120     4  NA  100    Figure 5.15 to Figure 5.16 shows the removal efficiency of ibuprofen and diclofenac expressed in percent.  

 

FIGURE  5.15 Removal,  in  percent,  of  ibuprofen  in  R1 and  R0  in  experiment  3  presented  as  columns  and values. Sample 4 could not be analysed. 

 

FIGURE 5.16 Removal,  in  percent,  of  diclofenac  in  R1 and  R0  in  experiment  3  presented  as  columns  and values.  The  negative  value  is  not  represented  as  a column. Sample 4 could not be analysed.  

As in experiment 1 and 2 there is 100 percent removal efficiency of ibuprofen. Sample 1 to 3 of diclofenac also shows a 100 percent removal whereas sample 1 to 3 in R0 has removal efficiency 7 percent. Sample 4, R1 was not possible to analyse, see above, and for R0 the last sample shows a negative removal, i.e. production. 

1 2 3 4R1 100 100 100R0 100 100 100 100

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Ibuprofen

1 2 3 4R1 100 100 100R0 7 3 11 ‐51

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Diclofenac

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

38 

 

FIGURE 5.17 Removal,  in percent, of ketoprofen  in R1 and  R0  in  experiment  3  presented  as  columns  and values. Sample 4 could not be analysed. 

 

FIGURE  5.18 Removal,  in  percent,  of  naproxen  in  R1 and  R0  in  experiment  3  presented  as  columns  and values. Sample 4 could not be analysed. 

Ketoprofen  in R1 has been 100 percent  removed  in  the analysed samples, whereas R0 has an average  removal  efficiency  of  47  percent.  PAC  addition  in  R1  gives  100  percent  removal  of naproxen whereas the regular wastewater treatment removes 59 percent. 

 

FIGURE 5.19 Removal, in percent, of clofibric acid in R1 and R0 in experiment 3 presented as columns and values. 

Clofibric acid shows a removal in R1 with an average at 81 percent compared to R0 which shows no removal but instead indicates production of the substance.  

5.5.2 OESTROGENS – EXPERIMENT 3 As in experiment 1 and 2, there was a 100 percent removal of oestradiol in experiment 3. Ethinyl oestradiol was not detected or detected but below quantification level for all of the samples from R1,  which  indicates  a  100  percent  removal  when  PAC  is  added.  In  R0  the  average  removal efficiency of ethinyl oestradiol was 75 percent, see Table 5.13. 

   

1 2 3 4R1 100 100 100R0 44 53 69 23

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Ketoprofen

1 2 3 4R1 100 100 100R0 73 76 79 9

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Naproxen

1 2 3 4R1 84 86 72R0 ‐30 ‐37 ‐22 ‐3

020406080100

Rem

oval (%

)

Sample

Clofibric acid

    6 Discussion 

39 

TABLE 5.13 Removal efficiency in percent of ethinyl oestradiol in experiment 3. 

Oestrogen  Removal (%) 

Sample  1  1  2  2  3  3  4  4 

Reactor  R1  R0  R1  R0  R1  R0  R1  R0 

Ethinyl oestradiol  100  75  100  72  100  77  100  76 

 

5.5.3 EXPERIMENT 3 IN TOTAL As  in  experiment  1  and  2  there  is  a  100  percent  removal  of  ibuprofen  in  both  reactors  in experiment  3.  There  is  a  large  difference  in  removal  efficiency  of  diclofenac, with  an  average removal  of  100 percent  in R1,  compared  to R0 where only 7 percent  is  removed. Ketoprofen, naproxen and also clofibric acid all show a higher removal in R1 compared to R0. Oestradiol is, as in the previous experiments, completely removed in both reactors, as is ethinyl oestradiol in R1. R0 does however have a lower removal efficiency of ethinyl oestradiol compared to R1 with PAC addition. 

5.6 REAL WASTEWATER EXPERIMENT – 0.05 G PAC PER LITRE WASTEWATER In  the  real  wastewater  experiment  a  PAC  dosage  of  0.04  g  PAC  per  litre  wastewater,  i.e.  80 percent of  the  intended, was achieved. The  real wastewater  collected  from Källby wastewater treatment plant was spiked with an API concentration if 100 μg and an oestrogen concentration of 25 μg per litre wastewater before added to the reactors in the laboratory set up.  

Removal  efficiencies  have  been  calculated  in  the  same way  as  for  experiment  1,  2  and  3,  see section 5.3. 

5.6.1 APIS – REAL WASTEWATER EXPERIMENT In the experiment with real wastewater effluent samples from two cycles were taken. However, the analysis of the sample from R1, second cycle was analysed with an IS outside quality demand and  the  results  for  sample  2,  R1,  are  therefore  very  uncertain  (K.  Hansen,  DTU,  personal communication, May 6, 2008). Table 5.14 below shows the amounts of APIs found in the samples from the experiment where real wastewater was used.  

TABLE 5.14 Concentrations detected  in samples  from the real wastewater experiment. The results  for R1, sample 2, italic, are uncertain. 

  Sample  R1  (μg/L) 

R0  (μg/L) 

  Sample  R1 (μg/L) 

R0 (μg/L) 

Ibuprofen  1  3  6  Diclofenac  1  24  35   2  340  71    2  95  78                Ketoprofen  1  23  37  Naproxen  1  15  26   2  190  107    2  220  92                Clofibric acid  1  23  30     

  2  54  36     

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

40 

 The results presented in percentage removal are found in below, Figure 5.20. 

 

FIGURE 5.20 Removal in percentage for the APIs in the real wastewater experiment presented as columns and values. (1) –  first sample,  (2) – second sample,  (IBU) –  ibuprofen, (DIC) – diclofenac,  (KP) – ketoprofen, (NPX) – naproxen, (CA) – Clofibric acid. Negative values are not represented as columns. 

As  seen  in  the  figure  there  is,  for  sample  1,  a  removal  efficiency  of  76  to  97  percent  in  R1 whereas R0 has a removal of 63 to 94 percent of the different APIs. For all of the APIs, apart from clofibric acid,  sample 2,  the  removal  is  larger when PAC  is  added.  Sample 2 R1 has a  removal efficiency of ‐240 to 56 percent. This variation is due to that the IS was outside quality demand. R0 has a removal efficiency of ‐7 to 64 percent in sample 2. 

Since no problems occurred during the analysis due to using real wastewater, the conclusion can be made that there is no analytical problems with analysing these APIs in real wastewater.  

5.6.2 OESTROGENS – REAL WASTEWATER EXPERIMENT In the real wastewater experiment, compared to the other experiments, the analysis of oestrone was successful and showed that no oestrone could be detected, indicating 100 percent removal.  

TABLE 5.15 Removal efficiencies in percentage for the oestrogens in the real wastewater experiment.  

Oestrogen  Removal (%) 

Sample  1  1  2  2 

Reactor  R1  R0  R1  R0 

Oestrone  100  100  100  100 

Oestradiol  97  100  96  96 

Ethinyl oestradiol  93  92  92  84 

 The  average  removal  efficiency  for  oestrone  was  100  percent  in  both  R1  and  R0  and  for oestradiol 97 percent in R1 and 98 percent in R0. Ethinyl oestradiol had a reduction efficiency of 93 percent in R1 and 88 percent in R0. For oestrone and oestradiol the addition of PAC does not provide  an  increased  removal  of  the  oestrogens.  There  is  however  a  difference  for  ethinyl oestradiol, where PAC increases the removal efficiency with 5 percent. 

IBU 1 IBU 2 DIC 1 DIC 2 KP 1 KP 2 NPX 1 NPX 2 CA 1 CA 2R1 97 ‐240 76 5 77 ‐93 85 ‐120 77 56R0 94 29 65 22 63 ‐7 74 8 70 64

020406080100

Rem

oval (%

)

API

Real wastewater experiment

    6 Discussion 

41 

5.6.3 REAL WASTEWATER EXPERIMENT IN TOTAL Three of the four samples gathered from the real wastewater sample were successfully analysed, indicating that the analysis method chosen can be used for real wastewater. For all of the APIs, apart  from  sample  2,  clofibric  acid,  PAC  has  increased  the  removal  efficiency.  There  is  no difference  in  the removal of oestrone and oestradiol when using PAC, whereas  the removal of ethinyl oestradiol is increased when PAC is used.  

5.7 APIS AND OESTROGENS IN THE INFLUENT AND EFFLUENT TO KÄLLBY BIOLOGICAL TREATMENT PART 

When  the  samples  from  experiment  2  were  analysed,  two  samples  from  the  inflow  to  and outflow  from  Källby  biological  part  were  also  analysed  in  order  to  gain  knowledge  of  which levels  of  APIs  that  can  be  expected  to  be  found  in  Källby  wastewater  treatment  plant.  The samples were also done in order to find out whether the analysis method used by DTU would be able to detect these lower levels of APIs and oestrogens. 

The concentrations of oestrogens and APIs in the influent and effluent from Källby turned out to be  too  low to detect with  the method  for analysis used. Compared to previous studies, section 2.3.4, concentrations of the different APIs are most likely present in the intervals 0.16 to 7 μg per litre, i.e. 14 to 630 times lower than the concentrations used in the laboratory experiments. 

5.8 IN TOTAL Table 5.16 below summons up the removal efficiencies that were gained in experiment 1 to 3 for the reactor with ordinary biological treatment, R0, and the reactor with addition of PAC, R1. The removal  efficiencies  have  been  calculated  as  averages  from  the  different  samples  in  the experiments  with  reservation  for  that  the  negative  results  have  been  left  out  in  the  average calculation. 

 

   

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

42 

TABLE 5.16 Removal,  in  percentage,  for  the  different  APIs  and  experiments  summoned  up.  In  experiment  1  a  PAC dosage  of  0.01  g  PAC  per  litre  wastewater  was  used  and  in  experiment  2  and  3  0.05  g  PAC  was  used  per  litre wastewater. (#) – only negative values available thus no average calculated 

Substance  Removal R1 (%) 

Removal R0 (%) 

Substance  Removal R1 (%) 

Removal R0 (%) 

Experiment 1  Experiment 3     

Ibuprofen  100  100  Ibuprofen  100  100 

Diclofenac  76  21  Diclofenac  100  7 

Ketoprofen  87  45  Ketoprofen  100  47 

Naproxen  92  78  Naproxen  100  59 

Clofibric acid  48  #  Clofibric acid  81  # 

Oestradiol  100  100  Oestradiol  100  100 

Ethinyl oestradiol  99  73  Ethinyl oestradiol  100  75 

Experiment 2  Average (for experiment 2 and 3) 

Ibuprofen  100  100  Ibuprofen  100  100 

Diclofenac  66  34  Diclofenac  83  21 

Ketoprofen  70  55  Ketoprofen  85  51 

Naproxen  83  70  Naproxen  92  65 

Clofibric acid  44  43  Clofibric acid  63  43 

Oestradiol  100  100  Oestradiol  100  100 

Ethinyl oestradiol  98  78  Ethinyl oestradiol  99  75 

 The average removal efficiencies of the different APIs and oestrogens when 0.05 g PAC is added per litre wastewater are as follows; ibuprofen 100 percent (compared to 100 percent when no PAC is added), diclofenac 83 percent (21 percent), ketoprofen 85 percent (51 percent), naproxen 92  percent  (65  percent),  clofibric  acid  63  percent  (43  percent),  oestradiol  100  percent  (100 percent) and ethinyl oestradiol 99 percent (75 percent). 

For  all  substances  included  in  this  study,  apart  from  ibuprofen  and  oestradiol,  PAC  has  thus improved the removal efficiency when added to the biological treatment process. No knowledge has been gained of the removal of carbamazepine and oestrone, apart from for oestrone in the real wastewater experiment, due to incapacity to analyse those substances. 

    6 Discussion 

43 

6 DISCUSSION From  the  results  it was shown  that  ibuprofen and oestradiol were  completely  removed  in  the biological  treatment  process  and  there  is  no  need  to  add  PAC  in  order  to  remove  these substances.   

For all of  the other APIs and oestrogens  there  is  an  increased  removal efficiency, when a PAC concentration  of  0.05  g  per  litre  wastewater  is  used,  compared  to  the  ordinary  biological treatment process. Diclofenac has  the  largest  increase  in  removal  efficiency where 21 percent removal  in  the ordinary  treatment process  can be  increased  to 83 percent when PAC  is  used. Ketoprofen, naproxen, clofibric acid and ethinyl oestradiol reach removal efficiencies of 85, 92, 63  respective  99  percent  when  PAC  is  used,  compared  to  51,  65,  43  and  75  percent  in  the ordinary biological treatment process.  

Compared  to  the  removal  efficiencies  of wastewater  treatment  plants  found  in  the  literature, section 2.4.3, a higher removal efficiency has been achieved when combining PAC with biological treatment.  

Carbamazepine  could  not  be  analysed  through  the  method  used  and  oestrone  was  only successfully  analysed  in  the  real wastewater  experiment,  indicating  that  alternative  analysing methods could be needed for these substances.  

The results also show that if a high enough PAC concentration and a long enough reaction time is used, a 100 percent removal efficiency of the APIs and oestrogens can be achieved. 

6.1 FUTURE APPLICATIONS The results from the different experiments are in line with the literature, see section 2.4.3, which show  that  PAC  could  be  used  as  a method  to  remove  APIs  and  oestrogens  from wastewater. Further  studies  are  necessary  to  examine  how  the  adsorption  is  affected  by  the  lower concentrations that are present in the influents to wastewater treatment plants compared to the concentrations that have been used in the experiments.  

For PAC to be used in wastewater treatment plants, a development of how to perform the dosage in a reliable way need to be developed.  

When  PAC  was  added  to  the  reactors,  a  high  concentration  of  APIs  and  oestrogens  where present in a rather simple matrix, hence the competitive adsorption was not vast. It is likely that other dissolved constituents will  compete with APIs and oestrogens  to adsorb  to  the PAC to a further  extent  with  the  lower  concentrations  and more  complex matrix  found  in  influents  to wastewater treatment plants and hence the removal could be lower when the method is applied to real wastewater treatment plants.  

The background concentrations of APIs and oestrogens were also lower than detectable with the analysis method used, meaning that a method for analysis with lower detection limit is needed if the PAC method is to be used in wastewater treatment plants. 

There is also a possibility that the PAC acts as a surface for the microorganisms in the treatment process to attach to, which might influence the treatment process. This has not been investigated in this master thesis but could be interesting for studies in the future. 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

44 

6.1.1 COST OF PAC In  order  for  PAC  to  be  realistically  considered  as  a  method  to  be  applied  in  wastewater treatment plants to reduce APIs and oestrogens, it needs to be cost‐effective. Economically it is realistic with a PAC dosage of 0.01 g PAC per litre wastewater but a concentration of up to 0.02 g PAC per litre wastewater could be feasible (Nowotny, Epp, Sonntag, & Fahlenkamp, 2007). PAC to be used in wastewater treatment plants can be ordered at the cost of 20 SEK (2.2 EUR5) per kg, where transport ‐ half the price, is included (Edalat, 2008). This corresponds with the cost of 9.3  to 14 SEK (1  to 1.50 EUR) per kg activated carbon used  for drinking water  (Joss, Carballa, Kreuzinger, Siegrist, & Zabczynski, 2006).  

The concentration of 0.05 g PAC per litre artificial wastewater that has been used in experiment 2 and 3 and as well in the real wastewater experiment would mean an additional cost of 1 SEK (0.11 EUR) per m3 treated wastewater. Compared to the average cost for wastewater treatment of  1.9  to 9.3  SEK  (0.2  to 1 EUR) per m3,  using PAC,  at  a  concentration of  0.05  g PAC per  litre wastewater would mean a cost of 2.9 to 10 SEK (0.3 to 1.1 EUR) per m3 instead (Joss, Carballa, Kreuzinger, Siegrist, & Zabczynski, 2006). 

Today  the  fee  that  households  pay  for wastewater  treatment  in  Källby wastewater  treatment plant, including pumps and distribution network, is approximately 6.50 SEK (0.70 EUR) per m3 (M. Petersson, Källby wastewater treatment plant, personal communication, May 7, 2008). This cost would increase to 7.50 SEK per m3 if a concentration of 0.05 g PAC where to be added to the biological wastewater treatment process.  

The method of using PAC should be further developed in order to diminish the costs associated with  using  the  method.  Based  on  the  cost  for  the  PAC  itself  the  method  could  be  used  in wastewater  treatment  plants  today,  however,  costs  for  solutions  of  how  the  PAC  should  be dosed in the wastewater treatment plants have not been included. 

However it  is not expected that the same high concentration will be needed in the wastewater treatment plants since the concentration of APIs and oestrogens in the laboratory experiments have  been  very  high  in  order  for  the  analysis  to  be  possible.  The  API  concentration  in  the laboratory experiments have been 100 μg per litre wastewater which is 14 to 630 times higher than concentrations found in the influent to Swedish wastewater treatment plants, see Table 2.2.  

There is a risk that when PAC is added to real wastewater, the removal efficiencies will diminish due  to  competitive  adsorption  from  other  dissolved  constituents.  The  COD  used  in  the laboratory  experiments  was  the  same  as  in  the  influent  to  Källby,  however  the  matrix  of substances dissolved in the real wastewater is expected to be more complex and therefore it is possible that PAC at the dosages used in the experiments could be less efficient at removing APIs and oestrogens when added to real wastewater. 

In comparison to the feasible amount of 0.02 g PAC per litre wastewater, according to Nowotny et. al. (2007) the method of using PAC could be economically justifiable at a PAC concentration 2.5  times  lower  than  what  have  been  used  in  the  experiments.  Considering  that  the concentrations  used  in  the  experiments  have  been  much  higher  than  the  measured concentrations in influent, it should be reasonable from an economic point of view to use PAC as a method to remove APIs and oestrogens.  

                                                                 5 1 EUR = 9.28 SEK (Finansportalen, 2008) 

    6 Discussion 

45 

6.1.2 THE TIME ASPECT Since the continuous experiments were performed no longer than one week no knowledge has been gained of how the PAC behaves in the long term. There could be a risk of APIs will starting to leach from the PAC since the method with using PAC does not provide a decomposition of the APIs. This is an important aspect to be further investigated. 

6.2 SOURCE OF ERRORS The  experiments  have  all  been  scaled  to  correspond  to  Källby  wastewater  treatment.  If  the process would  be  altered  to  correspond  to  another  type  of wastewater  treatment  plant  there could  be  an  alteration  in  the  expected  removal  of  APIs  and  oestrogens.  Källby  wastewater treatment  is  situated  in  the  south  of  Sweden where  the  climate  is  rather mild,  which makes biological  treatment  more  efficient  compared  to  the  north  of  Sweden  where  the  average temperature is lower. 

A source of error, especially for experiment 1 and 2 is that the PAC dosage was not completely reliable. In order to avoid this it is important to develop the method for the dosage further. 

When the samples were filtered through glass filters in order to remove possible PAC residues that  could  disturb  the  following  analysis,  there  was  a  concern  that  some  of  the  APIs  and oestrogens might  get  caught  in  the  filter. Therefore  two controls with  the  same concentration were  made,  where  one  sample  was  filtered  and  the  other  one  not.  The  results  from  these controls  showed no difference between  the  two controls and  it was  thus presumed  that  there was no loss of APIs and oestrogens in the glass filters. 

Throughout  the  experiments  there  have  been  results  deviating  to  a  large  extent  from  the expected concentrations to be found. This is especially so for carbamazepine, which turned out to not be analysable with the method used.  

Several samples have in the results showed a negative reduction, indicating production of APIs, which is not considered possible. Improvements in the laboratory set up, running and analysis is needed in order to gain more consistent results. A critical point is to take care when the standard curve is prepared, especially since the volumes of APIs and oestrogens used for the IS are small. A more extensive control of exact concentrations of APIs and oestrogens in the influent from the artificial wastewater as well as control over variations  in the cartridges used could reduce the negative deviations in the results. 

6.3 APIS AND OESTROGENS IN SLUDGE INSTEAD The aim has been to remove APIs and oestrogens from the wastewater which has been proven possible by using PAC. However, these substances will, instead of being dissolved in the effluent, be present  in  the sludge.  It  is  important  to  further study how  these substances  leach  from the sludge from the PAC, especially as some sludge is intended to be used as fertiliser on cropland. However  in  the  choice  between  having  dissolved  APIs  and  oestrogens  released  with  effluent water and to have the APIs and oestrogens adsorbed in the PAC, the binding of the substances in the  sludge will most  likely  have  a  less  environmental  effect,  depending  on  how  the  sludge  is treated after the wastewater plant.  

   

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

46 

6.4 OTHER METHODS Other methods,  instead of PAC,  that could be used  in wastewater  treatment plants  in order  to reduce APIs  and oestrogens are  e.g.  to use ozone  (O3) or biofilm  systems. These do provide  a degradation of the pharmaceuticals that PAC does not, but when the substances are oxidised by ozone or biofilms there is also a risk of that the metabolite is just as environmentally dangerous as  the  substance  is  from  start  (Joss,  Carballa,  Kreuzinger,  Siegrist,  &  Zabczynski,  2006). Compared  to  this  PAC  removes  the  APIs  and  oestrogens  without  risking  to  produce  toxic metabolites. Also, compared to the methods of using O3 and biofilm systems to reduce APIs and oestrogens,  PAC  could  offer  a  solution  to  remove  pharmaceuticals  without  too  extensive reconstructions since PAC could be added to one of the last biological treatment basins. The PAC with  the APIs and oestrogens  is presumed  to behave as  the  sludge and will  therefore become separated together with the sludge. 

 

 

 

 

 

    7 Conclusion 

47 

7 CONCLUSIONS The results show that PAC can be used as a method in wastewater treatment plants, with similar conditions  to  Källby  wastewater  treatment  plant,  to  increase  the  removal  of  APIs  and oestrogens. When PAC is added to the treatment process with activated sludge, a higher removal of  APIs  and  oestrogens  is  reached  compared  to  an  ordinary  biological  wastewater  treatment process with activated sludge and no PAC addition for all substances apart from ibuprofen and oestradiol, which both are removed completely in the ordinary biological wastewater treatment process without PAC.  

Depending on the amount of PAC added and the reaction time, up to 100 percent of the APIs and oestrogens can be removed  from the wastewater. With a PAC concentration of 0.05 g PAC per litre  artificial  wastewater,  a  removal  efficiency  of  63  to  99  percent,  depending  on  API  and oestrogen, was found. To use this concentration of PAC would mean an increase in wastewater treatment costs with 1 SEK (0.11 EUR6) per m3 treated wastewater.  

The removal of APIs and oestrogens by PAC is rapid  in the absence of competitive adsorption, and  after  five minutes  92  to  99  percent  of  the  APIs  and  oestrogens  were  removed.  PAC  can therefore be added  in  the end of  the biological wastewater  treatment part, when  the ordinary biological wastewater treatment process has reduced the APIs and oestrogens as well as other dissolved  constituents  to  as  far  extent  as  possible,  in  order  to  minimise  the  amount  of  PAC needed.  

 

 

                                                                 6 1 EUR = 9.28 SEK (Finansportalen, 2008) 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

48 

    8 References 

49 

8 REFERENCES Alder,  A.  C.,  Bruchet,  A.,  Carballa,  M.,  Clara,  M.,  Joss,  A.,  Löffler,  D.,  et  al.  (2006).  Consumption  and Occurence.  In T. A. Ternes, & A.  Joss, Human Pharmaceuticals, Hormones and Fragences. The challenge of micropollutants in urban water management. (pp. 15‐54). London: IWA Publishing. 

Apoteket. (2008). Läkemedelsutvecklingen 2007. Stockholm: Apoteket AB. 

Bendz, D., Paxéus, N. A., Ginn, T. R., & Loge, F.  J.  (2005). Occurrence and  fate of pharmaceutically active compounds in the environment, a case study: Höje River in Sweden. Journal of Hazardous Materials  , 122 (3), pp. 195‐204. 

Besse,  J.‐P.,  &  Garric,  J.  (2008).  Human  pharmaceuticals  in  surface  waters  Implementation  of  a prioritization methodology and application to the French situation. Toxicology Letters , 176, pp. 104‐123. 

Chang, S., Waite, T. D., Ong, P. E., Schäfer, A. I., & Fane, A. G. (2004, July). Assessment of Trace Estrogenic Contaminants  Removal  by  Coagulant  Addition,  Powdered  Activated  Carbon  Adsorption  and  Powdered Activated Carbon/Microfiltration Processes. Journal of Environmental Engineering , pp. 736‐742. 

Edalat, F. (2007). Activated Carbon and Its Role in Wastewater Treatment. Lund: Water and Environmental Engineering, Department of Chemical Engineering, LTH, Lund University. 

Edalat,  F.  (2008). Activated Carbon Application  in Leachate Treatment.  Lund: Water  and  Environmental Engineering, Department of Chemical Engineering, LTH, Lund University. 

Elvers, K., & Wright, S. (1995). Antibacterial activity of the anti‐inflammatory compound ibuprofen. Letters in Applied Microbiology , pp. 82‐84. 

FASS.  (2008).  Retrieved  March  4,  2008,  from  www.fass.se.  Search:  ibuprofen,  diklofenac,  ketoprofen, naproxen, karbamazepin, estradiol & etinylestradiol. 

Finansportalen. (2008). Retrieved May 12, 2008, from http://www.finansportalen.se/valutakurser.htm 

Halling‐Sørensen,  B.,  Nielsen,  S.  N.,  Lanzky,  P.,  Ingerslev,  F.,  Lützhøft,  H.  H.,  &  Jørgensen,  S.  (1998). Occurence, Fate and Effects of Pharmaceutical Substances in the Environment ‐ A Review. Chemosphere  , 36 (2), pp. 357‐393. 

Hansen,  K.  M.  (2007).  Photochemical  Methods  for  Degradation  of  Estrogens  and  Pharmaceuticals. Copenhagen, Denmark: Institute of Environment & Resources, Technical University. 

Hansen,  K.  M.  (2007).  Photochemical  Methods  for  Degradation  of  Estrogens  and  Pharmaceuticals. Köpenhamn, Denmark: Institute of Environment & Resources, Technical University. 

Henning, K. ‐D., & Degel, J. (n.d.). Retrieved May 12, 2008, from CPL Carbon Link: http://www.activated‐carbon.com/solrec2.html 

Joss, A., Carballa, M., Kreuzinger, N., Siegrist, H., & Zabczynski, S. (2006). Wastewater Treatment. In T. A. Ternes, & A.  Joss, Human Pharmaceuticals, Hormones and Fragances. The challenge of micropollutants  in urban water management (pp. 243‐292). Padstow: IWA Publishing. 

Karolinska Institutet. (2007). Retrieved March 12, 2008,  from http://mesh.kib.ki.se/swemesh/swemesh. cfm. Search: clofibric acid. 

Kemira Kemwater. (2003). About water treatment. Helsingborg: Kemira Kemwater. 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

50 

Larsson, D., Adolfsson‐Erici, M., J., P., Pettersson, M., Berg, A., Olsson, P.‐E., et al. (1999). Ethinyloestradiol — an undesired fish contraceptive? Aquatic Toxicology 45 , pp. 91‐97. 

Lee, W. Y., & Arnold, C. R. (1983). Chronic Toxicity of Ocean‐dumped Pharmaceutical Wastes to the Marine Amphipod Amphithoe valida. Marine Pollution Bulletin , 14 (4), pp. 150‐153. 

Lishman, L., Smyth, S. A., Sarafin, K., Kleywegt, S., Toito, J., Peart, T., et al. (2006, August 31). Occurence and reductions  of  pharmaceuticals  and  personal  care  products  and  estrogens  by  municipal  wastewater treatment plants in Ontario, Canada. Science of the Total Environment , 367 (2‐3), pp. 544‐558. 

Läkemedelsverket.  (2008).  Retrieved  March  12,  2008,  from  http://www.lakemedelsverket.se/ Tpl/StartPage____3.aspx. Search: ibuprofen & diklofenac. 

Mistra.  (2007). MistraPharma  ­  Identification and Reduction of Environmental Risks Caused by  the Use of Human Pharmaceuticals. An application for a Mistra Programme. Stockholm: Mistra. 

Nakada,  N.,  Tanishima,  T.,  Shinohara,  H.,  Kiri,  K.,  &  Takada,  H.  (2006).  Pharmaceutical  chemicals  and endocrine  disrupters  in  municipal  wastewater  in  Tokyo  and  their  removal  during  activated  sludge treatment. Water Research , 40 (17), pp. 3297‐3303. 

Nationalencyklopedin. (2008). Retrieved March 27, 2008, from www.ne.se Search: östrogener. 

Nowotny,  N.,  Epp,  B.,  Sonntag,  C.  v.,  &  Fahlenkamp,  H.  (2007).  Quantification  and  Modeling  of  the elimination  Behavior  of  Ecologically  Problematic  Wastewater  Micropollutants  by  Adsorption  on Powdered and Granulated Activated Carbon. Environmental Science & Technology , 41 (6), pp. 2050‐2055. 

Nyholm,  N.,  Berg,  U.  T.,  &  Ingerslev,  F.  (1996).  Activated  Sludge  Biodegradability  Simulation  Test. Copenhagen: Ministry of Environment and Energy. 

Oregon  State  University.  (2008).  Retrieved  April  14,  2008,  from  http://www.unsolvedmysteries. oregonstate.edu/GCMS_05.shtml 

Sanyal, A., Roy, D., Chowdhury, B., & Banerjee, A. (1993). Ibuprofen, a unique anti‐inflammatory compound with antifungal activity against dermatophytes. Letters in Applied Microhioloy , pp. 109‐111. 

Sigma‐Aldrich.  (2008).  Retrieved  April  14,  2008,  from  http://www.sigmaaldrich.com/Area_of_Interest/ Analytical__Chromatography/Sample_Preparation/SPE/SPE_Overview.html 

Sjukvårdsrådgivningen. (2008). Retrieved March 12, 2008,  from www.sjukvardsradgivningen.se. Search: ibuprofen, ketoprofen, naproxen & karbamazepin. 

Snyder, S. A., Adham, S., Redding, A. M., Cannon, F. S., DeCarolis,  J., Oppenheimer, J., et al. (2007). Role of membranes  and  activated  carbon  in  the  removal  of  endocrine  disruptors  and  pharmaceuticals. Desalination , 202, pp. 156‐181. 

Svenskt Vatten. (2005). Fakta om vatten och avlopp. Stockholm: Svenskt Vatten. 

Tekniska  förvaltningen.  (2005).  Miljörapport  2004  ­  Källby  avloppsreningsverk.  Lund:  Tekniska förvaltningen. 

Tekniska Förvaltningen, VA‐verket. (2004). Källby avloppsreningsverk. Lund: Tekniska Förvaltningen, VA‐verket. 

Ternes,  T.  A.,  &  Joss,  A.  (2006).  Human  Pharmaceuticals,  Hormones  and  Fragrances.  The  challenge  of micropollutants in urban water management. London: IWA Publishing. 

    8 References 

51 

University of Hertfordshire & FOOTPRINT. (2008). Retrieved March 26, 2008, from http://sitem.herts.ac. uk/aeru/footprint/de/Reports/430.htm 

Westerhoff, P., Yoon, Y., Snyder, S., & Wert, E.  (2005). Fate of Endocrine‐Disruptor, Pharmaceutical, and Personal Care Product Chemicals during Simulated Drinking Water Treatment Processes. Environmental Science & Technology , 39 (17), pp. 6649‐6693. 

Westerlund,  E.  (2007).  Screening  av  läkemedel  i  Skåne.  Utvärdering  av  provtagning  i  reningsverk  och deponier 2005. Malmö: Länsstyrelsen i Skåne Län. 

Wikipedia.  (2008).  Retrieved  March  12,  2008,  from  http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page.  Search: clofibric acid & estrone. 

 

 

   

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

52 

 

9 APPENDICES 

A. PARAMETERS FOR THE EXPERIMENTS The following parameters were measured daily in both reactors and are accounted for in Table 9.1, R1 and Table 9.2, RO below. 

TABLE 9.1 Parameters measured during the experiments in R1 with PAC addition. 

R1, with PAC addition 

Date  NH4­N (mg/L) 

NO3­N (mg/L) 

COD­F (mg/L) 

COD (mg/L) 

O2 (mg/L) 

pH  Cond. μS/cm 

Alk. mmol HCO3/L 

Temp. °C 

Susp. SS       VSS 

g/L Experiment 1 08‐03‐06  < 2  8.3  < 30  7.8        1.5    3.7  2.9 08‐03‐07  < 2  9.9  30  34  6.9  7.6  405  1.9  20  2.5  2.0 08‐03‐08  Weekend, no measurements 08‐03‐09  Weekend, no measurements 08‐03‐10  < 2  14  < 30  31  6.7  7.7  570  2.0  20  2.2  1.8 08‐03‐11  < 2  12  < 30  26  6.4  7.6  600  1.7  20  2.1  1.7 08‐03‐12  < 2  11                2.5  2.0 

                       

Experiment 2 08‐03‐27  < 2  9.8  < 30  < 30  7.1  7.5  600  1.2  20  2.1  1.6 08‐03‐28  < 2  13  < 30  < 30  7.2  7.5  530  1.1  20  2.1  1.6 08‐03‐29  < 2  14  < 30  < 30  8.2  7.3  530  1.0  20     08‐03‐30  < 2  11  < 30  32    7.1  530  1.3  20     08‐03‐31  < 2  9.5  < 30  33  7.8  7.4  540  1.7  20  1.8  1.4 08‐04‐01  < 2  9.3  < 30  26  8.5  7.5  500  1.2  20  1.9  1.5 08‐04‐02  < 2  9.7  < 30  18  8.3  7.5  620  1.2  20  2.2  1.8 

                       

Experiment 3 08‐04‐17  < 2  5.9  56  68  3.9    450    20     08‐04‐18  < 2  11  44  46  7.7    810  1.5  20  2.7  2.0 08‐04‐19  Weekend, no measurements 08‐04‐20  Weekend, no measurements 08‐04‐21  < 2  10  < 30  < 30  5.4  7.2  460  1.5  20    1.9 08‐04‐22  < 2  9.4  < 30  20  7.3  7.4  490  1.8  20    1.8 08‐04‐23  < 2  9.5  40  48  7.9  7.4  460  1.8  20    1.8  

   

    9 Appendices 

53 

TABLE 9.2 Parameters measured during the experiments in R0, control reactor.  

R0, control reactor 

Date  NH4­N (mg/L) 

NO3­N (mg/L) 

COD­F (mg/L) 

COD (mg/L) 

O2 (mg/L) 

pH  Cond. μS/cm 

Alk. mmol HCO3/L 

Temp. °C 

Susp. SS       VSS 

g/L Experiment 1 08‐03‐06  < 2  8.0  < 30  < 30        1.6    2.7   08‐03‐07  < 2  10  31  41  6.6  7.6  400  1.5  20  2.8   08‐03‐08  Weekend, no measurements 08‐03‐09  Weekend, no measurements 08‐03‐10  < 2  11  < 30  32  6.4  7.6  550    20  3.0   08‐03‐11  < 2  12  < 30  31  6.3  7.5  590  1.5  20  2.2   08‐03‐12  < 2  14  < 30          1.4    2.5    

Experiment 2 08‐03‐27  < 2  9.5  < 30  < 30  7.4  7.5  590  1.1  20  2.4  1.8 08‐03‐28  < 2  11  < 30  < 30  7.3  7.6  510  1.3  20  2.3  1.7 08‐03‐29  < 2  11  < 30  < 30  7.6  7.3  530  1.0  20     08‐03‐30  < 2  10  < 30  34    7.1  520  1.1  20     08‐03‐31  < 2  10  < 30  < 30  7.7  7.4  540  1.5  20  2.2  1.7 08‐04‐01  < 2  10  < 30  < 30  8.4  7.4  500  1.0  20  2.2  1.7 08‐04‐02  < 2  10  < 30  < 30  8.1  7.4  630  1.0  20  2.2  1.7  

Experiment 3 08‐04‐17  < 2  7.0  48  61  5.2    470    20     08‐04‐18  < 2  12  46  48  7.4    860  1.8  20  2.9  1.9 08‐04‐19  Weekend, no measurements 08‐04‐20  Weekend, no measurements 08‐04‐21  < 2  11  < 30  < 30  5.7  7.3  480  1.4  20  2.8  2.2 08‐04‐22  < 2  10  < 30  < 30  6.7  7.3  510  1.8  20  2.3  1.8 08‐04‐23  < 2  11  < 30  < 30  7.8  7.4  450  1.6  20  2.3  1.9  Measurements of the artificial wastewater were also taken, Table 9.3, in order to control that the COD concentration was in the interval of 380 to 480 mg/L.  

TABLE 9.3 Measurements of COD concentration in the artificial wastewater.  

Date  COD (mg/L) 

Date  COD (mg/L) 

Experiment 1     Experiment 3   2008‐03‐06  380  2008‐04‐17  460        Experiment 2       2008‐03‐27  220     2008‐03‐28  310     2008‐03‐30  410       

   

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

54 

B. BUFFERS USED IN THE EXPERIMENTS Buffer solution for preservation This  buffer  solution,  see  Table  9.4, was  prepared  by  DTU  and  added  to  the  effluent  samples before they were stored in a fridge (6°C). 

TABLE 9.4 Chemicals used for the buffer used to preserve the effluent samples. 

Chemical  Concentration (stock)  Concentration (sample) 

NaH2PO4·H2O  3.625 M  0.04531 M 

H3PO4  1.75 M  0.02188 M 

pH  2.2  2.6 – 3.1 

 A stock solution is prepared weighting 600 g NaH2PO4·H2O which is added to 161 ml 85 % H3PO4 and  filled  to 1000 ml with demineralised water.  (Equivalent amount of KH2PO4·H2O cannot be used since is less water soluble). 

To each litre of sample, 10 mL is added of the buffer stock solution. The pH of the first sample should be checked, since  the strength of  the phosphoric acid varies. The buffer was developed for the case of 24h‐flow proportional sampling. In this case the buffer is added to the collection bottle before the sampler is started. 

Buffer to increase alkalinity The artificial wastewater needs to have a high enough alkalinity to compensate for the nitrogen that  is  being  oxidized  or  compensated with  denitrification.  To  compensate  for  a  possibly  low alkalinity, due  to excess ammonium, a buffer  to  increase alkalinity  in  the artificial wastewater was  added.  The  chemicals  used  and  amount  added  has  been  presented  in  section  4.2.2.  The calculations for the amount added are found below. 

NH4‐N in the artificial wastewater:  44 · 10 g/L 14.01 g/mol 3.14 mmol/L⁄  

  2 mol alkalinity = 1 mol NH4‐N 

3.14 mmol/L · 2   6.28 mmol/L 

 

Alkalinity in the artificial wastewater:  4.5 mmol HCO3/L 

Add (6.28‐ 4.5) mmol/L = 1.78 mmol/L alkalinity 

  10 mL of the buffer = 7 mmol alkalinity 

Add 2.5 mL buffer to 1 L artificial wastewater 

   

    9 Appendices 

55 

C. INCREASE IN COD FROM PAC AND METHANOL In  the equations below the added amount of PAC to R1  is  recalculated  into  the corresponding amount methanol (MeOH) and the increase of COD that this addition of methanol would give. All of the calculations have been based on the volume one litre. 

 Added amount of PAC (carbon) to R1:  mC 0.05 g 

Recalculated into mole:  nCmMC

.  g.  g mol⁄

4.163 · 10 mol 

 

Corresponded by the same mole MeOH:  nMeOH 4.163 · 10 mol 

Recalculated into mass:  mMeOH nMeOH·MMeOH 4.163 · 10 mol ·32.04  gmol

0.1334 g 

Recalculated into volume:  VMeOHmMeOH .  g

.  g cm3⁄0.1686 mL 0.17 mL 

 

The ratio between COD and methanol is:  1.5 g COD/g MeOH 

 

An addition of 0.1334 g MeOH therefore increases COD concentration with: 

  1.5  · 0.1334 g   0.2001 g   200 mg 

 

An addition of 0.05 g PAC per litre wastewater to R1 is corresponded by an addition of 0.1334 g (0.17 mL) methanol per litre wastewater, resulting in an increase of COD with 200 mg per litre wastewater. 

 

 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

56 

D. SCIENTIFIC PAPER 

Reduction of active pharmaceutical ingredients and oestrogens in wastewater – using powdered activated carbon 

 Caroline Säfström 

 Water and Environmental Engineering,  Department of Chemical Engineering,  

Lund University May 2008  

Abstract 

  Pharmaceuticals in the effluent from wastewater treatment plants are today released to recipients and thus could constitute a possible threat for the environment. There is no specific treatment process used in wastewater  treatment  plants  in  Sweden  today  in  order  to  remove  pharmaceuticals.  In  this  study Powdered  Activated  Carbon  (PAC)  has  been  investigated  as  a  method  to  increase  removal  of  Active Pharmaceutical  Ingredients (APIs) and oestrogens  in the biological part of wastewater treatment plants with a similar treatment process as Källby wastewater treatment plant, situated in Lund, in the south of Sweden, with extended nitrogen and phosphorus removal.    Depending  on  the  amount  of  PAC  added  and  the  reaction  time,  up  to  100  percent  of  the  APIs  and oestrogens  could  be  removed  from  the  wastewater.  An  addition  of  0.05  g  PAC  per  litre  artificial wastewater  lead  to  increased  removal  of  diclofenac  (83  compared  to  21  percent),  ketoprofen  (85 compared  to  51  percent),  naproxen  (92  compared  to  65  percent),  clofibric  acid  (63  compared  to  43 percent),  and  ethinyl  oestradiol  (99  compared  to  75  percent),  whereas  ibuprofen  and  oestradiol  were completely removed in the ordinary biological treatment process.    A batch experiment showed that the reaction between PAC and dissolved APIs and oestrogens is rapid and  already  after  five  minutes  92  to  99  percent  of  the  added  amount  APIs  (100  μg  per  litre)  and oestrogens (25 μg per litre) had been removed.    To add 0.05 g PAC per litre artificial wastewater would increase wastewater treatment costs of 1 SEK (0.11  EUR1)  per  m3  treated  wastewater,  which  can  be  compared  to  the  average  cost  for  treating wastewater of 1.9  to 9.3 SEK (0.2  to 1 EUR) per m3 and also  to  the  fee which households, connected to Källby wastewater treatment plant, pay today of 6.50 SEK (0.70 EUR).  Keywords:   Pharmaceuticals;  Oestrogens;  Activated  carbon;  Ibuprofen;  Diclofenac;  Ketoprofen;  Naproxen;     Clofibric acid; Oestradiol; Ethinyl oestradiol; Wastewater treatment 

1. Introduction 

  In  2007  over  32 800 million  SEK  (3 508 million  EUR7)  were  spent  on pharmaceuticals  for  human  use  in  Sweden (Apoteket,  2008).  These  pharmaceuticals help  maintain  human  health  but  also constitute  a  possible  environmental  threat when  spread  in,  for  example,  the  aquatic environment.  A  recognized  example  of  this is  that  male  fish  have  become  feminized

                                                                 7 1 EUR = 9.28 SEK (Finansportalen, 2008) 

 when exposed  to oestrogens distributed  in domestic wastewater (Larsson, et al., 1999).    The  purpose  of  this  study  was  to establish  whether  addition  of  PAC  to  the biological wastewater treatment process, at a laboratory scale, increased the removal of APIs  and  oestrogens  compared  to  ordinary biological  treatment  with  activated  sludge. It  was  investigated  which  dosage  of  PAC, based  on  both  effectiveness  and  cost,  that should be used and also studied when in the biological  wastewater  treatment  process 

    9 Appendices 

57 

that the PAC should be added. The results of this  study  are  expected  to  provide information  for  the  Mistra  programme, MistraPharma,  in  their  work‐package “Evaluate  wastewater  treatment technologies”,  where  different  physical, chemical  and  biological  methods  will  be studied in order to reduce APIs.   2. Materials and methods 

  The  removal  potential  of  PAC  was investigated  through  2  batch  experiment and  three  one  week  continuous experiments.  Activated  sludge  from  Källby wastewater  treatment  plant  together  with artificial  wastewater  was  used  in  the experiments.  It  was  also  tested  how  PAC removed  APIs  and  oestrogens  in  real wastewater  collected  from  Källby wastewater  treatment  plant.  All  of  the experiments  performed  were  scaled  to Källby wastewater treatment plant.  2.1  Description  of  Källby  wastewater treatment plant  

  Källby  wastewater  treatment  plant  has 79 000  people  connected  and  30 000 m3/d of  wastewater  is  processed.  The  treatment consist of mechanical‐, biological‐, chemical‐ and  post‐treatment.  The  mechanical treatment  includes  screening  where  larger objects  are  removed,  sand  traps  and  pre‐sedimentation.  In  the  biological  treatment nitrogen,  organic  substances  and phosphorus  are  separated  and  in  the following chemical treatment ferric chloride is  used  to  enhance  the  removal  of phosphorus.  The  final  post  treatment  part before  the  recipient  is  biological  ponds (Tekniska Förvaltningen, VA‐verket, 2004).   

2.2 APIs and oestrogens   

  Five APIs and two oestrogens were used in  the  experiments,  Table  1.  The  internal standard  (IS)  used, mecoprop  (pKa=3.11  at 

25°C), was chosen based on  its alikeness  in pKa  to  the  APIs  and  oestrogens. Concentrations of APIs and oestrogens were chosen  to  fit  the  analysis  method,  GC‐MS, used  by  the  Technical  University  of Denmark  (DTU),  rather  than  existing concentrations  in  wastewater  treatment plants. The pharmaceuticals and oestrogens were  diluted  by  DTU  in  methanol  and  0.1 mL  of  the  methanol‐solution  added  to  one litre  of  artificial  wastewater  resulted  in  a concentration  of  100  μg  of  the  individual APIs and 25 μg of the individual oestrogens per  litre  artificial  wastewater.  Ibuprofen, diclofenac, ketoprofen and naproxen are the active  substances  in  Non  Steroidal  Anti‐Inflammatory  Drugs  (NSAIDs),  which reduces  pain  and  inflammation,  whereas clofibric  acid,  the  active  metabolite  from lipid  regulators,  is  used  as  an  antilipemic, meaning  it  helps  reducing  lipid  levels  in blood  (Sjukvårdsrådgivningen,  2008;  FASS, 2008;  Karolinska  Institutet,  2008; Läkemedelsverket, 2008; Alder et al., 2006). Oestradiol  is  a  natural  oestrogen  produced by the human body and assist in controlling the  menstruation  cycle  in  women.  Due  to their  effect  on  reproduction  in  the  human body,  oestrogens  have  been  developed synthetically and used in contraceptive pills. One  of  these  synthetically  manufactured oestrogens  is  ethinyl  oestradiol,  used  in several  contraceptive  pills  on  the  Swedish market  (FASS,  2008;  Nationalencyklopedin, 2008).   

2.3 PAC 

  Since an addition of activated carbon was wanted  directly  to  the  wastewaterwater PAC  was  used,  instead  of  granulated activated  carbon,  throughout  all  of  the experiments.  PAC  (Material  number MERCK1.02186.0250,  Merck  KGaA, Darmstadt,  Germany)  was  used  in  all experiments.  

Reductio

58 

TABLE 1 AJoss (2006

 2.4 Labo

  Two in orderconcentfollowinwas alsoorder tois  needsubstan  In  ewastewreactorswith  noremovalbiologicreactor laborato 

Pumping out so tharemained in each re

Figure 1

 

n of Active Ph

APIs and oestr6). All of the su

IbuprofeCAS: 15687‐2pKa: 4.5 – 5

NaproxeCAS: 22204‐5

pKa: 4.2 

OestradiCAS: 50‐28pKa: 10.71

oratory set u

batch exper  to get resutration  that ng  continuoo done for do gain an unded  for  PAces presentexperiment ater  expes were usedo  addition  ol  efficienccal  treatmen

with  PAory set up w

4. DECANTATION30 min

at 2 L eactor

1 Set up of the e

harmaceutical

rogens used inubstances used

 en 27‐1  5.2 

 en 53‐1 

 ol 8‐2 1 

up 

riments weults  to decidshould  be

ous  experimifferent reacderstandingAC  to  rea. 1  to  3  ariment,  twd, one controof  PAC  to  gcies  in  thnt  process, AC  additiowas scaled  t

1. ANOXIC PHASE4 h

3. SEDIMENTATION30 min

N

Addition of 1 L synthetic wastewater to each reacor

experiment 1 t

 

 Ingredients i

n the experimed were obtaine

C

C

Eth

ere performde which PAe  used  in  tments.  Testiction times,g of what timact  with  t

and  the  rewo  separaol reactor, Rain  results he  ordinaand  also  on,  R1.  Tto correspon

2. AEROBIC PHASE3 h

to 4. 

n Wastewate

ents (FASS, 200ed by DTU from

DiclofenacCAS: 15307‐86‐5

pKa: 4.15 

Clofibric acidCAS: 882‐09‐7

pKa: 3.0 

hinyl oestradCAS: 57‐63‐6 pKa: 10.4‐10.5

ed AC he ng in me he 

eal ate R0, of ary ne he nd 

tofolitCObiwfowSeindetw

2.

sofo

Addition of PAC to R1 after 2.5 h

  

TA

busuC

N

K

08; 1Wikipediam Sigma‐Aldric

 

 1

 diol

o  Källby  wour  hour  antre of  artificOD  concentiological  twastewater ollowed by awas  added edimentation  phase  threcantation  pwo litres rem

5 Artificial w

For  the  aolution  wasormula  in  T

ABLE  2  Chemiuffer  solutionupplied by MERChemical  Am

NaHCO3  67

KH2PO4  4.

a, 2008). CAS, ch. 

KeCAS

wastewater noxic  phasecial wastewtration  as  ttreatment treatment a three hour

to  R1 on took placree,  followephase  after mained in ea

wastewater 

artificial  ws  preparedable  3  and 

icals  dissolvedn  to  increaseRCK. mount  (g/L) 

7.2 

obtained from

etoprofen S: 22071‐15‐4  pKa: 4.5 

 

 

 

 

 

 

treatment ,  during  wh

water, with  tthe  influenpart  in was  adde

r aerobic phafter  2.5 e during 30 d  by  a  30 which  a  voach reactor. 

wastewater, d  accordingthen  correc

d  in  distilled e  alkalinity. 

 

m Ternes & 

 

plant.  A hich  one the  same t  to  the Källby 

ed,  was hase. PAC 

hours. minutes minutes olume  of 

a  stock g  to  the cted  to  a

water  for Chemicals 

    9 Appendices 

59 

pH in the interval 7.0 to 7.2 by the addition of  the  buffer  solution  in  Table  4  (Nyholm, Berg, & Ingerslev, 1996). In order to prevent growth in the artificial wastewater, peptone and  meat  extract  was  not  added  until  the stock  solution  was  to  be  used.  The  stock solution has a COD of 1 090 mg per litre and it was therefore diluted to correspond to the influent  to  the  biological  part  of  Källby wastewater  treatment  plant.  Both  stock solution  and  diluted  artificial  wastewater, apart  from  the  amount  being  used,  were stored  in a  fridge (6°C) until used, however no  longer  than  four days,  in  order  to  avoid growth  in  the  wastewater.   An  additional  buffer  solution was  added to  the artificial wastewater  in order  to gain an  alkalinity  corresponding  to  the  nitrogen added  from  the  artificial  wastewater.  The two chemicals  in Table 2 were dissolved  in distilled  water  in  order  to  prepare  the buffer.  2.5  mL  of  this  buffer  solution  was added per litre artificial wastewater.   

2.6 Experiments 

  The  two  batch  experiments  were performed according to Table 5. Experiment 1  to  3  and  a  real  wastewater  experiment were  also  performed,  where  the  effluent was  collected  in  one  container  for  each reactor.  An  average  sample  from  three cycles,  24  hours,  was  prepared  for  analyse by  filtration  twice  through  glass  filters 

(Whatman GF/C, 1.2 μm) in order to remove as much as possible of the PAC that might be present  in  the  effluent,  since  still  present PAC  could  disrupt  the  GC‐MS  analysis.  The samples,  each  with  a  volume  of  250  mL, were  then  preserved  with  a  phosphate buffer  (Hansen, Photochemical Methods  for Degradation  of  Estrogens  and Pharmaceuticals,  2007)  and  stored  in  a fridge  (6°C)  until  Solid  Phase  Extraction (SPE)  was  performed.  The  SPE  was performed  according  to  Table  6 with Oasis HLB  30  μm  extraction  cartridges  supplied by Waters  and an  IST Vac Master,  supplied by Sorbent.   

2.7 Analysis 

GC‐MS  analyses  were  performed  on  a  MS, Agilent  Technologies  Mass  selective detector  5973  N,  and  a  GC,  Network  GC System 6890 N Injector 7683 Series. Details of  the  method  can  be  found  in Photochemical  Methods  for  Degradation  of Estrogens  and  Pharmaceuticals  (Hansen, 2007).  

3. Results 

  From  the  batch  experiments  it  was concluded  that  the  reaction  time  for  PAC short,  already  after  five minutes  92  to  100 percent of the different APIs and oestrogens were removed when a PAC concentration of 

TABLE 3 Chemicals used  for  the  artificial wastewater (Nyholm,  Berg,  &  Ingerslev,  1996).  Peptone  (order number 22089) was supplied by Fluka Sigma‐Aldrich, as was the meat extract (order number 70164). All of the other chemicals were supplied by MERCK. 

Chemical  Amount  (g/L) 

Peptone  8 

Meat extract  5.5 

Urea  1.5 

NaCl  0.35 

CaCl2 ∙ 2 H2O  0.2 

MgSO4 ∙ 7 H2O  0.1 

TABEL 4 Formula for the buffer solution used to lower pH  in  the  artificial  wastewater.  1NaH2PO4  ∙  H2O  was  used  in  the  article  but  due  to availability  in  the  laboratory  NaH2PO4  ∙  2  H2O  was used  instead,  after  the  amount  had  been  adjusted. Chemicals supplied by MERCK. Chemical  Amount  (g/L) 

NaH2PO4 ∙ 2 H2O1  84.21 

KH2PO4  27.2 

K2HPO4  80.1 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

60 

TABLE 5 Step by step description of the batch experiments. 1.  Different PAC concentrations [0.05 0.1 0.2 0.4 0.6 g/L] were added to e‐flasks.  

2.  Treated wastewater from R1 and R0 was spiked with the API and oestrogen solution to the concentration of 100 μg APIs per litre and 25 μg oestrogens per litre. 

3.  500 mL of the treated artificial wastewater was added to each e‐flask containing PAC. 

4.  The e‐flasks were placed in magnetic stirrers and covered with parafilm to prevent evaporation. 

5.  After 2 hours  (for  the  e‐flasks with different  PAC  concentrations)  respective  [0 15 30 60 120] min  (for  the  e‐flasks testing the time intervals in batch 2), the samples were filtrated.  

6.  The  filtration was done  through a  first  filtration  in coarse  filters  (with a  flow of 450 mL/min) so  that  the PAC would not block the finer glass filters and then a following double filtration in glass filters (Whatman GF/C, 1.2 μm). 

7.  After filtration the samples were preserved using a buffer prepared by DTU (contents for this buffer solution for preservation can be found in Appendix B).  

8.  IS was added to the samples just before the Solid Phase Extraction (SPE) was performed and the cartridges were then sent to DTU for analysis in GC‐MS. 

 

0.6  g  PAC  per  litre  was  used.  Results  for experiment 1 to 3 are found in Table 7. The experiment with real wastewater showed a higher  removal  efficiency  when  PAC  was added  compared  to  the  ordinary  biological treatment process.   4. Discussion 

  The  results  show  that  ibuprofen  and oestradiol  are  completely  removed  in  the biological treatment process and there is no need  to  add  PAC  in  order  to  remove  these substances.      For  all  of  the other APIs  and oestrogens there  is  an  increased  removal  efficiency, when a PAC concentration of 0.05 g per litre wastewater  is  used,  compared  to  the 

ordinary  biological  treatment  process. Diclofenac  has  the  largest  increase  in removal  efficiency  where  21  percent removal  in  the  ordinary  treatment  process can be increased to 83 percent when PAC is used.  Ketoprofen,  naproxen,  clofibric  acid and  ethinyl  oestradiol  reach  removal efficiencies  of  85,  92,  63  respective  99 percent when PAC is used, compared to 51, 65,  43  and  75  percent  in  the  ordinary biological treatment process.    The  results  also  show  that  if  a  high enough  PAC  concentration,  0.6  g  PAC  per litre wastewater, and a long enough reaction time,  120  minutes,  is  used,  a  100  percent removal  efficiency  of  the  APIs  and oestrogens can be achieved.  

 

TABLE 6 Steps performed in the SPE. Step  Description 

1.  250 μL of the IS mecoprop was added to each of the preserved 250 mL samples. 

2.  The cartridges were activated through conditioning with 3 mL ethyl acetate, 3 ml methanol followed by 3 mL acidified water (pH 2.6). The acidified water was prepared by adding the same phosphate buffer that was used for preserving the samples to distilled water until a pH of 2.6 was reached. 

3.  After  the  activation  the  cartridges  were  filled  up  with  another  3  mL  of  acidified  water  in  order  for  the cartridges not to go dry in the time it takes for the sample to reach the cartridge through the hose. 

4.  A drop speed of approximately one drop per second was used at a vacuum pressure at 0.25 bar. The different flasks gave different  flows and the  flasks were therefore placed on different highs to compensate  for  this so that  the  cartridges  would  not  overflow.  When  all  of  the  samples  had  passed  through  the  cartridges,  the cartridges were dried with maximum vacuum pressure for one hour or until dry. 

5.  The dry cartridges were then put in a plastic container and sent to DTU for analysis.  

    9 Appendices 

61 

TABLE 7 Removal, in percentage, for the different APIs and experiments. In experiment 1 a PAC dosage of 0.01 g PAC per  litre  wastewater  was  used  and  in  experiment  2  and  3  0.05  g  PAC  was  used  per  litre  wastewater.  (#) – only negative values available thus no average calculated Substance  Removal R1 

(%) Removal R0 

(%) Substance  Removal R1 

(%) Removal R0 

(%) 

Experiment 1  Experiment 3     

Ibuprofen  100  100  Ibuprofen  100  100 

Diclofenac  76  21  Diclofenac  100  7 

Ketoprofen  87  45  Ketoprofen  100  47 

Naproxen  92  78  Naproxen  100  59 

Clofibric acid  48  #  Clofibric acid  81  # 

Oestradiol  100  100  Oestradiol  100  100 

Ethinyl oestradiol  99  73  Ethinyl oestradiol  100  75 

Experiment 2  Average     

Ibuprofen  100  100  Ibuprofen  100  100 

Diclofenac  66  34  Diclofenac  83  21 

Ketoprofen  70  55  Ketoprofen  85  51 

Naproxen  83  70  Naproxen  92  65 

Clofibric acid  44  43  Clofibric acid  63  43 

Oestradiol  100  100  Oestradiol  100  100 

Ethinyl oestradiol  98  78  Ethinyl oestradiol  99  75 

 (2.2  EUR8)  per  kg,  where  transport  ‐  half the  price,  is  included  (Edalat,  2008).  This corresponds with  the  cost  of  9.3  to 14  SEK (1  to  1.50  EUR)  per  kg  activated  carbon used  for  drinking  water  (Joss,  Carballa, Kreuzinger, Siegrist, & Zabczynski, 2006).    The  average  total  cost  for  wastewater treatment  is  1.9  to  9.3  SEK  (0.2  to  1  EUR) per m3 (Joss, Carballa, Kreuzinger, Siegrist, & Zabczynski,  2006).  The  concentration  of 0.05  g  PAC  per  litre  artificial  wastewater that was used in experiment 2 and 3 and as well  in  the  real  wastewater  experiment would  mean  an  additional  cost  of  1  SEK (0.11 EUR) per m3 treated wastewater.   

5. Conclusions 

  From the results it can be concluded that PAC can be used as a method in wastewater treatment plants, with similar conditions to Källby  wastewater  treatment  plant,  to 

                                                                 8 1 EUR = 9.28 SEK (Finansportalen, 2008) 

 

increase  the  removal  of  APIs  and oestrogens.  When  PAC  is  added  to  the treatment  process  with  activated  sludge,  a higher  removal  of  APIs  and  oestrogens  is reached compared to an ordinary biological wastewater  treatment  process  with activated sludge and no PAC addition for all substances  apart  from  ibuprofen  and oestradiol,  which  both  are  removed completely  in  the  ordinary  biological wastewater treatment process without PAC.    Depending on  the  amount of  PAC  added and  the reaction  time, up  to 100 percent of the  APIs  and  oestrogens  can  be  removed from  the  wastewater.  With  a  PAC concentration  of  0.05  g  PAC  per  litre artificial wastewater, a removal efficiency of 63  to  99  percent,  depending  on  API  and oestrogen,  was  found.  To  use  this concentration  of  PAC  would  mean  an increase in wastewater treatment costs with 

Reduction of Active Pharmaceutical Ingredients in Wastewater 

62 

1  SEK  (0.11  EUR9)  per  m3  treated wastewater.   The  removal  of  APIs  and  oestrogens  by PAC is rapid and after five minutes 92 to 99 percent  of  the  APIs  and  oestrogens  were removed. PAC can thereflore be added in the end of  the  biological wastewater  treatment part,  when  the  ordinary  biological wastewater  treatment  process  has  reduced the  APIs  and  oestrogens  as  well  as  other dissolved  constituents  to  as  far  extent  as possible, in order to minimise the amount of PAC needed.  Acknowledgements 

  This  article  is  based  on  a  master  thesis that  has  been  carried  out  at  Water  and Environmental  Engineering,  Department  of Chemical Engineering, LTH, Lund University with  professor  Jes  la  Cour  Jansen  as supervisor, who  is gratefully acknowledged along with the examiner, professor Ann‐Sofi Jönsson,  the  laboratory  personnel,  Gertrud Persson  and  Ylva  Persson,  and  Therese Söderberg,  also  working  on  her  master thesis, with whom all of the laboratory parts have been planned and performed. 

References 

Alder, A. C., Bruchet, A., Carballa, M., Clara, M., Joss, A., Löffler,  D.,  et  al.  (2006).  Consumption  and Occurence.  In  T.  A.  Ternes,  &  A.  Joss,  Human Pharmaceuticals,  Hormones  and  Fragences.  The challenge  of  micropollutants  in  urban  water management.  (pp.  15‐54).  London:  IWA Publishing. 

Apoteket.  (2008).  Läkemedelsutvecklingen  2007. Stockholm: Apoteket AB. 

Edalat,  F.  (2007).  Activated  Carbon  and  Its  Role  in Wastewater Treatment. Lund: Lund University. 

Edalat,  F.  (2008).  Activated  Carbon  Application  in Leachate  Treatment.  Lund:  Water  and Environmental  Engineering,  Department  of Chemical Engineering, LTH, Lund University. 

FASS.  (2008).  Retrieved  March  4,  2008,  from www.fass.se.  Search:  ibuprofen,  diklofenac, ketoprofen,  naproxen,  karbamazepin,  estradiol  & etinylestradiol. 

                                                                 9 1 EUR = 9.28 SEK (Finansportalen, 2008) 

Finansportalen. (2008). Retrieved May 12, 2008, from http://www.finansportalen.se/valutakurser.htm 

Hansen,  K.  M.  (2007).  Photochemical  Methods  for Degradation  of  Estrogens  and  Pharmaceuticals. Copenhagen, Denmark: Institute of Environment & Resources, Technical University. 

Henning,  K.  ‐D.,  &  Degel,  J.  (n.d.).  Retrieved May  12, 2008,  from  CPL  Carbon  Link: http://www.activated‐carbon.com/solrec2.html 

Joss,  A.,  Carballa,  M.,  Kreuzinger,  N.,  Siegrist,  H.,  & Zabczynski,  S.  (2006).  Wastewater  Treatment.  In T.  A.  Ternes,  &  A.  Joss,  Human  Pharmaceuticals, Hormones  and  Fragances.  The  challenge  of micropollutants  in  urban water management  (pp. 243‐292). Padstow: IWA Publishing. 

Karolinska  Institutet.  (2007).  Retrieved  March  12, 2008,  from http://mesh.kib.ki.se/swemesh/swemesh.cfm. Search: clofibric acid. 

Kemira  Kemwater.  (2003).  About  water  treatment. Helsingborg: Kemira Kemwater. 

Larsson,  D.,  Adolfsson‐Erici,  M.,  J.,  P.,  Pettersson,  M., Berg,  A.,  Olsson,  P.‐E.,  et  al.  (1999). Ethinyloestradiol  —  an  undesired  fish contraceptive? Aquatic Toxicology 45 , pp. 91‐97. 

Läkemedelsverket. (2008). Retrieved March 12, 2008, from http://www.lakemedelsverket.se/Tpl/StartPage____3.aspx. Search: ibuprofen & diklofenac. 

Mistra.  (2007).  MistraPharma  ‐  Identification  and Reduction  of  Environmental  Risks  Caused  by  the Use of Human Pharmaceuticals. An application for a Mistra Programme. Stockholm: Mistra. 

Nationalencyklopedin.  (2008).  Retrieved  March  27, 2008, from www.ne.se Search: östrogener. 

Nyholm,  N.,  Berg,  U.  T.,  &  Ingerslev,  F.  (1996). Activated Sludge Biodegradability Simulation Test. Copenhagen: Ministry of Environment and Energy. 

Sjukvårdsrådgivningen.  (2008).  Retrieved  March  12, 2008,  from  www.sjukvardsradgivningen.se. Search:  ibuprofen,  ketoprofen,  naproxen  & karbamazepin. 

Tekniska  Förvaltningen,  VA‐verket.  (2004).  Källby avloppsreningsverk.  Lund:  Tekniska Förvaltningen, VA‐verket. 

Ternes,  T.  A.,  &  Joss,  A.  (2006).  Human Pharmaceuticals,  Hormones  and  Fragrances.  The challenge  of  micropollutants  in  urban  water management. London: IWA Publishing 

Wikipedia.  (2008).  Retrieved  March  12,  2008,  from   http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page.  Search:   clofibric acid & estrone.