Läkemedel och per- och polyfluorerade alkylsubstanser (PFAS) har identifierats i utgående vatten från avloppsvattenverk där förekomsten av dessa mikroföroreningar har fått mycket uppmärksamhet då dessa ämnen har visats kunna leda till negativa effekter på den akvatiska miljön. De traditionella reningsteknikerna som idag används på avloppsreningsverk (ARV) har begränsad reningseffekt på mikroföroreningar där ett särskilt reningssteg för avancerad rening av mikroföroreningar krävs för att minska utsläppen av dessa till miljön.                                                              Denna studie syftade till att undersöka reduktionen av mikroföroreningar vid kombination av granulärt aktivt kol (GAK) och anjonbytare (AIX). Samt att undersöka vilken utformning, uppströmsflöde med fluidiserad bädd eller nedströmsflöde med fixerade bäddar, som fungerade mest effektivt med avseende på driftstabiliteten. Vidare syftade arbetet till att utifrån tidigare insamlade data från liknande kolonnförsök på Uppsala Vatten utreda eventuell korrelation mellan totalt organiskt kol (TOC), löst organiskt kol (DOC) och UVA med läkemedel och PFAS som skulle kunna användas som uppföljningsmetod i det senare fullskaliga reningssteget på Kungsängsverket. Kolonnförsöken bestod av sju kolonner vilka delades in i tre driftlinjer. Driftlinje ett bestod av ett GAK-filter med Cyclecarb 401 följt av ett AIX-filter med Purolite 694E, liknande utformning användes för driftlinje två men där GAK-filter med Filtrasorb 400 användes i stället för Cyclecarb 401. Samtliga filter i driftlinje ett och två drevs med nedströmsflöde. Den sista driftlinjen som undersöktes bestod av Cyclecarb 401 följt av två AIX-filter med uppströmsflöde och fluidiserade bäddar. Till varje driftlinje pumpades utgående vatten från Kungsängsverket ARV genom en förbehandling bestående av två patronfilter. I GAK- och AIX-filtren med nedströmsflöde användes en kontakttid på 15 respektive 5 minuter medan en kontakttid på 2 minuter användes för de fluidiserades AIX-filtren. Reningseffektiviteten undersöktes med avseende på PFOS, diklofenak, citalopram, metoprolol och oxazepam vid två tillfällen motsvarande 100 respektive 5 000 behandlade bäddvolymer i GAK-filtren. Utifrån analyserna beräknades reduktionsgraden över de enskilda filtren samt över varje driftlinje. Driftstabiliteten undersöktes genom att jämföra backspolningsbehovet för de tre driftlinjerna samt genom att undersöka reduktionen av TOC, DOC och UVA över dessa. Resultaten visade på god reduktion av mikroföroreningar över samtliga driftlinjer, där reduktionen var över 80 procent. Vid jämförelse av de olika GAK-filtren uppvisade Cyclecarb 401 högre reduktion av PFOS och diklofenak jämför med Filtrasorb 400. Seriedrift av GAK- och AIX-filter visades komplettera varandra där mikroföroreningar som avskildes sämre av GAK avskildes i efterföljande AIX vilket medför ett mer resurseffektivt användande av adsorbenterna. Stabiliteten med avseende på backspolningsbehov och reduktion var högst för driftlinje tre och viss korrelation mellan TOC och UVA och några mikroföroreningar kunde ses men där fler analyser skulle behövas för att undersöka detta närmare. / Pharmaceuticals and poly- and perfluoroalkyl substances (PFASs) have been detected in outgoing water from wastewater treatment plants (WWTPs) where the presence of these micropollutants (MPs) has received much attention as these substances have been shown to lead to negative effects on the aquatic environment. The traditional treatment techniques currently used at WWTPs have a limited treatment effect on MPs, where an alternative treatment step for advanced treatment of MPs is required to reduce the emission of these to the environment. This study aimed to investigate the reduction of MPs for the combination of granular activated carbon (GAC) and anion exchange resin (AE) and to investigate which design (i.e., upstream flow with fluidized bed or downstream flow with fixed beds), worked most effectively in terms of operational stability. Furthermore, the work aimed to investigate, based on previously collected data from similar column experiments at Uppsala Water and Waste AB, correlation between total organic carbon (TOC), dissolved organic carbon (DOC) and UVA with pharmaceuticals and PFAS that could be used as a follow-up method in the later full-scale treatment step at Kungsängsverket. The column experiments consisted of seven columns which were divided into three operating lines. Operating line one consisted of a GAC filter with Cyclecarb 401 followed by an AE filter with Purolite 694E, similar design was used for operating line two but with Filtrasorb 400 instead of Cyclecarb 401, both lines with downstream flow. The last operating line consisted of Cyclecarb 401 followed by two AE filters with upstream flow and fluidized beds. Outgoing water from Kungsängsverket WWTP was pumped to each operating line through a pre-treatment consisting of two cartridge filters. In the GAC and AE filters with downstream flow a contact time of 15 and 5 minute respectively, was used, while a contact time of 2 minutes was used for the fluidized AE filters. The reduction efficacy was examined for five selected MPs PFOS, diclofenac, citalopram, metoprolol and oxazepam on two occasions corresponding to 100 and 5 000 treated bed volumes in the GAC filters. Based on the analyzes, the degree of reduction was calculated over the individual filters and over each operating line. Operational stability was examined by comparing the backwashing need for the three operating lines and by examining the reduction of TOC, DOC and UVA over these. The results showed a good reduction of MPs for all operating lines, where the reduction was over 80 percent. Cyclecarb 401 showed a higher reduction of PFOS and diclofenac compared to Filtrasorb 400. Series operation of GAC and AE filters was shown to complement each other, where MPs that showed lower separation in GAC were separated in subsequent AE, which results in a more resource-efficient use of the adsorbents. The stability seen to backwashing needs and reduction was highest for operating line three. The correlation study showed correlation between TOC and UVA with some of the MPs, but more samples would be needed to investigate this further.

Avloppsreningsverk (ARV) utgör en viktig del som spridningsväg för utsläpp av organiska mikroföroreningar, som per- och polyfluorerade alkylsubstanser (PFAS) och läkemedelssubstanser, från samhället till den akvatiska miljön. Befintliga reningssteg vid ARV reducerar mikroföroreningar dåligt varav denna studie syftade till att jämföra reduktionseffektiviteten av 5 olika granulära aktiva kol (GAK) och en anjonbytare (AIX) för att välja ut det material som är mest lämpat för vidare undersökningar i pilotskala inför installation ett avancerat reningssteg i Kungsängsverkets ARV i Uppsala. GAK (Filtrasorb 400, Cyclecarb 401, Brennsorb 1240, Aquasorb 5000 och Aquasorb 2000) utvärderades för avskiljning av 13 PFAS-ämnen i ett inledande bägarförsök genom placering i avloppsvatten från Kungsängsverket i 8 h. Cyclecarb 401 var mest effektivt vid avskiljning av PFAS där reduktionsgraden för PFAS-11 (85 %) och PFOS (90 %) var 35 % och 40 % högre än för det minst effektiva GAK Brennsorb 1240. Cyclecarb 401, Brennsorb 1240 och AIX Purolite 694E undersöktes i ett andra bägarförsök enligt en liknande metod, men utvärderades med avseende på avskiljning av 12 PFAS och 18 läkemedelssubstanser över 48 h. Resultatet för PFAS var likvärdigt för GAK, men AIX visades nå samma reduktionsgrad av PFAS som Cyclecarb 401 och detta skedde snabbare. Efter 48 h var reduktionen med GAK högst för läkemedelssubstanser (91-99 %) och med AIX för PFAS (78 %). Samtliga adsorbenter tillfördes även till kolonner, där Purolite 694E även seriekopplades efter Cyclecarb 401, med ett kontinuerligt flöde av avloppsvatten motsvarande 5 min kontakttid (EBCT). Även om duplikatprover togs varje vecka genomfördes inom ramen för detta examensarbete analyser för de prover tagna en timme (12 bäddvolymer), 2 veckor (4000 bäddvolymer) och 7 veckor (14 000 bäddvolymer) efter start för 12 PFAS och 18 läkemedelssubstanser. Purolite 694E reducerade PFAS bäst, 40-50 % bättre än GAK, följt av negativt laddade läkemedelssubstanser och adsorptionen för dessa ämnen var bättre över tid än för GAK. Seriekoppling av AIX efter GAK förbättrade reduktionsgraden över tid för främst PFAS (30 % ökning vid 14 000 bäddvolymer). Även för läkemedelssubstanser med negativ laddning som adsorberades väl av AIX. Adsorptionen till AIX gynnades mest av substanser med negativa laddning. Adsorptionen till samtliga adsorbenter gynnades av PFAS med en sulfonatgrupp, en lägre syrakonstant, en högre fördelningskonstant mellan oktanol och vatten samt en längre kolkedja. En seriekoppling av AIX efter GAK är främst intressant för förbättrad avkiljning av diklofenak och PFOS vid Kungsängsverket, men även avskiljning av andra PFAS och negativt laddade läkemedelssubstanser kan förbättras. Andra ämnen adsorberades väl av GAK där Cyclecarb 401 i samtliga försök visats mest effektiv. De analyserade provpunkterna för kolonnförsöket var för få varav en kommande noggrannare undersökning över hela försökets genomförande kommer påvisa livslängderna för varje adsorbent vid EBCT 5 min. EBCT var kort varav efterföljande försök bör undersöka avskiljningens effektivitet för Kungsängsverket vid längre EBCT. / Waste water treatment plants (WWTPs) constitute an important role in releasing organic micropollutants, such as per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) and pharmaceuticals, from the society into the aquatic environment. Reduction of them in existing treatment methods in WWTPs is insufficient which is why the aim of this study was to examine the reduction efficiency for 5 granular activated carbons (GAC) and an anion exchange resin (AIX) and choose the adsorbent most suited for further studies in pilot scale before an advanced treatment step is built to Kungsängsverket WWTP in Uppsala.  GAC (Filtrasorb 400, Cyclecarb 401, Brennsorb 1240, Aquasorb 5000 and Aquasorb 2000) were evaluated for 13 PFAS compounds in an initial batch experiment using wastewater from Kungsängsverket during 8 h. Cyclecarb 401 had the highest removal efficiency for PFAS where the reduction grade for PFAS-11 (85 %) and PFOS (90 %) was 35 % and 40 % higher than for the least efficient GAC Brennsorb 1240. Cyclecarb 401, Brennsorb 1240 and the AIX Purolite 694E were evaluated in a second batch experiment through a similar method, analyzed for 12 PFAS and 18 pharmaceuticals over 48 h. The results for PFAS were similar for GAC, but AIX reached the same reduction grade for PFAS as Cyclecarb 401 which also happened faster. After 48 h reduction with GAC was best for pharmaceuticals (91-99 %) and with AIX for PFAS (78 %). Finally, these adsorbents were placed in individual columns, where Cyclecarb 401 was connected to an additional column with Purolite 694E, with a continuous flow of wastewater with an empty bed contact time (EBCT) of 5 min. Even though duplicate samples were taken each week analysis was performed for samples taken an hour (12 bed volumes), 2 weeks (4000 bed volumes) and 7 weeks after start (14 000 bed volumes) for 12 PFAS and 18 pharmaceuticals. Purolite 694E reduced PFAS the best, 40-50 % better than GAC, followed by negatively charged pharmaceuticals and adsorption for these compounds was better over time than with GAC. AIX after GAC increased reduction grade over time primarily for PFAS (30 % improvement after 14 000 bed volumes) but also for pharmaceuticals well adsorbed by AIX. Adsorption to AIX was mainly improved with a negative charge of the compound. Adsorption to adsorbents was favored for PFAS containing a sulfonate group, compounds with a lower acid dissociation constant, a higher octanol-water partition coefficient and a longer carbon chain. Implementation of AIX after GAC would be of interest for Kungsängsverket mainly due to the improved removal of diclofenac and PFOS, but also if removal of other PFAS and pharmaceuticals will become prioritized. Other compounds were removed by GAC well where Cyclecarb 401 was most effective in all experiments. The analyzed samples for the column experiment were too few which is why a more comprehensive study of all samples over the whole experiment period will be able to determine the life length of each adsorbent for EBCT 5 min. EBCT was short which is why further experiments need to examine the reduction efficiency for Kungsängsverket at a longer EBCT.

Avloppsreningsverk är en spridningsväg för läkemedelsrester och per- och polyfluorerade alkylsubstanser (PFAS) till miljön. Genom en pågående revidering av avloppsdirektivet, vilket är ett genomförandedirektiv från EU, kommer det införas krav på reduktion av läkemedelssubstanser för att minska denna spridning. Kolonnförsök i bänkskala och pilotförsök i containerskala genomförs av Uppsala Vatten och Avfall AB och IVL Svenska Miljöinstitutet på Kungsängsverket i Uppsala för att testa tekniker för avskiljning av läkemedelsrester och andra mikroföroreningar. Syftet med detta examensarbete var att utvärdera de pågående försöken utifrån reningseffektivitet, kostnader, klimatpåverkan och utifrån de krav som kan komma att ställas i det reviderade avloppsdirektivet.  Avskiljningsgrad i avloppsvatten av perfluoroktansulfonsyra (PFOS), citalopram, diklofenak, metoprolol, oxazepam och summan av 14 svårnedbrytbara substanser vid singel- och seriedrift av granulerat aktivt kol (GAK) i kombination med efterföljande anjonbytare (AIX) undersöktes baserat på analysdata från provtagningar. För läkemedel sker reduktionen huvudsakligen med GAK. Efterföljande AIX bidrar med en kompletterande reduktion av diklofenak och PFOS. Vid byte av kol i GAK-filtret i kolonnförsöken påverkas reduktionen över efterföljande AIX, vilket syns genom desorption av diklofenak över AIX. Vid jämförelse mellan GAK-filtren i kolonnförsöken och GAK-filtren i pilotförsöken kunde liknande trender ses gällande hur snabbt avskiljningsgraden för olika substanser avtar vid ett ökat antal behandlade bäddvolymer (BV). Utvärdering av de substanser som ingår i förslaget till reviderat avloppsdirektiv utifrån de krav som ställs visade en genomsnittlig reduktion på över 80 % av sex utvalda substanser (amisulprid, citalopram, diklofenak, venlafaxin, ∑6&4-metylbenxotriazol and benzotriazol), och därmed uppfyllda reduktionskrav, fram till minst 24 000 behandlade BV i GAK-filtren och 60 300 behandlade BV i AIX-filtret. Av de undersökta teknikerna förväntas lägst kostnad och klimatpåverkan vid seriedrift av GAK i två steg om målet med reningen är att avskilja läkemedel. Om reningsmålet även inkluderar reduktion av PFOS förväntas lägst kostnad och klimatpåverkan vid seriedrift av GAK i två steg följt av AIX. / Wastewater treatment plants contribute to the spread of pharmaceuticals and per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) to the environment. The urban wastewater treatment directive from the European Union is under revision, and requirements for reduction of pharmaceutical substances will be introduced to reduce the spread. Column tests in bench scale, and pilot tests in a shipping container, are being conducted by Uppsala Vatten och Avfall AB and IVL Svenska Miljöinstitutet at Kungsängsverket in Uppsala with the aim of evaluating techniques to reduce pharmaceuticals and other micropollutants. This master thesis was aimed to evaluate the tests based on treatment efficiency, costs, climate impact and based on the requirements that may be set in the revised urban wastewater treatment directive.    Reduction of perfluorooctanesulfonic acid (PFOS), citalopram, diclofenac, metoprolol, oxazepam and the sum of 14 persistent pharmaceuticals in wastewater, with granulated activated carbon (GAC) in single- and two-stage series operation in combination with a following anion exchange resin (AE), were evaluated based on data from analyzed samples. The reduction of pharmaceuticals was mostly done by GAC. AE after GAC contribute with a complementary reduction of diclofenac and PFOS. When changing the resin in the GAC-filter in the column tests, the reduction over the subsequent AE-filter was affected, which could be seen by desorption of diclofenac from AE. A comparison between the GAC-filter in the column tests and the GAC-filter in the pilot test showed similar trends regarding how fast the treatment efficiency for different substances decreased with an increased number of treated bed volumes (BV). An evaluation of the substances that are included in the proposal to the revised directive showed an average reduction of six selected substances (amisulprid, citalopram, diclofenac, venlafaxine, ∑6&4-metylbenxotriazol and benzotriazol) over 80 % for 24 000 treated BV in the GAC-filter and 60 300 treated BV in the AE-filter. GAC in a two-step series operation was the technique with lowest expected cost and climate impact if the aim of the treatment was to reduce pharmaceuticals. If the aim of the treatment also includes reduction of PFOS, the lowest expected cost and climate impact was achieved with GAC in two-step series operation followed by AE.

Per- and polyfluorinated substances (PFAS) are used in many areas of application due to their many beneficial properties such as heat resistance. insulator and water- and oil repellent. PFAS containing products can often be found in landfills and their leachate. This study compares the two common treatment techniques granulated activated carbon (GAC) and anion exchange (AIX) for treating groundwater at a landfill site. The removal efficiencies of the PFAS found at the site were determined for both methods as well as the cost of treatment for removal efficiencies at 99, 95, 90, 85, 80 and 50 % for one cubic metre of groundwater. Twenty different PFAS were found and the removal efficiency of ∑PFAS ranged between 4 – 90 % for two stage GAC and 30 – 100% for AIX. Within the groups perfluoroalkyl carboxylic acid (PFCA) and perfluorosulfonic acid (PFSA), both methods were most efficient in removing long chains. PFSA generally had a higher removal efficiency than PFCA. The cost of removing PFAS was related to the removal efficiency. Since AIX had a higher removal efficiency the cost became lower, despite the filter media costing nearly seven times more than GAC’s. The costs of removing PFCA and PFSA were 3.1 – 32 and 2.3 – 6.5 euros/m3 groundwater for removal of 50 – 99% using AIX. For GAC, the cost could not be calculated for 99 % removal since the removal efficiencies were too low for the Lin and Huang adsorption model to work. For 50 – 95% removal the costs for PFCA and PFSA were 2.9 – 23.1 and 2.8 – 6.9 euros/m3 groundwater.

Avloppsreningsverk utgör en viktig spridningsväg för läkemedelsrester till den akvatiska miljön. Även per- och polyfluorerade alkylsubstanser (PFAS) har påvisats i utgående vatten från avloppsreningsverk. För att minska utsläpp av dessa krävs ett kompletterande reningssteg. Syftet med denna studie var att utvärdera utökad rening av avloppsvatten med granulerat aktivt kol (GAK) och anjonbytare (AIX, Anion exchange resin). Underlag för utvärdering utgjordes av resultat från pågående pilotstudie vid Kungsängsverket i Uppsala, vilken består av kolonnförsök samt pilotförsök i större skala. I kolonnförsöken testas kombinationen GAK (Cyclecarb 401 eller Filtrasorb 400) i fixerade bäddar, följt av AIX (Purolite 694E) i fixerade samt fluidiserade bäddar i olika driftlinjer. Kontakttiden (EBCT, Empty Bed Contact Time) var cirka 15 minuter för GAK respektive 5 minuter för AIX. I pilotförsöken inkluderas även tvåstegsdrift av GAK med EBCT på cirka 14 minuter per filter. Vid slutet av denna studie hade cirka 36 000 till 37 000 bäddvolymer (BV) behandlats med GAK, respektive 98 000 till 116 000 BV med AIX i kolonnförsöken. I pilotförsöken hade cirka 5 000 till 10 000 BV behandlats med GAK samt cirka 8 000 till 31 000 BV med AIX. Reningseffektivitet utvärderades avseende avskiljning av diklofenak, oxazepam, metoprolol, citalopram samt PFOS eftersom dessa i tidigare studie pekats ut som mest utmanande för mottagande vattenmiljö. En högre avskiljning av oxazepam, metoprolol och citalopram uppnåddes med GAK än med AIX, där Cyclecarb 401 uppvisat högst reduktion. För diklofenak och PFOS uppnåddes en högre avskiljning med kombinationen GAK följt av AIX än med enbart GAK. Driftkostnad och klimatpåverkan utvärderades för samtliga adsorbenter samt för specifika scenarion vid Kungsängsverket. Scenarierna inkluderar olika reningsmål för avancerad rening med singel- respektive tvåstegsdrift av GAK samt GAK följt av AIX. Reningsmålen avser en 80 procentig genomsnittlig reduktion över tid av diklofenak, oxazepam, PFOS eller en kombination av dessa. Vid ekvivalent dos av adsorbenterna resulterade Cyclecarb 401 i den lägsta driftkostnaden och klimatpåverkan. Lägst driftkostnad för samtliga reningsmål erhölls med tvåstegsdrift av GAK. För avskiljning av PFOS eller PFOS och diklofenak erhölls lägst klimatpåverkan med kombinationen GAK följt av AIX. För resterande reningsmål erhölls lägst klimatpåverkan med tvåstegsdrift av GAK. I tillägg utfördes en regressionsanalys för att undersöka om enkla mätningar av löst organiskt kol (DOC) eller ultraviolett absorbans (UVA) kan användas som uppföljningsmetod för reningseffektiviteten. Ingen korrelation kunde dock fastställas mellan skillnaden i ingående och utgående koncentration eller absorbans av DOC, UVA och diklofenak, oxazepam eller PFOS. / Wastewater treatment plants are an important source for the spread of pharmaceuticals to the aquatic environment. Per- and polyfluorinated alkyl substances (PFASs) have also been detected in outgoing wastewater. To reduce emissions of these micropollutants, an advanced treatment process is required.  This study aimed to evaluate advanced treatment with granular activated carbon (GAC) and anion exchange resin (AIX), using results from an ongoing pilot study at the wastewater treatment plant Kungsängsverket in Uppsala, Sweden. The pilot study consists of column tests and pilot tests in larger scale. The column tests consist of the combination of GAC (Cyclecarb 401 or Filtrasorb 400) in fixed beds, followed by AIX (Purolite 694E) in fixed or fluidized beds in different operating lines. Contact time (EBCT, Empty Bed Contact Time) was 15 minutes for GAC and 5 minutes for AIX. The pilot tests include two-stage operation of GAC with EBCT of 14 minutes per filter. At the end of this study, in the column tests, approximately 36 000 bed volumes (BV) had been treated with GAC and 98 000 to 116 000 BV with AIX. In the pilot tests, 5 000 to 10 000 BV had been treated with GAC and 8 000 to 31 000 BV with AIX. Treatment efficiency was evaluated for diclofenac, oxazepam, metoprolol, citalopram and PFOS, since these were identified as prioritized substances in a previous study. A higher reduction of oxazepam, metoprolol and citalopram were obtained using GAC compared to AIX, where Cyclecarb 401 showed the highest reduction. For diclofenac and PFOS, a higher reduction was achieved for the combination of GAC followed by AIX compared to GAC alone.  Operating cost and climate impact were evaluated for the adsorbents as well as for specific scenarios at Kungsängsverket, that includes different treatment goals for single stage and two-stage operation of GAC, and GAC followed by AIX. Treatment goals consists of an 80 percent average reduction over time of diclofenac, oxazepam, PFOS, or a combination of these. For an equivalent dose of adsorbent, the lowest operating cost and climate impact was obtained with Cyclecarb 401. The lowest operating cost for all the treatment goals was obtained with two-stage operation of GAC. For reduction of PFOS or PFOS and diclofenac, the lowest climate impact was obtained with the combination of GAC followed by AIX. For the remaining treatment goals, the lowest climate impact was obtained with two-stage operation of GAC.   In addition, a regression analysis was preformed to evaluate whether measurements of dissolved organic carbon (DOC) or ultraviolet absorbance (UVA) could serve as a prediction method for the treatment efficiency of organic micropollutants. However, the regression analysis showed no correlation between the reduction of DOC, UVA, and diclofenac, oxazepam or PFOS.