Pharmaceutical residues are passing our wastewater treatment plants and flowing out in to the nature. The medical substances are built to affect different processes in our bodies, but also affect other species and increase the risk of developing multi resistant bacterial strains, not curable with antibiotics. This has made wastewater treatment plants (WWTPs) interested in investing in pharmaceutical removal. This study describes what criteria that are important to consider when choosing technology for pharmaceutical removal, and presents a model for the WWTPs to use when choosing pharmaceutical removal technology. Secondly, the study presents a reasoning regarding business model concepts. These concepts are presented to aid suppliers of pharmaceutical removal technology, when designing their business models. The method of choice is a qualitative research study based on interviews and document analysis. / Aktiva läkemdelssubstanser passerar idag våra reningsverk oförändrade och rinner ut i naturen. Dessa substanser är tillverkade för att påverka olika biologiska processer i våra kroppar, men de påverkar också andra arter och ökar risken för att utveckla antibiotikaresistenta bakterier som vi inte kan bota oss från. Dessa risker har gjort reningsverk intresserade av att investera i läkemedelsrening. Denna studie beskriver vilka kriterier som är viktiga att överväga vid val av teknik för läkemedelsrening och presenterar sedan en modell som reningsverk kan använda när de väljer teknik för läkemedelsrening. Ett resonemang förs också kring olika affärsmodellskoncept som kan nyttjas av leverantörer av teknik för läkemedelsrening, när de utvecklar sina affärsmodeller. Den valda metoden för studien är baserat på ett kvalitativt förhållningssätt med intervjuer och dokumentanalyser.

This diploma thesis is based on the current issue of the presence of pharmaceuticals in various components of the environment. Concerning the contamination by residues of pharmaceuticals the most affected environment is the aquatic environment where these substances leaks especially from wastewater treatment plants, which eliminate them during the cleaning process only partially. This work is focused on the selected group of pharmaceuticals, non-steroidal anti-inflammatory drugs (salicylic acid, ibuprofen, caffeine, naproxen, ketoprofen, diclofenac) in waste water. For analysis purposes two types of sampling were used and compared: the conventional spot sampling of wastewater and the sampling using passive samplers POCIS. The sampling took place at the inflow and outflow of the wastewater treatment plant in Brno Modřice. The solid phase extraction (SPE) using Oasis HLB columns was used as the extraction method. Extracted sample was derivatized then. Derivatization agents were: MSTFA (N-methyl-N-(trimethylsilyl)trifluoroacetamid) and BSTFA (N, O-bis(trimethylsilyl) trifluoroacetamid). The final analysis was performed using gas chromatography with mass spectrometric detection Time-of-Flight (GC/TOF-MS).

Today, pharmaceutical residues are widely found in nature as a cause of the extensive use of human and veterinary medicine. The pharmaceutical residues have shown to have a damaging impact on flora and fauna. Wastewater Treatment Plants (WWTPs), today, are not designed for pharmaceutical removal, which calls for new methods and the implementation of these to avoid increased concentrations of pharmaceutical residues in nature. This thesis addresses three main areas. Firstly, a pre-study regarding the prevalence of pharmaceutical residues at different parts of a WWTP and in the nearby river, secondly, an evaluation of removal of pharmaceutical residues using ozone and, thirdly, the construction of a pilot plant scale Activated Carbon (AC) unit and an evaluation of its capacity for pharmaceutical and ozone removal. This work was done in order to verify the quality of a future full-scale unit including the advanced techniques ozone and AC that will be implemented at a WWTP for pharmaceutical removal. The pre-study shows that the total concentration of the Active Pharmaceutical Ingredients (APIs) was largest at the inlet (93.8 mg/L) and decreased throughout the process steps to be the lowest at the outlet (5.6 mg/L). Paracetamol was found in the highest concentration (86.5 mg/L) at the inlet but could not be detected in the outlet. In the recipient none of the APIs could be found. However, caffeine was detected in the recipient. The pilot plant studies were performed in a batch process, one at high ozone generation and one at low ozone generation. The pilot test at high ozone generation showed that all of the measured APIs were below their Limit of Quantification (LOQ) after 2 minutes. The pilot test at low ozone generation showed a total API-removal of 44% after 7 minutes, 78% after 13 minutes, 97% after 20 minutes and more than 99% after 60 minutes. All of the APIs were below their LOQ after 180 min. The AC-filter construction mirrored the conditions within a full-scale unit as closely as possible and was scaled by the superficial velocity. The AC-filter showed an ozone removal of approximately 99% and removed all pharmaceutical residues apart from Ranitidine which was decreased by 76%. / Idag återfinns läkemedelsrester i stor utsträckning i naturen, vilket är ett resultat av den omfattande användningen av human- och veterinärmediciner. Läkemedelsresterna har visat sig ha en skadlig effekt på flora och fauna. Dagens avloppsreningsverk är inte byggda för att rena vattnet från läkemedelsrester, vilket kräver att nya metoder utvecklas och implementeras för att förebygga spridning av läkemedel. Denna avhandling redogör för tre huvudområden, inledningsvis en förstudie om förekomsten av läkemedelsrester i olika delar av ett vattenreningsverk samt i en närliggande å. Därefter en studie av ozons förmåga att eliminera läkemedelsrester och slutligen konstruktion av ett aktivt kolfilter och en utvärdering av dess förmåga att ta bort läkemedel. Detta gjordes med syftet att verifiera kvalitén hos en fullskalig anläggning som kommer att installeras på ett vattenreningsverket där ozon och aktivt kol kommer användas för borttagning av läkemedelsrester. Förstudien visar att totalkoncentrationen av de aktiva läkemedelssubstanserna (API:er) var som störst vid inloppet av reningsverket (93.8 μg/L) och koncentrationen minskade genom de olika processtegen och var som lägst i utloppet (5.6 μg/L). Paracetamol återfanns i den högsta koncentrationen i inloppet (86.5 μg/L), men kunde inte detekteras i utloppet. Ingen av API:erna återfanns i recipienten, men däremot detekterades koffein. Pilotanläggningsstudierna genomfördes i en batch och genomfördes med högozongenerering och med låg ozongenerering. Studien med hög ozongenerering visade att alla läkemedelsrester var under analysmetodens detektionsgräns efter 2 minuter. Pilotstudien med låg ozonegenerering visade att den totala läkemedelsborttagningen var 44 % efter 7 minuter, 78 % efter 13 minuter, 97 % efter 20 minuter och mer än 99 % efter 60 minuter. Alla läkemedelsrester var under analysmetodens detektionsgräns efter 180 min. Kolfiltret konstruerades för att efterlikna det fullskaliga filtret så mycket som möjligt och skalades således efter den hypotetiska tomma bäddhastigheten. Kolfiltret tog bort cirka 99 % av ozonet och alla läkemedelsrester utom Ranitidin som reducerades med 76 %.

Spridning av läkemedelsrester och andra prioriterade mikroföroreningar i miljön har uppmärksammats och stor oro väckts kring problematiken. Bland observationer som forskare har noterat till följd av antibiotika, hormoner och läkemedel i vattenmiljöer är bland annat bakteriell resistens, könsbyte och sterilitet hos fisk och groddjur. Persistenta föroreningar som per- och polyfluor alkalysyror (PFAS) bryts inte heller ner i naturen och mikroskräppartiklar kan anrikas i vattendrag och orsaka negativa effekter på vattenlevande organismer. Gemensamt för mikroföroreningar är att dessa förekommer oftast i små halter och kan härstamma från olika mänskliga aktiviteter. Avloppsreningsverk (ARV) är inte primärt anpassade för att avskilja mikroföroreningar utan främst för att avlägsna kväve, fosfor och organiskt material. Uppströmsarbete är inte heller tillräckligt effektivt för att avlasta reningsprocessen vilket medför att mängden mikroföroreningar ökar i vattenmiljöer och sätter ytterligare påtryckningar på ARV. Utmaningar som ARV står inför idag med nya mikroföroreningar och förekomsten av dessa i miljön har väckt frågor både nationellt och internationellt. Stockholm Vatten och Avfalls (SVOA) beslut att implementera membranbioreaktor (MBR) på Henriksdals reningsverk av porstorleken 0,04 μm är en åtgärd för att rusta upp inför framtida hydrauliska volymer men även potentiella striktare reningskrav. Fördelen med MBR-processen är att den förhindrar föroreningar som förekommer partikulärt att passera membranen och på så sätt hindras skadliga ämnen att passera reningsprocessen. I dagsläge saknas krav på ARV att rena avloppsvatten från de flesta mikroföroreningar. Det förväntas dock att kommande lagstiftning omfattar läkemedel och andra organiska föroreningar. I detta projekt undersöktes mikroföroreningar i form av läkemedelsrester, antibiotika, hormoner, PFAS och mikroskärp i en MBR-process samt förekomsten av adsorberbara och extraherbara organiska halogener (AOX, EOX) som potentiellt bildas under rengöring av membranen till följd av reningsprocessen. Resultat från detta projekt med MBR-processen visade en generell högre reduktion av prioriterade mikroföroreningar i avloppsvatten än tidigare undersökningar på konventionella ARV, med undantag för några substanser som visade på en liknande sämre reduktion. Läkemedlen diklofenak, oxazepam, citalopram med flera visade på en sämre reduktion och lika så för antibiotikumen clindamycin, claritomycin och erytromycin där reduktionen var negativ och visade på en återkommande trend. Östrogena hormoner reducerades i reningsprocessen och likaså för mikroskräp där 60 partiklar/m3 mikroplast av porstorleken större än 300 μm passerade membranen. Mikroplast av en porstorlek i intervallet mindre än 300 men större än 50 μm passerade 140 partiklar/m3 membranen. För AOX och EOX var halten i MBR-processen typiska och i nivå med tidigare undersökningar genomförda på konventionella ARV. Eftersom membranen inte kan avskilja partiklar på molekylnivå visades sig även att det passerade fortfarande mikroföroreningar som undersöktes. En slutsats från detta projekt är att endast ett få tal ämnen reducerades helt medan majoriteten av de prioriterade mikroföroreningarna reducerades delvis i avloppsvatten. För att kunna reducera dessa prioriterade mikroföroreningar i reningsprocessen ytterligare om striktare reningskrav skulle bli aktuella krävs vidare efterbehandling efter MBR-processen. / Release of pharmaceutical residues and other emerging substances in the environment has been highlighted and raised a great concern regarding the issue. Among observations that scientists have noted as a result of antibiotics, hormones and pharmaceutical residues in the aquatic environment are bacterial resistance, sex change and sterility in fish and batrachians. Persistent pollutants such as perfluorinated-alkylated substances (PFAS) are also not degraded in nature, and microscopic debris particles can be enriched in aquatic systems and cause adverse effects on aquatic organisms. The common aspect with these substances is that they usually occur in small quantities and can derive from different human activities. Wastewater treatment plants (WWTP) are not primarily designed to separate emerging substances of concern (ESOC), but primarily to remove nitrogen, phosphorus and particulate organic matter. Upstream work is also not sufficiently effective to relieve the purification process, which means that the amount of pollutants increases in aquatic environments and puts additional pressure on the WWTP. The challenges facing WWTP today with ESOC and their presence in the environment has raised issues both nationally and internationally. Stockholm Vatten och Avfall (SVOA) decision to implement a membrane bioreactor (MBR) with poresize of 0,04 μm at Henriksdal WWTP is a step to prepare for future hydraulic volumes, but also potentially stricter treatments requirements regarding ESOC. The advantage of the MBR process is that it prevents contaminants that appear to be particulate to pass the membranes and end up in the receiving waters. Today, WWTP are not required to treat wastewater in order to remove pharmaceutical residues, antibiotics, hormones, PFAS or microscopic debris particles. However, it is expected that future legislations will include pharmaceuticals and other organic pollutants. In this project, ESOC such as pharmaceutical residues, antibiotics, hormones, PFAS and microscopic debris in the MBR-process are studied as well as the presence of adsorbable and extractable organic halogens (AOX, EOX) that are possibly formed during the cleaning or maintains of the membranes. Results from this study showed a higher general reduction of the studied ESOCs in wastewater with the MBR-process than previous studies in conventional WWTP, except of some substances that showed a poor reduction. Pharmaceuticals such as diclofenac, oxazepam and citalopram showed a weak reduction as well as the antibiotics clindamycin, clarithromycin and erythromycin where they showed a higher outcome levels than the incoming to the treatment process. Estrogenic hormones were reduced in the purification process as well as microplastics where only 60 particles/m3 of pore size higher than 300 μm passed the membranes. Microplastics of the pore size smaller than 300 and larger than 50 μm were detected to 140 particle/m3 in the effluent water. For AOX and EOX, the level of MBR process showed typical values and were in line with previous studies on conventional ARV. However, since the membranes cannot treat contaminants at molecular level, it was also shown that some ESOC that were studied bypassed the treatment process. A conclusion from this project is that only a few numbers of substances were fully reduced while the majority of ESOCs were partially reduced in wastewater. In order to reduce further ESOCs and in case of stricter treatment were to be applied, additional post-treatment is also needed for the MBR process.

Nonsteroidal anti-inflammatory substances became a very frequently used and constantly evolved group of the drugs, particularly in a human medicine. The risk of their penetration into the environment, especially to the water environment, is rising during the recent years. The diploma thesis is focused on a selection of appropriate separation method and optimization of analytical procedure for the identification and determination of the non-steroidal anti-inflammatory drugs in sewage and surface waters. Salicylic acid, ketoprofen, diclofenac and ibuprofen were chosen from the wide range of NSAIDs as the most widespread agents of this drugs group in the medical practice. The method was optimized and elaborated using the model water samples. This method was used for determination of the analytes contained in the real water samples. Waste water samples were taken from the large-scale wastewater treatment plant in Brno-Modřice and surface water samples were taken from the Highlands river Křetínka. Solid phase extraction (SPE) was used for the real samples treatment and preconcentration, the determination was performed using the high performance liquid chromatography with mass spectroscopy method (LC-MS).