Hvordan behandlinger med DBD-plasma kan forbedre renseprosesser for avløpsvann

Behandling av avløpsvann har lenge vært en kritisk utfordring for å oppnå tilstrekkelig vannkvalitet før utslipp til naturen. Spesielt har de perfluorerte og polyfluorerte alkylsubstanser (PFAS) tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet på grunn av deres langvarige og skadelige effekter på både økosystemer og menneskers helse. En av de mest lovende teknologiene som har blitt foreslått for å håndtere PFAS-forurensning i avløpsvann, er behandling med DBD-plasma (dielectric barrier discharge). Plasmafysiske metoder er i stand til å bryte ned svært stabile kjemiske forbindelser som PFAS, som er kjent for sin motstand mot tradisjonelle renseteknikker.

Plasmateknologi er basert på bruken av ioniserte gasser som skaper en rekke aktive spesies, inkludert radikaler og elektroner, som kan bryte kjemiske bindinger. En rekke studier har vist at DBD-plasma kan brukes effektivt til å degrader PFAS i både vann og jord, selv under forhold der andre teknologier har mislyktes. Når plasma blir påført, genereres høyt reaktive oksygenarter (ROS) og elektroner som kan initierer oksidasjonsreaksjoner, som i sin tur kan bryte ned den perfluorerte kjemikalien til mindre, mindre skadelige forbindelser.

I en studie av Babu et al. (2016) ble ultralyd kombinert med avanserte oksidasjonsprosesser for å øke effektiviteten til behandlingene av PFAS i avløpsvann. Dette indikerer at også andre energikilder, som ultralyd eller UV-lys, kan bidra til å forbedre plasmaeffekten. Når det gjelder DBD-plasma, er en av de viktigste faktorene som påvirker effektiviteten temperatur, trykk og tilstedeværelsen av forskjellige kjemiske forbindelser i vannet. Flere faktorer kan justeres for å optimalisere behandlingen, noe som gjør teknologien svært fleksibel.

Imidlertid er det viktig å påpeke at til tross for det potensialet som DBD-plasma har, er ikke teknologien uten utfordringer. For eksempel kan plasmaenergi forårsake dannelse av biprodukter som ikke alltid er fullstendig ufarlige, og i noen tilfeller kan de nødvendige energinivåene for behandlingene føre til uønskede miljøpåvirkninger. Forskningsarbeid har derfor fokusert på å finne metoder for å minimere dannelsen av slike biprodukter samtidig som man oppnår ønsket nedbrytning av PFAS.

I tillegg er det viktig å merke seg at effektiviteten av plasma-behandling i stor grad er avhengig av den spesifikke sammensetningen av avløpsvannet. Vann med høy organisk belastning kan for eksempel reagere annerledes på plasma-behandling sammenlignet med rent vann, og kan kreve tilpasning av behandlingsparametrene. Selv om DBD-plasma kan være svært effektivt på PFAS, er det også nødvendig å vurdere andre behandlingsmetoder som kombinering med aktivt kull, kjemisk felling eller fotokatalyse for å sikre en grundig og helhetlig vannbehandling.

Hvordan brytes vedvarende organiske miljøgifter ned i naturen?

Nedbrytning av vedvarende organiske miljøgifter (Persistent Organic Pollutants, POPs) som lindan, mirex, toxafen og DDT foregår i stor grad gjennom mikrobiell aktivitet, og det er særlig Gram-negative bakterier som spiller en sentral rolle i omdannelsen av disse giftstoffene til mindre skadelige forbindelser. For lindan er det godt dokumentert at både aerobe og anaerobe mikroorganismer kan transformere stoffet via en rekke biokjemiske reaksjoner som dehydrogenering, deklorering, hydroksylering, dehydroklorering og mineralisering. Disse reaksjonene bryter ned lindans molekylstruktur ved ringåpning, noe som fører til dannelsen av acetyl-CoA og succinyl-CoA – forbindelser som kan føres inn i Krebs-syklusen og dermed utnyttes som energikilde av enkelte mikroorganismer. Dette indikerer at lindan i enkelte tilfeller kan benyttes som eneste karbonkilde for slike organismer. Den anaerobe nedbrytningen av lindan er mindre forstått, og full mineralisering oppnås ikke, med sluttprodukter som ulike klorerte benzenforbindelser.

Mirex, en annen utfordrende POP, er mindre undersøkt med hensyn til mikrobiell nedbrytning, men enkelte pseudomonader har vist evne til å bruke mirex som eneste karbonkilde. Nedbrytningsproduktene er ikke fullt ut identifisert, men tidlige studier antyder at mono- og dihydromirex er viktige metabolitter. Mirex termisk dekomponerer ved høye temperaturer til blant annet heksaklorbenzen og andre giftige forbindelser som karbonmonoksid og fosgen.

Toxafen er komplekst på grunn av sin blanding av mange bicykliske komponenter. Likevel har den anaerobe bakterien Dehalospirillum multivorans vist seg i stand til selektivt å transformere toxafenkomponenter via erstatning av kloratomer med hydrogen, noe som gir ulike klorerte bornan-forbindelser. Abiotiske prosesser som alkalisk dehydroklorering, fotolyse og oppvarming bidrar også til toxafens nedbrytning.

Det er essensielt å forstå at nedbrytningsveiene for disse miljøgiftene ikke er fullstendig kartlagt, og at flere samtidige metabolske ruter kan være operative. For å lykkes med bioremediering kreves inngående kjennskap til de fysiologiske og biokjemiske aspektene ved disse prosessene.

Vedvarende organiske miljøgifter har en sterk affinitet for organisk materiale i jord, og bindingen til jordpartikler kompliserer nedbrytningen ytterligere. Denne sorpsjonen påvirker både spredning og tilgjengelighet for mikrobiell nedbrytning. Over tid endres sammensetningen av miljøgifter i jord og sedimenter, påvirket av blant annet transport, sekundærfrigjøring og adsorption, noe som kompliserer overvåking og rensing.

Det er viktig å ha et helhetlig perspektiv på nedbrytning og miljøpåvirkning. Biologisk nedbrytning kan være langsom og ufullstendig, med risiko for akkumulering av giftige mellomprodukter. Samtidig kan abiotiske faktorer som temperatur, pH og sollys endre nedbrytningsmønstre og produktfordeling i miljøet. Effekten av nedbrytningsprodukter på økosystemet og helse er ofte mindre kjent, men kan være betydelig. En grundig forståelse av alle disse faktorene er avgjørende for å utvikle effektive metoder for opprydding og forvaltning av forurensede områder.