Vatten är något vi alla är beroende av dagligen. När ut- och grundvatten förorenas får det inte bara stora konsekvenser för oss människors hälsa, det påverkar även den biologiska mångfalden. Användningen av kemikalier har ökat i stora delar av världen i takt med att samhället utvecklas, framförallt efter andra världskriget. En stor del av dessa kemikalier kommer från medicinrester. Alla dessa kemikalier hamnar i våra vatten och detta ställer till problem då reningsverkens tekniska utveckling har hamnat efter. De är byggda att ta bort bakterier, inte kemikalier. Det behövs nya metoder för att kunna mäta kemikalier och för att rena vattnet. Idag kan det vara svårt att finna kemikalierna i vattenprov, något som forskaren Ola Svahn från högskolan Kristianstad har försökt förbättra. Dyk ner i Svahn intressanta forskning kring hur olika sorters kol kan användas för att få bukt på problemet.

KEMISKA FÖRORENINGAR FÖLJER VATTNETS VÄG

Ökande kemiska föroreningar av yt- och grundvatten har i stort sett okända långsiktiga miljöeffekter, både på livet i vattnet och på människors hälsa. Utan rent sötvatten kan vi varken garantera biologisk mångfald eller vår egen hälsa, än mindre trygga en hållbar livsmedelsförsörjning. I Sverige har vi fortfarande god tillgång på sötvatten av hög kvalité, som vi bör vara rädda om.

Jordens sötvattenresurser har förorenats i takt med att kemikaliesamhället har vuxit fram. Sedan andra världskrigets slut har föroreningen accelererat, vilket har lett till att fler än 100 000 kemikalier i dag används inom EU.

Flera av dessa kemikalier cirkulerar i samhället och kan hamna i vattendrag, sjöar och hav som föroreningar. Hit hör ämnesgrupper som PFAS och bromerade flamskyddsmedel. Två̊ andra nyckelgrupper av organiska föroreningar kopplade till hälsa och miljö är läkemedel och pesticider. I dag används över tusen läkemedelssubstanser inom medicin och flera hundra bekämpningsmedel inom jordbruket.

Moderna samhällen samlar upp och renar avloppsvatten via reningsverk innan det släpps ut. Den teknik som används på reningsverken är från början av 1900-talet. Huvudsyftet var att göra vattnet fritt från smittsamma bakterier samt att minska övergödningen, vilket fungerar väl. Men reningsverken var inte rustade att rena bort kemiska föroreningar. Dessa mikroföroreningar kommer därför i många fall att passera reningsverkens tre steg (mekanisk, biologisk och kemisk rening) opåverkade ut i vattendragen. 

Huseby ligger vid porten till Åsnen. Sjön Salen är närmast anslutande sjö och dit når både Alvesta och Växjö kommuns avloppsvatten via olika vattendrag. Alvesta reningsverk släpper ut sitt renade avloppsvatten till Hjortsbergaån, som i sin tur mynnar ut i Salen. Växjö reningsverk ligger vid Norra Bergundasjön, vars vatten rinner västerut via Helige å och når Salen i höjd med Os. Situationen är inte unik för de båda kommunerna. Så här ser det ut runt om Sverige – man har använt närmast liggande å eller sjö som mottagare av renat avloppsvatten. Det unika är att föroreningarna når Åsnen, Sveriges första akvatiska Nationalpark.

Provupparbetning – nålar i en höstack

För att avgöra utsläppens omfattning i våra vatten krävs provtagning och kemisk analys. Gemensamt för de föroreningar som kommer från läkemedel är att deras koncentrationer i miljön är förhållandevis låga, och att de är designade att vara biologiskt aktiva.

Provet kan antingen vara flytande, som ett vattenprov, eller vara fast, som ett bottensediment från en å eller sjö, eller slam från ett reningsverk. Inom miljöanalys kan volymerna i flytande prover variera från några få milliliter i ett prov från inkommande vatten till ett reningsverk, till upp emot en liter i ett ytvattenprov från en sjö, vilket ger ännu färre molekyler att jobba med.

Kemisk analys är som att leta efter nålar i en höstack, där nålarna är föroreningarna och höstacken är vatten eller ett fast prov. För att hitta och bestämma nålarnas antal och särart krävs ett antal steg, som tillsammans bildar en analyskedja. Jakten på nålarna börjar alltid med att upparbeta prover, som har två syften:

1. Proverna renas och befrias från höstacken på ett så tillförlitligt och effektivt sätt som möjligt. 
2. Proverna koncentreras så att antalet molekyler per volymenhet blir fler.

Båda stegen leder till ökad analyskvalité. 

Grundregeln är att provet bör analyseras så snart som möjligt efter provtagning. I dag skickas vattenprover mellan regioner och länder till specialiserade laboratorier för analys. Att transportera vattenprover är ineffektivt och omständligt, och äventyrar dessutom kvalitén på analyserna om de ämnen som ska analyseras bryts ner under färden. Den efterföljande provupparbetningen är också̊ tidskrävande och utgör analys-laboratoriets främsta flaskhals. 

Min forskning har lett till en ny teknik som gör att proverna kan arbetas upp direkt i naturen eller på en plats i provtagningens omedelbara närhet. Enkelt och tillförlitligt. Tekniken effektiviserar och utökar möjligheterna att ta vattenprover, vilket stärker analyskvalitén.

Slutanalys – ämnen identifieras och mäts

Inom miljöanalys utgörs den sista delen av analyskedjan, själva slutanalysen, av de båda analysteknikerna kromatografi och masspektrometri. I slutanalysen bestäms vilka kemiska föroreningar som finns i proverna samt halterna av respektive förening. Då det är låga halter som ska analyseras måste analysutrustningen vara väldigt finkänslig. Efter flera års forskning och utveckling har masspektrometri blivit det naturliga valet. Masspektrometri baserad på elektrospray har använts i mer än 40 år och fick sitt stora genombrott 1988 när John B. Fenn och hans medarbetare visade på teknikens lämplighet för att jonisera biomolekyler. Hans arbete resulterade i Nobelpriset i kemi 2002.

”Masspektrometri består i att väga enskilda molekyler genom att omvandla dem till joner i vakuum, och sedan mäta responsen av deras banor i elektriska och magnetiska fält eller båda”.

John B. Fenn, 1989

När jag började forska på mikroföroreningar hade jag begränsad kunskap om teorin kring vad som väntas gynna eller missgynna joniseringsprocessen vid elektrospray. Det hade förmodligen majoriteten av forskarna inom mitt fält också. Forskningsartiklar från 2006 till 2016 visar att analysmetoderna har förlitat sig på samma teoribildning, vilket resulterat i metoder med alltför stort inslag av kompromiss, något forskarna själva har uttryckt. 

I min forskning har jag bland annat visat värdet av alternativ jonisering, så kallad ”wrong way around ionization”. Detta har öppnat nya analysmöjligheter, fria från kromatografiska och masspektrometriska preferenser. Utan dessa historiska fördomar så kunde jag utveckla både känsligare och pålitligare analysmetoder. Om jag hade haft en större förankring i den gamla teorin kring masspektrometri så hade jag nog inte konstruerat experimenten så som jag gjorde. Ibland kan naivitet och nyfikenhet, parat med en smula småländsk envishet, vara lyckosamt. Analysmetoderna har med framgång använts i en lång rad av forsknings- och monitoreringsprojekt i Sverige och internationellt, samt när avancerad rening i ett fjärde reningssteg på reningsverken har utvärderats.

Det nya fjärde reningssteget

I ett forskningsprojekt mellan 2015–2019 undersökte vi om ett fjärde reningssteg skulle kunna filtrera och avlägsna mikroföroreningar från avloppsvatten. Reningssteget bestod av sand och granulerat aktivt kol (GAK). Pilotanläggningen drevs i 40 000 bäddvolymer, motsvarande 40 000 m³ avloppsvatten, med mycket goda resultat. Exempelvis uppgick reningsgraden för diklofenak, den aktiva substansen i Voltaren, till minst 80 procent under provperioden. 

Aktivt kol har en porös struktur, och kolets förmåga att effektivt ta bort föroreningar har visat sig överlägsen många andra material. Projektets pilotanläggning innehöll cirka 400 kg aktivt kol (GAK), motsvarande 1 m³. Lågt räknat motsvarar det en filter-area av Manhattans storlek! Anläggningen fungerande också processtekniskt problemfritt och reningsförmågan översteg den förväntade, vilket visade att tekniken var mogen att tas i bruk i full skala.

Det forsknings- och utvecklingsarbete som föregick pilotstudierna visade på skillnader i reningseffektivitet mellan olika typer av aktivt kol beroende på utgångsmaterial, tillverkning och aktiveringsprocess. Med innovativ analysteknik utvärderade vi reningsförmågan hos olika sorters kol, så att valet av kol till anläggningen optimerades. Resultaten visade skillnader på upp till 30 procent i reningsgrad mellan olika sorters kommersiella aktiva kol. Normalt tillverkas aktivt kol från antingen stenkol eller kokosnöt. Med hjälp av tekniken har vi också studerat olika typer av biokol i jakt på en billigare produkt. Genom att kemiskt modifiera vanlig träpellets producerade vi biokol som hade nästan samma reningsförmåga som aktivt kol i de inledande försöken. 

Våren 2020 var det nya fjärde reningssteget redo för större sammanhang. Sveriges första fullskaliga anläggning för att rena avloppsvatten med vår nya filterteknik togs i bruk i skånska Degeberga. Vi utvärderar och forskar på anläggningen kontinuerligt, och vår kunskap om det aktiva kolets egenskaper och funktion växer stadigt. Vi ser samma goda förmåga att reducera föroreningar som i pilotprojekten. Det betyder att den skyddsvärda Segeholmsån på Österlen, som det renade vattnet rinner ut i, numera är nära nog fri från mikroföroreningar.

HÖGSKOLAN I KRISTIANSTAD

En högskola i södra Sverige som utbildar anställningsbara studenter och bidrar till viktig samhällsutveckling.

Vi har 14 000 anställningsbara studenter på våra 50 program och 270 kurser. Vår främsta vision är att våra studenter ska vara är väl förberedda för arbetslivet. Vi är enda lärosätet som erbjuder verksamhetsförlagd utbildning (VFU) i alla program på grundnivå, och våra studenter har nära till jobb och är anställningsbara!

Här jobbar ca 500 anställda som tillsammans utbildar studenter inom yrken och branscher som behöver ny kompetens. Vår forskning är nära knuten till våra utbildningar och kommer till nytta inom bland annat lärande, hälsa, miljö, mat och företagande. Vår undervisning och forskning skapar nytta i mötet med näringsliv, offentliga organisationer och andra aktörer.

Samverkan med det omgivande samhället är en av Högskolan Kristianstads viktigaste uppgifter. Det är genom mötet med näringsliv, offentliga organisationer och andra aktörer som vår undervisning och forskning får ett mervärde.

Vår utgångspunkt är att utifrån den samlade kompetens som våra forskare, lärare och studenter har, skapa samarbeten som leder fram till nytta för er, för högskolan och för samhället i stort.

hkr.se