Ingenjörer vid återvinningsanläggningar för avloppsvatten kan vara lugna med att veta att deras metoder för att minimera bildningen av ett potent cancerframkallande ämne är inriktat på rätt kemisk förening.
USC Viterbi biträdande professor Daniel McCurry, student Meredith Huang och masterstudent Shiyang Huang har bekräftat kemikalien som är ansvarig för bildandet av cancerogen N-nitrosodimetylmin, eller NDMA, i återvunnet avloppsvatten. De började sin studie efter att motsägelsefulla fynd dykt upp i miljöforskningssamhället, orsakar tveksamhet vid antagandet av NDMA-interventionsmetoder vid behandlingsanläggningar. Deras arbete publicerades i Miljövetenskap och teknikbrev som marsomslagstudien.
"Den senaste torkan i Kalifornien och efterföljande vattensårbarhet har ökat intresset för vattenåtervinning, sa Meredith Huang, studiens första författare. "Dock, desinfektionsbiprodukter som NDMA, bildas i processen för rening av avloppsvatten, är skadliga för människor och introducerar vissa problem när målet är återkonsumtion."
I slutet av 90-talet, höga koncentrationer av NDMA hittades i det som annars var extremt rent återvunnet avloppsvatten, som i de flesta stater släpps ut i floder som används som källor för dricksvatten. Denna upptäckt startade en år lång forskningsansträngning av flera laboratorier för att ta reda på hur den skadliga kemiska föreningen bildades.
"Koncentrationen av NDMA som vi är oroliga för är mycket, väldigt låg, sa McCurry, som arbetar på Sonny Astani Institutionen för bygg- och miljöteknik. "Till skillnad från många organiska föroreningar i dricksvatten där den lagstadgade gränsen kan ligga inom mikrogram per liter, för NDMA, regelverket sträcker sig på många ställen från 10 nanogram per liter till 100 nanogram per liter. Så, tre till fyra storleksordningar lägre i koncentration eftersom det bara är ett superpotent cancerframkallande ämne."
Mest återvunnet avloppsvatten som kommer att användas som dricksvatten genom en process som kallas återanvändning av dricksvatten, kommer först ner i marken innan den går till en dricksvattenanläggning. Marken fungerar som ett filter, ta bort kemikalier och nedbryta skadliga föreningar som NDMA. Men den höga kostnaden för att pumpa vatten i och ur marken har lett till ett ökat intresse för direkt återanvändning av dricksvatten, där återvunnet avloppsvatten går direkt till en dricksvattenanläggning.
"NDMA är ett av de största hindren för direkt återanvändning av dricksvatten eftersom det verkligen är svårt att bli av med grundliga traditionella behandlingsprocesser, ", sa McCurry. Det är istället lättare och mer överkomligt att sänka NDMA-koncentrationerna genom att eliminera de molekyler som är ansvariga för dess bildande.
Ursprungligen, forskare fann att NDMA är resultatet av kloreringssteget i den återvunna avloppsvattenbehandlingsprocessen. Specifikt, dikloramin, en mindre komponent i klorblandningen, orsakar bildandet av NDMA. Dessa fynd ledde till att reningsverk började manipulera klorkemin för att sänka dikloraminkoncentrationerna och, i sista hand, minska NDMA-bildningen.
Dock, forskare var fortfarande osäkra på vad dikloramin reagerade med för att bilda NDMA tills för fem år sedan när forskare i Toronto fann att vissa läkemedel, som antacida Zantac, kan bilda NDMA vid klorering i avloppsvattenliknande förhållanden. Senare, andra forskare började undersöka bildningsmekanismen från Zantac-liknande kemikalier.
"De bestämde att det var monokloramin som var ansvarig i motsats till flera praktiska studier som visar att minimering av dikloramin i riktigt återvunnet avloppsvatten minimerar NDMA-bildning, ", sade McCurry. "De kom till fel slutsats eftersom monokloramin och dikloramin är interconvertible. Så, experimentellt, det är ganska svårt att skilja dem åt."
Med detta i åtanke, McCurry och hans team utformade noggrant sitt experiment för att undvika omvandlingar mellan de två molekylerna genom att använda mycket lägre doser. Sedan, genom att systematiskt applicera en rad monokloramin- och dikloramindoser på farmaceutiska prekursorer, de kunde avgöra vilken molekyl som var orsaken till NDMA -bildning.
Resultaten
För att verifiera deras tillvägagångssätt, de använde först en prekursormolekyl med en välkänd reaktion, dimetylamin, och jämförde deras experimentella resultat med de från ett datormodelleringsprogram innan de testade de fyra andra prekursorerna. Modellen, som inte inkluderar en reaktion från monokloramin och dimetylamin till NDMA, matchade deras experimentella resultat och visade att bildandet av NDMA från monokloramin antingen inte existerar eller är oviktigt.
"Vårt papper visade att dikloramin är ansvarig för bildandet av NDMA från dessa farmaceutiskt härledda prekursorer. Och vi kunde se att du får mer och mer NDMA när du ökar monokloramin, men det är bara på grund av att monokloramin går till dikloramin, " sa McCurry. "Så, våra resultat från grundläggande kemiarbete stödjer den praktiska observationen att minimering av dikloramin minimerar NDMA-bildning."
Medan deras studie bekräftar identiteten av föreningen som är ansvarig för NDMA-bildning och uppmuntrar reningsverk att fortsätta att implementera interventionsmetoder, deras arbete är långt ifrån färdigt. Shiyang Huang arbetar för närvarande på en modell som i detalj kommer att visa hela mekanismen för NDMA-bildning.
"Våra resultat är baserade på NDMA-utbyteexperiment som endast tar hänsyn till slutprodukterna av reaktionerna. Den exakta vägen från prekursorer till NDMA har inte upptäckts ännu, Shiyang Huang sa. "Att förstå hela mekanismen skulle ge oss mer information för att förklara vilken faktor - pH, temperatur, andra kemikalier - skulle påverka NDMA-bildningen i praktiken."
