Umeå University's logo

The continuous release of pharmaceuticals, pesticides, polyphenols, and other organic contaminants into aquatic environments threatens water quality, public health, and ecosystem stability. The problem is especially severe in low-resource regions, where limited treatment infrastructure can lead to the direct discharge of untreated wastewater. This thesis focuses on the potential of biochars and hydrochars produced from locally available biomass residues as sustainable, low-cost adsorbents for reducing organic contaminants in various wastewaters. Through four interconnected studies, it examines the occurrence of organic contaminants in wastewaters and rivers in Rwanda, the performance of different chars, and the production factors that govern adsorption behaviour.  High-resolution LC-MS/MS was used to analyse samples. In a study focused on hotspots, hospital effluent was shown to contain elevated concentrations of pharmaceuticals; one of the 28 pharmaceuticals investigated had a concentration up to 24000 ng/L. In the Nyabugogo River in Rwanda, 57 pharmaceuticals, five pesticides, and four polyphenols were detected, with average concentrations ranging from 960 ng/L for pharmaceuticals to 70 ng/L and 49 ng/L for pesticides and polyphenols, respectively. Spatial patterns showed that pharmaceuticals were most prevalent in urban areas, while pesticides and polyphenols were most abundant in the rural and agricultural regions of the Nyabugogo River. Temporal patterns revealed permanent pollution sources. To address these pollution challenges, adsorption experiments were performed using biochars and hydrochars produced from coffee pulp and husk, bagasse, softwood and bark under different thermochemical conditions. Cookstove biochars showed moderate pharmaceutical removal (14–66%). Hydrochars from coffee waste effectively removed polyphenols from coffee processing wastewater, achieving 100% removal, while higher-temperature biochars removed pesticides with 75% average removal. A systematic investigation of gasification conditions showed that increasing char conversion from 0% to 10% under a reactive gasification atmosphere produced the greatest improvement in surface area and removal efficiency, which plateaued at near-complete removal beyond this threshold; biochars produced under a nitrogen atmosphere were comparatively less effective. Bark-derived biochars consistently achieved high removal (>90%), while husk-derived materials mainly improved from 10% of char conversion. These findings indicate that biochars and hydrochars derived from locally available agro-industrial residues can act as adsorbents for organic contaminants adsorption with potential relevance for sustainable water treatment in resource-limited regions. 

Dagens kontinuerliga tillförsel av läkemedel, bekämpningsmedel, polyfenoler och andra organiska föroreningar till akvatiska miljöer hotar vattenkvalitet, folkhälsa och ekosystemens stabilitet globalt. Problemet är särskilt allvarligt i resurssvaga regioner, där tex begränsad reningsinfrastruktur kan leda till att orenat avloppsvatten släpps ut direkt i miljön. Denna avhandling undersöker potentialen hos biokol och hydrokol, framställda från biomasserester, som kostnadseffektiva adsorbenter för att minska halten organiska föroreningar i olika typer av avloppsvatten. Genom fyra sammanlänkade studier analyseras; förekomsten av organiska föroreningar i avloppsvatten och floder i Rwanda; hur olika kolmaterial adsorberar; samt vilka produktions-faktorer som styr deras adsorptionsbeteende. Högupplösande LC MS/MS användes för att analysera proverna. En av studierna fokuserade på hotspots och visade att sjukhusavloppsvatten innehöll förhöjda halter av läkemedel; ett av de 28 undersökta läkemedlen uppmättes till så höga koncentrationer som 24 000 ng/L. I Nyabugogofloden i Rwanda påträffades 57 läkemedel, fem bekämpningsmedel och fyra polyfenoler, med genomsnittshalter på 960 ng/L för läkemedel, 70 ng/L för bekämpningsmedel och 49 ng/L för polyfenoler. Studien visade att läkemedel var vanligast i urbana områden, medan bekämpningsmedel och polyfenoler dominerade i flodens jordbrukspräglade delar. För att möta dessa förorenings-utmaningar genomfördes adsorptionsförsök med biokol och hydrokol framställda från kaffebönrester och -skal, sockerrörrester, barrved och bark under olika termokemiska förhållanden. Biokol från enkla spisar visade måttlig avskiljning av läkemedel (14–66 %). Hydrokol från kaffeavfall avlägsnade däremot effektivt polyfenoler från kaffeprocess-vatten och uppnådde 100 % avskiljning, medan biokol producerat vid högre temperaturer avlägsnade bekämpningsmedel med cirka 75 % effektivitet i genomsnitt. En systematisk undersökning av gasifieringsförhållanden visade att en ökning av kolomvandlingen från 0 % till 10 % under en reaktiv gasifieringsatmosfär gav den största förbättringen i specifik yta och avskiljningsförmåga, varefter effekten planade ut. Gasifiering under inert N₂ atmosfär var betydligt mindre effektiv. Biokol från bark uppnådde konsekvent hög avskiljning (>90 %), medan material från kaffeskal främst förbättrades efter 10 % kolomvandling. Sammantaget visar resultaten att biokol och hydrokol, framställda från lokalt tillgängliga restströmmar från jordbruksaktiviteter, kan fungera som adsorbenter för organiska föroreningar och därmed har potential att bidra till hållbar vattenrening i resurssvaga regioner.