Removal of emerging contaminants from water by catalytic ozonation and biofiltration

Abstract

Vários problemas ambientais têm surgido nas últimas décadas devido ao constante crescimento da população e do setor industrial, ao aumento do uso de compostos químicos problemáticos e a degradação do ambiente. A bioacumulação de químicos e contaminantes em organismos aquáticos, perda de biodiversidade, eutroficação dos ambientes aquáticos, efeitos na saúde humana e a escarces de água são apenas alguns dos desafios que enfrentamos no século XXI. A fim de reduzir a gravidade desses problemas, temos de encontrar maneiras de reduzir a poluição, melhorar o tratamento de efluentes e limitar o uso de substancias nocivas no setor industrial. Considerando a gestão de águas residuais, os tratamentos tradicionais disponíveis não são totalmente eficazes na remoção de contaminantes emergentes tais como os parabenos, que são constantemente liberados para o ambiente aquático, levando a sérias consequências. Assim como durante os processos de desinfeção de contaminação biológica, onde a formação de subprodutos do desinfetante tem efeitos negativos para a saúde humana.Neste trabalho, foram estudados melhorias e processos alternativos para o tratamento de águas residuais. Processos de oxidação avançados, como a ozonólise simples e a ozonólise catalítica, foram analisados para a avaliação da toxicidade envolvendo a degradação de parabenos, assim como para o estudo da eficiência na remoção e inativação de bactérias e vírus de águas residuais. O processo de biofiltração foi também estudado como procedimento de desinfeção e controlo alternativo de pestes, onde uma espécie invasiva de amêijoas (C. fluminea) foi usada como “filtro” de patógenos entéricos presentes em águas residuais.No estudo da evolução da toxicidade dos parabenos ao longo dos tratamentos de ozonólise envolvendo cinco parabenos – metilparabeno (MP), etilparabeno (EP), propilparabeno (PP), butilparabeno (BP) e benzilparabeno (BeP) – foi possível concluir que o uso do catalisador de baixo custo (rocha vulcânica) melhorou a degradação dos parabenos com menores valores de TOD, e mostrou vantagens em relação a mineralização dos mesmos. No entanto, a presença de subprodutos da oxidação (hidroquinona e 1,4-benzoquinona) e elementos derivados da lixiviação do catalisador na mistura de reação (Al, Fe, K, Na, Ca e Mg) foi observada, os quais tiveram influência nos resultados da toxicidade das amostras tratadas.Quando os processos de ozono foram usados para comparar a eficiência da desinfeção de efluente secundário proveniente de uma estação de tratamento de águas residuais, o uso do mesmo material de baixo custo como catalisador promoveu a remoção total de Escherichia Coli, fazendo do tratamento catalítico o mais eficiente. Assim como na remoção dos vírus identificados (Norovirus genótipo I e II, e JC vírus), onde a remoção completa foi apenas atingida com a combinação do catalisador e do ozono. A melhor performance do processo catalítico pode ser justificada pela possível formação de espécies de alta reatividade (Radical Hidroxil), provando assim que a desinfeção ocorre no líquido e não na superfície da rocha vulcânica.Relativamente ao tratamento de biofiltração, o uso das amêijoas invasivas para remoção de E. coli em influente e efluente proveniente da estação de tratamento de águas residuais, mostrou-se que os resultados se mantêm preliminares e futuros estudos precisam ser executados. No entanto, em relação a remoção dos vírus detetados, o Norovírus genótipo I e II foi removido por completo na presença da C. flumínea, assim como uma pequena descida na concentração de JC vírus foi observada. Deste modo conclui-se que o controle alternativo de pragas pode ser efetivamente integrado ao tratamento de águas residuais.

Over the last few decades various environmental problems have emerged as a result of the constant growth of the population and the industrial sector, the increasing use of problematic chemical compounds and the degradation of the natural environment. Bioaccumulation of chemicals and contaminants in aquatic organisms, the loss of biodiversity, eutrophication of aquatic environments, adverse health effects in humans and the scarcity of treated water are only a few of the ever-growing challenges we face in the twenty-first century. In order to reduce the severity of these problems, we must find ways to reduce pollution, improve the treatment of wastewater and limit using harmful substances in industry. Considering wastewater management, traditional treatments are not efficient at totally removing some emerging contaminants, such as parabens, which are subsequently released into the aquatic environment with serious consequences. Also, during the disinfection procedures of biological contamination, the formation of disinfectant by-products may bring even more adverse health effects if humans are exposed.In the present work, improvements and alternatives for wastewater treatment were studied. Advanced oxidation processes (AOP’s), such as single and catalytic ozonation using a low-cost material as a catalyst, were analyzed for a toxicity assessment involving the degradation of parabens and for efficiency of the removal and inactivation of bacteria and viruses from wastewater. A biofiltration procedure using invasive bivalve species (C. fluminea) as a filter-feeder of enteric pathogens from wastewater was also analyzed as a disinfection procedure and alternative pest management.In the study of parabens toxicity evolution throughout the ozonation treatments, involving five parabens – methylparaben (MP), ethylparaben (EP), propylparaben (PP), butylparaben (BP) and benzylparaben (BeP) – it was possible to conclude that the use of the low-cost catalyst (volcanic rock) improved the degradation of parabens with lower TOD values and showed advantages regarding the mineralization of the parabens. However, the presence of oxidation by-products (hydroquinone and 1,4-benzoquinone) and elements derived from the catalyst leaching into the reaction mixture (Al, Fe, K, Na, Ca and Mg) were found, which influenced the treated samples’ toxicity results.When the ozone processes were used to compare the efficiency of the disinfection of a secondary effluent of a wastewater treatment plant (WWTP), the use of the same low-cost material as a catalyst promoted the total removal of Escherichia Coli, making the treatment more efficient. Also, regarding to the removal of the identified viruses (Norovirus genotype I and II and JC virus), the complete removal of all viruses was only achieved with a combination of the catalyst and ozone. The higher performance of the catalytic process can be justified by the possible formation of highly reactive species (hydroxyl radicals), proving that disinfection occurs in the liquid bulk and not onto the volcanic rock surface.The disinfection treatment, using the invasive bivalves as a filter feeder of E. coli in influent and effluent from a WWTP showed that the results remain preliminary and further experiments need to be done. However, regarding the removal of the detected viruses, such as JC virus and Norovirus (both genotypes I and II) and hepatitis A virus (HAV), the use of C. fluminea removed Norovirus genotype I and II and shown a slight decrease of the concentration of JC virus. Thus, pest control can be effectively integrated with wastewater treatment.