Enhancing municipal wastewater treatment using ozonation, photocatalytic oxidation, and biofiltration

Abstract

Actualmente, as Estações de Tratamento de Água (ETA) enfrentam a pressão de ter que eliminar contaminantes emergentes da água que podem ter efeitos prejudiciais para a saúde humana e para os ecossistemas aquáticos. Contudo, estes contaminantes não são facilmente degradados por tratamentos convencionais. Este trabalho estuda os processos da ozonólise e da oxidação fotocatalítica para remover uma mistura de sulfametoxazol (SMX), carbamazepina (CBZ), e lorazepam (LRZ) de efluentes sintéticos; e biofiltração utilizando a espécie bivalve invasora Corbicula fluminea para remover Escherichia coli de águas residuais municipais. O ozono é um oxidante poderoso que se decompõe em radicais hidroxilo na água. Estas espécies químicas são muito reactivas portanto, ambas contribuem para os processos de degradação. No processo da oxidação fotocatalítica, um semicondutor interage com luz produzindo espécies oxidantes capazes de transformar os poluentes. O efeito de diferentes comprimentos de onda foi investigado utilizando radiação solar e UV-A. Catalisadores de TiO2 dopado com diferentes cargas de Pd e Ag foram utilizados e comparados com fotólise simples. O processo de biofiltração fez uso da grande capacidade de filtração do bivalve C. fluminea para remover E. Coli, normalmente conhecido como um bioindicador da presença de outros microorganismos patogénicos, de um efluente secundário de uma ETAR local. A experiência realizou-se à escala piloto com o objectivo de avaliar a sua possível integração em ETAR’s. A ozonólise removeu completamente o SMX e a CBZ em 5 min devido à eficiência de oxidação do ozono em relação a compostos que contenham ligações duplas e sistemas aromáticos. A oxidação fotocatalítica removeu mais de 98% da concentração inicial de qualquer um dos compostos, utilizando radiação solar e catalisadores de TiO2 dopados com metais nobres. O efeito dos radicais hidroxilo e superóxido que o TiO2 consegue produzir originaram melhores resultados do que a fotólise simples. Os metais nobres usados com TiO2 melhoram ainda mais a taxa de degradação devido à redução do efeito de recombinação entre electrões e lacunas geradas pela radiação. Utilizando radiação UV-A, a oxidação fotocatalítica originou mais de 80% de remoção de todos os poluentes. Contudo, esta não originou a remoção completa. A gama de radiações mais extensa do espectro solar é a causa mais provável da diferença entre os resultados. As amêijoas C. fluminea eliminaram aparentemente todas as bactérias E. Coli inicialmente presentes no efluente após 48 h. Todavia, estas reapareceram nas amostras recolhidas nos dias seguintes. A grande taxa de mortalidade de amêijoas que foi possível verificar durante toda a experiência, que pode ter acontecido devido à presença de substâncias tóxicas, é uma possível explicação para este facto.

Nowadays, wastewater treatment plants (WWTP) are facing the pressure to eliminate emerging contaminants from water that can cause harmful effects to public health and aquatic ecosystems. However, these contaminants are not easily degraded with conventional treatments. Therefore, this work studied ozonation and photocatalytic oxidation for removing a mixture of sulfamethoxazole (SMX), carbamazepine (CBZ), and lorazepam (LRZ) from synthetic effluents; and biofiltration using the invasive bivalve species Corbicula fluminea for removing Escherichia coli from real municipal wastewater. Ozone is a powerful oxidant that decomposes into hydroxyl radicals in water. These chemical species are very reactive thus, both oxidants mediate the degradation processes. In the photocatalytic oxidation process, a semiconductor interacts with light producing oxidizing species capable of breaking down pollutants. The effect of different wavelengths was investigated by using sunlight and UV-A radiation. TiO2 doped with different loads of Pd and Ag were used as catalysts and compared with simple photolysis. Biofiltration process used the high filtration capacity of the bivalve Corbicula fluminea for removing E. coli, which is a commonly used bioindicator of the presence of other pathogens, from a secondary effluent of a local WWTP. The experiment was performed at a pilot-scale with the purpose of evaluating its potential implementation in WWTP. Ozonation was able to remove completely SMX and CBZ in 5 min due to the ozone efficiency for oxidizing compounds with double bonds or aromatic systems. Photocatalytic oxidation using sunlight and metal-doped TiO2 catalysts were able to remove over 98% of the initial concentration of the three compounds. The effect of hydroxyl and superoxide radicals that TiO_2 is able to produce provided much better results than with simple photolysis. The noble metals used with TiO2 improved the degradation rate even more due to the reduced recombination effect between generated holes and electrons. UV-A photocatalysis provided more than 80% removal of the three pollutants. However, it was not able to remove them completely. The wider range of the sunlight spectrum probably caused the differences between the results. C. fluminea apparently removed E. coli completely after 48 h. However, it reappeared in the samples taken in the next days. This is probably explained by the high clams’ mortality that was possible to observe throughout the experiment, which can be due to the excessive presence of toxic substances in the water.