Ozone for effluent treatments: kinetic studies and ecotoxicity evaluation

Abstract

Currently, to face the exponential growth of the population as well as of the industries, the existence of large amounts of water is necessary. However, the scarcity of this resource is a problem that is faced daily across the world. The recovery of effluents emerges as an increasingly pertinent topic, which assists the solving of this problem, however the path to resolution is long. The increase in the consumption of pharmaceutical products by the general population, as well as the use of personal care products, causes an accumulation of contaminants, called emerging contaminants, in in effluents and consequently in water resources. Advanced oxidation processes combat the difficulty of removing these contaminants that exists by traditional processes.In this work, ozonation as an advanced oxidation process for wastewater treatment was studied. The degradation of two parabens and three pharmaceutical products, both individually and as a mixture, was analyzed through treatment with ozone. Furthermore, the toxicity of the solutions treated with this process for 4 different species was also evaluated using different model organisms: Daphnia magna, Lemna minor, Raphidocelis subcapitata and Lepidium sativum.Ozonation was able to remove all contaminants either when they were individualized or mixed. Carbamazepine individually was the most quickly degraded contaminant (t=1.5 min and TOD=2.10 mgO3 L-1) and paracetamol the most resistant to ozone degradation at natural pH (t=20 min and TOD=16.70 mgO3 L-1). When in mixture, the degradation of contaminants is affected, generally becoming slower. For most contaminants and their mixtures, ecotoxicity was reduced using ozone. However, in some cases, the generation of by-products (namely hydroquinone and benzoquinone) caused negative effects in the species tested.Changing the reaction conditions to pH 3 delayed the degradation of contaminants. The same behavior was observed when using secondary effluent as an aqueous matrix. Changing these parameters only favored the degradation of paracetamol. Toxicity evaluation of the treated effluent revealed no negative effects in D. magna and mild negative effects for R. subcapitata and L. sativum. L. minor was proved to be very sensitive to the mixture of pollutants in the effluent and to ozone treatment.

Atualmente, de modo a fazer face ao crescimento exponencial da população bem como das indústrias, é necessária a existência de quantidades avultadas de água. No entanto, a escassez desta é um problema que é enfrentado diariamente por todo o mundo. A recuperação dos efluentes surge como um tema cada vez mais pertinente, que apoia os esforços para solucionar esta problemática, contudo o caminho até à resolução é longo. O aumento do consumo de produtos farmacêuticos pela população em geral, assim como o uso de produtos de higiene pessoal, causa uma acumulação de contaminantes, denominados contaminantes emergentes, nos efluentes e, consequentemente nos recursos hídricos. Os processos avançados de oxidação, combatem a dificuldade da remoção destes contaminantes que existe por parte dos processos tradicionais.Neste trabalho, foi estudada a ozonização como processo avançado de oxidação para o tratamento de águas residuais. Analisou-se a degradação de dois parabenos e três produtos farmacêuticos, tanto individualmente como em mistura, através de tratamento com ozono. Além disto, foi também avaliada a toxicidade das soluções tratadas com este processo para 4 espécies distintas: Daphnia magna, Lemna minor, Raphidocelis subcapitata and Lepidium sativum.A ozonização foi capaz de remover todos os contaminantes, quer quando estes se encontravam individualizados quer em mistura. A carbamazepina individualmente foi o poluente mais rapidamente degradado (t=1.5 min e TOD=2.10 mgO3 L-1) e o paracetamol o mais resistente à degradação por ozono a pH natural (t=20 min e TOD=16.70 mgO3 L-1). Em mistura, a degradação dos contaminantes é afetada, tornando-se mais lenta. Para a maioria dos poluentes e suas misturas, a ecotoxicidade foi reduzida através do uso de ozono. No entanto, em alguns casos, a geração de subprodutos (nomeadamente hidroquinona e benzoquinona) causou efeitos negativos para as espécies.A alteração das condições da reação para pH 3 atrasou a degradação dos contaminantes. O mesmo comportamento foi observado quando se utilizou efluente secundário como matriz aquosa. A alteração destes parâmetros, apenas favoreceu a degradação do paracetamol. A avaliação da toxicidade usando efluente secundário como, não revelou efeitos negativos em D. magna e revelou leves efeitos negativos para R. subcapitata e L. sativum. L. minor demonstrou ser bastante sensível à mistura de poluentes no efluente e ao tratamento com ozono.