Emerging contaminants removal by light driven ozonation and biofiltration

Abstract

The environmental problems faced nowadays are a direct response of the increasing industrial exploration of natural resources and the growing global population. These industries align with the current scientific development are responsible for the injection of different contaminants in many water bodies. Due to its persistent characteristic and the lack of efficient technologies to adequately remove them, these contaminants of emerging concern (CECs) enter in the water cycle, representing a great hazard to human and environmental health.In this work, the use of advanced oxidation processes (AOPs), focusing on photocatalytic ozonation, have been vastly explored. Nitrogen doped catalysts were applied for the removal of a mixture of 5 parabens and the resulting solutions were evaluated according to different parameters. Ecotoxicity studies were conducted using different species to determine the toxicity levels after the treatments. AOPs were also applied the removal of Escherichia coli from different water matrices, and the invasive species Corbicula fluminea was investigated in parallel for the same disinfection propose and as a pest management strategy.Photocatalytic ozonation reactions for the degradation of methyl-, ethyl-, propyl-, butyl- and benzylparaben as a mixture resulted in a considerable decrease of the ozone consumption compared to single ozonation, representing a great economic improvement, due to the cost of ozone production. In ecotoxicity studies, all treated solution had lower toxicity to the 3 investigated species compared with the initial parabens mixture solution.The effect of different parameters over photocatalytic ozonation and parabens depletion were investigated. Neutral pH conditions improved the contaminants removal, achieving total elimination in 60 min, half the time needed for the unaltered pH solution (acidic pH). The presence of different ionic species, such as I-, HCO3-, SO42- and Cl- also had a beneficial effect over the reactions, reducing the transferred ozone doses needed for total parabens removal. The degra-dation of the contaminants when spiked in two different water matrices, river water and a secondary wastewater, had a slight improvement, which indicates that, in real conditions, the process efficiency is still verified. In disinfection tests, both single and photocatalytic ozonation completely removed E. coli from both studied matrices. The integrated process had a reduced ozone consumption, representing a higher energetic efficiency. Biofiltration using the invasive Asian clam was not able to completely remove bacteria from river water but had a 1.1 log reduction over the first 6 h of the tests. The use of Corbicula fluminea in this process is not yet optimized and the results are preliminary, but still represent a great potential, not only as a low-cost disinfection technology but also as a pest management technique, avoiding the negative environmental and economic effects of the invasive species.

Os atuais problemas ambientais enfrentados são uma consequência direta da crescente exploração industrial de recursos naturais e população mundial. As indústrias juntamente com o atual desenvolvimento científico são responsáveis pela inserção de diferentes contaminantes em diversos meios hídricos. Devido a elevada persistência nos meios e a falta de tecnologias eficientes para removê-los, estes contaminantes emergentes entram no ciclo da água, representado um grande perigo à saúde humana e ambiental.Neste trabalho, o uso de processos de oxidação avançados, principalmente o processo integrado de fotocatálise e ozonólise, foi amplamente estudado. Catalisadores de base dióxido titânio dopados com diferentes concentrações de azoto foram aplicados na degradação de uma mistura contendo 5 parabenos. As soluções obtidas foram avaliadas consoante diferentes parâmetros. Estudos acerca da ecotoxicidade também foram realizados para determinar os níveis de toxicidade relativos a 3 diferentes espécies: Allivibrio fischeri, Lepidium sativum e Corbicula fluminea. Processos de oxidação também foram aplicados para a remoção da bactéria Escherichia coli de diferentes fontes hídricas, e estudados em conjunto com o uso da espécie invasora Corbicula fluminea em testes de biofiltração tanto quanto uma técnica de desinfeção quanto controlo e prevenção de pestesTestes de ozonólise fotocatalítica para a degradação da mistura de metil-, etil-, propil-, butil- e benzilparabeno resultaram na total remoção destes e utilizando uma quantidade total de ozono consideravelmente inferior a utilizado em reações de ozonólise simples. Este facto representa uma grande vantagem económica devido ao custo da produção do ozono. Estudos acerca da ecotoxicidade de todas as soluções tratadas demonstraram um caráter menos toxico perante as 3 espécies investigadas.Os efeitos de diferentes parâmetros sobre as reações de ozonólise fotocatalítica e a remoção dos parabenos. Valores neutros de pH melhoraram a remoção dos contaminantes, atingindo completa eliminação em 60 min, sendo este a metade do tempo necessário para a reações sem alteração do pH (pH ácido). A presença de diferentes iões, como I-, HCO3-, SO42- e Cl-, também tiveram um efeito benéfico sobre as reações, reduzindo a quantidade de ozono transferida necessária para a remoção total dos parabenos. Os contaminantes também foram dissolvidos em água do rio e em um efluente secundário, obtendo uma taxa de degradação levemente superior, o que indica que mesmo em condições de tratamento reais, a eficiência do processo se mantém.Nos testes de desinfeção realizados, reações de ozonólise simples e fotocatalítica foram capazes de eliminar totalmente a bactéria investigada de ambas as matrizes estudadas. Contudo, o processo integrado obteve uma redução do consume de ozono, representando uma maior eficiência energética. Testes de biofiltração utilizando a espécie de amêijoa asiática invasora não obtiveram a completa remoção da bactéria presente na solução de água do rio, porém ainda obteve uma redução logarítmica de 1.1 nas primeiras 6 h. O uso da bivalve Corbicula fluminea neste processo não se encontra totalmente otimizada e os resultados obtidos ainda são preliminares, porém ainda representa um grande potencial para esta aplicação, não somente como uma tecnologia de desinfeção de baixo custo, mas também como uma estratégia de prevenção e controlo de pestes, evitando os seus impactos ambientais e económicos.