Effect of design and operational factors on the removal of emerging organic contaminants in constructed wetlands for wastewater treatment

Abstract

Water of quality constitutes a scarce and essential resource for life and public health, and its sustainable management is of crucial importance. Thus, wastewater treatment, reuse and reclamation represent a key practice in that approach. Nevertheless, there is a generalized concern about the occurrence and possible adverse effects of emerging organic contaminants such as pharmaceutical and personal care products in the environment, which are often not well removed in conventional wastewater treatment plants. Constructed wetlands have shown promise in their ability to remove a variety of these contaminants, and represent a good alternative for wastewater treatment in small communities, having low operational and maintenance expenses. However, there is a need in increasing the knowledge about the conditions that promote the removal of these compounds within this ecotechnology. This thesis aims at evaluating the capacity of different wetland configurations (vertical subsurface flow, horizontal subsurface flow and free water surface), as well as the effect of various design and operational factors (primary treatment, operation strategy, loading frequency, grain size, use of active aeration, hydraulic loading rate) on the removal of a variety of emerging organic contaminants, including three non-steroidal anti-inflammatory drugs (ibuprofen, diclofenac and acetaminophen), three personal care products (tonalide, triclosan and oxybenzone) and two endocrine disrupting compounds (ethinylestradiol and bisphenol A). Assays were carried out at experimental and pilot scale in constructed wetland systems in Spain and Germany. In order to achieve approximate steady state conditions of the influent concentrations of the target emerging organic contaminants and to obtain a more reliable estimate of the removal efficiency of the systems, continuous injection experiments were performed at experimental-scale systems. The performance of horizontal subsurface flow wetlands exhibited a seasonal pattern. The use of a hydrolitic upflow sludge blanket reactor -as opposed to a conventional settler- for the primary treatment of wastewater resulted in reduced performance. Conversely, operating the horizontal wetlands in batch, alternating cycles of saturation and unsaturation, promoted the existence of higher redox conditions, enhancing the removal of target compounds. The identification of an intermediate product of bisphenol A (promoted by the operation in batch) suggests that aerobic biodegradation could constitute a principal removal mechanism of this substance when a higher redox status prevail. In VF wetlands, a higher loading frequency (bi-hourly vs. hourly) showed to perform significantly worse on the removal of some EOCs. The occurrence of gravel (4-8 mm) as opposed to sand (1-3 mm) in this type of systems exhibited a significantly lower treatment performance. Conversely, the use of active aeration in a saturated vertical flow wetland did not show to enhance contaminant removal in respect to the typical unsaturated vertical wetland. A hybrid treatment system based on a vertical wetland stage and a horizontal subsurface flow and free water surface wetlands in series has proved to be a very robust technology for wastewater treatment in small communities, producing a final effluent suitable for its reuse in various applications. Overall removal efficiency of emerging contaminants was very high (90 ± 11%), even under high hydraulic loads, presumaby due to the combination of various abiotic/biotic removal mechanisms (e.g. biodegradation, sorption, volatilization, hydrolysis, photodegradation). Toxicological assays performed together with the injection of antibiotics at high hydraulic loading rates showed that general toxicity, estrogenicity and dioxin-like activities were well removed along the different units of the treatment system.

El agua constituye un recurso escaso y esencial para la vida y la salud pública, y por ende su gestión sostenible es de vital importancia. Por esta razón, el tratamiento del agua residual y su reutilización constituyen una práctica clave en este planteamiento. Sin embargo, existe una preocupación generalizada por la presencia y posibles efectos adversos de contaminantes emergentes orgánicos en el medio natural, tales como los fármacos y productos del cuidado personal, los cuales, en muchos casos, no son eliminados de manera eficiente en las plantas de tratamiento de agua residual convencionales. Los humedales construidos han demostrado ser eficientes en su capacidad para eliminar muchos de estos contaminantes, y representan una buena alernativa para el tratamiento de agua residual en pequeñas comunidades ya que suponen bajos costes de operación y mantenimiento. Sin embargo, existe poca información acerca de las condiciones (ya sean las características de diseño o las estrategias de operación) que promueven la eliminación de estos compuestos en esta ecotecnología. Este trabajo de investigación tiene como objetivo evaluar la capacidad de diferentes configuraciones de humedales construidos (vertical de flujo subsuperficial, horizontal de flujo subsuperficial y de flujo superficial), así como el efecto de varios factores de diseño y funcionamiento (tratamiento primario, estategia de operación, frecuencia de alimentación, granulometría, uso de aireación activa, carga hidráulica) en la eliminación de un conjunto de contaminantes emergentes orgánicos, incluyendo tres fármacos anti-inflamatorios no-esteroideos (ibuprofeno, diclofenaco y acetaminofen), tres productos del cuidado personal (tonalide, triclosan y oxibenzone) y dos disruptores endocrinos (etinilestradiol y bisfenol A). Se realizaron varios ensayos a escala experimental y piloto en sistemas de humedales construidos en Barcelona y Sevilla (España), y en Leipzig (Alemania). Para lograr aproximar condiciones de estabiidad en las concentraciones de contaminantes emergentes orgánicos en el afluente, y obtener así una estimación más fiable de la eficiencia de eliminación de los sistemas, se realizaron experimentos de inyección continua en los sistemas a escala experimental. La eliminación de los contaminantes estudiados en humedales horizontales de flujo subsuperficial exhibió un patrón estacional, posiblemente debido a una mayor biodegradación, volatilización e incorporación por las plantas a mayores temperaturas. En este tipo de humedal el uso de un reactor anaeróbico de flujo ascendente para el tratamiento primario -en vez de un decantador convecional- confirió condiciones más reducidas al sistema, lo cual promovió un menor rendimiento. En cambio, al operar el humedal horizontal en batch, alternando ciclos de saturación e insaturación, promovieron la existencia de mayores condiciones redox, lo cual mejoró notablemente la eliminación de los compuestos estudiados. La identificación de un intermedio de degradación del bisfenol A en este sistema de tratamiento (en la línea operando en batch) sugiere que la biodegradación aeróbica podría constituir un mecanismo predominante de elminación de esta sustancia cuando prevalencen conditiones más oxidantes. En humedales de flujo vertical, la frecuencia de alimentación (horaria/bihoraria) mostró diferencias significativas en la eliminación de algunos compuestos. Esto podria atribuirse a un menor tiempo de contacto y reducida renovación del oxígeno que se dan a frecuencias de alimentación menores. Además, la presencia de grava (4-8 mm) en lugar de arena (1-3 mm) en el lecho principal de los humedales verticales exhibió una eficiencia de elminación significativamente menor. El tamaño más pequeño de la arena se traduce en poros más pequeños que proporcionan una mejor capacidad de filtración, un área superficial mayor para el crecimiento de biofilm y un tiempo de contacto mayor. Por el contrario, el uso de aireación activa en un humedal de flujo vertical saturado no demostró mejorar la eliminación del contaminantes con respecto al tipo convencional insaturado. Un sistema de tratamiento híbrido basado en una primera fase de humedal vertical y un humedal horizontal de flujo subsuperficial y uno de flujo superficial en serie, ha demostrado ser una tecnología muy robusta para el tratamiento de agua residual en pequeñas comunidades, produciendo un efluente final adecuado para su reutilización para varios fines. La eficiencia general de eliminación de contaminantes emergentes fue muy alta (90 ± 11%), incluso bajo cargas hidráulicas altas, posiblemente debido a la combinación y sinergia de varios mecanismos de eliminación abióticos/bióticos (e.g., biodegradación, sorción, volatilización, hidrólisis, fotodegradación). Ensayos toxicológicos realizados junto con las inyecciones de antibióticos durante la campaña de cargas hidráulicas más altas demostraron que la toxicidad general, estrogenicidad y actividades de tipo dioxina fueron eliminadas satisfactoriamente a lo largo de las diferentes unidades del sistema de tratamiento.

L'aigua constitueix un recurs escàs i essencial per a la vida i la salut pública, i per tant la seva gestió sostenible és de vital importància. Per aquesta raó, el tractament de l'aigua residual i la seva reutilització constitueixen una pràctica clau en aquest plantejament. No obstant això, hi ha una preocupació generalitzada per la presència i possibles efectes adversos de contaminants emergents orgànics en el medi natural, com ara els fàrmacs i productes de la cura personal, els quals, en molts casos, no són eliminats de manera eficient a les plantes de tractament d'aigua residual convencionals. Els aiguamolls construïts han demostrat ser eficients en la seva capacitat per eliminar molts d'aquests contaminants, i representen una bona alternativa per al tractament d'aigua residual en petites comunitats ja que suposen baixos costos d'operació i manteniment. No obstant això, hi ha poca informació sobre les condicions (ja siguin les característiques de disseny o de les estratègies d'operació) que promouen l'eliminació d'aquests compostos en aquesta ecotecnologia. Aquest treball de recerca té com a objectiu avaluar la capacitat de diferents configuracions d'aiguamolls construïts (vertical de flux subsuperficial, horitzontal de flux subsuperficial i de flux superficial) , així com l'efecte de diversos factors de disseny i funcionament (tractament primari, estratègia d'operació, freqüència d'alimentació, granulometria, ús de ventilació activa, càrrega hidràulica) en l'eliminació d'un conjunt de contaminants emergents orgànics, incloent tres fàrmacs antiinflamatoris no-esteroïdals (ibuprofè , diclofenac i acetaminofè ), tres productes de la cura personal (tonalide , triclosan i oxibenzone) i dos disruptors endocrins (etinilestradiol i bisfenol A). Es van realitzar diversos assajos a escala experimental i pilot en sistemes d'aiguamolls construïts a Barcelona i Sevilla (Espanya), i a Leipzig (Alemanya). Per aconseguir aproximar condicions d’estabilitat en les concentracions de contaminants emergents orgànics en l'afluent, i obtenir així una estimació més fiable de l'eficiència d'eliminació dels sistemes, es van realitzar experiments d'injecció contínua en els sistemes a escala experimental. L'eliminació dels contaminants estudiats en aiguamolls horitzontals de flux subsuperficial exhibeixen un patró estacional, possiblement a causa d'una major biodegradació, volatilització i incorporació per les plantes a majors temperatures. En aquest tipus d'aiguamoll l'ús d'un reactor anaerobi de flux ascendent per al tractament primari - en comptes d'un decantador convencional - conferir condicions més reduïdes al sistema, el qual va promoure un menor rendiment. En canvi, en operar l'aiguamoll horitzontal en batch, alternant cicles de saturació i insaturació, van promoure l'existència de majors condicions redox, la qual cosa va millorar notablement l'eliminació dels compostos estudiats. La identificació d'un intermedi de degradació del bisfenol A en aquest sistema de tractament (en la línia operant en batch) suggereix que la biodegradació aeròbica podria constituir un mecanisme predominant d' eliminació d'aquesta substància quan prevalen condicions més oxidants. En aiguamolls de flux vertical, la freqüència d'alimentació (horària/bihoraria) va mostrar diferències significatives en l'eliminació d'alguns compostos. Això es podria atribuir a un menor temps de contacte i reduïda renovació de l'oxigen que es donen a freqüències d'alimentació menors. A més , la presència de grava (4-8 mm) en lloc de sorra (1-3 mm) al llit principal dels aiguamolls verticals van exhibir una eficiència d’eliminació significativament menor. La mida més petita de la sorra es tradueix en porus més petits que proporcionen una millor capacitat de filtració, una àrea superficial més gran per al creixement de biofilm i un temps de contacte més gran. Per contra, l'ús de ventilació activa en un aiguamoll de flux vertical saturat no va demostrar millorar l'eliminació del contaminants respecte al tipus convencional insaturat. Un sistema de tractament híbrid basat en una primera fase de l'aiguamoll vertical i un aiguamoll horitzontal de flux subsuperficial i un flux superficial en sèrie, ha demostrat ser una tecnologia molt robusta per al tractament d'aigua residual en petites comunitats, produint un efluent final adequat per a la seva reutilització per a diversos fins. L'eficiència general d'eliminació de contaminants emergents va ser molt alta (90 ± 11%), fins i tot sota càrregues hidràuliques altes, possiblement a causa de la combinació i sinergia de diversos mecanismes d'eliminació abiòtics/biòtics (e.g. biodegradació, sorció, volatilització, hidròlisi, fotodegradació). Assaigs toxicològics realitzats juntament amb les injeccions d'antibiòtics durant la campanya de càrregues hidràuliques més altes van demostrar que la toxicitat general, estrogenicitat i activitats de tipus dioxina van ser eliminades satisfactòriament al llarg de les diferents unitats del sistema de tractament.