Advanced technologies applied to wastewater treatment plant effluents

Abstract

This thesis is formed as a summary of publications developed in the Chemical Engineering Department from the University of Barcelona. The six publications of this thesis are focused on the application of advanced technologies to Wastewater Treatment Plant (WWTP) effluents that are usually discharged to the aquatic environment.

Water is an essential natural resource for the development of life and for human activities. Over the last few decades, water scarcity and water quality have become issues of major concern. Large amounts of water have been continuously contaminated, especially in developed countries. The restoration of water quality is essential to avoiding higher levels of contamination dealing with the "zero discharge" idea, and enabling water reuse. The implementation of tertiary treatments is necessary to reach the appropriate quality of water from effluents of WWTPs.

It is generally assumed that not all polluting agents are removed through conventional WWTPs. These persistent compounds include the emerging pollutants group, constituted by chemicals of high diverse origin. They are characterized by their high production and consumption volumes, which entails their continuous presence in the environment even at low concentrations. Whereas their occurrence is fairly well-established, their long-term effects and environmental consequences are not clearly identified. Thus, additional advanced treatment steps should be considered to reduce their discharge into receiving waters.

In this work, two groups of effluents that are usually discharge into water bodies without any extra treatment were treated: two types of secondary effluents and Reverse Osmosis (RO) brine effluent. Biologically treated sewage effluent contains a complex matrix of organic materials-Effluent Organic Matter (EfOM). This EfOM consisted of: refractory Natural Organic Matter (NOM), trace levels of synthetic organic compounds and soluble microbial products. Regarding RO, despite the high quality effluent generated, salts, biological constituents and organics, including micropollutants, are concentrated in the rejected effluent. Although their discharge is currently not regulated, safe environmental practices would suggest their treatment before its release and dilution into the environment.

Advanced Oxidation Processes (AOPs) appear to be appropriate for the treatment of waste streams that contains recalcitrant organic matter. These AOPs involves the in situ generation of highly reactive hydroxyl radicals (HO). This work is focused in the UV/H202 and ozonation treatments. On the other hand, taking advantage of the biodegradability enhancement achieved by AOPs, the use of subsequent biological step has been also integrated in order to minimize even further the organic load of the target effluent. The selected biological process was the Biological Activated Carbon (BAC) filter, where microbial communities were established on the exhausted porous of Granular Activated Carbon (GAC) surface.

Actualmente, la situación de escasez de agua y la calidad de la misma son cuestiones de gran preocupación a nivel mundial. Es por ello que, restablecer la calidad de las aguas que han sido previamente utilizadas, es esencial para evitar seguir contribuyendo a la contaminación del medio ambiente y caminando hacia el ideal de "vertido cero". Esta tesis, presentada como compendio de artículos, se ha centrado en la aplicación de tecnologías avanzadas para el tratamiento de efluentes procedentes de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (WWTPs) que normalmente son vertidos al medio acuático sin tratamiento extra, y sin embargo contienen aún materia recalcitrante como por ejemplo, microcontaminantes. Los efluentes tratados han sido: efluentes secundarios procedentes de WWTPs municipales y procedente del efluente de rechazo producido en el tratamiento terciario con Ósmosis Inversa (RO).

Los tratamientos empleados han sido los Procesos de Oxidación Avanzada (AOPs) UV/H202 y ozonización, los cuales se caracterizan por la generación in situ de radicales hidroxilo de alto poder oxidante. Por otro lado, aprovechando que éstos son capaces de mejorar la biodegradabilidad del efluente tratado, también se ha estudiado la integración con tratamientos biológicos como son los filtros Biológicos de Carbón Activo (BAC). Esta tecnología aprovecha la saturación del Carbón Activo Granular (GAC) para la colonización de la biomasa en su superficie.

Por lo que respeta a efluentes secundarios, se ha caracterizado la Materia Orgánica del Efluente (EfOM) durante su oxidación con UV/H202 y ozono mediante la técnica de Cromatografía Líquida con Detección de Carbono Orgánico (LC-OCD). Se ha concluido que ambas técnicas parecen apropiadas para la oxidación de las diferentes fracciones de EfOM. No obstante, se han observado algunas diferencias en las características de las aguas resultantes debido a los diferentes mecanismos de oxidación implicados en los AOP utilizados.

Por otro lado, en los estudios realizados con efluentes de rechazo de RO, se ha evaluado la degradación de diferentes fármacos a diferentes dosis de oxidante aplicadas para ambos AOPs, así como la combinación de análisis químicos con bioensayos para caracterizar la eliminación de estos microcontaminantes. Por último, se ha evaluado la combinación de los tratamientos UV/H202 y ozonización con unos filtros Biológicos de Carbón Activo (BAC). Esta tecnología aprovecha la saturación del Carbón Activo Granular (GAC) para la colonización de la biomasa en su superficie. Los resultados han sido satisfactorios para todos los tratamientos propuestos, obteniendo cinéticas de degradación de fármacos diferentes en función del tratamiento aplicado y también de las características del efluente de rechazo. Los bioensayos aplicados han proporcionado información útil para una mejor caracterización de los efluentes resultantes. Por último, la integración de los AOPs como paso previo a un tratamiento biológico ha permitido reducir los parámetros típicos de calidad del agua significativamente.