Removal of pharmaceuticals from WWTP streams by biological and physical processes

Abstract

Les actuals activitats humanes han comportat la contaminació del medi ambient, la qual cosa ha esdevingut una amenaça global. En concret, l’ineficient eliminació de productes d’ús diari a les plantes de tractament d’aigües residuals (EDARs) es una font de contaminació en si mateixa; especialment quan els llots no tractats i l’aigua resultant són valoritzats en activitats agrícoles. En el present treball s’han desenvolupat dues tècniques de bioremediació amb Trametes versicolor per tal de tractar diferents llots. A més a més, s’ha proposat i estudiat un post-tractament físic per tal d’incrementar la qualitat de l’efluent final d’una EDAR. En tots dos casos, l’eliminació de fàrmacs en cada corrent ha estat avaluada. En la primera secció, es va estudiar l’ús de Trametes versicolor en biopiles a escala de laboratori per tractar llots d’EDAR secs; tot avaluant la seva capacitat per eliminar fàrmacs i l’evolució de les comunitats microbianes. • Es va escollir un substrat lignocel·lulosic per les biopiles inoculades amb el fong en base a la revisió de dades experimentals publicades i no publicades. • Es va avaluar l’eliminació total de fàrmacs a concentració real en llots de depuradora tractats en biopiles inoculades i no inoculades amb el fong, provant si la re-inoculació de les biopiles milloraria l’eliminació final. • L’estudi de les comunitats bacterianes i fúngiques de les biopiles inoculades i no inoculades amb el fong va mostrar que totes dues comunitats van acabar evolucionant cap a poblacions similars. En la segona secció, es va avaluar el creixement i la capacitat per eliminar fàrmacs de Trametes versicolor en llots provinents d’un reactor biològic de membrana (MBR) en sistemes de bioslurry. • Es va avaluar la capacitat del fong per eliminar compostos en medis líquids dopats, provant diferents medis de cultiu i condicions. • Es va avaluar l’eliminació d’un gran ventall de fàrmacs per part del fong en bioslurries no estèrils i no dopats. Les anàlisis microbiològics van demostrar un increment de la diversitat microbiana després de 15 dies de tractament. • Es va incrementar l’escala dels bioslurries de Erlenmeyer a reactor de 5L i el seu corrent de sortida es va digerir anaeròbicament, per tal de comprovar si el tractament amb el fong podia ser re-valoritzat. • Els resultats finals mostren que Trametes versicolor pot eliminar PPCPs en bioslurry en condicions no esterils. En la tercera secció, es va avaluar l’eliminació de fàrmacs en aigua sintètica mitjançant l’esmena de sòls amb adsorbents de baix cost, per tal de determinar si era posible millorar la qualitat de l’efluent d’una EDAR. • Es va determinar la capacitat d’adsorció del sòl sense esmenar amb experiments en discontinu de 24h per tal de determinar els coeficients de distribució dels fàrmacs seleccionats. • Per tal de determinar quina proporció d’esmena seria la mes adequada, es va estudiar l’adsorció en 24h de 3 compostos amb un coeficient octanol/aigua similar en experiments en discontinu. • Es va mesurar el percentatge d’eliminació de cadascun dels fàrmacs provats per cada esmena de baix cost (biochar i NUA) utilitzada. Els resultats van mostrar alts percentatges d’eliminació per tots els fàrmacs, demostrant l’eficàcia dels adsorbents de baix cost com a esmenes de sòl. Els experiments de les dues primeres seccions es va realitzar al grup d’investigació BioremUAB (Grup de Biodegradació de Contaminants Industrials i Valorització de Residus) del departament d’Enginyeria Química, Biològica i Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). L’objectiu d’aquest grup es el desenvolupament de nous processos biològics pel tractament de contaminants emergents en diferents matrius. Els experiments de l’última secció es van desenvolupar al centre Land & Water del CSIRO. L’objectiu d’aquest centre és el de proporcionar solucions innovadores als complexos desafiaments que sorgeixen de les activitats humanes sobre el medi ambient.

Las actuales actividades humanas han conllevado a la contaminación del medio ambiente, lo que se ha convertido en una amenaza global. En concreto, la ineficiente eliminación de productos de uso diario en las plantas de tratamiento de aguas residuales (EDARs) es una fuente de contaminación en sí misma; especialmente cuando los lodos no tratados y el agua resultante son valorizados en actividades agrícolas. En el presente trabajo se han desarrollado dos técnicas de biorremediación con Trametes versicolor para tratar diferentes lodos. Además, se ha propuesto y estudiado un post-tratamiento físico para incrementar la calidad del efluente final de una EDAR. En ambos casos, se ha evaluado la eliminación de fármacos en cada corriente. En la primera sección, se estudió el uso de Trametes versicolor en biopilas a escala de laboratorio para tratar lodos de una EDAR secos; evaluando su capacidad para eliminar fármacos y la evolución de las comunidades microbianas. • Se escogió un sustrato lignocelulósico para las biopilas inoculadas con el hongo en base a datos experimentales publicados y no publicados. • Se evaluó la eliminación total de fármacos a concentración real en lodos de depuradora tratados en biopilas inoculadas y no inoculadas con el hongo, probando si la re-inoculación de las biopilas mejoraría la eliminación final. • El estudio de las comunidades bacterianas y fúngicas de las biopilas inoculadas y no inoculadas con el hongo mostraron que ambas comunidades acabaron evolucionando hacia poblaciones similares. En la segunda sección, se evaluó el crecimiento y la capacidad para eliminar fármacos por parte de Trametes versicolor en lodos provenientes de un reactor biologico de membrana (MBR) en sistemas de bioslurry. • Se evaluó la capacidad del hongo para eliminar compuestos en medios líquidos dopados, probando diferentes medios de cultivo y condiciones. • Se evaluó la eliminación de un amplio número de fármacos por parte del hongo en bioslurries no estériles y no dopados. Los análisis microbiológicos demostraron un incremento de la diversidad microbiana después de 15 días. • Se incrementó la escala de los bioslurries: de Erlenmeyer a reactor de 5L; y su corriente de salida se digerió anaeróbicamente, a fin de comprobar si el tratamiento con el hongo podía ser re-valorizado. • Los resultados finales muestran que Trametes versicolor puede eliminar fármacos en bioslurry en condiciones no estériles. En la tercera sección, se evaluó la eliminación de fármacos en agua sintética mediante la enmienda de suelos con adsorbentes de bajo coste, con el objetivo de determinar si era posible mejorar la calidad de un efluente de EDAR. • Se determinó la capacidad de adsorción del suelo sin enmendar con experimentos en discontinuo de 24h para determinar los coeficientes de distribución de los fármacos seleccionados. • Para determinar qué proporción de enmienda sería la más adecuada, se estudió la adsorción en 24h en experimentos en discontinuo de 3 compuestos con un coeficiente octanol / agua similar. • Se midió el porcentaje de eliminación de cada uno de los fármacos probados por cada enmienda de bajo coste (biochar y NUA) utilizada. Los resultados indicaron altos porcentajes de eliminación para todos los fármacos, demostrando la eficacia de los adsorbentes de bajo coste como enmiendas. Los experimentos de las dos primeras secciones se realizó en el grupo de investigación BioremUAB (Grupo de Biodegradación de Contaminantes Industriales y Valorización de Residuos) del departamento de Ingeniería Química, Biológica y Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). El objetivo de este grupo es el desarrollo de nuevos procesos biológicos para el tratamiento de contaminantes emergentes en diferentes matrices. Los experimentos de la última sección se desarrollaron en el centro Land & Water del CSIRO. El objetivo de este centro es el de proporcionar soluciones innovadoras a los complejos desafíos que surgen de las actividades humanas sobre el medio ambiente.

Current human activities have led to the pollution of the environment, which has aroused as a global threat. In particular, the inefficient treatment of every-day products in wastewater treatment plants (WWTPs) is an important source of contaminants; especially when untreated sewage sludge and reclaimed water are valorised for agricultural porpoises. The present work describes the development of two bioremediation processes mediated with Trametes versicolor in order to treat different types of sludge. Additionally, one physical post-treatment has been proposed and studied so as to improve the final quality of a WWTP effluent. In both cases, the removal of pharmaceuticals (PhACs) in each stream has been assessed. In the first section, the use of Trametes versicolor in biopiles at lab scale with dried sewage sludge from the WWTP of El Prat de Llobregat was studied, evaluating its capacity to remove Pharmaceutical and Personal Care Products (PPCPs) and assessing the evolution of the biopiles microbial communities. • Appropriate lignocellulosic substrate for fungal biopiles was selected according to the review of published and unpublished experimental data. • Total removal of drugs at real concentrations from sewage sludge was assessed for non-inoculated and fungal inoculated biopiles, testing if the re-inoculation of the biopiles would improve the removal yields. • The study of the bacterial and fungal communities revealed that fungal inoculated and non-inoculated biopiles evolved to similar communities. In the second section, the growth of Trametes versicolor on Membrane Biological Reactor (MBR) sludge in bioslurry systems was assessed, and its capacity to remove PPCPs was evaluated. • The ability of the fungus to remove a spiked compound in liquid medium cultures was assessed, testing different media and conditions for the bioslurry. • In non-spiked Erlenmeyer fungal bioslurries under non-sterile conditions, the removal of a wide set of PhACs was assessed and microbial analysis were performed, showing that microbial diversity increased after 15 days of treatment. • The fungal bioslurry treatment scale was improved to reactor scale and coupled to an anaerobic digestion process. • Results showed that Trametes versicolor can remove PPCPs in bioslurry systems under non-sterile conditions in matrices as complex as an MBR sludge. In the third section, the efficiency removal of PhACs in synthetic water was assessed in soil amended with low-cost sorbents in order to determine if it was possible to improve the final quality of a WWTP effluent. • The capacity of bare soil to adsorb the PhACs was assessed in 24h batch experiments in order to quantify the distribution coefficient of the drugs. • The adsorption of three drugs with similar octanol/water coefficient at different soil:amendment ratios was assessed and carried out in 24h batch experiments, in order to determine which ratio would be the most suitable. • The removal percentage of each pharmaceutical compound was measured in soil amended with two low-cost sorbents (biochar and NUA) during 21 days. The results showed high removal percentages for all the tested PhACs, proving the efficiency of sorbents to remove emerging pollutants from water by amending the soil. The experiments of the two first sections were performed in the research group BioremUAB (Grup de Biodegradació de Contaminants Industrials i Valorització de Residus) from the Department of Chemical, Biological and Environmental Engineering in Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). The aim of this group is the development of novel biological techniques to degrade emerging pollutants in different matrices. The experiments of the last section of this thesis were carried out in the centre Land & Water from the CSIRO. The scope of this centre is to deliver innovative solutions to the complex challenges that arise from the demands and impacts of human activities.