Application of Advanced Integrated Technologies (Membrane and Photo-Oxidation Processes) for the Removal of CECs contained in Urban Wastewater

Abstract

[ES] El agua se convirtió en uno de los recursos más escasos de la Tierra. Por eso es necesario desarrollar nuevas tecnologías para el tratamiento adecuado de las aguas residuales urbanas (UWW), permitiendo su reutilización. Múltiples tecnologías han demostrado ser efectivas cuando se aplican individualmente, pero a menudo no se aplican ni se integran en el tratamiento convencional de UWW, lo que resulta en la pérdida de posibles efectos sinérgicos. Por estas razones, la investigación sobre la combinación e integración de estas tecnologías es de suma importancia. Cuando se aplican de esta manera, también se conocen como Tecnologías Integradas Avanzadas. Hecho un trabajo de investigación sobre el rendimiento de una planta piloto de nanofiltración (NF) a escala piloto para UWW, seguido de la aplicación de métodos de tratamiento (químico). Los Procesos de Oxidación Avanzada (AOP), como el proceso (solar) foto-Fenton (SPF), aprovechan el ciclo catalítico del hierro (Fe2+ y Fe3+), la luz UV-vis, junto con un agente oxidante, como el peróxido de hidrógeno (H2O2), produciendo radicales hidroxilo altamente reactivos. Este proceso de foto-Fenton (solar) se aplica a un pH 3, para evitar la precipitación del hierro, o a un pH más alto mediante agentes quelantes, como el ácido etilendiamino-N, N'-disuccínico (EDDS). Los microcontaminantes (MC) usados fueron cafeína, imidacloprid, tiacloprid, carbamazepina y diclofenaco. La preconcentración es un paso esencial antes de aplicar AOP como tratamiento terciario de los efluentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas (EDAR), ya que reduce significativamente el volumen a tratar y, por lo tanto, los costos económicos. El tratamiento de la corriente de concentrado de la NF mediante el proceso de SPF demostró ser efectivo para la eliminación de los MC mencionados anteriormente cuando se utilizó H2O2 como agente de oxidación. Por lo tanto, a una mayor degradación de los MC se adhiere una toxicidad directamente proporcionalmente menor. Las investigaciones incluyen la valorización de los efluentes EDAR mediante la recuperación de amonio, con la eliminación combinada de MC mediante NF y diferentes AOPs, con el fin de producir corrientes de permeado para la fertilización e irrigación directa de cultivos, también conocida como 'fertirrigación'. Esto incluye el proceso de SPF, pero también se combina con procesos de electrooxidación (EO). El SPF fue más efectivo al tratar las corrientes de concentrado de NF a pH circunneutro, con una concentración de MC inferior a 1 mg/L. Las corrientes de concentrado de NF altamente salinas son ideales para ser tratadas mediante procesos de EO, por sus alta conductividad, con un consumo eléctrico significativamente menor con la asistencia solar. La eficiencia de retención de MC por NF y la toxicidad después de los tratamientos con AOP también se evaluaron mediante la determinación de la fitotoxicidad del permeado. Los resultados mostraron que los permeados utilizados para los cultivos (Sorghum saccharatum, Sinapis alba, Lepidium sativum) redujeron la germinación de las semillas. Contrariamente, se observó que la irrigación con los permeados producidos generalmente promovió el desarrollo de las raíces, mientras que el desarrollo de los brotes prosperó solo cuando se usaron permeados que tenían factores de concentración inferiores al factor de concentración 2. Los estudios mostraron que los permeados deberían diluirse primero en un mínimo del 50%, para ser adecuados para la irrigación directa. El trabajo también incluyó la evaluación de una membrana de ultrafiltración (UF) cerámica foto catalítica TiO2-ZrO2 previamente desarrollada. La disminución del flujo puede revertirse cuando se irradia la membrana UF cerámica con luz en un simulador solar. La retención microbiológica de la membrana UF fue determinada utilizando una cepa bacteriana Gram negativa, Pseudomonas aeruginosa y fue capaz de retener consistentemente hasta un orden de magnitud de 1 x 104 UFC/ml.

[CA] L'aigua es va convertir en un dels productes bàsics més escassos de la Terra. Per tant, cal desenvolupar noves tecnologies, com el tractament adequat de les aigües residuals urbanes (UWW) per a la seva reutilització. Múltiples tecnologies avançades es demostren efectives quan s'apliquen únicament. Aquestes tecnologies sovint no s'apliquen ni s'integren en el tractament UWW convencional. Com a resultat, es perd possibles efectes sinèrgics. Per aquests motius, la investigació sobre la combinació i integració d'aquestes noves tecnologies és de la màxima importància. Quan s'apliquen així, aquestes tecnologies combinades també es coneixen i s'indiquen com a Tecnologies Integrades Avançades. Es va realitzar un treball de recerca sobre el rendiment d'una planta de nanofiltració (NF) a escala pilot per a la preconcentració d'UWW, seguida de l'aplicació de mètodes de tractament (químics), per tal de tractar els corrents de concentrat i permeat produïts. Els processos d'oxidació avançats (AOP), com el procés foto-Fenton (solar) (SPF), fan servir el cicle catalític del ferro (Fe2+ i Fe3+), la llum UV-vis, juntament amb un agent oxidant, com el peròxid d'hidrogen (H2O2), produint radicals hidroxil altament reactius i no selectius. Aquest procés SPF s'aplica a pH3, per tal d'evitar la precipitació del ferro, o a pH circumneutral aplicant agents quelants com l'àcid etilendiamina-N, N¿-disuccinic (EDDS). La preconcentració és un pas essencial abans d'aplicar els AOP com a tractament terciari d'efluents d'EDAR, ja que redueix significativament el volum a tractar i, per tant, els costos globals. El tractament del corrent de concentrat del NF mitjançant el procés SPF va demostrar ser eficaç per a l'eliminació de diferents microcontaminants (MC) quan s'utilitzava H2O2 com a agent d'oxidació. Per al qual una degradació de MC més alta s'adhereix a una toxicitat menor directament proporcional. Els seleccionats (MC) van ser cafeïna, imidacloprid, tiacloprid, carbamazepina i diclofenac. Els treballs de recerca posteriors van tractar la valorització dels efluents d'EDAR mitjançant la recuperació d'amoni, amb l'eliminació combinada de MC per NF i diferents AOP avançats, per tal de produir corrents permeats per a la fertilització directa dels cultius i el reg, també anomenats "fertirrigació". Inclou SPF, però també combinat amb processos d'electrooxidació (EO). El SPF va ser més eficaç quan es tractaven corrents de concentrat de NF a pH circumneutral, a una concentració de MC inferior a 1 mg/L, per obtenir una degradació ràpida de MC. Els corrents concentrats de concentrat NF altament salins són ideals per ser tractats mitjançant processos EO, alhora que posseeixen una alta conductivitat, i un menor consum elèctric significatiu per assistència solar. També es va avaluar l'eficiència de retenció de MC per NF i la toxicitat després dels tractaments amb AOP determinant la fitotoxicitat del permeat. Els resultats van mostrar que els permeats podrien reduir la germinació de llavors si s'utilitzaven per a cultius (Sorghum saccharatum, Sinapis alba, Lepidium sativum). Al contrari d'això, es va demostrar que el reg amb els permeats produïts afavoria generalment el desenvolupament de les arrels, mentre que el desenvolupament dels brots només va prosperar quan s'utilitzaven permeats que tenien factors de concentració inferiors a 2. Els estudis de toxicitat van mostrar que els corrents de permeat s'havien de diluir primer amb un mínim del 50% aigua dolça. El treball de recerca realitzat també va incloure l'avaluació d'una membrana d'ultrafiltració ceràmica (UF) fotocatalítica TiO2-ZrO2 desenvolupada prèviament. La disminució del flux es pot revertir quan la membrana fotocatalítica UF va ser irradiada per llum en un simulador solar. La retenció microbiològica de la membrana UF es va determinar mitjançant el desplegament d'una soca bacteriana gramnegativa, Pseudomonas aeruginosa, ser capaç de retenir constantment fins a un ordre de magnitud d'1 x 104 CFU/ml.

[EN] Water turned to be one of Earths scarcest commodities. Therefore, novel technologies need to be developed, as appropriate treatment of produced urban wastewaters (UWWs) for its reuse as irrigation waters or aquifer recharge. Multiple advanced technologies are proven effective when applied solely. These technologies are often not applied or integrated into conventional UWW treatment. Resulting in missing out on potential synergetic effects. For these reasons that research into the combining and integration of these novel technologies is of the utmost importance. When thus applied, these combined technologies are also known and indicated as Advanced Integrated Technologies.

Research work was conducted on the performance of a pilot scale nanofiltration (NF) plant for UWW pre-concentration, followed by the application of (chemical) treatment methods, in order to treat the produced concentrate and permeate streams. Advanced Oxidation Processes (AOPs), such as the (solar) photo-Fenton process make use of the catalytic cycle of iron (Fe2+ and Fe3+), UV-vis light, along with an oxidizing agent, such as hydrogen peroxide (H2O2), producing highly reactive and non-selective hydroxyl radicals (¿OH). This (solar) photo-Fenton process is applied at acidic pH3, in order to prevent iron precipitation, or at circumneutral pH by applying chelating agents such as Ethylenediamine-N, N¿-disuccinic acid (EDDS).

Preconcentration is an essential step before applying AOPs as tertiary treatment of UWWTP effluents, as it significantly lowers the to be treated volume, and therefore the overall costs. Treating the concentrate stream from the NF by the solar photo-Fenton process showed to be effective for the removal of different microcontaminants (MCs) when H2O2 was used as an oxidation agent. Opposite to that, the application of persulfate and its derived radicals showed lower degradation of the selected MC. For which a higher MC degradation is adhered to a directly proportional lower toxicity. Selected (MCs) were caffeine, imidacloprid, thiacloprid, carbamazepine, and diclofenac.

Further research work covered UWWTP effluent valorization by the recovery of ammonium, with combined MC elimination by NF and different advanced AOPs, in order to produce permeate streams for direct crop fertilization and irrigation, also called 'fertigation'. Including solar photo-Fenton, but also combined with electrooxidation (EO) processes. Solar photo-Fenton was most effective when treating NF concentrate streams at circumneutral pH, at MC concentration lower than 1 mg/L, to obtain rapid MC degradation. High saline and concentrated NF concentrate streams are ideal to be treated by EO processes, while possessing high conductivity. Obtaining significant lower electric consumption by solar assistance.

MC retention efficiency by NF and toxicity after AOP treatments was also assessed by determining the permeate phytotoxicity. Results showed that permeates could lower seed germination if they would be used for crops (Sorghum saccharatum, Sinapis alba and Lepidium sativum). Contrary to that, it was showed that irrigation with the produced permeates generally promoted root development, while shoot development only thrived when using permeates which had concentration factors lower than 2. Toxicity studies showed that permeate streams should first be diluted with a minimum of 50% fresh water, in order to be suitable for direct crop irrigation in agriculture.

Conducted research work also included the assessment of a priorly developed (collaboration with an PhD within MSCA AQUAlity) photocatalytic TiO2-ZrO2 ceramic ultrafiltration (UF) membrane. Flux decline can be reversed when the photocatalytic UF membrane was irradiated by light in a solar simulator. Microbiological retention of the UF membrane was determined by deploying a Gram-negative bacterial strain, Pseudomonas aeruginosa (P. Aeruginosa). It was able to consistently retain till an order of magnitude of 1x10^4 CFU/ml.