Investigation on the fate of benzotriazoles and benzothiazoles during biological wastewater treatment

Abstract

A major problem concerning wastewater treatment nowadays is the elimination of organic micropollutants from raw municipal and industrial wastewater. Many groups of compounds, such as surfactants, personal care products, pharmaceuticals, estrogens, perfluorinated compounds, phthalate acid esters and others are thoroughly examined concerning their occurrence and removal from wastewater as well as their ecotoxicity to living organisms. During this study benzotriazoles (BTRs) and benzothiazoles (BTHs) were examined regarding their biological removal from sewage. BTRs and BTHs are used in many industrial and every day products, leading to their presence in wastewater. Their frequent detection in surface water indicates their inadequate elimination during wastewater treatment. So far, little is known about the biodegradation rates of BTRs and BTHs by suspended and attached biomass and about their removal efficiencies in different biological wastewater treatment systems. The main goals of this study was a) to investigate the fate of BTRs and BTHs during biological wastewater treatment, as well as the role of biodegradation and sorption on their removal and b) to compare BTRs and BTHs removal efficiency in different biological treatment systems (activated sludge system, AS; moving bed biofilm reactor system, MBBR; hybrid moving bed biofilm reactor system, HMBBR). More specifically, 1H-benzotriazole (BTR), 5-chlorobenzotriazole (CBTR), xylytriazole (XTR), 4-methyl-1H-benzotriazole (4TTR), 5-methy-1H-lbenzotriazole (5TTR) and 2-hydroxy-benzothiazole (OHBTH) were studied and experiments were conducted in three steps. In the first step, BTRs and BTHs sorption and biodegradation onto activated sludge (AS) was investigated in batch experiments. Experiments with sterilized AS showed no abiotic transformation of these compounds, while their sorption constants ranged between 87 (XTR) and 220 L Kg-1 (BTR). Regarding the biodegradation experiments, the influence of different conditions was examined as to the target compounds treatment with AS. The presence of easily degradable organic compounds enhanced their biodegradation, showing that these compounds are mainly removed as a result of cometabolism. The half lives calculated in batch experiments varied between 6.5 h for OHBTH to 47 h for CBTR. The different SRT of AS did not seem to influence biodegradation of target compounds. Concerning the fate of target compounds in full-scale STPs, the application of appropriate equations showed that the examined compounds are expected to be partially removed mostly through aerobic biodegradation, while sorption poorly contributes to their elimination from sewage (less than 3%). In the second experimental part, the biodegradation of BTRs and BTHs in lab-scale AS and MBBR systems was studied. Both systems were able to remove target compounds at different rates. Removal efficiencies ranged from 43% to 76% for BTR, 8% to 69% for 4TTR, 0% to 53% for 5TTR, 42% to 49% for CBTR, 9% to 43% for XTR and 80% to 97% for OHBTH. The attached biomass (MBBR) presented higher biodegradation constants (kbio, L gSS-1 d-1) compared to suspended biomass (AS). The operational parameters of each system seemed to strongly influence the microbial community that was developed,leading to fluctuation in removal in each system. The biomass developed in the MBBR system presented higher specific removal rates of the target compounds. In general, specific removal rates in the MBBR system reached 11.9 (BTR), 15.1 (4TTR), 14.4 (5TTR), 11.3 (CBTR), 9.7 (XTR) and 13.6 (OHBTH) µg of micropollutant removed per g of biomass per day. Two experimental cycles were conducted for the MBBR system, testing the influence of organic loading on the removal capacity of the system. According to the results, higher micropollutants removal rates were obtained when the MBBR system was operated under low organic loading conditions. In the last experimental part of this PhD Thesis, a HMBBR system was used and the removal efficiency of target compounds was investigated. According to the results, the total removal rates obtained were 75% (BTR), 41% (4TTR), 57% (5TTR), 61% (CBTR), 74% (XTR) and 81% (OHBTH). Biodegradation of target compounds occurred mainly in the first reactor of the HMBBR, while the second reactor contributed significantly to the removal of the most resistant compounds (4TTR). The contribution of each type of biomass that co-exists in a HMBBR systems was examined, by using biodegradation constants calculated for each type of biomass in batch experiments. For three compounds (OHBTH, BTR and XTR), the main removal mechanism was biodegradation by AS in the first bioreactor. For CBTR and 5TTR, biodegradation by AS and biofilm was almost equal in both bioreactors, while 4TTR was mainly removed by the biofilm developed in the second bioreactor. Possible by-products were investigated with batch biodegradation experiments. In total, twenty-two transformation products were tentatively identified; hydroxylation, oxidation and methylation were the main reaction mechanisms. When compared to systems examined in the second experimental part, the HMBBR performance was similar to a low loaded pure MBBR system and more efficient than AS and MBBR systems operating under the same HRT and organic loading conditions. The following chapters structure this dissertation: Chapter 1 includes a short literature review on the main wastewater treatment processes used in this study and the target micropollutants investigated, as well as the objectives and the outline of this PhD Thesis. In Chapter 2, the experimental procedures and analytical methods are described. In Chapter 3, the results of this study are presented and discussed, while Chapter 4 summarizes the most important conclusions as well as suggestions for future research. Thereupon, supplementary data is presented as well as the three publications in scientific journals that came out of this study.

Ένα σημαντικό πρόβλημα όσον αφορά στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων είναι η απομάκρυνση οργανικών μικρορύπων από αστικά και βιομηχανικά λύματα. Πολλές ουσίες, όπως τασιενεργές ουσίες, προϊόντα προσωπική περιποίησης, φαρμακευτικές ουσίες, οιστρογόνα, υπερφθωριωμένες ενώσεις, φθαλικοί εστέρες και άλλες, έχουν μελετηθεί όσον αφορά στην εμφάνιση και απομάκρυνση από τα λύματα αλλά και όσον αφορά στην τοξικότητά τους σε ζωντανούς οργανισμούς. Κατά την διεξαγωγή της παρούσας μελέτης, τα βενζοτριαζόλια (BTRs) και τα βενζοθειαζόλια (BTHs) εξετάστηκαν όσον αφορά στη βιολογική απομάκρυνσή τους από τα λύματα. Τα βενζοτριαζόλια και τα βενζοθειαζόλια χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές και σε προϊόντα καθημερινής χρήσης, προκαλώντας την παρουσία τους στα υγρά απόβλητα. Η ανίχνευσή τους στα επιφανειακά ύδατα μας προϊδεάζει για την ανεπαρκή απομάκρυνσή τους κατά την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Λίγες είναι οι πληροφορίες σχετικά με τους ρυθμούς βιοαποδόμησης αυτών των ουσιών από βιομάζες διαφορετικού τύπου καθώς και για τα ποσοστά απομάκρυνσής τους σε διάφορα συστήματα βιολογικής επεξεργασίας αποβλήτων. Οι κύριοι στόχοι της παρούσας εργασίας ήταν α) η διερεύνηση της τύχης βεζοτριαζολίων και βενζοθειαζολίων κατά τη βιολογική επεξεργασία υγρών αποβλήτων, καθώς και ο ρόλος της βιοαποδόμησης και της προσρόφησης στην απομάκρυνσή τους και β) η σύγκριση της απομάκρυσής τους σε διαφορετικά συστήματα βιολογικής επεξεργασίας (ενεργού ιλύος, αντιδραστήρων κινούμενης κλίνης με βιοφορείς, υβριδικό σύστημα). Πιο συγκεκριμένα, οι ουσίες βενζοτριαζόλη (BTR), χλωρο-βενζοτριαζόλη (CBTR), ξυλιτριαζόλη (XTR), 4-μέθυλο-βενζοτριαζόλη (4TTR), 5-μέθυλο-βενζοτριαζόλη (5TTR) και η ύδροξυ-βενζοθειαζόλη (OHBTH) εξετάστηκαν και πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε τρία στάδια. Σε πρώτη φάση, η προσρόφηση και η βιοαποδόμηση των υπό μελέτη ουσιών εξετάστηκαν στην ενεργό ιλύ μέσω πειραμάτων διαλείποντος έργου. Πειράματα με αδρανοποιημένη ενεργό ιλύ έδειξαν οτι οι ουσίες δεν διασπώνται αβιοτικά, ενώ οι σταθερές προσρόφησής των ουσιών κυμάνθηκαν από 80 (ΧΤR) έως 220 L Kg-1 (BTR). Σχετικά με τα πειράματα βιοαποδόμησης, η επίδραση ορισμένων παραμέτρων εξετάστηκε για την απομάκρυνση των ουσιών με ενεργό ιλύ. Η παρουσία εύκολα διασπάσιμων οργανικών ενώσεων επιτάχυνε την βιοδιάσπασή τους, υποδεικνύοντας ότι οι συγκεκριμένες ουσίες απομακρύνονται μέσω συμμεταβολισμού. Οι χρόνοι ημιζωής υπολογίστηκαν με πειράματα διαλείποντος έργου και κυμάνθηκαν από 6.5 h για την OHBTH μέχρι 47 h για την CBTR. Διαφορετικοί χρόνοι παραμονής των στερεών (SRT) στην ενεργό ιλύ δεν φάνηκε να επηρεάζουν τη βιοαποδόμηση των ουσιών. Σχετικά με την τύχη των ουσιών σε συστήματα επεξεργασίας μεγάλης κλίμακας, η εφαρμογή των κατάλληλων εξισώσεων έδειξε ότι οι υπό μελέτη ουσίες αναμένεται να απομακρύνονται μερικώς μέσω της δεξαμενής αερισμού, ενώ η απομάκρυνσή τους μέσω της προσρόφησή τους στα στερεά δεν ήταν σημαντική (μικρότερη από 3%). Στην δεύτερη πειραματική φάση εξετάστηκε η βιοαποδόμηση βενζοτριαζολίων και βενζοθειαζολίων σε σύστημα ενεργού ιλύος και σε σύστημα αντιδραστήρων κινούμενης κλίνης με βιοφορείς. Και τα δυο συστήματα αποδείχτηκαν ικανά να απομακρύνουν τις ουσίες σε διαφορετικό βαθμό. Τα ποσοστά απομάκρυνσης κυμάνθηκαν από 43% μέχρι 76% για την BTR, 8% μέχρι 69% για την 4TTR, 0% μέχρι 53% για την 5TTR, 42% μέχρι 49% για την CBTR, 9% μέχρι 43% για την XTR και 80% μέχρι 97% για την OHBTH. Η προσκολλημένη βιομάζα στο δεύτερο σύστημα παρουσίασε υψηλότερες σταθερές βιοαποδόμησης (kbio, L gSS-1 d-1) σε σχέση με την ενεργό ιλύ. Οι παράμετροι λειτουργίας του κάθε συστήματος επηρέασαν σημαντικά τη μικροβιακή κοινότητα που αναπτύχθηκε σε κάθε περίπτωση, οδηγώντας στις διαφοροποιήσεις που παρατηρήθηκαν στην απομάκρυνση. Η προσκολλημένη βιομάζα παρουσίασε μεγαλύτερη ειδική απομάκρυνση των ουσιών. Οι τιμές ειδικής απομάκρυνσης στο MBBR σύστημα έφτασαν τα 11.9 (BTR), 15.1 (4TTR), 14.4 (5TTR), 11.3 (CBTR), 9.7 (XTR) and 13.6 (OHBTH) μg ουσίας που απομακρύνθηκαν ημερησίως ανα g βιομάζας. Δυο πειραματικοί κύκλοι πραγματοποιήθηκαν για το σύστημα αντιδραστήρων κινούμενης κλίνης με βιοφορείς, ώστε να ερευνηθεί η επίδραση της οργανικής φόρτισης στην απόδοση του συστήματος. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, υψηλότερα ποσοστά απομάκρυνσης επιτεύχθηκαν όταν το σύστημα λειτούργησε σε συνθήκες χαμηλής φόρτισης. Στο τελευταίο πειραματικό στάδιο ένα υβριδικό σύστημα εξετάστηκε για την απομάκρυνση των ουσιών, το οποίο συνδύαζε τις δυο τεχνολογίες που εξετάστηκαν πρωτύτερα (ενεργού ιλύος και αντιδραστήρων κινούμενης κλίνης με βιοφορείς). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, οι συνολικές απομακρύνσεις που παρατηρήθηκαν ήταν 75% (BTR), 41% (4TTR), 57% (5TTR), 61% (CBTR), 74% (XTR) και 81% (OHBTH).. Η βιοαποδόμηση των ουσιών πραγματοποιήθηκε κυρίως στον πρώτο αντιδραστήρα του συστήματος, ενώ ο δεύτερος αντιδραστήρας συνέβαλε στην απομάκρυνση της 4TTR. Η συνεισφορά κάθε τύπου βιομάζας (βιοφιλμ, ενεργός ιλύς) που συνυπάρχουν σε αυτά τα συστήματα εξετάστηκε, με τη βοήθεια των σταθερών βιοαποδόμησης που υπολογίστηκαν μέσω πειραμάτων διαλείποντος έργου. Για τρεις ουσίες (OHBTH, BTR και XTR) οι κύριοι μηχανισμοί απομάκρυνσης ήταν η βιοαποδόμηση από την ενεργό ιλύ στον πρώτο αντιδραστήρα. Για τις CBTR και 5TTR η βιοαποδόμηση από τα δυο είδη βιομάζας ήταν περίπου ίδια και στους δυο αντιδραστήρες, ενώ η 4TTR απομακρύνθηκε κυρίως από το βιοφίλμ που σχηματίστηκε στον δεύτερο αντιδραστήρα. Η δημιουργία πιθανών παραπροϊόντων εξετάστηκε μέσω πειραμάτων διαλείποντος έργου. Συνολικά 22 ουσίες, πιθανοί μεταβολίτες ανιχνεύτηκαν ενώ η υδροξυλίωση, η οξείδωση και η μεθυλίωση ήταν οι κύριοι μηχανισμοί αντίδρασης. Συγκρίνοντας το υβριδικό σύστημα με τα συστήματα που εξετάστηκαν προηγουμένως, το τελευταίο συμπεριφέρθηκε όπως ένα σύστημα αντιδραστήρων κινούμενης κλίνης με βιοφορείς χαμηλής φόρτισης, ενώ αποδείχθηκε πιο αποτελεσματικό από συστήματα ενεργού ιλύος και κινούμενης κλίνης με βιοφορείς που λειτουργούσαν στον ίδιο υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT) και στις ίδιες συνθήκες φόρτισης. Τα ακόλουθα κεφάλαια δομούν την παρούσα διατριβή: Το Κεφάλαιο 1 περιλαμβάνει μια σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση που περιγράφει τις τεχνολογίες που χρησιμοποιήθηκαν, τις ουσίες που μελετήθηκαν και τέλος παρουσιάζει τους στόχους της εργασίας. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε και οι αναλυτικές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν. Στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζονται τα ευρήματα της μελέτης, ενώ στο Κεφάλαιο 4 συνοψίζονται τα βασικά συμπεράσματα και παρουσιάζονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Στο τέλος της διατριβής παρατίθενται συμπληρωματικά στοιχεία καθώς και τρεις δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά που προέκυψαν από την παρούσα έρευνα.