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Type: Tese
Title: Engineering approaches for improving the removal of organic micropollutants in anaerobic reactors: microaeration, redox mediator, and nitrate addition
Title in English: Engineering approaches for improving the removal of organic micropollutants in anaerobic reactors: microaeration, redox mediator, and nitrate addition
Authors: Nascimento, José Gilmar da Silva do
Advisor: Firmino, Paulo Igor Milen
Co-advisor: Silva, Marcos Erick Rodrigues da
Keywords: Mediadores redox;Micropoluentes;Adição de nitrato;Microaeração
Issue Date: 2020
Citation: NASCIMENTO, José Gilmar da Silva do. Engineering approaches for improving the removal of organic micropollutants in anaerobic reactors: microaeration, redox mediator, and nitrate addition. 2020. 96f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil: Saneamento Ambiental) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Saneamento Ambiental, Fortaleza, 2020.
Abstract in Brazilian Portuguese: Nas últimas décadas, os micropoluentes orgânicos (MPOs), como produtos farmacêuticos, pesticidas, hormônios, produtos de higiene pessoal e outros, têm chamadomuita atenção devido a seus possíveis impactos negativos nos ecossistemas e na saúde pública. Em geral, as estações de tratamento de águas residuais (ETARs) não são projetadas especificamente para remover MPOs,e, embora aseficiências deremoção (ERs) dependamdo composto e da tecnologia de tratamento, elas geralmente são limitadas, principalmente em sistemas anaeróbios operados comcurtos tempos de retenção hidráulica (TDHs<10h). Portanto, este trabalho avaliou, através de quatro estudos, algumas abordagens de engenharia, como adição de microaeração, mediador redox e nitrato, para aumentar asERs de diferentes MPOs (hormônios, produtos farmacêuticos,bisfenol A e parabenos) em reatores anaeróbios de manta de lodo e fluxo ascendente(upflow anerobic sludge blanket, UASB) operados com um TDHde 7-8 hdurante o tratamento de esgoto sintético contendo 200 μg·L-1de cadacomposto.No primeiro estudo, o efeito do aumento das vazãode microaeração (1-6 mL de ar∙min-1) na biotransformação de sete MPOs (estrona, 17β-estradiol, 17α-etinilestradiol, bisfenol A, diclofenaco, sulfametoxazol e trimetoprima) foi avaliada. A microaeração melhorou as ERs expressivamente, e os melhores resultados foram obtidos com 4 mL de ar·min-1(~90%). No segundo estudo, o efeito do mediador redox antraquinona-2,6-dissulfonato (AQDS) (50 e 100 μM), associado ounão à microaeração (1 mL de ar∙min-1),e de diferentes relações demandaquímica de oxigênio (DQO)/NO3-(2,5-10) nas ERs dos antibióticos sulfametoxazol e trimetoprimafoi investigado. O AQDS acelerou significativamente a biotransformação anaeróbia dos antibióticos (um aumento de ~70% nas ERs com 100 μM de AQDS). A microaeração melhorou sua biotransformação, mesmo na presença de AQDS, quando as melhores ERs foram obtidas (> 70%), particularmente para a trimetoprima(~90% com 1 mL de ar · min-1 e 100 μM de AQDS). A adição de nitrato também mostrou resultados promissores, com os ERs mais altos (~85%) sendo alcançados na menor razão DQO/NO3-(2,5).No terceiro estudo, foi avaliado o efeito de diferentes vazõesde microaeração (1-4 mL de ar·min-1) nas ERs de quatro parabenos (metilparabeno, etilparabeno, propilparabeno e butilparabeno). Baixas ERs (14-20%) foram alcançadas sob condições anaeróbias, mas a adição de apenas 1 mLde ar·min-1impulsionou notavelmente a biotransformação de parabenos, garantindo ERs acima de 85% para todos os compostos. No quarto estudo, foram avaliados os efeitos individuais e combinados do mediador redox AQDS (50 e 100 μM) e da microaeração (1 mL de ar·min-1) na biotransformação dos mesmos parabenos. O AQDS melhorou consideravelmente as baixas ERs de todos os parabenos (<17%), mas teve um efeito mais significativo nos compostos com cadeias alquílicas mais longas (etilparabeno, propilparabeno e butilparabeno) (ERs> 90% com 100 μM de AQDS) do que no metilparabeno (ER de ~54% com 50 ou 100 μM de AQDS). Sob condições microaeróbias, o AQDS teve um impacto limitado na biotransformação dos parabenos de cadeia alquílicamais longa e até comprometeu o efeito do oxigênio na biotransformação do MeP, ou seja, o AQDS exerceu um efeito antagônico na microaeração. Finalmente, em todos os estudos, os reatores permaneceram notavelmente estáveis, com alta ERde DQOmédia (85-90%), sem acúmulo de ácidos graxos voláteis e valores de pH próximos à faixa neutra
Abstract: In recent decades, organic micropollutants (MPOs), such as pharmaceuticals, pesticides, hormones, personal care products and others, have attracted a lot of attention due to their possible negative impacts on ecosystems and public health. In general, wastewater treatment plants (WWTPs) are not specifically designed to remove MPOs, and although removal efficiencies (ERs) depend on the compound and treatment technology, they are generally limited, especially in anaerobic systems operated with short turnaround times. hydraulic retention (TDHs <10h). Therefore, this work evaluated, through four studies, some engineering approaches, such as the addition of microaeration, redox mediator and nitrate, to increase the ASERs of different MPOs (hormones, pharmaceuticals, bisphenol A and parabens) in anaerobic sludge blanket reactors and upflow (anerobic sludge blanket, UASB) operated with a 7-8 HDD during the treatment of synthetic sewage containing 200 μg · L-1 of each compound.In the first study, the effect of increased microaeration flow rates (1-6 mL of air ∙ min-1) in the biotransformation of seven MPOs (estrone, 17β-estradiol, 17α-ethinylestradiol, bisphenol A, diclofenac, sulfamethoxazole and trimethoprim) was evaluated. Microaeration improved REs significantly, and the best results were obtained with 4 mL of air · min-1 (~ 90%). In the second study, the effect of the redox mediator anthraquinone-2,6-disulfonate (AQDS) (50 and 100 μM), associated or not with microaeration (1 mL of air ∙ min-1), and of different oxygen demand-chemical relationships (COD) ) / NO3- (2.5-10) in the ERs of the antibiotics sulfamethoxazole and trimethoprim was investigated. The AQDS significantly accelerated the anaerobic biotransformation of antibiotics (a ~ 70% (<17%), but had a more significant effect on compounds with longer alkyl chains (ethylparaben, propylparaben and butylparaben) (ERs> 90% with 100 μM AQDS) than on methylparaben (~ 54% ER with 50 or 100 μM AQDS). Under microaerobic conditions, AQDS had a limited impact on the biotransformation of longer alkyl chain parabens and even compromised the effect of oxygen on MeP biotransformation, that is, AQDS had an antagonistic effect on microaeration. Finally, in all studies, the reactors remained remarkably stable, with a high average COD ER (85-90%), without accumulation of volatile fatty acids and pH values ​​close to the neutral rangeincrease in REs with 100 μM of AQDS). Microaeration improved its biotransformation, even in the presence of AQDS, when the best ERs were obtained (> 70%), particularly for trimethoprim (~ 90% with 1 mL of air · min-1 and 100 μM of AQDS). The addition of nitrate also showed promising results, with the highest REs (~ 85%) being achieved in the lowest COD / NO3- ratio (2.5). In the third study, the effect of different microaeration flow rates (1-4 mL of air · min-1) on the ERs of four parabens (methylparaben, ethylparaben, propylparaben) was evaluated and butylparaben). Low ERs (14-20%) were achieved under anaerobic conditions, but the addition of just 1 mL of air · min-1 significantly boosted the biotransformation of parabens, ensuring ERs above 85% for all compounds. In the fourth study, the individual and combined effects of the AQDS redox mediator (50 and 100 μM) and micro-aeration (1 mL of air · min-1) on the biotransformation of the same parabens were evaluated. AQDS has considerably improved the low ERs of all parabens
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/56789
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