Estudio y propuestas de tratamiento de PPCP’s en aguas residuales

La reutilización de las aguas residuales es una parte esencial del uso sostenible del agua. Sin embargo, las actuales plantas de tratamiento no están preparadas para tratar determinados compuestos como los llamados “contaminantes emergentes”. Los hábitos de consumo actuales estan generando una serie de residuos o microcontaminantes que hace tan solo unos años no existian. Entre esas nuevas sustancias aparecen los PPCP’s (Pharmaceuticals & Personal Care Products) que son un amplio grupo de compuestos químicos utilizados en veterinaria, prácticas agrícolas, salut humana y cosmetología. El mayor problema que presentan estas substancias en la actualidad es el parcial desconocimiento sobre sus efectos, la ausencia de reglamentaciones que determinen las concentraciones máximas admisibles en los cauces de vertido, la reducción en procesos de depuración convencionales, así como los tratamientos específicos aplicables a su eliminación. Los objetivos del presente proyecto són: estudiar las tipologías de PPCP’s y sus influencias para la salud humana y el medio ambiente, estudiar los diferentes sistemas de tratamiento de aguas existentes en plantas depuradoras y evaluar su eficiencia en la depuración de PPCP

Estudio y propuestas de tratamiento de PPCP’s en aguas residuales

La reutilización de las aguas residuales es una parte esencial del uso sostenible del agua. Sin embargo, las actuales plantas de tratamiento no están preparadas para tratar determinados compuestos como los llamados “contaminantes emergentes”. Los hábitos de consumo actuales estan generando una serie de residuos o microcontaminantes que hace tan solo unos años no existian. Entre esas nuevas sustancias aparecen los PPCP’s (Pharmaceuticals & Personal Care Products) que son un amplio grupo de compuestos químicos utilizados en veterinaria, prácticas agrícolas, salut humana y cosmetología. El mayor problema que presentan estas substancias en la actualidad es el parcial desconocimiento sobre sus efectos, la ausencia de reglamentaciones que determinen las concentraciones máximas admisibles en los cauces de vertido, la reducción en procesos de depuración convencionales, así como los tratamientos específicos aplicables a su eliminación. Los objetivos del presente proyecto són: estudiar las tipologías de PPCP’s y sus influencias para la salud humana y el medio ambiente, estudiar los diferentes sistemas de tratamiento de aguas existentes en plantas depuradoras y evaluar su eficiencia en la depuración de PPCP

Potencial de plantas estuarinas na remediação de produtos farmacêuticos e de cuidado pessoal

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, Perfil de Engenharia de Sistemas Ambientais

Espectroscopia in situ no estudo cinético da adsorção de produtos farmacêuticos poluentes em carvões activados

A utilização dos carvões activados na remoção compostos poluentes dos efluentes urbanos tem demonstrado ser um processo cada vez mais económico e eficaz, sendo por isso muito utilizado no sector de tratamento e purificação de águas de abastecimento. O principal objectivo desta dissertação foi aplicar espectroscopia UV-Vis in situ no processo de adsorção em fase líquida de PPCP’s, nomeadamente cafeína e paracetamol. Nesta nova abordagem de medição e procedimento experimental, tiveram de se ter em conta vários factores e estudar o seu efeito durante o processo de adsorção. Um destes factores é a presença do carvão durante a medição da absorvância em espectroscopia. Deste modo, foram realizadas medições ao longo do tempo em soluções de carvão activado para determinar qual a sua interferência na medição e os motivos de tal comportamento. Verificou-se também que a forma, a quantidade e a agitação do carvão também influenciam os resultados de espectroscopia. Aplicando este novo método de medição, foi necessário adaptar a lei de Lambert-Beer para calcular os valores de concentração das espécies em solução, eliminando o erro na medição, provocado pela presença do carvão. Deste modo, o método de decomposição espectral foi aplicado e verificou-se que apenas as concentrações de carvão calculadas não correspondem aos valores reais em solução, apenas a sua variação demostra a evolução da interferência do adsorvente na medição dos valores de absorvância. No estudo cinético de adsorção dos solutos foi usado um carvão comercial tanto em pó como em formato granular. Durante o processo de adsorção em carvão granular verificou-se que a velocidade de adsorção foi menor, provavelmente devido à maior dificuldade de acesso aos poros, provocada pela complexidade da estrutura. Contudo, registou-se sempre uma remoção completa do soluto neste carvão, uma vez que a quantidade mínima possível nestes ensaios de carvão NOG é de 2,5mg, sendo uma quantidade relativamente superior à necessária para remover o soluto completamente da solução. Num pequeno estudo de adsorção de cafeína em carvões de diferentes origens confirmou-se que a eficiência de remoção do soluto é proporcional ao volume total de poros e deduz-se que a sua velocidade de adsorção está relacionada com a presença de mesoporosidade. Comparando a eficiência de remoção e a velocidade de adsorção dos dois solutos pelo mesmo carvão, observou-se que a adsorção da cafeína é mais rápida. Apesar dos valores de solubilidade e de volume molecular não justificarem de imediato este resultado, a cafeína tem maior afinidade com o carvão comercial, sugerindo a existência de propriedades químicas e texturais do carvão que levam a estes resultados. Por último, efectuou-se um estudo de adsorção de misturas para verificar a hipótese de adsorção competitiva entre os solutos. Após a realização dos ensaios verificou-se que não existe competição significativa entre a cafeína e o paracetamol.

Desenvolvimento de um sensor de ibuprofeno em meio aquoso

A proteção dos recursos hídricos tem uma enorme importância ecológica, sendo a água um recurso indispensável à Vida e fundamental para o bem-estar de uma sociedade. Para isso, muitos dos poluentes que afetam a qualidade deste recurso natural são detetados e eliminados nas estações de tratamento de águas residuais. Porém, o impacto dos Produtos Farmacêuticos e de Cuidado Pessoal (PPCPs), usados à escala global, carece ainda da atenção necessária, dado que os meios técnicos atualmente disponíveis para detetar estes produtos são dispendiosos ou insuficientes. Dentro daquela classe de produtos, destaca-se o Ibuprofeno, uma vez que este composto, sendo lipossolúvel, tem a capacidade para se acumular nas gorduras dos seres vivos e, por conseguinte, persistir no meio-ambiente com efeitos nocivos. Para além desse facto, por diferentes vias de reação, o Ibuprofeno tem potencial para gerar produtos de carácter semelhante. No entanto, pouco esforços têm sido feitos no sentido de o detetar. Assim, pretendeu-se com este projeto desenvolver metodologias com vista à deteção de muito baixas concentrações (entre o nano e o picoMolar) daquele composto em meio aquoso. Foi utilizada a tecnologia de Língua Eletrónica por Espectroscopia de Impedância e, para tentar melhorar a sensibilidade do sensor à molécula-alvo, foram utilizados filmes finos à base de nanotubos de carbono e de diferentes polieletrólitos, preparados pela técnica de Camada-sobre-Camada (LbL, do inglês Layer-by-Layer). A caracterização destes filmes foi feita pela técnica Espectrofotometria na faixa dos Ultravioleta e Visível. Para além da análise de diferentes concentrações de Ibuprofeno, foram ainda analisadas soluções de Cloreto de Sódio, com o intuito de perceber se o sensor é versátil na deteção de outro tipo de compostos, sendo, então, o sal um composto barato e relevante neste âmbito, uma vez que a água na Natureza apresenta sempre alguma salinidade. O trabalho compreendeu ainda o desenvolvimento de um programa informático para automatizar o processo de aquisição dos dados espectrais de impedância, recolhidos pelo analisador HAMEG Programmable LCR Bridge HM8118, o que foi feito com sucesso. Posteriormente, os dados foram tratados pelo procedimento estatístico de Análise de Componentes Principais, que permitiu discriminar espacialmente e sequencialmente as diferentes concentrações dos compostos analisados.

Removal of organic contaminants from wastewater using the electrodialytic process

Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) are widely used on a daily basis. After their usage they reach the wastewater treatment plants (WWTPs). These compounds have different physico-chemical characteristics, which makes them difficult to completely remove in the WWTPs, througth conventional treatments. Currently, there is no legislation regarding PPCPs thresholds in effluent discharge. But, even at vestigial concentrations, these compounds enclose environmental risks due to, e.g., endocrine disruption potential. There is a need of alternative techniques for their removal in WWTPs. The main goal of this work was to assess the use of electrodialytic (ED) process to remove PPCPs from the effluent to be discharged. A two-compartment ED cell was used testing (i) the effluent position in the cell (anode and cathode compartment); (ii) the use of anion (AEM) and cation exchange membrane (CEM); (iii) the treatment period (6, 12 and 24 hours); (iv) effluent recirculation and current steps; (v) the feasibility of sequential treatments. Phosphorus (P) removal from effluent and energetic costs associated to the process were also evaluated. Five PPCPs were studied – caffeine (CAF), bisphenol A (BPA), 17 β-estradiol (E2), ethinyl estradiol (EE2) and oxybenzone (MBPh). The ED process showed to be effective in the removal when effluent is in the anode compartment. Oxidation is suggested to be the main removal process, which was between 88 and 96%, for all the compounds, in 6 hours. Nevertheless, the presence of intermediates and/or by-products was also observed in some cases. Effluent recirculation should have a retention time in the ED cell big enough to promote removal whereas the current steps (effluent in anode compartment) slightly increased removal efficiencies (higher than 80% for all PPCPs). The sequential set of ED treatment (effluent in anode compartment) showed to be effective during both periods with a removal percentage between 80 and 95% and 73 to 88% in the case of AEM and CEM, respectively. Again, the main removal process is strongly suggested to be oxidation in the anode compartment. However, there was an increase of BOD5 and COD, which might be explained by effluent spiking, these parameters limiting the effluent discharge. From these treatments, the use of AEM, enhanced the P removal from effluent to minimize risk of eutrophication. Energetic costs of the best set-up (6 hours) are approximately 0,8€/m3 of wastewater, a value considered low, attending to the prices of other treatment processes.

Desarrollo de metodologías de extracción y microextracción combinadas con sistemas cromatográficos para la determinación de fármacos y productos de cuidado personal en muestras ambientales

Programa de doctorado en oceanografía

Micropollutants affect the ability of phytoplankton communities to track environmental changes

Human activities strongly influence environmental processes, and while human domination increases, biodiversity progressively declines in ecosystems worldwide. High genetic and phenotypic variability ensures functionality and stability of ecosystem processes through time and increases the resilience and the adaptive capacity of populations and communities, while a reduction in functional diversity leads to a decrease in the ability to respond in a changing environment. Pollution is becoming one of the major threats in aquatic ecosystem, and pharmaceutical and personal care products (PPCPs) in particular are a relatively new group of environmental contaminants suspected to have adverse effects on aquatic organisms. There is still a lake of knowledge on the responses of communities to complex chemical mixtures in the environment. We used an individual-trait-based approach to assess the response of a phytoplankton community in a scenario of combined pollution and environmental change (steady increasing in temperature). We manipulated individual-level trait diversity directly (by filtering out size classes) and indirectly (through exposure to PPCPs mixture), and studied how reduction in trait-diversity affected community structure, production of biomass and the ability of the community to track a changing environment. We found that exposure to PPCPs slows down the ability of the community to respond to an increasing temperature. Our study also highlights how physiological responses (induced by PPCPs exposure) are important for ecosystem processes: although from an ecological point of view experimental communities converged to a similar structure, they were functionally different.

The Removal of Pharmaceuticals From Wastewater by Wet-Air Oxidation

The ubiquitous occurrence of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in aquatic environments has raised concerns about potential adverse effects on aquatic ecology and human health. Certain pharmaceuticals have recently become a major focus of research to better understand the routes and persistence of these compounds once they enter into aquatic system. In this research, two model compounds were selected to represent pharmaceuticals that have been identified by recent research as being persistent; specifically, these compounds were trimethoprim (TMP, a basic antibiotic) and gemfibrozil (GEM, an acidic lipid regulator). Treatment of synthetic wastewater that contained these drugs was accomplished using wet-air oxidation (WAO). Pre- and post-treatment drug concentrations were determined by reversed-phase liquid chromatography. The influences of different operational conditions on removal efficiency of the drugs by WAO were evaluated, namely reaction time, initial drug concentration, oxygen concentration, and the amount and composition of additional organic matter used during WAO. The optimum removal efficiencies were found to be 91.9 % for TMP and 95.5 % for GEM.

Assessment of the occurrence and potential effects of pharmaceuticals and personal care products in South Florida waters and sediments

A LLE-GC-MS method was developed to detect PPCPs in surface water samples from Big Cypress National Park, Everglades National Park and Biscayne National Park in South Florida. The most frequently found PPCPs were caffeine, DEET and triclosan with detected maximum concentration of 169 ng/L, 27.9 ng/L and 10.9 ng/L, respectively. The detection frequencies of hormones were less than PPCPs. Detected maximal concentrations of estrone, 17β-estradiol, coprostan-3-ol, coprostane and coprostan-3-one were 5.98 ng/L, 3.34 ng/L, 16.5 ng/L, 13.5 ng/L and 6.79 ng/L, respectively. An ASE-SPE-GC-MS method was developed and applied to the analysis of the sediment and soil area where reclaimed water was used for irrigation. Most analytes were below detection limits, even though some of analytes were detected in the reclaimed water at relatively high concentrations corroborating the fact that PPCPs do not significantly partition to mineral phases. An online SPE-HPLC-APPI-MS/MS method and an online SPE-HPLC-HESI-MS/MS method were developed to analyze reclaimed water and drinking water samples. In the reclaimed water study, reclaimed water samples were collected from the sprinkler for a year-long period at Florida International University Biscayne Bay Campus, where reclaimed water was reused for irrigation. Analysis results showed that several analytes were continuously detected in all reclaimed water samples. Coprostanol, bisphenol A and DEET's maximum concentration exceeded 10 μg/L (ppb). The four most frequently detected compounds were diphenhydramine (100%), DEET (98%), atenolol (98%) and carbamazepine (96%). In the study of drinking water, 54 tap water samples were collected from the Miami-Dade area. The maximum concentrations of salicylic acid, ibuprofen and DEET were 521 ng/L, 301 ng/L and 290 ng/L, respectively. The three most frequently detected compounds were DEET (93%), carbamazepine (43%) and salicylic acid (37%), respectively. Because the source of drinking water in Miami-Dade County is the relatively pristine Biscayne aquifer, these findings suggest the presence of wastewater intrusions into the delivery system or the onset of direct influence of surface waters into the shallow aquifer.