Integrated Assessment for Steroid Hormones Removal from Wastewater using Peracetic Acid and Drinking Water Treatment Residuals

Abstract

The presence of emerging pollutants (EPs) in wastewater has become a growing concern over the past two decades, due to the harmful effects that these pollutants can have on ecosystems. Among the various EPs, which can be of anthropogenic and/or natural origin, endocrine-disrupting compounds (EDCs) are particularly important, both due to their associated negative effects on organisms and their widespread presence in wastewater, which has been documented globally. The primary concern surrounding these compounds in aquatic environments is their ability to interfere with the endocrine system of aquatic organisms, even at concentrations in the ng/L range. This effect on the endocrine system can lead to modifications in the normal reproduction pattern, in the morphological early development stages and physiological regulation. Among the EDCs group, steroid hormones such as 17α-ethinylestradiol (EE2), 17β-estradiol (E2), and estrone (E1) are the main source of estrogenic activity in wastewater treatment effluents, posing a significant risk to aquatic life and the related ecosystem services. This thesis addressed the knowledge gap surrounding two advanced wastewater treatment systems for the removal of selected EPs (E1, E2 and EE2) in an economically and environmentally sustainable way, to promote safe wastewater reuse. The first advanced wastewater treatment system involved an adsorption process using drinking water treatment residuals with high activated carbon content (DWTR), a by-product of the drinking water treatment systems, also known as sludge. The second advanced wastewater treatment system was based on advanced oxidation processes (AOPs), using an alternative oxidizing agent, peracetic acid (PAA), to remove the selected EPs and disinfect the wastewater for its safe reuse. In the DWTR preliminary adsorption assessment study, under laboratory conditions, it was shown that this material, without any pre-treatment, removed the selected EPs, with an efficiency of over 90 %. The second advanced wastewater treatment system tested the efficiency of PAA in removing E1, E2 and EE2 and its disinfection performance. This study was performed in a pilot-scale installation, assembled after the secondary treatment in a real wastewater treatment plant. Under the operational condition of 15 mg PAA/L and 15 minutes of contact time, PAA reached a removal efficiency of over 85% (the maximum removal efficiency) for the target EPs. The results also indicated that temperature and Escherichia coli content influence PAA's performance, highlighting the need to account for this variability. Additionally, the results of PAA performance on disinfection, indicated that the same operational condition reached the second-highest water quality class established by the Regulation (EU) 2020/741 on water reuse. The assessment of the control parameters, es-tablished in the Regulation (EU) indicated that PAA does not interfere with total suspended solids (TSS) or with turbidity concentrations. Although PAA leads, as expected, to an increase in the biological oxygen demand (BOD5) value, this increment does not preclude the possibility of wastewater reuse. This thesis has contributed to the integrated assessment for the removal of steroid hormones from wastewater through more sustainable treatment systems, considering the challenges of wastewater reuse and the principles of the circular economy applied to the water sector.

A presença em águas residuais de poluentes emergentes (PEs) constitui uma preocupação crescente registada, principalmente, nas últimas duas décadas, devido aos efeitos nocivos que estes poluentes podem ter nos ecossistemas. Entre os vários PEs, que podem ser de origem antropogénica e/ou natural, os compostos disruptores endócrinos (EDCs) são par-ticularmente importantes, quer pelos efeitos negativos associados, quer pela sua presença generalizada em águas residuais. A principal preocupação relacionada com a presença de EDCs em ecossistemas aquáticos, reside na desregulação que estes compostos provocam no funcionamento normal do sistema endócrino dos organismos, mesmo aquando em concentrações na ordem dos ng/L. Este efeito de desregulação pode, por exemplo, resultar na modificação dos padrões de reprodução, bem como na alteração da morfologia na fase inicial de desenvolvimento da espécie e na regulação fisiológica. As hormonas esteroides, como o 17α-etinilestradiol (EE2), o 17β-estradiol (E2) e a estrona (E1), são EDCs e são os principais responsáveis pela atividade estrogénica nos efluentes de estações de tratamento de águas residuais, representando, um risco significativo para a vida aquática e para os serviços de ecossistemas associados. Esta tese contribuiu para o estudo de dois sistemas avançados e complementares de tratamento de águas residuais, com o objetivo de promo-ver a sua reutilização segura, nomeadamente, no estudo da remoção de PEs previamente selecionados (E1, E2 e EE2), de forma económica e ambientalmente sustentável. O primei-ro sistema de tratamento estudado, baseou-se num processo de adsorção recorrendo a um subproduto dos sistemas de tratamento de águas de abastecimento (DWTR), com elevado teor de carvão ativado, também designados de lamas. O segundo, sistema de tratamento baseou-se em Processos de Oxidação Avançada (AOPs), recorrendo a ácido peracético (PAA). Este estudo compreendeu os objetivos de simultaneamente, remover os PEs seleci-onados e de desinfeção, para o objetivo último de reutilização segura da água residual. No estudo preliminar de adsorção com as DWTR, em condições laboratoriais, demonstrou-se que este subproduto conseguiu, sem qualquer tipo de pré-tratamento, adsorver os PEs selecionados, com eficiências de remoção superiores a 90%. O estudo com o PAA foi realizado numa instalação piloto, especialmente concebida, e instalada após a etapa de tratamento secundário numa estação de tratamento de águas residuais. Na condição operacional de 15 mg de PAA/L e 15 minutos de tempo de contacto, foi atingida uma eficiência de remoção dos PEs estudados superior a 85% (eficiência máxima de remoção de PEs). Os resultados indicaram também que a temperatura e o teor de Escherichia coli influenciam o desempenho do PAA, sendo necessário ter em consideração esta variabilidade. Adicionalmente, os resultados sobre o desempenho do PAA na desinfeção indicaram que, na mesma condição operacional, foi possível alcançar a se-gunda classe mais elevada de qualidade da água, estabelecida pelo Regulamento (UE) 2020/741 sobre a reutilização da água. A avaliação dos parâmetros de controlo estabelexscidos no Regulamento, indicou que o PAA não interfere com as concentrações de sólidos suspensos totais (SST) e de turvação. Embora a presença do PAA conduza a um aumento, já expectável, no valor de carência bioquímica de oxigénio (CBO5), este incremento não inviabilizou a possibilidade de reutilização da água residual. Considera-se que esta tese contribuiu para o estudo integrado da remoção de hormonas esteroides de águas residuais, através de sistemas de tratamento mais sustentáveis, tendo em consideração os desafios atuais de reutilização de águas residuais e os princípios da economia circular.