Emerging contaminants toxicity assessment and optimised disinfection methods to approach safe water reclamation
Vedoucí/Supervisor
prof. Jiří Wanner, DrSc.
Jazyk/Language
English
Abstract
Water reclamation for irrigation purposes is an environmentally friendly practice that helps to relieve water stress in locations where water availability is limited. However, this practice needs to be regulated by local authorities under strict water quality standards to ensure it does not represent any risk to the environment or human health. One of the main concerns about reclaimed water is the frequent presence of Emerging Contaminants (ECs), which are not monitored nor regulated consistently but may have negative effects on public health and ecosystem balance. The toxicity and fate of these micropollutants are currently not sufficiently studied, especially when it comes to uptake by edible crops and their implications.
In this Ph.D. dissertation, the occurrence of 46 emerging contaminants in the secondary effluent of the
The wastewater treatment plant of Prague, Czech Republic was studied for the first time. This effluent was used to irrigate an edible crop (Lepidium sativum) in hydroponic setups. The presence of these ECs in the remaining effluents and plant tissues (roots and green parts) was analyzed by UHPLC-MS/MS. A total of 37 compounds were present in the secondary effluent samples. The compounds that presented the highest concentrations across sampling campaigns were azithromycin, diclofenac, furosemide, gabapentin, hydrochlorothiazide, metoprolol, and saccharine, all in concentrations above 1000 ng/L. Ten contaminants (atenolol, caffeine, carbamazepine, clarithromycin, gabapentin, metoprolol, sertraline, sulphanilamide, tramadol, venlafaxine) were consistently found in the plant tissue samples. All samples displayed much higher accumulation in the roots than in the stems and leaves, excepting atenolol, carbamazepine, and gabapentin, which presented higher bioconcentration in the shoots.
For three of the ECs found in the secondary effluent (furosemide, hydrochlorothiazide, and tramadol),
toxicology information about their impact on aquatic organisms was not available; therefore, an acute
toxicity (LC50) assessment on Artemia Salina was performed along with enzyme assays at 24 and 48 hours of exposure at room temperature and 28 °C. The toxicology profiling included changes in enzymatic activity for GST, GPx, AChE, and LDH when the organisms were exposed to sublethal concentrations (LC25) at the same exposure times and temperatures as mentioned before. These biomarkers showed increased enzymatic activity, meaning that the cells were protecting themselves from oxidative damage even at these low concentrations. Growth changes when A. salina was exposed to smaller concentrations (LC10) for longer periods (seven days) were also studied, resulting in significant differences for tramadol and hydrochlorothiazide, as the organisms exposed to the first one were visibly smaller, and the ones exposed to hydrochlorothiazide were bigger, both compared to the control group (untreated organisms).
As disinfection processes are the last step in producing an innocuous effluent suitable for water reclamation, the production of toxic byproducts during disinfection needs to be considered when these processes are designed, in order to avoid compromising the safety of the effluent. In this dissertation, a first approach to creating a monitoring and optimization model to ensure safe disinfection in real-time was performed and assessed. The model was created using machine learning techniques and combining UV radiation and peracetic acid (PAA), both quoted for not producing known toxic byproducts. The model was successfully built using historical data from a real full-scale facility in Milan, Italy, and the results were encouraging, indicating high efficacy which is expected to improve significantly after including more and recent data entries in the model creation process. The assessment of PAA kinetic behavior on the case study effluent was also performed as the first step into adding PAA as a back-up disinfectant into the predictive and control system.
The research presented in this Ph.D. dissertation demonstrates the need for further characterization of ECs’ toxicity, to be able to identify which ones are a threat to ecological and human health. This will help to construct appropriate regulations that would render water reclamation practices, for irrigation or other final uses, a more applicable and available solution to achieve sustainable water resources management in the near future.
Abstrakt
Používání recyklované vody pro zavlažovací účely je šetrné k životnímu prostředí, která pomáhá zmírnit
vodní stres v místech, kde je omezená dostupnost vody. Tato praxe však musí být regulována místními
úřady podle přísné normy kvality vody, které zajistí, že nepředstavuje žádné riziko pro životní prostředí
nebo lidské zdraví. Jedním z hlavních obav z regenerované vody je častá přítomnost nově se objevujících kontaminantů (EC), které nejsou monitorovány ani důsledně regulovány, ale mohou mít negativní účinky an zdraví a rovnováhu ekosystémů. Toxicita a osud těchto mikropolutantů nejsou v současné době dostatečně studovány, zejména pokud jde o absorpci jedlými plodinami a jejich důsledky.
V této disertační práci byl poprvé studován výskyt 46 nově se objevujících kontaminantů v sekundárním
odtoku z ČOV Praha. Tento odtok byl použit k zavlažování jedlé plodiny (Lepidium sativum) v hydroponických podmínkách. Přítomnost těchto EC ve zbývajících odpadních vodách a rostlinných tkáních (kořeny a zelené části) byly analyzovány pomocí UHPLC-MS/MS. Ve vzorcích sekundárně vyčištěné odpadní vody bylo přítomno celkem 37 sloučenin. Sloučeniny, které vykazovaly nejvyšší koncentrace v průběhu vzorkování, byly azithromycin, diklofenak, furosemid, gabapentin, hydrochlorothiazid, metoprolol a sacharin, všechny v koncentracích nad 1000 ng/l. Ve vzorcích rostlinných tkání bylo pokaždé nalezeno deset kontaminantů (atenolol, kofein, karbamazepin, klarithromycin, gabapentin, metoprolol, sertralin, sulfanilamid, tramadol, venlafaxin). Všechny vzorky vykazovaly mnohem vyšší akumulaci v kořenech než ve stoncích a listech, s výjimkou atenololu, karbamazepinu a gabapentinu, které vykazovaly vyšší biokoncentraci ve výhoncích.
U tří EC, které byly nalezeny v sekundárním odtoku (furosemid, hydrochlorothiazid a tramadol), nebyly k dispozici toxikologické informace o jejich dopadu na vodní organismy; proto bylo provedeno hodnocení akutní toxicity (LC50) na Artemia salina spolu s enzymatickými testy při 24 a 48 hodinách expozice při běžné teplotě v místnosti a při 28 °C. Toxikologické profilování zahrnovalo změny v enzymatické aktivitě pro GST, GPx, AChE a LDH, když byly organismy vystaveny subletálním koncentracím (LC25) ve stejných expozičních časech a teplotách, jaké byly uvedeny výše. Tyto biomarkery vykazovaly zvýšenou enzymatickou aktivitu, což znamená, že se buňky chránily před oxidačním poškozením i při těchto nízkých koncentracích. Byly také studovány změny růstu, když byly A. salina vystaveny menším koncentracím (LC10) po delší dobu (sedm dní), což mělo za následek významné rozdíly pro tramadol a hydrochlorothiazid, protože organismy vystavené prvnímu byly viditelně menší a ty exponované an hydrochlorothiazid byly větší, oba ve srovnání s kontrolní skupinou (neošetřené organismy).
Protože jsou dezinfekční procesy posledním krokem při výrobě bezpečného odtoku vhodného pro recyklaci vody, je třeba při navrhování těchto procesů zvážit produkci toxických vedlejších produktů během dezinfekce, aby nedošlo k ohrožení bezpečnosti odtoku. V této disertační práci byl proveden a zhodnocen první přístup k vytvoření modelu monitorování a optimalizace k zajištění bezpečné dezinfekce v reálném čase. Tento model byl vytvořen technikami strojového učení a kombinoval UV záření a kyselinu peroctovou (PAA). Obě metody jsou známy tím, že neprodukuji žádné toxické vedlejší produkty. Model byl úspěšně vytvořen s využitím historických dat z reálného komplexního zařízení v Miláně v Itálii a výsledky byly povzbudivé, což naznačuje vysokou účinnost, která se očekává, že se po zahrnutí dalších údajů do procesu vytváření modelu výrazně zlepší. Posouzení kinetického chování PAA na odtoku z případové studie bylo také provedeno jako první krok pro přidání PAA jako záložního dezinfekčního prostředku do prediktivního a kontrolního systému.
Výzkum prezentovaný v této disertační práci prokazuje potřebu další charakterizace toxicity EC, aby bylo možné určit, které z nich jsou hrozbou pro životní prostředí a lidské zdraví. To pomůže vytvořit vhodná nařízení, která by učinila postupy recyklace vody pro zavlažování nebo jiné konečné použití vhodnějším a dostupnějším řešením k dosažení udržitelného hospodaření s vodními zdroji v blízké budoucnosti.