Ojobe Lois Bukola

Vedoucí/Supervisor

prof. Ing. Jan Bartáček, Ph.D.

Jazyk/Language

English

Abstrakt

Recyklace a opětovné využití odpadních vod je klíčovou součástí strategií udržitelného hospodaření s vodou a tím i způsobem, jak řešit kritický nedostatek vody. Šedá voda, která zahrnuje odpadní vody ze sprch, umyvadel a praček, představuje podstatnou část odpadních vod z domácností a nabízí slibnou příležitost k opětovnému využití díky relativně nízké koncentraci organického znečištění. Výzvou pro opětovné využití šedé vody např. pro zalévání je ale přítomnost mikropolutantů a genů rezistence na antibiotika (ARG). Mezi mikropolutanty přítomné v šedé vodě patří rezidua léčiv jako např. naproxen (NPX), MTF (MTF) a sulfamethoxazol (SMX). V surové šedé vodě též nalezneme ARG jako jsou sul1, tetA a strB a to dokonce v koncentracích srovnatelných se splaškovou odpadní vodou, což vyvolává značné obavy o životní prostředí a veřejné zdraví. Tato dizertační práce řeší tyto výzvy pokročilými technologiemi pro detekci a odstranění ARG a reziduí léčiv ze šedé vody. Hlavní zkoumanou pokročilou technologií je fotokatalýza práškovým či imobilizovaným oxidem titaničitým (TiO2), kvůli jeho netoxickým vlastnostem a potenciálem pro ekonomicky efektivní degradaci léčiv, které konvenční metody (př. membránový bioreaktor = MBR) nedokáží odstranit. Tato práce ukázala, že TiO2 může odstranit přes 80 % farmak jako jsou NPX, SMX a MTF z šedé vody předčištěné v MBR. Imobilizace práškového TiO2 zachovala jeho vysokou účinnost v odstranění daných látek a zároveň zjednodušila separaci katalyzátoru z upravené šedé vody. Zatímco technologie MBR a biofiltrace jsou účinné pro eliminaci konvenčních znečišťujících látek, tato studie ukázala, že tyto technologie mohou dosáhnout pouze cca 90% (1-log) odstranění ARG vč. sul1, tetA a strB. Takto nízká účinnost odstranění ARG může představovat značná rizika pro životní prostředí a veřejné zdraví, a proto vyžaduje dodatečné technologie. Tato studie rovněž zdůrazňuje význam monitorování integrity membrán pro čištění šedé  ody pomocí detekce E. coli a ARG jako indikátorů účinnosti odstranění jak konvenčních, tak nově se objevujících kontaminantů z šedé vody. Kontinuální monitorování a zlepšování procesů čištění jsou  nezbytné pro dosažení vyšší účinnosti odstranění a zajištění bezpečnosti a spolehlivosti opětovného využití šedé vody. Dá se předpokládat, že výsledky tohoto výzkumu významně přispějí v oblasti čištění odpadních vod tím, že poskytnou inovativní a škálovatelná řešení pro opětovné využití šedé vody.

Integrací pokročilých metod čištění pomocí TiO2 s důkladným monitorováním integrity membrán si tento výzkum klade za cíl zlepšit celkovou bezpečnost a spolehlivost recyklace šedé vody, snížit ekologickou stopu hospodaření s odpadními vodami a podpořit udržitelné vodohospodářské postupy v reakci na rostoucí nedostatek vody. Výsledky podpoří bezpečné a efektivní opětovné využití šedé vody, čímž přispějí k ochraně omezených zdrojů sladké vody a zvýší odolnost v oblastech s nedostatkem vody.

Klíčová slova: Opětovné využití šedé vody; Mikropolutanty; Rezidua farmak; Geny rezistence na antibiotika (ARG); Membránový bioreaktor (MBR); Biofiltrace; Fotokatalýza s oxidem titaničitým (TiO2); Monitorování integrity membrán

Abstract

The escalating global water crisis has necessitated a reduction in freshwater use for non-potable purposes, making the recycling and reuse of wastewater a critical component of sustainable water management strategies. Greywater, which includes effluents from showers, washing basins, and laundry, constitutes a significant portion of domestic wastewater and presents a promising opportunity for reuse due to its relatively low levels of organic pollutants. However, greywater reuse for specific purpose such as irrigation is challenged by the presence of micropollutants, including pharmaceutical residues such as naproxen (NPX), MTF (MTF), and SMX (SMX), as well as antibiotic resistance genes (ARGs).

Notably, raw greywater has been found to contain ARGs, such as sul1, tetA, and strB, in concentrations comparable to those found in sewage, raising significant environmental and public health concerns. This PhD research addresses these challenges by exploring advanced treatment technologies for the detection and removal of ARGs and pharmaceutical micropollutants from greywater. The study investigates the use of powdered and immobilized titanium dioxide (TiO2) as a photocatalyst, chosen for its non-toxic properties and cost-effective potential to degrade pharmaceuticals that conventional treatment methods, such as membrane bioreactor (MBR) technology, struggle to remove. TiO2 removed over 80% of pharmaceuticals like NPX, SMX, and MTF from greywater pre-treated in MBR. Moreover, immobilizing the TiO2 powders into layers maintained high removal efficiency and simplified photocatalyst separation from treated greywater. While MBR technology and biofiltration are effective at reducing conventional pollutants, this study showed that these technologies can achieve only about 90% (1-log removal) of ARGs, including sul1, tetA, and strB, further reduction is needed to address the persistence of these ARGs fully. The inability to eliminate these contaminants can pose substantial environmental and public health risks. Additionally, this study emphasizes the importance of monitoring membrane integrity using E. coli and ARGs as indicators to ensure the effective removal of both conventional and emerging contaminants from greywater. Continuous monitoring and improvement of treatment processes are essential to achieve higher removal efficiencies and ensure the safety and reliability of greywater reuse. The findings of this research are expected to significantly advance the field of wastewater treatment by providing innovative, scalable solutions to enhance greywater reuse. By integrating advanced TiO2 treatment methods with rigorous membrane integrity monitoring, this
research aims to improve the overall safety and reliability of greywater recycling, reduce the environmental footprint of wastewater management, and support sustainable water practices in response to growing water scarcity. The outcomes will promote the safe and effective reuse of greywater, conserving limited freshwater resources and enhancing resilience in water-scarce regions.

Keywords: Greywater reuse; Micropollutants; Pharmaceutical residues; Antibiotic resistance genes (ARGs); Membrane bioreactor (MBR); Biofiltration; Titanium dioxide (TiO2) photocatalysis; Membrane integrity monitoring