Presence, fate and effects of contaminants of emerging concern and their transformation products in engineered water systems

Abstract

Οι χημικές ουσίες έχουν καταστεί απαραίτητο και αναπόσπαστο συστατικό της σύγχρονης ζωής, αλλά η ευρεία εξάπλωσή τους, η επίμονη παρουσία τους και οι πιθανές δυσμενείς επιπτώσεις τους στην ανθρώπινη και οικολογική υγεία προκαλούν ανησυχία σχετικά με τους ρύπους αναδυόμενου ενδιαφέροντος (CECs) και τα προϊόντα μετασχηματισμού τους (TPs). Οι σταθμοί επεξεργασίας αστικών λυμάτων (ΕΑΛ) που χρησιμοποιούν συμβατικές διεργασίες επεξεργασίας αναγνωρίζονται ως βασικές πηγές CECs μέσω των πρακτικών επαναχρησιμοποίησης και απόρριψης ανακτημένου νερού. Για το μετριασμό της εξάπλωσης των CECs, ιδίως των αντιβιοτικών ενώσεων, των TPs των αντιβιοτικών ενώσεων και των παραγόντων αντιμικροβιακής αντοχής, οι τεχνολογικά προηγμένες λύσεις μπορούν να προσφέρουν βιώσιμες και αποτελεσματικές επιλογές αντιμετώπισης στην εποχή της κυκλικής οικονομίας και της αυξανόμενης αντιμικροβιακής αντοχής. Ενόψει αυτών των προκλήσεων, οι βασικοί στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν: (1) η στοχευμένη ανάλυση 200 CECs πολλαπλών κατηγοριών καθώς και των TPs τους σε εισερχόμενα και εξερχόμενα αστικά λύματα σταθμών ΕΑΛ που χρησιμοποιούν συμβατικές διεργασίες ενεργού ιλύος+χλωρίωσης, βιοαντιδραστήρα μεμβρανών και βιοαντιδραστήρα μεμβρανών+χλωρίωσης, η αξιολόγηση της δυνητικής βιοδιαθεσιμότητας επιλεγμένων CECs στο έδαφος στο πλαίσιο της επαναχρησιμοποίησης ανακτημένου νερού, και η αναδρομική σάρωση περισσότερων από 2000 CECs σε δείγματα αστικών λυμάτων, (2) η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της διεργασίας UV/H2O2 με τη χρήση κυλινδρικού φωτοχημικού αντιδραστήρα με εμβαπτισμένη λυχνία ακτινοβολίας UV-C για την αποικοδόμηση μείγματος αντιβιοτικών ενώσεων, την αδρανοποίηση ολικών και ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηρίων, την αποικοδόμηση γονιδίων με ανθεκτικότητα στα αντιβιοτικά και την αξιολόγηση των τοξικολογικών επιδράσεων στα δευτερογενή επεξεργασμένα αστικά λύματα, και (3) τη συγκριτική αξιολόγηση των διεργασιών επεξεργασίας με UV, UV/H2O2 και UV/υπεροξικό οξύ (UV/PAA) με σύστημα παράλληλης δέσμης ακτίνων UV-C collimated beam για την αποικοδόμηση αντιβιοτικών ενώσεων, την ταυτοποίηση των TPs τους μέσω παρακολούθησης «ύποπτων» ενώσεων σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών αλάτων και σε δευτερογενή επεξεργασμένα αστικά λύματα, καθώς και την αξιολόγηση της αντιμικροβιακής δράσης επιλεγμένων TPs των μελετώμενων αντιβιοτικών ενώσεων. Tα αποτελέσματα έδειξαν την παρουσία 63 CECs πολλαπλών κατηγοριών και TPs στα δείγματα υγρών αποβλήτων και υπογράμμισαν τη σημασία της παρακολούθησης των TPs εκτός από τις μητρικές ενώσεις σε πραγματικά δείγματα υγρών αποβλήτων. Επιπλέον, η αναδρομική σάρωση επέτρεψε την ανίχνευση 158 ενώσεων που δεν είχαν αρχικά εξεταστεί χωρίς την ανάγκη πρόσθετης ανάλυσης. Η βιοδιαθεσιμότητα στο έδαφος επιλεγμένων CECs από δείγματα εξερχόμενων αστικών λυμάτων αξιολογήθηκε για να εκτιμηθούν οι πιθανοί κίνδυνοι που σχετίζονται με την επαναχρησιμοποίηση του ανακτημένου νερού στην άρδευση υπό διαφορετικά σενάρια. Η μελέτη επιβεβαίωσε επίσης ότι με τη χρήση κυλινδρικού φωτοχημικού αντιδραστήρα με εμβαπτισμένη λυχνία ακτινοβολίας UV-C, απαιτείται υψηλή δόση ακτινοβολίας UV-C, πολύ υψηλότερη από εκείνη που εφαρμόζεται κατά την απολύμανση σε σταθμούς ΕAΛ, για την αποτελεσματική αποικοδόμηση των αντιβιοτικών ενώσεων και των παραγόντων ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά με τη διεργασία UV/H2O2 σε δευτερογενή επεξεργασμένα αστικά λύματα. Επιπλέον, η μελέτη αποκάλυψε τους περιορισμούς αυτής της διάταξης φωτοαντιδραστήρα για θεμελιώδεις μελέτες, λόγω της ανομοιόμορφης υδροδυναμικής και της κατανομής του φωτός όπως επιβεβαιώθηκε από την εφαρμογή μοντέλου υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. H χρήση αντιδραστήρα με σύστημα παράλληλης δέσμης ακτίνων UV-C collimated beam παρείχε ένα ομοιογενές πεδίο ακτινοβολίας και επέτρεψε τον προσδιορισμό σταθερών ταχύτητας πρώτης τάξης με βάση τη δόση της υπεριώδους ακτινοβολίας για την αποικοδόμηση επιλεγμένων αντιβιοτικών ενώσεων σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών αλάτων και σε δευτερογενή επεξεργασμένα αστικά λύματα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η διεργασία UV/PAA ήταν πιο αποτελεσματική στην αποικοδόμηση των αντιβιοτικών ενώσεων από την UV και την UV/H2O2, ενώ η συγκέντρωση του οξειδωτικού μέσου έπαιξε σημαντικό ρόλο στον ρυθμό αποικοδόμησης. Η παρακολούθηση «ύποπτων ενώσεων» των TPs των αντιβιοτικών ουσιών έδειξε ότι TPs που σχηματίστηκαν με διαφορετικές διεργασίες με βάση την υπεριώδη ακτινοβολία διατήρησαν την αντιμικροβιακή τους δράση, όπως έδειξε o προσδιορισμός των ελάχιστων ανασταλτικών συγκεντρώσεων MICs έναντι βακτηριακών στελεχών περιβαλλοντικού και κλινικού ενδιαφέροντος. Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν ότι τα TPs των αντιβιοτικών ουσιών μπορούν να λειτουργήσουν ως πρόσθετη πίεση επιλογής στην εξάπλωση της αντιμικροβιακής αντοχής. Συνολικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή είχε ως στόχο να παρουσιάσει τον τρόπο με τον οποίο θα μπορούσε να διερευνηθεί και να εκτιμηθεί η παρουσία των CECs στα αστικά λύματα σε επίπεδο σταθμού ΕΑΛ, συμπεριλαμβανομένης μιας μεθοδολογίας για την αξιολόγηση της βιοδιαθεσιμότητας των CECs στο έδαφος, με στόχο την ανάπτυξη βιώσιμων πρακτικών και την ενίσχυση της επαναχρησιμοποίησης του ανακτημένου νερού. Επιπλέον, η διατριβή παρείχε πολύτιμες γνώσεις για την ανάπτυξη αποτελεσματικών διεργασιών με βάση την υπεριώδη ακτινοβολία με στόχο την αντιμετώπιση της μικροβιακής αντοχής στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων.

Chemicals have become an indispensable and integral component of modern life but their widespread distribution, persistence, and potential adverse effects to human and ecological health have raised concerns over contaminants of emerging concern (CECs) and their transformation products (TPs). Wastewater treatment plants (WWTPs) using conventional treatment processes are recognized as key sources of CECs through reclaimed water reuse and discharge practices. To mitigate the propagation of CECs, particularly antibiotic compounds, TPs of antibiotic compounds and antibiotic resistance determinants, advanced technological solutions may offer viable and effective attenuation options in the era of circular economy and increasing antimicrobial resistance. In view of these challenges, the key objectives of this doctoral dissertation were: (1) the target analysis of 200 multiclass CECs and their TPs in influent and effluent wastewater of WWTPs employing conventional activated sludge+chlorination, membrane bioreactor and membrane bioreactor+chlorination processes, the assessment of the potential bioavailability of selected CECs in soil in the framework of reclaimed water reuse, and the retrospective screening of more than 2000 CECs in the wastewater samples, (2) the investigation of the efficiency of UV/H2O2 process using a cylindrical photoreactor with an immersed UV-C lamp for the degradation of a mixture of antibiotic compounds, the inactivation of total and antibiotic-resistant bacteria, degradation of antibiotic resistance genes, and assessment of toxicological effects in secondary effluent, and (3) the comparative assessment of UV, UV/H2O2 and UV/peracetic acid (UV/PAA) treatment processes using a collimated beam apparatus for the degradation of antibiotic compounds, identification of their TPs via suspect screening in phosphate buffer and secondary effluent, and the evaluation of the antimicrobial activity of selected TPs of the studied antibiotic compounds. The results showed the presence of 63 multiclass CECs and TPs in the wastewater samples and highlighted the importance of monitoring TPs in addition to the parent compounds in real-word wastewater samples. Additionally, retrospective screening allowed for the detection of 158 compounds not initially considered without the need of additional analysis. The soil bioavailability of selected CECs from effluent wastewater samples was evaluated to assess the potential risks associated with reclaimed water reuse in irrigation under different scenarios. The study also confirmed that using a cylindrical photoreactor with an immersed UV-C lamp, high UV fluence, much higher than that applied during disinfection at WWTPs is required for the effective degradation of antibiotic compounds and antibiotic resistance determinants by UV/H2O2 process in secondary effluent. Furthermore, the study revealed the limitations of this photoreactor configuration for fundamental studies due to non-uniform hydrodynamics and light distribution as confirmed by Computational Fluid Dynamics modeling. The use of a collimated beam reactor configuration provided a homogenous irradiation field and enabled the determination of UV fluence-based first-order rate constants for the degradation of selected antibiotic compounds in phosphate buffer and secondary effluent. Results showed that UV/PAA was more effective in degrading antibiotic compounds than UV and UV/H2O2, and the concentration of the oxidant played a significant role in the rate of degradation. Suspect screening of antibiotic TPs indicated that TPs formed by different UV-based processes retained their antimicrobial activity, as shown by the assessment of Minimum Inhibitory Concentrations against bacterial strains of environmental and clinical concern. These findings suggest that antibiotic TPs may act as an additional selective pressure to the spread of antibiotic resistance determinants. Overall, this doctoral dissertation aimed to showcase how the presence of CECs in wastewater could be investigated and assessed at WWTP level, including an expert-based methodology for assessing the soil bioavailability of CECs, with the aim to develop sustainable practices and enhance reclaimed water reuse. Additionally, the dissertation provided valuable insights into the development of effective UV-based processes for tackling antimicrobial resistance in wastewater treatment.