Tackling antibiotics, antibiotic resistance determinants, pathogenic microbes and toxicity in urban wastewater: A multi-barrier technological approach

Abstract

Sustainable wastewater disposal and reuse is of utmost importance for environmental protection. Safeguarding the receiving aquatic and terrestrial environment requires minimization and removal of both chemical contaminants of emerging concern and microbiological contaminants from urban wastewater. Urban Wastewater Treatment Plants (UWTPs) can act as reservoirs of antibiotic resistance as they are considered as an important hub of proliferation and spread of antibiotic-resistant bacteria (ARB) and resistance genes (ARGs) into the environment. In view of these challenges, this doctoral dissertation aimed at deepening the understanding in this specific field, by focusing on the development of advanced treatment processes, capable of reducing contaminants like antibiotic compounds, antibiotic resistance determinants, and pathogens, and toxicity from urban wastewater. In this context, various advanced treatment technologies, namely light-driven oxidation processes i.e., UV-C/H2O2, sunlight/H2O2, solar photo-Fenton and ultrafiltration (at pilot-scale), either applied as single processes or in combination with adsorption onto Granular Activated Carbon, were optimized and evaluated for their ability to remove such contaminants from CAS-treated urban wastewater.

Η συμπερίληψη ορισμένων αντιβιοτικών (αζιθρομυκίνη, κλαριθρομυκίνη, ερυθρομυκίνη, αμοξικιλλίνη, σιπροφλοξασίνη, σουλφαμεθοξαζόλη και τριμεθοπρίμη) στις τρεις τελευταίες λίστες παρακολούθησης που συνέταξε η Ευρωπαϊκή Επιτροπή (2015/495/EU; 2018/840/EU; 2020/1161/EU) και η εμφάνιση νέων προκλήσεων στις εφαρμογές επαναχρησιμοποίησης ανακτημένου νερού, που σχετίζονται με τα αντιβιοτικά και την εξάπλωση της μικροβιακής αντοχής στο περιβάλλον, έχουν καταδείξει την ανάγκη εφαρμογής νέων και βελτιωμένων τεχνολογιών επεξεργασίας λυμάτων, ικανών να απομακρύνουν αποτελεσματικότερα τέτοιους ρύπους από τα αστικά λύματα. Η εφαρμογή καινοτόμων τεχνολογιών επεξεργασίας, ικανών να επιτυγχάνουν αυξημένη απομάκρυνση αυτών των ρύπων και, ως εκ τούτου, να βελτιώσουν την ποιότητα των λυμάτων πριν από τη διάθεση ή την επαναχρησιμοποίησή τους στο περιβάλλον, θα πρέπει να θεωρείται ως προϋπόθεση για τη βιωσιμότητα της διαχείρισης των αστικών λυμάτων. Έτσι, ο πρωταρχικός στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν η αξιολόγηση διαφόρων προηγμένων τεχνολογιών επεξεργασίας, όπως οι φωτοχημικές διεργασίες οξείδωσης: οξείδωση στην παρουσία υπεριώδους ή ηλιακής ακτινοβολίας και υπεροξειδίου του υδρογόνου και η ηλιακή φωτοκατάλυση Fenton, καθώς και η υπερδιήθηση (σε πιλοτική κλίμακα), είτε εφαρμόζοντάς τις ως αυτόνομες διεργασίες ή σε συνδυασμό με προσρόφηση σε κοκκώδη ενεργό άνθρακα (σε εργαστηριακή και πιλοτική κλίμακα). Επομένως, οι εφαρμογές των προηγμένων αυτών τεχνολογιών εξετάστηκαν, όσον αφορά στην αποτελεσματικότητά τους να απομακρύνουν αντιβιοτικές ενώσεις, βακτήρια, ολικά και ανθεκτικά, γονίδια που φέρουν ανθεκτικότητα, άλλα παθογόνα μικρόβια και τοξικότητα από τα δευτεροβάθμια επεξεργασμένα αστικά λύματα. Στόχος ήταν η πολύπλευρη αξιολόγηση των τεχνολογιών αυτών (δηλαδή εξετάστηκε η δυνατότητά τους να απομακρύνουν ταυτόχρονα χημικούς και βιολογικούς ρύπους, λαμβάνοντας υπόψη πιθανές τοξικολογικές επιπτώσεις στην εκροή), ώστε να διαπιστωθεί εάν η εφαρμογή τους επιτρέπει την περιβαλλοντικά ασφαλή διάθεση ή επαναχρησιμοποίηση επεξεργασμένων αστικών λυμάτων.