Design and tailoring of sorbents coupled with biodegradors for emerging pollutants abatement in aqueous phase

Abstract

A poluição da água provocada por contaminantes emergentes tem-se tornado um problema global crescente devido ao tratamento ineficaz destes poluentes nas estações de tratamento de águas residuais. Em particular, herbicidas e fármacos têm sido recorrentemente detetados em diferentes matrizes aquosas, tornando-se uma ameaça à biodiversidade aquática e terrestre e à saúde humana. É urgente o desenvolvimento de técnicas acessíveis e eficazes para reduzir a sua entrada no meio ambiente. Esta tese explora a utilização de resíduos orgânicos e inorgânicos como sorventes alternativos para a fixação de herbicidas e de fármacos a partir de matrizes aquosas. Também investiga a funcionalidade de um resíduo florestal como suporte para a formação de biofilmes bacterianos, visando a simulação de biobarreiras sustentáveis em reatores de leito fixo para melhorar o processo de reabilitação. Sepiolite, cortiça e casca de pinheiro foram os materiais selecionados e utilizados como barreiras sustentáveis para processar soluções com atrazina em reatores de coluna de fluxo contínuo. O potencial de reciclagem dos sorventes também foi avaliado através de ciclos consecutivos de adsorção-dessorção. A sepiolite revelou ser o melhor material em termos de capacidade de adsorção e estabilidade após dois ciclos de regeneração, usando um agente lixiviante com baixo impacto ambiental. Em seguida, foi avaliado o processamento de uma solução composta por atrazina, fluoxetina e carbamazepina usando casca de pinheiro natural, bem como modificada quimicamente e termicamente. A casca de pinheiro modificada com HNO3 revelou ser o melhor biossorvente em termos de captação dos sorbatos. A viabilidade económica dos processos foi avaliada, revelando-se a modificação de superfície com H2O2 como o procedimento mais caro. A casca de pinheiro foi também regenerada, utilizando-se um eluente otimizado e reutilizado pelo menos duas vezes, sem que o sorvente perdesse a sua capacidade de adsorção, isto em sistemas fechados. A adsorção dos poluentes pela casca de pinheiro natural também foi investigada num reator do tipo “air-lift”, permitindo confirmar a eficácia do sistema para aplicações em maior escala. Por fim, foram concebidas biobarreiras sustentáveis de biofilmes bacterianos (Streptococcus equisimilis ou Pseudomonas putida) suportados em casca de pinheiro para a retenção de atrazina, em reatores de leito fixo. O sistema com melhor desempenho foi o do biofilme suportado com S. equisimilis, atingindo 90,42 % de remoção do poluente, processo atribuído à adsorção pelo biofilme e pelo suporte, bem como à degradação pelas bactérias.

Environmental water pollution caused by emerging contaminants has become a growing problem worldwide due to their ineffective treatment in wastewater treatment plants. Particularly, herbicides and pharmaceuticals have been recurrently detected in different water matrices, becoming a threat to aquatic and terrestrial biodiversity and to human health. The development of affordable and more effective techniques to reduce their input in the environment is urgent. This thesis explores the use of organic and inorganic wastes as alternative sorbents for the fixation of herbicides and pharmaceuticals from water matrices. It also investigates the performance of a forest residue as a support for the formation of bacterial biofilms to simulate sustainable biobarriers in packed bed reactors to increase the scope of the whole rehabilitation process. Sepiolite, cork and pine bark were selected and used to act as sustainable barriers to rehabilitate water contaminated with atrazine in continuous column reactors. The recycling potential of sorbents was also assessed by consecutive cycles of adsorption-desorption processes. Sepiolite was revealed as the best material in terms of adsorption capacity and stability after two regeneration cycles, depending on a leaching agent with small environmental impact. The processing of a multi solute solution with atrazine, fluoxetine and carbamazepine was assessed using raw, chemically and thermally modified pine. Pine modified with HNO3 revealed to be the best biosorbent in terms of overall sorbate entrapment capacity. The economic feasibility of biosorbents was evaluated, reveling that the surface modification with H2O2 is the most expensive procedure. Pine was also regenerated, with an optimized extraction eluent, and reused as biosorbent at least twice without losing its adsorption efficiency, in batch mode. Pollutants adsorption by raw pine was also investigated in an air-lift type reactor, confirming the effectiveness of the system for up-scale purposes. Lastly, sustainable biobarriers were designed with bacterial biofilms (Streptococcus equisimilis or Pseudomonas putida) supported on pine to retain atrazine in packed bed reactors. The best performing system was the one with S. equisimilis biofilm, reaching 90.42 % of removal, attributed to adsorption by the biofilm and by the support, as well as to the degradation by bacteria.