Advanced oxidation processes to improve municipal wastewater quality in middle- and high-income countries: removal of contaminants of emerging concern and toxicity control

Abstract

A crescente presença de contaminantes de preocupação emergente (Contaminants of Emerging Concern, CECs) nos efluentes secundários municipais (ESMs) representa um desafio significativo ao meio ambiente e saúde humana por meio de práticas de descarte ou reuso de efluentes. Assim, este estudo investiga a aplicação de processos avançados de oxidação (Advanced Oxidation Processes, AOPs) como estratégias para abordar essa preocupação crescente, focando especificamente em seu potencial para remoção de CECs e controle de toxicidade no contexto do tratamento de ESMs em países de baixa e alta renda. Este estudo explora duas situações distintas, cada uma lidando com desafios únicos no tratamento de efluentes e restrições de recursos. Em países de baixa ou média renda, os sistemas anaeróbios de reatores Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) são amplamente empregados devido a seus baixos custos operacionais e requisitos mínimos de energia, especialmente no Brasil. Portanto, este trabalho explora a eficácia do foto-Fenton solar (FFS) como estratégia de pós-tratamento para efluentes de UASB. Assim, na primeira etapa deste projeto, foram reunidas as principais conquistas e limitações associadas ao uso de FFS em pH neutro. Em seguida, foram realizados experimentos para tratar esta matriz utilizando irradiação solar e adições intermitentes de Fe2+ em pH natural. Esta abordagem alcançou resultados promissores, removendo 65% a 83% dos CECs alvo. Esses resultados destacam o potencial do FFS como uma solução econômica e sustentável para melhorar a qualidade do efluente nesses ambientes com recursos limitados. No entanto, o estudo também enfatiza o papel crucial da composição da matriz, especialmente a presença de alcalinidade e matéria orgânica natural (MON), na influência sobre a eficiência desse processo. Em países de alta renda, o sistema de lodos ativados convencional (LAC) é a tecnologia predominante de tratamento de águas residuais. Considerando os altos investimentos em instalações de tratamento de efluentes, a tecnologia avançada de separação de membranas de nanofiltração vem sendo estudada para remoção de CECs. No entanto, a presença destes compostos continua sendo uma preocupação no concentrado de nanofiltração (CNF). Portanto, este estudo investiga a eficácia de UV-C/Cloro e UV-C/H2O2, em um fotoreator, em fluxo contínuo, para tratar efluente de LAC e CNF. A irradiação UV-C sozinha demonstrou eficácia na degradação de CECs específicos suscetíveis à fotólise, a adição de H2O2 ou NaClO aumentou o desempenho do tratamento. Os resultados revelaram que a composição da matriz de águas residuais também desempenhou um papel chave nesse cenário. A presença de concentrações mais altas de NOM e matéria inorgânica no CNF em comparação com efluente de LAC resultou em eficiência de remoção de CECs mais baixa para os AOPs aplicados no CNF, alcançando eficiências de 55% para CNF e 80% para efluente de LAC. Além da remoção de CECs, avaliou-se a ecotoxicidade dos efluentes tratados. Avaliações ecotoxicológicas utilizando Allivibrio fisheri, Raphidocelis subcapitata (para UASB) ou Chlorella vulgaris (para LAC e CNF) e Lactuca sativa mostraram resultado positivo. Os tratamentos via AOPs reduziram com sucesso a toxicidade aguda e crônica das matrizes estudadas, indicando seu potencial para mitigar os riscos ecotoxicológicos associados à presença de CECs. Curvas de distribuições de sensibilidade de espécies (Specieis Sensitivy Distribution, SSD) foram construídas e empregadas para avaliar os efeitos agudos e crônicos de CECs residuais em organismos aquáticos e terrestres. As concentrações residuais de CECs foram menores que as concentração com potencial risco à 5% das espécies (Hazardous Concentration 5%, HC5) para toxicidade aguda em organismos de água doce. Considerando um fator de diluição 10 em corpos d'água, efluentes UASB após AOPs ainda excede o limite de 5% para efeitos crônicos. Considerando o contexto do reuso agrícola de efluentes, efeitos potenciais foram identificados de 8% a até 22% de organismos terrestres para carbamazepina e sulfametoxazol, respectivamente, para efluentes de UASB após AOPs. De modo geral, esse trabalho demonstra o potencial e os desafios da aplicação de AOPs em cenários de tratamento de efluentes, contribuindo para o avanço de estratégias de gestão sustentável. Os resultados abrem caminho para o desenvolvimento de protocolos de AOP otimizados adaptados a contextos específicos, levando a um descarte de efluentes mais seguro e promovendo o reuso seguro de efluentes pós-tratados por AOPs.