Coupling between biological and advanced oxidative processes for treating sanitary wastewater: pharmaceuticals degradation and safe reuse

É consenso entre os cientistas que as Estações de Tratamento de Esgoto são as principais formas de entrada de fármacos no ambiente aquático. Isso acontece porque os processos biológicos convencionais utilizados para o tratamento do esgoto sanitário não são eficientes quanto à remoção de muitos desses compostos sintéticos. Neste contexto, o pós-tratamento utilizando um Processo Oxidativo Avançado (POA) pode degradar os compostos pouco biodegradáveis e produzir água para reúso seguro. Portanto, esta Tese estuda o acoplamento entre um processo biológico anaeróbio-aeróbio e compara dois POA, foto-Fenton e Fenton heterogêneo, como alternativas de pós-tratamento. Os experimentos foram feitos utilizando-se esgoto sanitário real como matriz. Sendo assim, na primeira etapa deste trabalho, um método SPE-HPLC-MS/MS foi desenvolvido e validado para a quantificação dos fármacos Ranitidina, Diclofenaco e Sinvastatina naquela matriz complexa. Na segunda etapa, a degradação dos fármacos por processos biológicos foi estudada em reatores operados em batelada e de escoamento contínuo. Desenvolveu-se uma metodologia para a identificação dos produtos de biodegradação e encontrou-se que tais metabólitos são recalcitrantes e possuem potencial poluidor. Observou-se que os fármacos e seus metabólitos causam efeito tóxico crônico sobre a biomassa, pois a produção de metano foi prejudicada quando comparada à da biomassa que não foi exposta a esses compostos. Na terceira etapa, os POA foram estudados em batelada para se determinar as melhores condições de operação que seriam testadas nas etapas seguintes. Encontrou-se, para o processo foto-Fenton, que os fármacos foram completamente degradados quando se utilizavam duas lâmpadas (16 W de potência elétrica total), ferro (III) e peróxido de hidrogênio nas concentrações de 3,0 e 40 mg L−1, respectivamente, e tempo de detenção hidráulica de 10 min. Zeólita natural foi utilizada como suporte na síntese de um catalisador para Fenton heterogêneo. O catalisador foi estável em condições críticas de reação, porém não pôde degradar os compostos cujas dimensões moleculares eram maiores do que os seus poros. Os processos foram acoplados e operados em modo contínuo durante dez dias, período no qual permaneceram estáveis. Os custos foram estimados e verificou-se que, embora o processo Fenton heterogêneo necessite de 1/3 do capital comparado ao foto-Fenton, o processo heterogêneo não é interessante porque o custo operacional é 4 vezes maior e o processo é limitado para a degradação de moléculas pequenas. Já o processo foto-Fenton degradou todos os fármacos e metabólitos com remoção de carbono orgânico dissolvido e produzindo água potencialmente segura para seu reúso ao custo operacional de US$ 0,27 m−3. Portanto, o processo foto-Fenton foi a melhor alternativa de pós-tratamento avaliada nesta Tese. O processo Fenton heterogêneo seria atrativo apenas para a degradação de moléculas pequenas.Scientists generally agree that Sewage Treatment Plants are the main inputs of pharmaceuticals into the aquatic environment. That happens because the conventional biological processes used for treating sewage are not efficient in removing many of those synthetic compounds. In this context, Advanced Oxidation Processes (AOP), used as post-treatments, can degrade the poorly biodegradable compounds and produce water for safe reuse. Therefore, this Thesis studies the coupling between an anaerobic-aerobic biological process and compares two AOP, photo-Fenton and heterogeneous Fenton, as post-treatment alternatives. The experiments were performed using real sewage as a matrix. Thus, in the first step of this work, an SPE-HPLC-MS/MS method was developed and validated for the quantification of the pharmaceuticals Ranitidine, Diclofenac, and Simvastatin in that complex matrix. In the second step, the pharmaceuticals degradation by biological processes was studied in batch and continuous flow reactors. A methodology was developed for identifying the biodegradation products and these metabolites were found to be recalcitrant and to have polluting potential. It was observed that the pharmaceuticals and their metabolites caused a chronic toxic effect on biomass, as methane production was impaired when compared to the biomass not exposed to these compounds. In the third step, the AOP were studied in batch mode to determine the best operating conditions that would be tested in the following steps. In the photo-Fenton process, the pharmaceuticals were completely degraded when two lamps (16 W total electric power), iron (III), and hydrogen peroxide were used in the concentrations of 3.0 and 40 mg L−1, respectively, with hydraulic detention time of 10 min. Natural zeolite was used as a support for the synthesized catalyst for heterogeneous Fenton. The catalyst was stable under critical reaction conditions, but it was not able to degrade compounds whose molecular dimensions were larger than its pores. The processes were coupled and operated in continuous mode for ten days, during which they remained stable. Considering the involved estimated costs, although the heterogeneous Fenton process requires 1/3 of the capital costs when compared to the photo-Fenton process, the heterogeneous one is not interesting because its operating cost is 4 times higher and it is limited to the degradation of small molecules. On the other hand, the photo-Fenton process degraded all pharmaceuticals and their metabolites, removed dissolved organic carbon, and produced water potentially safe for reuse at the operational cost of US$ 0.27 m−3. Therefore, the photo-Fenton process was the best post-treatment alternative assessed in this Thesis. The heterogeneous Fenton process would be suited only for the degradation of small molecules