Impact assessment of the presence of engineered iron oxide nanoparticles on wastewater effluent disinfection

Abstract

A previous study indicated that ~8.7% wt. Fe of the initially dosed engineered iron oxide nanoparticles coated with surfactants (ENPFe-Surf), as contaminants, was present in the effluent from the lab-scale sequencing batch reactors (SBRs). It was suggested that presence of ENPFe-Surf might impact disinfection of wastewater effluents. Therefore, this study assessed the interactions among chlorine, ENPFe-Surf and fecal coliforms (FC) in batch and plug flow reactor (PFR) disinfection processes using real wastewater effluent collected from a local wastewater treatment plant. Then, the characteristics of the settled SBR sludge incorporating ENPFe-Surf were examined in order to validate the previous study aforementioned. The results from batch disinfection studies showed that ENPFe-Surf produced adverse (unfavorable) effects on FC disinfection. To achieve a 4-log FC removal, the required free chlorine residuals were 0.22, 0.18, and 0.10 mg Cl2 L-1 for contact times of 24, 30, and 60 minutes in the absence of ENPFe-Surf. In comparison, when ENPFe-Surf was present at 4.97 mg L-1 as Fe, the required free chlorine residual concentrations were 0.18, 0.14, and 0.07 mg Cl2 L-1 for the same contact times, respectively, to achieve the same log removal of FC. More log FC removal was achieved for the same chlorine consumption in the absence of ENPFe-Surf compared to values when it is present due to additional chlorine consumption (i.e., scavenging) with ENPFe- Surf. The results from PFR disinfection studies showed scavenging effects of ENPFe-Surf on chlorine as well: ~5% of the added chlorine concentration was still measured at pseudo steady state in the presence of ENPFe-Surf, while ~10% was observed in the absence of ENPFe-Surf. In general, FC log removals were proportional to CT values (the product of the residual disinfectant concentration, C, in mg L-1 times the contact time, T, in min), whether or not ENPFe-Surf was present. The same FC log removal at the same disinfection contact time was accomplished in PFR at lower concentrations of free chlorine residuals in the presence of ENPFe-Surf compared to its absence. Again, this was due to scavenging effect of ENPFe-Surf on chlorine, which reduces chlorine residuals available for FC disinfection and, thereby, poorer FC disinfection efficiency. The settled activated sludge of the SBR run in the presence of ENPFe-Surf had different characteristics from that of the control SBR run without ENPFe-Surf present. It had unique iron- rich, hexagon-shaped compounds. This implies that the presence of ENPFe-Surf modifies the physicochemical properties of the sludge and could alter the efficiency in the sludge management.

Un estudio previo indicó que ~8.7% por peso en términos de Fe de la dosis inicial de nanopartículas de hierro oxidado recubiertas con un surfactante (ENPFe-Surf), como contaminantes, estuvo presente en el efluente de un reactor de lotes secuenciales a escala de laboratorio (SBR por sus siglas en inglés). Se sugirió que la presencia de ENPFe-Surf puede impactar el proceso de desinfección del efluente de agua residual. En este estudio, las interacciones entre cloro, ENPFe-Surf y los coliformes fecales (FC) fueron evaluadas en los procesos de desinfección de reactores por tanda y de flujo a pistón (PFR por sus siglas en inglés) utilizando efluente de agua residual de una planta de tratamiento de aguas residuales local. Por ende, las características de los lodos sedimentados en el SBR incorporando las ENPFe-Surf fueron examinados para sustentar el estudio previamente mencionado. Los resultados de desinfección por tanda mostraron que las ENPFe-Surf produjeron efectos adversos (poco favorables) en la desinfección de los FC. En ausencia de ENPFe-Surf, para obtener una remoción logarítmica de 4-log en FC, fueron requeridos residuales de cloro de 0.22, 0.18 y 0.10 mg Cl2 L-1 para tiempos de contacto de 24, 30 y 60 minutos. En comparación, cuando hubo presencia de ENPFe-Surf a 4.97 mg L-1 en términos de Fe, las concentraciones de cloros residuales requeridas fueron 0.18, 0.14 y 0.07 mg Cl2 L-1 para los mismos tiempos de contacto, respectivamente, para lograr la misma remoción logarítmica de FC en términos logarítmicos. Una mayor remoción de FC en términos logarítmicos fue obtenida para los mismos consumos de cloro en ausencia de ENPFe-Surf en comparación con los valores cuando hubo presencia de ENPFe- Surf debido al consumo adicional de cloro (por ejemplo, capturando) por parte de las ENPFe-Surf. Los resultados de desinfección en PFR mostraron los efectos de captación de las ENPFe-Surf en cloro: ~5% de las concentraciones de cloro añadidas fueron medidas durante los estados semi- estacionarios en presencia de ENPFe-Surf. En comparación, ~10% fue observado en ausencia de ENPFe-Surf. En general, las remociones de FC en términos logarítmicos fueron proporcionales a los valores de CT (el producto de la concentración de desinfectante residual, C en mg L-1 multiplicado por el tiempo de contacto, T, en minutos) sin importar si las ENPFe-Surf estuvieran presentes o no. La misma remoción de FC en términos logarítmicos en los mismos tiempos de desinfección fueron obtenidas en el PFR con menores concentraciones de cloros libres en presencia de ENPFe-Surf comparado con la ausencia de ENPFe-Surf. Nuevamente, esto fue debido al efecto de captación de ENPFe-Surf en cloro, reduciendo la cantidad de cloro residual disponible para desinfección de FC y por consecuencia, menor eficiencia en la desinfección de FC. Los lodos activados sedimentados de los experimentos de SBR en presencia de ENPFe-Surf tuvieron características diferentes comparadas a las del experimento control de SBR sin la presencia de ENPFe-Surf. Se obtuvieron unos compuestos únicos y ricos en hierro con formaciones hexagonales. Esto indicó que la presencia de ENPFe-Surf modifica las propiedades físico-químicas de los lodos y pudiera alterar la eficiencia en el manejo de los lodos.