Effect of engineering iron oxide nanoparticles on effluent water quality from biological wastewater treatment

Abstract

The production, use, and disposal of products containing nanoparticles may lead to their appearance in air, water, and soil, and subsequently in the human body. Because there is no existing regulation, large amounts of used or wasted engineered nanoparticles may be discharged into sewer systems and eventually enter wastewater treatment plants. Wastewater treatment plants can play an important role in controlling engineered nanoparticles release from the sources to the aquatic environmental receptors via treated effluent discharge, or to the terrestrial environments via sludge disposal to land. Effluent wastewater quality from a lab-scale sequencing batch reactor (SBR) was evaluated with the different loadings of engineered iron oxide nanoparticles coated with a surfactant (ENPFe-surf). Lab-scale SBRs were run at different hydraulic retention times (HRT, 3 and 6 hrs), a 0.5-hr sedimentation, and a 0.5-hr decant/refill at a food-to-microorganisms ratio of 0.32 g BOD/g MLSS/day. The SBRs were stabilized by running up to the 6th cycle under the same experimental conditions. At the onset of the 7th-10th cycles, the treatment SBRs were loaded with ENPFe-surf at either 29.6 or 88.9 mg as soluble Fe per L of mixed liquors. Physiochemical influence of ENP on water quality parameters was tested, including pH, turbidity, and chemical oxygen demand, biological oxygen demand, and Fe concentrations. Results showed that about ~8.7% of ENPFe-surf applied were present in the effluent stream of the treatment SBR regardless of ENPFe-surf loadings. The stable presence of ENPFe-surf was confirmed with the analyses of mean particle diameters and Fe concentrations in the effluent. Consequently, results showed that statistically significant (p<0.05) increases were found for turbidity, apparent color and soluble chemical oxygen demand in the treatment SBR effluents, compared to those in the effluents of the control SBRs that were run in parallel without ENPFe-surf loadings. Biological oxygen demand concentrations were insignificantly higher in the effluents of the treatment SBRs than in those of the control SBRs. In general, these findings implied that ENPFe-surf would be introduced into environmental receptors through the treated effluent and could potentially impact them. Effluent suspended solid concentrations were not significantly different between the control and treatment SBRs. ENPFe-surf loadings to the mixed liquors produced inhibitory respiration resulting in decreased oxygen uptake rate. Twice longer aeration time did not produce significant differences in any of water quality parameters. Such insignificant differences in water quality deterioration was attributed to the presence of the similar ENPFe-surf concentrations in the effluent at 2.3±0.3 and 2.7±0.5 mg/L as Fe for the treatment SBRs run at hydraulic retention time of 3- and 6- hrs, respectively. Low ENPFe-surf concentrations (<10 mg/L as soluble Fe) in the SBR effluent were unlikely to produce significantly adversary effect on the removal and inactivation of fecal coliforms in disinfection process. Although greater (p>0.05) chlorine demand was found proportionally to the ENPFe-surf loadings, disinfection of fecal coliforms at the ENPFe-surf concentrations lower than 3 mg/L as Fe was not affected, achieving 100% fecal coliform removals at the initial chlorine concentration of either 5.7 or 11.4 mg/L.

La producción, uso y el desecho de productos que contienen nanoparticulas pueden llevar a la aparición de ellas en aire, agua, suelos y por consecuencia al cuerpo humano. Como no existe ninguna regulación, grandes cantidades de desperdicios de nanoparticulas o nanoparticulas usadas pueden ser descargadas en el sistema de alcantarillado y eventualmente entrar a las plantas de tratamientos de aguas usadas. Las plantas de tratamiento de aguas usadas pueden jugar un rol importante en controlar la liberación de estas nanoparticulas de la fuente a los receptores ambientales acuáticos a través de la descarga de efluentes tratados, o para los ambientes terrestres a través de la disposición de lodos a la tierra. La calidad del agua residual efluente de un reactor de lotes secuenciales a escala de laboratorio (SBR por sus siglas en inglés) fueron evaluadas con diferentes cargas de nanoparticulas de hierro oxidado recubiertas con un surfactante (ENPFe-surf). Los SBRs a escala de laboratorio fueron corridos a diferentes tiempos de retención hidráulicos (HRT, 3 y 6 horas), media hora de sedimentación, y media hora para decantar y rellenar con una radio de comida-a- microorganismo de 0.32 g BOD/g MLSS/dia. Los SBRs fueron estabilizados corriéndolos hasta el 6to ciclo bajo las mismas condiciones experimentales. En el inicio de los 7mo-10mo ciclos, los SBRs tratados fueron cargados con ENPFe-surf con 29.6 o 88.9 mg de hierro soluble por litro de licores mixtos. La influencia fisicoquímicas de las ENP en los parámetros de calidad del agua se puso a prueba, incluyendo pH, turbidez, y la demanda química de oxígeno, la demanda biológica de oxígeno, y las concentraciones de Fe. Los resultados mostraron que aproximadamente ~8.7% de ENPFe-surf aplicada estaban presentes en la corriente efluente del SBR de tratamiento independientemente de la cantida de carga de ENPFe-surf . La presencia estable de ENPFe-surf fue confirmada con los análisis de diámetros de partícula medios y concentraciones de Fe en el efluente. En consecuencia, los resultados mostraron un aumento estadísticamente significativo (p<0.05) para la turbidez, color aparente y la demanda química de oxígeno soluble en los efluentes SBR tratados, en comparación con aquellos en los efluentes de la de control SBRs que fueron corridos en paralelos sin cargas de ENPFe-surf. Concentraciones de demanda biológica de oxígeno no fueron significantemente mayor en los efluentes de los SBR tratados que en los de los controles. En general, estos hallazgos implican que las ENPFe-surf van a ser introducidos al medio ambiente a través de los receptores de los efluentes tratados y potencialmente podría afectarlos. Las concentraciones de los sólidos suspendidos de los efluentes no fueron significativamente diferentes entre los SBRs de control y tratados. Cargas de ENPFe-surf a los licores mixtos produjeron respiración inhibidora lo que disminuyó la tasa de consumo de oxígeno. Dos veces más largo tiempo de aireación no produjo diferencias significativas en ninguno de los parámetros de calidad del agua. Tal deterioro de la calidad del agua se atribuyó a la presencia de las ENPFe-surf en el efluente a 2.3±0.3 y 2.7±0.5 mg/L como Fe para las corridas de los SBRs tratados con un tiempo de retención de 3- y 6- horas, respectivamente. Las bajas concentraciones de ENPFe-surf (<10 mg/L as soluble Fe) en el efluente de los SBRs fueron poco probable en producir efecto adversario significativo en la eliminación e inactivación de coliformes fecales en el proceso de desinfección. Aunque mayor demanda de cloro (p>0.05) fue encontrada proporcional a la cantidad de carga de ENPFe-surf, a concentraciones de ENPFe-surf más bajas de 3 mg/L como Fe la desinfección de coliformes fecales no fue afectada, alcanzando el 100% de remoción de coliformes fecales a concentraciones iniciales de cloro de 5.7 o 11.4 mg/L.