The potential of the innovative SeMPAC process for enhancing the removal of recalcitrant organic micropollutants

The potential of the innovative SeMPAC process for enhancing the removal of recalcitrant organic micropollutants

Accepted Manuscript Title: The potential of the innovative SeMPAC process for enhancing the removal of recalcitrant organic micropollutants Author: T...

356KB Sizes 1 Downloads 27 Views

Accepted Manuscript Title: The potential of the innovative SeMPAC process for enhancing the removal of recalcitrant organic micropollutants Author: T. Alvarino O. Komesli S. Suarez J.M. Lema F. Omil PII: DOI: Reference:

S0304-3894(16)30041-3 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.jhazmat.2016.01.040 HAZMAT 17392

To appear in:

Journal of Hazardous Materials

Received date: Revised date: Accepted date:

22-10-2015 13-1-2016 14-1-2016

Please cite this article as: T.Alvarino, O.Komesli, S.Suarez, J.M.Lema, F.Omil, The potential of the innovative SeMPAC process for enhancing the removal of recalcitrant organic micropollutants, Journal of Hazardous Materials http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2016.01.040 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

The potential of the innovative SeMPAC process for enhancing the removal of recalcitrant organic  micropollutants  

T. Alvarinoa*, O. Komeslib,c, S. Suareza, J.M. Lemaa and F. Omila

a

Department of Chemical Engineering, Institute of Technology, University of Santiago de Compostela,

15782

Santiago

de

Compostela,

Spain

([email protected],

[email protected],

[email protected], [email protected]) b

Ataturk University, Department of Environmental Engineering, 25250 Erzurum, Turkey

c

Middle East Technical University, Department of Environmental Engineering, 06531 Ankara, Turkey

*

Corresponding author. Tel.: +34-881816739; Fax: +34-881816702

1

Highlights:    -

Complete OMPs mass balance in a combined system biological treatment plus PAC. 

-

Improvement of the denitrification after PAC addition. 

-

Enhancement of OMPs biotransformation after PAC addition. 

-

Relation between hydrophobicity (log D) and sorption onto the PAC.  

-

Progressive saturation of the activated carbon in the solid phase with the time. 

    ABSTRACT   SeMPAC is an innovative process based on a membrane sequential batch reactor to which powdered  activated carbon (PAC) is directly added. It was developed with the aim of obtaining a high quality  effluent in terms of conventional pollutants and organic micropollutants (OMPs). High COD removal  and nitrification efficiencies (>95%) were obtained already during the operation without PAC, although  denitrification was enhanced by PAC addition. OMPs were followed in the solid and liquid matrixes so  that  biotransformation,  sorption  onto  the  sludge  and  adsorption  onto  the  PAC  could  be  assessed.  Recalcitrant compounds, such as carbamazepine and diazepam, were readily removed only after PAC  addition (>99%). Progressive saturation of PAC was observed, with increasing concentrations of OMPs  in the solid phase. Removal efficiencies for recalcitrant compounds were used as indicators for new  additions of PAC. An improvement in the moderately biodegradable OMPs removal was observed after  PAC addition (e.g. fluoxetine, trimethoprim) which was attributed to the biofilm that grew onto the  sorbent, as well as to adsorption onto PAC.      Keywords: Organic micropollutants; activated carbon; MBR; sorption; biotransformation   

2

1. INTRODUCTION  The removal of organic micropollutants (OMPs) in wastewater treatment plants (WWTPs) has been  studied  in  past  years  [1,2]  because  of  their  potential  environmental  hazards:  bioaccumulation  tendency,  toxicity  and  estrogenicity  [3,4].  Consequently,  the  European  Union  has  included  seven  pharmaceuticals  (diclofenac,  17  alpha‐ethinylestradiol,  17  beta‐estradiol,  estrone,  erythromycin,  azithromycin  and  clarithromycin)  in  its  watch  list  for  the  Water  Framework  Directive  in  order  to  monitor  and  gather  information  regarding  the  potential  risks  they  may  cause  to  the  aqueous  environment.  Recent technological developments have shown that a combination of biological processes bearing  different redox potentials is a promising alternative for enhancing the amount of OMPs biodegraded  in  a  wastewater  treatment  plant  (WWTP).  For  example,  ibuprofen,  an  anti‐inflammatory,  is  readily  biodegraded  under aerobic  conditions  only, whilst  negative redox potentials favour  the removal of  trimethoprim,  an  antibiotic  [5].  Presently,  many  innovative  bioreactor  configurations  include  membranes with the aim of maximizing biomass retention and thus, enhancing the microbial diversity  responsible for the removal of organic pollutants both at colloidal and at soluble levels, to give a final  effluent  with  higher  quality  [6].  Accordingly,  Sipma  et  al.  reported  better  removal  performance  in  membrane  biological  reactors  (MBRs)  compared  to  conventional  activated  sludge  (CAS)  units  for  slowly  biodegradable  micropollutants  which  was  attributed  to  the  relatively  longer  sludge  ages  promoted in these systems [7]. Hence, it would be expected that the combination of anoxic‐aerobic  processes and membrane filtration should favour the achievement of higher removal efficiencies for  biodegradable OMPs.   A large amount of OMPs present in sewage can be biodegraded in WWTPs [8] , although there are  many  compounds  which  have  been  reported  as  being  recalcitrant,  such  as  carbamazepine  or  diazepam.  In  order  to  ensure  the  highest  removal  degree  for  OMPs,  physical‐chemical  procedures  based  on  the  use  of  adsorbents  or  oxidants  have  been  usually  considered,  both  in  WWTPs  and  in 

3

drinking water plants (DWPs). A relevant number of studies concerning OMPs are focused on the use  of activated  carbon  (AC) in WWTPs, usually as post‐treatment [9,10]. Synergistic effects have been  reported when biological transformation with adsorption processes are combined, such as supplying  AC in the biological reactor [11], which may lead to additional benefits such as an enhancement of the  microbial diversity [12]. In the specific case of MBRs, the growth of a biofilm onto the surface of the  activated carbon particles, produced reduction in membrane fouling and enhancement in the removal  efficiencies of conventional parameters [13]. This approach has proven to be suitable in the case of  dyes or aromatic hydrocarbons with positive results [14,15]. Other studies have shown an effective  removal of OMPs, even for the more recalcitrant compounds, in a process that combines adsorption  by activated carbon and biological transformation [16,17,18, 19, 20]. Since these studies have focused  on the removal efficiencies in the water line (without considering the OMPs present in sludge), further  research providing information on the complete mass balances is needed in order to elucidate the role  of the different removal mechanisms. Furthermore, the combination of different environmental redox  potentials and the influence of AC on OMPs concentration in the solid phase (sludge and the AC) are  also key issues. These are the pillars of the SeMPAC technology developed and patented by the authors  (patent ES 2 362 298 B2, European Patent application EP12777603.7) [21]. This technology comprises  a sequential batch reactor (SBR) which operates with a direct addition of Powdered Activated Carbon  (PAC) coupled to an external submerged microfiltration membrane [16].  The aim of the present study was to determine the effect of PAC addition on the removal of OMPs  during  an  anoxic/aerobic  biological  wastewater  treatment  process  followed  by  an  external  microfiltration  step.  A  complete  mass  balance  was  carried  out  in  order  to  determine  the  OMPs  concentration  in  the  liquid  and  in  the  solid  phase  (a  matrix  of  PAC  and  sludge).  The  research  was  focused  on  the  effect  of  the  PAC  and  the  redox  potential  on  the  OMPs  removal  mechanisms  (biotransformation and adsorption onto the solids), as well as on the relation between the physical‐ chemical characteristics of the OMPs and their trends to be adsorbed onto the PAC. 

4

2. MATERIAL AND METHODS  2.1. Experimental set‐up  A  sequential  batch  reactor  (SBR)  connected  to  an  external  submerged  microfiltration  flat  sheet  membrane provided by Kubota, with a pore size of 0.4 m and a total surface of 0.2 m2, was started  up and operated (patent ES 2 362 298 B2) [21]. The hydrophilic membrane permeated during 7.5 min  which  was  followed  by  a  relaxation  time  of  1.25  min.  The  SBR  and  the  membrane  chamber  were  inoculated with 6 gVSS/L of biomass which was collected from the conventional activated sludge unit in  the WWTP of Calo‐ Milladoiro (NW of Spain). The reactor, with a volume of 30 L, was operated in cycles  of 6 h distributed in five stages: filling (14 min), anoxic reaction (70 min), aerobic reaction (210 min),  settling (42 min) and effluent withdrawal (14 min). The exchange volume was fixed at 25% and the  supernatant was discharged into the 18 L membrane chamber. The hydraulic retention time (HRT) was  maintained  at  1  d  in  the  SBR,  while  a  recycle  ratio  of  0.5  was  maintained  between  the  membrane  chamber and the SBR in order to homogenise the PAC and sludge concentration in both chambers. The  composition of the synthetic wastewater fed to the reactor was as follows (g/L): 2.29 CH3COONa∙3H2O,  0.33 NH4Cl, 0.04 KH2PO4 and 0.45 NaHCO3, with pH around 7.5.  The PAC purchased to PANREAC (code 211237) was characterized by a specific surface area of 555  m2/g.  Three  antiphlogistics  (ibuprofen  (IBP),  naproxen  (NPX)  and  diclofenac  (DCF)),  four  antibiotics  (trimethoprim  (TMP),  sulfamethoxazol  (SMX)  erythromycin  (ERY)  and  roxithromycin  (ROX)),  three  estrogens (estrone (E1), estradiol (E2) and ethynilestradiol (EE2)), three musk fragrances (galaxolide  (HHCB),  celestolide  (ADBI)  and  tonalide  (AHTN)),  one  antidepressant  (fluoxetine  (FLX)),  one  tranquillizer  (diazepam  (DZP))  and  one  antiepileptic  (carbamazepine  (CBZ))  were  spiked  at  concentrations between 1‐40 ppb. OMP concentrations were selected according to their presence in  the hospital wastewaters [22], as well as the limits of quantification of analytical methods (LOQ, Table  S.1). The substances were obtained from Sigma Aldrich (Steinheim, Germany). 

5

Three  operation  periods  were  considered:  the  start‐up  during  which  no  OMPs  were  spiked  to  the  influent (P1, 32 days); the second period in which OMPs were spiked to the influent in order to assess  their removal without activated carbon (P2, 76 days), and the third period (P3, 118 days) which started  at day 108 with one single addition of powdered activated carbon (PAC) in the SBR, at a concentration  of 1 g/L. No further addition of PAC was carried out with the aim of studying its progressive saturation  with time.      2.2. Analytic methods  The  sampling  routine  comprised  influent  and  effluent  samples  twice  a  week  for  solids,  COD,  ammonium, nitrite and nitrate determinations, while temperature, dissolved oxygen (DO) and pH were  monitored daily with a Hach HQ40d multi‐parameter digital sensor. Soluble samples were obtained  using 0.45 μm nitrocellulose membrane filters (HA, Millipore). Standard Methods (APHA) were used to  determine temperature, pH, total suspended solids (TSS), volatile suspended solids (VSS), alkalinity,  ammonium, nitrate, nitrite and chemical oxygen demand (COD) [23].   Several sampling campaigns were carried out during eight months in order to determine the dissolved  and sorbed OMPs concentrations in the influent, effluent of the SBR and permeate. Punctual samples  were  taken  with  a  time  delay  of  one  HRT.  Liquid  phase  samples  were  prefiltered  (AP3004705,  Millipore), pre‐concentrated by a solid‐phase extraction (SPE) and analysed by gas chromatography– mass spectrometry (GC/MS) and liquid chromatography‐tandem mass spectrometry (LC/MS/MS). The  analytical procedure was described by Alvarino et al. [5]. The solid phase samples were taken from the  mixed  liquor  of  the  SBR  and  membrane  chamber,  centrifuged  to  collect  the  solids,  frozen  and  lyophilized.  The  dried  sludge  was  extracted  in  an  ultrasonic  bath  three  times  with  methanol  and  acetone and the solvent fractions were combined and evaporated in order to be resuspended in water,  pre‐concentrated by SPE and analysed by GC/MS and LC/MS/MS.      

6

2.3. Micropollutants mass balances  OMPs concentration in the liquid and the solid phase was determined to perform a mass balance under  pseudo‐steady  state  conditions  taking  into  account  the  main  removal  processes  (sorption,  volatilization  and  biotransformation)  (Eq.  1).  The  OMPs  concentrations  in  the  liquid  phase  were  determined in the influent and the permeate streams, while the concentrations in the solid phase were  measured in the mixed liquor of the SBR and the membrane chamber.   

                   (Eq. 1)  where Finf, Feff, Fstripped, Fsor and Fbiod represent the mass flows (in g/d) in the influent, effluent,  off‐gas  released  from  the  aerobic  stage,  sorbed  onto  solids  (including  PAC)  and  biotransformed,  respectively. Fstripped (Eq. 2) was calculated in function of the dimensionless Henry’s law constant (H,  Table S.1), the feed flow rate Q (L/d), the air supply per unit of wastewater treated q (2 Lair/Linf) and  the liquid phase concentration in the effluent Cw (g/L).   ∙

∙ ∙

  (Eq. 2)  Since no purges were carried out during this experimental study (226 days) the term corresponding to  sorption  was  calculated  taking  into  account  the  accumulation  of  OMPs  in  the  solid  phase  (Eq.  3).  Therefore, periods P2 and the P3 have been considered separately. In P2, sorption was only dependent  on OMP sorbed onto the sludge; while in P3 accumulation inside the activated carbon was also taken  into account. For this calculation the Kd constant sorption cannot be considered coefficient since solid‐ liquid equilibrium was not achieved. 







2 2

1 1

 

           (Eq. 3) 

7

where Cs1 and Cs2 (in g/L) are the concentration on the solid phase corresponding to times t1 and t2  (d),  HRT  (d)  the  hydraulic  retention  time  and  VSS  the  volatile  suspended  solids  inside  the  reactor  (gVSS/L).   The calculated OMPs mass flows in the influent, effluent, volatilized during aeration and sorbed onto  the  solids,  were  used  to  determine  the  OMPs  biotransformation  according  to  Eq.  1.  The  OMPs  biological  kinetic  constants  (kbiol,  L/gVSS∙d)  were  obtained  considering  that  the  process  follows  a  pseudo‐first order kinetic (Eq. 4).     

 (Eq. 4)  where V is the volume of the reactor (L).   Sorption batch test were performed in 1 L flasks at constant temperature (25ºC) in duplicate, using a  phosphate buffer, with an initial OMPs concentrations of 2.5 ppb and a concentration of PAC in the  range of 1‐10 ppm (0, 2.5, 5, 7.5 and 10 ppm). Continuous stirring was provided at 150 rpm. Samples  were taken up to the point a constant OMPs concentration was measured in the liquid phase. The fit  of the experimental data to the Freundlich isotherm model was done through linear regression analysis  (Eq. 5).     1/

  

 

  (Eq. 5) 

where kf is the adsorption capacity constant and 1/n is related to the intensity of the adsorption, Cs  (g OMP/g) and Cw (g OMP/L) are the concentration on the solid and liquid phase, respectively.       

8

3. RESULTS AND DISCUSSION  3.1. Reactor performance  The SeMPAC system was operated at 17‐20ºC and the pH was maintained in the range 7‐8.5 without  additional control. During the whole operation (226 days) the turbidity of the final effluent ranged 0.2‐ 0.6  NTU,  below  the  limit  established  by  the  World  Health  Organization  to  ensure  effectiveness  of  disinfection  (1  NTU).  COD  removal  efficiencies  were  maintained  above  95%  (Table  1),  with  biodegradation  taking  place  mainly  in  the  SBR  (>90%).  High  phosphate  removal  efficiencies  were  measured (97%) during the whole operation.  Nitrification efficiency was stable in the whole system (>98%), although it decreased from 95 to 75%  in the SBR due to the lower dissolved oxygen (DO) concentrations (from 2 to 0.8 mg/L) observed during  the last 76 days. The decrease in the DO was attributed to the increase in biomass concentration in  the SBR (from 4.8 to 8 gVSS/L) as a consequence of the absence of sludge purges during the experiment.  The concentration of biomass in the membrane chamber was stable during the whole operation (7±1  gTSS/L).  Concerning denitrification, this was in fact the only conventional parameter which was influenced by  PAC addition, with an increase from 76 to 87% (Table 1). When PAC was not added (periods P1 and P2)  denitrification took place exclusively during the anoxic phase of the SBR cycle, reaching the highest  possible value considering a volumetric exchange of 33% in each cycle. Therefore, the improvement in  denitrification observed in P3 was attributed to act as support for the growth of a biofilm the capacity  of the PAC to adsorb the nitrate ion [24] and  to, which implies the  existence of anoxic  zones even  during the aerobic cycles [25].   After PAC addition a decrease in the particle size of biomass agglomerates from 108.5 to 83.2 m was  observed [26].      

9

3.2. Micropollutants fate   Operation without PAC  Before PAC addition, total removal efficiencies of OMPs in the system were determined by applying  the mass balances to the liquid and solid phase concentrations, considering the influent and effluent  of the SeMPAC system. IBP, FLX, SMX, HHCB and ADBI were the compounds readily removed (above  80% of total removal efficiency), whilst DCF, CBZ, DZP and TMP exhibited a recalcitrant behaviour with  removal  efficiencies  below  20%  (Fig.  1).  Musk  fragrances  and  fluoxetine,  which  are  lipophilic  compounds, were eliminated by sorption (with removal efficiencies associated to this mechanism of  26%, 5%, 15% and 8% for AHTN, HHCB, ADBI and  FLX, respectively) and biotransformation (Fig. 1),  while the other OMPs were only eliminated by biotransformation.  Prior to PAC addition a study on the OMPs fate during a cycle in the SBR was carried out in order to get  a deeper insight on the degradation kinetics at the different redox conditions (Fig. 2). Only FLX and  SMX were degraded under aerobic and anoxic conditions [27,28], while for DZP, CBZ and DCF the flat  concentration profile confirmed their recalcitrant behaviour. Musk fragrances were mainly removed  in the first stage of the cycle (anoxic reaction), according to the results obtained by Xue et al. in an  anaerobic‐anoxic‐aerobic  system  [29]  with  removal  of  musk  fragrances  only  in  the  anaerobic  and  anoxic stages, whilst the concentration remained constant in the aerobic stage. The decrease on SMX  concentration during the first five minutes of the anoxic phase is related to the dilution factor since  this compound was only removed under aerobic conditions and requires the presence of an external  carbon source [30]. Previous studies reported the influence of nitrification and heterotrophic activity  in the co‐metabolic removal of OMPs [5,6]. For instance, IBP, ERY and ROX were mainly removed under  aerobic  conditions  since  their  biotransformation  was  highly  influenced  by  nitrification  and  also  by  organic carbon degradation in the case of IBP [31,32].   The  OMPs  were  mainly  removed  in  the  SBR,  being  the  lower  removal  efficiencies  achieved  in  the  membrane chamber attributed to the residual OMP and organic matter loading rates entering this unit 

10

(COD and ammonium fed to the membrane unit were lower than 40 mg COD/L and 2.5 mg N‐NH4+/L,  respectively). This fact can be related to the fate that  the removal of OMPs following a pseudo first  order kinetic is modelled as a function of OMPs concentration [33], thus OMPs removal activities were  expected to decrease simultaneously with OMPs concentration.   Operation with PAC  After  one  single  PAC  addition  at  day  of  operation  108,  most  of  OMPs  removal  efficiencies  were  enhanced (Fig. 3, S.1), with sorption onto activated carbon especially relevant for the more recalcitrant  compounds  (CBZ,  DZP,  DCF  and  TMP).  Very  high  OMPs  removal  efficiencies  (>98%)  could  be  maintained for around 50 days of operation after PAC addition (Fig. 3, S.1), although in the case of the  removal of SMX and IBP no sorption onto the PAC was observed. The hydrophobicity of OMPs was a  key factor in determining their affinity to sorb onto activated carbon [34,35,36]. This means that for  neutral compounds removal by sorption could be correlated with the octanol‐water coefficient (log  Kow),  but  in  the  case  of  ionizable  compounds  the  pH  and  ionization  constant  (pKa)  had  to  be  considered  also.  In  fact,  in  the  case  of  compounds  with  the  same  log  Kow,  the  adsorption  was  dependent on the charge of the compound [37]. Therefore, LogD calculation, which comprises pKa, pH  and log Kow, was found as a better option for estimating the solid‐liquid phase distribution [38]. In this  work, removal efficiencies above 99% were obtained for compounds with log D >1, such as CBZ, DZP  or  DCF,  whilst  IBP  and  NPX  were  not  affected  by  the  presence  of  activated  carbon  (Fig.  S.1)  in  agreement with their log D of 0.94 and 0.73, respectively (at pH = 7) [39].   In order to corroborate the sorption capacity of PAC, several batch tests were carried out to determine  the Freundlich isotherms (Table S.2). According to the low values of the measured kf coefficient for the  antinflamatories IBP (967 (µg/g)(L/µg)1/n) and NPX (735 (µg/g)(L/µg)1/n), their removal efficiencies were  not influenced by sorption onto PAC during P3, in contrast to DZP and CBZ whose high sorption affinity  (kf 2850 and 1793 (µg/g)(L/µg)1/n, respectively) led to removal efficiencies during P3 above 99%. The  parameter 1/n of the Freundlich isotherms, which measures the intensity of the adsorption, reconfirms 

11

the low trend of both  antiinflamatories to be sorbed onto the PAC (n 4.6 and 2.64 for IBP and NPX,  respectively), while the lower n value determined in the case of CBZ and DZP are an evidence of their  higher sorption intensity (1.89 and 1.68, respectively).  3.3. Sorption  The main removal mechanisms for OMPs in this process were sorption and biotransformation (Fig. 1),  as volatilisation was only relevant for the musk fragrance celestolide (the compound with the highest  Henry’s  coefficient).  As  will  be  evidenced  from  the  following  results,  the  presence  of  PAC  in  P3  enhanced the sorption capacity of the solid matrix (Fig. 3&4).  Operation without PAC  During the first stage, the lipophilic compounds, namely musk fragrances and FLX were removed by  both, sorption and biotransformation, while the other non recalcitrant OMPs were only removed by  biotransformation (Fig. 1, 4 and S.2). In fact, the relative amount of musk fragrances and FLX sorbed  onto sludge was above 2500 L/gTSS, whereas in the case of the other OMPs it was below 250 L/gTSS.   Flat  sheet  microfiltration  membranes  (MF,  pore  size  of  0.4  m)  were  used,  thus  ruling  out  OMPs  removal  based  on  size  exclusion  [40].  Depending  on  the  properties  of  both  the  solute  and  the  membrane,  compounds  with  low  molecular  weight  could  be  adsorbed  on  the  membrane  [41],  although this was not considered as relevant in the present study due to the hydrophilic character of  the membranes used. Accumulation of sorbed musk fragrance was observed in the sludge before PAC  addition  (Fig.  4&S.2),  which  could  be  attributed  to  two  different  effects  exerted  by  the  cake  layer,  namely sorption and size exclusion [42].   Operation with PAC  After PAC addition, a quantitative extraction of OMPs from the solid phase (matrix composed of sludge  and PAC) was carried out. The results showed a pronounced increase in the OMPs concentration in the  solid  phase  with  time  in  both  chambers  in  P3,  which  was  related  to  the  sorption  capacity  of  the 

12

activated  carbon  (Fig.  4,  S.2).  This  observation  confirmed  that  after  PAC  addition  the  equilibrium  between  the  solid‐liquid  phases  was  not  reached  in  P3.  As  musk  fragrances  and  fluoxetine  were  absorbed onto the sludge and the activated carbon in P3 (Fig. 4, S.2), their continuous increase in the  solid  phase  concentration  was  due  to  the  combination  of  the  effect  of  retention  of  the  suspended  solids and those present in the cake layer, as well as the progressive saturation of activated carbon.   The anti‐inflammatories IBP and NPX are compounds that at pH 7 include negatively charged chemical  structures and are characterized by log D < 1. These properties make them scarcely adsorbable onto  activated carbon [36, 37] and thus their removal was mainly driven by biotransformation during the  whole  operation.  In  the  case  of  DCF,  the  presence  of  halogens,  aromatic  rings  and  heterocycles  enhances its removal by sorption onto the PAC [43, 44].  Additionally, its high log D = 1.77 [39] makes  the compound significantly adsorb onto PAC (Fig. 3).   A progressive saturation of the PAC was observed and lead to a decrease in the removal efficiencies  achieved for most OMPs with the time in P3 (Fig. 3, S.1), especially in the case of CBZ, DZP and DCF  (from complete removal to below 50% at the end of the operation). The quickness of PAC saturation  was related to the charge of the compound [45], being higher for the negatively charged compounds,  as evidenced by PAC saturation first in the case of DCF (anion) and later for CBZ and DZP (neutral) (Fig.  3, S.1). In the case of FLX and estrogens complete sorption onto PAC was observed, according to their  log D > 1 (FLX 1.83, E1 3.62, E2 4.15 and EE2 4.11) [39], being the removal efficiencies maintained  above 98% even after 80 days of PAC addition, which could be related to their positive charge at the  pH value in the plant [45]. In the case of the four antibiotics, removal efficiencies above 90% were  obtained  during  the  whole  period  of  operation  with  PAC,  although  two  different  behaviours  were  observed: SMX (a negatively charged compound) was only removed by biotransformation even after  PAC addition, maintain constant removal efficiencies in P2 and P3 (Fig. S.1), while TMP (a positively  charged  compound)  was  removed  by  sorption  onto  the  activated  carbon  as  well  as  by  biotransformation. 

13

The trend of progressive sorption and saturation of the PAC was observed in the OMPs concentrations  of the solid  phase (Fig 4  and S.2) during P3. After  120 days of  operation with PAC, the solid phase  concentration of the negatively charged compounds (DCF, IBP or NPX) was lower than in the case of  neutral (CBZ, DZP or HHCB) and positively charged compounds (TMP). Additionally, stabilization in the  solid phase concentration of the negatively charged OMPs was observed, whereas the concentration  of the neutral and positive compounds kept increasing during the whole operation (Fig. 4, S.2).    3.4. Biotransformation  Biotransformation was the main removal mechanism in P2 (before PAC addition) for the complete set  of  selected  OMPs  (Fig.  1).  In  the  case  of  antibiotics,  removal  efficiencies  higher  than  85%  were  achieved, except in the case of TMP, being the contribution of sorption onto the sludge lower than  2.5% in all cases. Although musk fragrances are lipophilic compounds, they were mainly removed by  biotransformation during P2, representing 94, 82, 68% of the total removal for ADBI, HHCB and AHTN,  respectively (Fig. 1). The recalcitrant compounds in biological processes, such as CBZ and DZP, were  not removed during P2.  After PAC addition, apart from sorption onto activated carbon, an enhancement in biotransformation  was observed for some OMPs. The presence of anoxic and even anaerobic zones inside the biofilm  could  explain  the  enhanced  biotransformation  of  FLX,  which  is  readily  biodegradable  under  anoxic  conditions [28], and also of SMX that needs anaerobic conditions to be degraded [5]. Although this  effect  was  observed  for  all  the  OMPs  studied,  it  was  more  intense  for  those  with  moderate  biotransformation kinetics (Fig. 5), such as antibiotics (Table 2). For instance, the biotransformed mass  flows corresponding to TMP and SMX, which are readily biodegradable compounds under anaerobic  conditions [5], increased from 50 and 70 to 270 and 240 µg/d, respectively, after PAC addition (Fig. 5).   In both periods of operation, kbiol values were determined by application of mass balances in the solid  and liquid phases (Eq. 1‐4, table 2). Before PAC addition, maximum kbiol were obtained in the case of 

14

IBP, FLX and SMX, in accordance to their high removal efficiencies (> 85%). Although IBP is a readily  biotransformable compound under aerobic conditions, a slightly diminution in the biotransformation  rate was observed. This fact might be due to the decrease in nitrification in the last 76 days of SeMPAC  operation (P3) because the removal of this compound is dependent on the nitrification [5, 31]. In spite  of quantifying AHTN removal efficiencies above 80% during P2, its kbiol was low (0.23 L/gVSS∙d) because  also sorption was a relevant removal mechanism.  Increase  in  kbiol  for  P3  served  to  quantify  the  enhancement  in  biotransformation.  During  P2  all  kbiol  values were lower than 4 L/gVSS∙d, while for ROX, HHCB, FLX, SMX, E1 and EE2 these biological kinetic  coefficients were higher after PAC addition (table 2), reaching typical values for readily biodegradable  compounds.       CONCLUSIONS  The SeMPAC process is a promising alternative to achieve high OMPs removal efficiencies by means of  two main mechanisms: i) enhancing their biotransformation with respect to conventional processes  due to the development of a more enriched sludge, and ii) retaining the more recalcitrant compounds  through sorption onto the PAC. Both the solid and liquid matrixes were analyzed in order to carry out  a  complete  OMP  and  nutrient  mass  balance  in  order  to  determine  the  fate  and  behaviour  of  each  substance. The main results achieved can be summarised as follows:  -

A high quality effluent was obtained in terms of conventional parameters such as suspended  solids (turbidity around 0.2‐0.6 NTU), organic matter (COD removal of 95 %) and total nitrogen  (removal efficiencies around 75 %). 

15

-

The  presence  of  activated  carbon  enhanced  denitrification  due  to  the  direct  adsorption  of  nitrate, as well as to denitrification in the anoxic zones within the biofilm that grew on the  activated carbon particles.  

-

The sorption trend onto PAC was explained by the hydrophobicity and dissociation constant  of the selected OMPs.  

-

Musk fragrances and FLX, besides being sorbed onto the sludge and the activated carbon as  lipophilic compounds, they were also removed by biotransformation; CBZ, DCF and DZP were  only sorbed onto activated carbon. 

-

The antibiotics ERY, ROX and TMP were removed by both biotransformation and sorption onto  activated carbon, but SMX, IBP and NPX were only influenced by biotransformation. 

-

A progressive saturation of the activated carbon was observed. In the case of the negatively  charged compounds, such as DCF, concentration stabilization in the solid phase was observed  after 100 days, indicating that the solid‐liquid equilibrium was reached. However in the case  of neutral compounds, such as DZP, solid phase concentration increased with time during the  whole operation being the complete saturation not achieved. 

-

An  increase  in  the  removal  by  both  biotransformation  and  sorption  for  the  moderate  biodegradable  compounds  was  observed  after  PAC  addition,  which  could  be  related  to  the  development of a biofilm on the activated carbon. 

    ACKNOWLEDGMENTS  This research was supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through HOLSIA  (CTM2013‐46750‐R)  project  and  by  the  Spanish  Ministry  of  Education  and  Science  through  RedNovedar (CTQ2014‐51693‐REDC) project. The authors belong to the Galician Competitive Research  Group  GRC2013‐032,  programme  co‐funded  by  FEDER.  The  support  of  VIAQUA  to  this  technology,  through its licensing, is also acknowledged. 

16

REFERENCES  [1]  P.  Guerra,  M.  Kim,  A.  Shah,  M.  Alaee,  M.,  S.A.  Smyth,  Occurrence  and  fate  of  antibiotic,  analgesic/anti‐inflammatory, and antifungal compounds in five wastewater treatment processes, Sci.  Total Environ. 437‐474 (2014) 235‐243.   [2]  O.  Golovko,  V.  Kumar,  G.  Fedorova,  T.  Randak,  R.  Grabic,  Seasonal  changes  in  antibiotics,  antidepressants/psychiatric  drugs,  antihistamines  and  lipid  regulators  in  a  wastewater  treatment  plant, Chemosphere 111 (2014) 418‐426.   [3] N. Bolong, A.F. Ismail, M.R. Salim, T. Matsuura, A review of the effects of emerging contaminants  in wastewater and options for their removal, Desalination 239 (2009) 229‐246.   [4]  L.  Zouhar,  M.  Vavrova,  L.  Mravcova,  K.  Kubickova,  V.  Vecerek,  Evaluation  of  wastewater  contamination  by  musk  compounds,  MESAEP  16th  International  Symposium  on  Environmental  Pollution and its Impact on Life in the Mediterranean Region, Greece, 2011.  [5] T. Alvarino, S. Suarez, J.M. Lema, F. Omil, Understanding the removal mechanisms of PPCPs and the  influence of main technological parameters in anaerobic UASB and aerobic CAS reactors, J. Hazard.  Mater. 278 (2014) 506‐513.    [6] I. Vyrides, D.C. Stuckey, Saline sewage treatment using a submerged anaerobic membrane reactor  (SAMBR): Effects of activated carbon addition and biogas‐sparging time, Water Res. 43 (2009) 933‐ 942.   [7] J.Sipma, B. Osuna, N. Collado, H. Monclús, G. Ferrero, J. Comas, I. Rodriguez‐Roda, Comparison of  removal of pharmaceuticals in MBR and activated sludge systems. Desalination 250 (2010) 653‐659.   [8] D. Camacho‐Muñoz, J. Martín, J.L. Santos, I. Aparicio, E. Alonso, Effectiveness of conventional and  low‐cost wastewater treatments in the removal of pharmaceutically active compounds, Water Air Soil  Pollut. 223 (2012) 2611‐2621.  

17

[9] N. Nowotny, B. Epp, C. von Sonntag, H. Fahlenkamp, Quantification and modeling of the elimination  behavior  of  ecologically  problematic  wastewater  micropollutants  by  adsorption  on  powdered  and  granulated activated carbon, Environ. Sci. Technol. 41 (2007) 2050‐2055.   [10]  L.N.  Nguyen,  F.I.  Hai,  J.  Kang,  W.E.  Price,  L.D.  Nghiem,  Quantification  and  Modeling  of  the  Elimination  Behavior  of  Ecologically  Problematic  Wastewater  Micropollutants  by  Adsorption  on  Powdered and Granulated Activated Carbon, Bioresour. Technol. 113 (2012) 169‐173.   [11]  A.S.  Sirotkin,  L.Y.  Koshkina,  K.G.    Ippolitov,  The  BAC‐process  for  treatment  of  waste  water  containing non‐ionogenic synthetic surfactants, Water Res. 35 (2001) 3265‐3271.  [12] R.G. Rice, C.M. Robson, Biological activated carbon‐ enhanced aerobic biological activity in GAC  systems, Ann Arbor SCI., Woburn, 1982.  [13]  M.  Remy,  V.  Potier,  H.  Temmink,  W.  Rulkens,  Why  low  powdered  activated  carbon  addition  reduces membrane fouling in MBRs, Water Res. 44 (2010), 861‐867.  [14] G.M. Walker, L.R. Weatherley, Kinetics of acid dye adsorption on GAC, Water Res. 33 (1999) 1895‐ 1899.  [15]  Z.  Xiaojian,  W.  Zhansheng,  G.  Xiasheng,  Simple  combination  of  biodegradation  and  carbon  adsorption‐the mechanism of the biological activated carbon process, Water Res. 25 (1991) 165‐172.  [16] D. Serrano, S. Suárez, J.M. Lema, F. Omil, Removal of persistent pharmaceutical micropollutants  from sewage by addition of PAC in a sequential membrane bioreactor, Water Res. 45 (2011) 5323‐ 5333.   [17]  J.  Löwenberg,  A.  Zenker,  M.  Baggenstos,  G.  Koch,  C.  Kazner,  T.  Wintgens,  Comparison  of  two  PAC/UF  processes  for  the  removal  of  micropollutants  from  wastewater  treatment  plant  effluent:  Process performance and removal efficiency, Water Res. 56 (2014) 26‐36.  

18

[18] Z. Li, B. Dvorak, X. Li, Removing 17β‐estradiol from drinking water in a biologically active carbon  (BAC) reactor modified from a granular activated carbon (GAC) reactor, Water Res. 46 (2012) 2828‐ 2836.   [19]  P.  Lipp,  H‐J.  Groß,  A.  Tiehm,  Improved  elimination  of  organic  micropollutants  by  a  process  combination  of  membrane  bioreactor  (MBR)  and  powdered  activated  carbon  (PAC),    Desalination  Water Treat. 42 (2012) 65‐72.  [20]  M.  Boehler,  B.  Zwickenpflug,  J.  Hollender,  T.  Ternes,  A.  Joss,  H.  Siegrist,  Removal  of  micropollutants  in  municipal  wastewater  treatment  plants  by  powder‐activated  carbon,  Water  Sci  Technol. 66 (2012) 2115‐2121.  [21]  D.  Serrano,  F.  Omil,  S.  Suarez,  J.M.  Lema,  Process  for  the  removal  of  pharmaceutical  products  present in wastewater, Spain patent ES2362298B2, Feb. 6th 2012.  [22] M. Al Aukidy, P. Verlicchi, N. Voulvoulis, A framework for the assessment of the environmental  risk posed by pharmaceuticals originating from hospital effluents, Sci. Total Environ. 493 (2014) 54‐64.  [23] APHA, Methods for the Examination of Water and Wastewater, twentieth ed. American Public  Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington  DC, USA (1999).  [24]  H.  Demiral,  G.  Gündüzoglu,  Removal  of  nitrate  from  aqueous  solutions  by  activated  carbon  prepared from sugar beet bagasse, Bioresour. Technol. 101 (2010) 1675‐1680.  [25]  C.A.  Ng,  D.  Sun,  J.  Zhang,  B.  Wu,  A.G.  Fane,  Mechanisms  of  Fouling  Control  in  Membrane  Bioreactors by the Addition of Powdered Activated Carbon, Sep. Sci. Technol. 45 (2010) 873‐889.   [26] M.M.T. Khan, S. Takizawa, Z. Lewandowski, W.L. Jones, A.K. Camper, H. Katayama, F. Kurisu, S.  Ohgaki, Membrane fouling due to dynamic particle size changes in the aerated hybrid PAC‐MF system,  J. Membr. Sci. 371 (2011) 99‐107.  

19

[27]  S.  Suarez,  F.  Omil,  J.M.  Lema,  Removal  of  pharmaceutical  and  personal  care  products  (PPCPs)  under nitrifying and denitrifying conditions, Water Res. 44 (2010) 3214‐3224.  [28] F.I. Hai, X. Li, W.E. Price, L.D. Nghiem, Removal of carbamazepine and sulfamethoxazole by MBR  under anoxic and aerobic conditions, Bioresour. Technol. 102 (2011) 10386‐10390.   [29] W. Xue, C. Wu, K. Xiao, X. Huang, H. Zhou, H. Tsuno, H. Tanaka, Elimination and fate of selected  micro‐organic pollutants in a full‐scale anaerobic/anoxic/aerobic process combined with membrane  bioreactor for municipal wastewater reclamation, Water Res. 44 (2010) 5999–6010.  [30] E. Müller, W. Schüssler, H. Horn, H. Lemmer, Aerobic biodegradation of the sulfonamide antibiotic  sulfamethoxazole by activated sludge applied as co‐substrate and sole carbon and nitrogen source,  Chemosphere 92 (2013) 969‐978.   [31] E. Fernandez‐Fontaina, F. Omil, J.M. Lema, M. Carballa, Influence of nitrifying conditions on the  biodegradation and sorption of emerging micropollutants, Water Res. 46 (2012) 5434‐5444.  [32]  M.  Pomiès,  J.M.  Choubert,  C.  Wisniewski,  C.  Miège,  H.  Budzinski,  M.  Coquery,  Lab‐scale  experimental  strategy  for  determining  micropollutant  partition  coefficient  and  biodegradation  constants in activated sludge, Environ. Sci. Pollut. Res. 22 (2015) 4383‐4395.   [33]  R.P.  Schwarzenbach,  P.M.  Gschwend,  D.M.,  Imboden,  Environmental  Organic  Chemistry,  John  Wiley & Sons Inc., Hoboken, New Jersey, 2003.   [34]  C.  Kazner,  Advanced  Wastewater  Treatment  by  Nanofiltration  and  Activated  Carbon  for  High  Quality Water Reuse, Dissertation, RWTH‐Aachen University, 2011.  [35]  X.  Li,  F.L.  Hai,  L.D.  Nghiem,  Simultaneous  activated  carbon  adsorption  within  a  membrane  bioreactor for an enhanced micropollutant removal, Bioresour. Technol. 102 (2011) 5319‐5324.  [36] D.J. de Ridder, L. Villacorte, A.R.D. Verliefde, J.Q.J.C. Verberk, S.G.J. Heijman, G.L. Amy, J.C. van  Dijk, Modeling equilibrium adsorption of organic micropollutants 

20

onto activated carbon, Water Res. 44 (2010) 3077‐3086.  [37] J. Margot, C. Kienle, A. Magnet, M. Weil, L. Rossi, L.F. de Alencastro, C. Abegglen, D. Thonney, N.  Chèvre,  M.  Schärer,  D.A.  Barry,  Treatment  of  micropollutants  in  municipal  wastewater:  ozone  or  powdered activated carbon? Sci. Total Environ. 461‐462 (2013) 480‐498.  [38] S.K. Bhal, K. Kassam, I.G. Peirson, G.M. Pearl, The rule of five revisited: applying log D in place of  log P in drug‐likeness filters, Mol. Pharmaceutics 4 (2007) 556‐560. [39]American Chemical Society,  2009. Scifinder Scholar.  [40]  A.I.  Schafer,  L.D.  Nghiem,  T.D.  Waite,  Removal  of  the  natural  hormone  estrone  from  aqueous  solutions using nanofiltration and reverse osmosis, Environ. Sci. Technol., 37 (2003) 182–188.  [41] D. Jermann, W. Pronk, M. Boller, A.I. Schäfer, The role of NOM fouling for the retention of estradiol  and ibuprofen during ultrafiltration. J. Membr. Sci. 329 (2009) 75–84.  [42] J. Wu, C. He, D. Bi, J. Yu, Y. Zhang, A bio‐cake model for the soluble COD removal by the back‐ transport,  adsorption  and  biodegradation  processes  in  the  submerged  membrane  bioreactor,  Desalination (2013) 322 1‐12.  [43] R. Mailler, J. Gasperi, Y. Coquet, A. Buleté, E. Vulliet, S. Deshayes, S. Zedek, C. Mirande‐Bret, V.  Eudes, A. Bressy, E. Caupos, R. Moilleron, G. Chebbo, V. Rocher, Removal of a wide range of emerging  pollutants from wastewater treatment plant discharges by micro‐grain activated carbon in fluidized  bed as tertiary treatment at large pilot scale, Sci. Total Environ. 542 (2016) 983‐996.  [44] R. Mailler, J. Gasperi, Y. Coquet, S. Deshayes, S. Zedek, C. Cren‐Oliv, N. Cartiser, V. Eudes , A. Bressy,  E. Caupos, R. Moilleron, G. Chebbo, V. Rocher, Study of a large scale powdered activated carbon pilot:  Removals of a wide range of emerging and priority micropollutants from wastewater treatment plant  effluents, Water Res. 72 (2015) 315‐330. 

21

[45] L.N. Nguyen, F.I. Hai, J. Kang, L.D. Nghiem, W.E. Price, W. Guo, H.H. Ngo, K. Tung, Comparison  between sequential and simultaneous application of activated carbon with membrane bioreactor for  trace organic contaminant removal, Bioresour. Technol. 130 (2013) 412‐417.                                                        

22

DCF NPX IBP DZP CBZ AHTN HHCB ADBI FLX TMP SMX ROX ERY EE2 E2 E1 0

20

40

biotransformation

60

% Removal sorption

80

100

volatilization

  Fig. 1. OMPs average total removal efficiencies before PAC addition in the SeMPAC system taking into  account the three removal mechanisms involved (n=3, average values and standard deviations)    

21

Influent Aerob 60 min.

Anoxic 5 min. Aerob 180 min

Anoxic 60 min. Settling

OMPs concentration (µg/L)

18 15 12 9 6 3 0 CEL

GLX

TON

CBZ

DZP

IBP

NPX

DCF

ERY

FLX

Fig. 2. Evolution of the concentration of OMPs during a cycle in the SBR.  

23

ROX

SMX

TMP

 

15

25

10

IDCF/L

DZP/L

20 15 10

5

5 0

0 0

50

100

150

200

effluent SBR

50

100

a) 

time (d) influent

0

250

150

200

permeate

influent

   

20

effluent SBR

250

b) 

time (d) permeate

 

12 10 FLX/L

HHCB/L

15 10 5

8 6 4 2

0

0 0

50 influent

100

150

time (d) effluent SBR

200 permeate

250

0

c) 

50 influent

100

150

time (d) effluent SBR

200 permeate

250

d)    Fig.  3. 

FIG 3 DZP (a),DCF (b), HHCB (c) and FLX (d) concentration in the influent, effluent of SBR and permeate.     PAC addition                     

24

25

80

20 gDCF/gTSS

gDZP/gTSS

60

15

40

10

20

5

0

0 0

81

116

122

199

213

78

81

116 122 136 190 213 225

Sludge_SBR

12

25

10

20

8

Time (d) b)  Sludge_Membrane

 

gFLX/gTSS

30

15

6

10

4

5

2

0

0 35

 

53

225

Time (d) a) Sludge_Membrane

Sludge_SBR

HHCB/gTSS

136

42

53

116 122 136 190 213 225

Sludge_SBR

53

Time (d) c)  Sludge_Membrane

78

81

136

190

213

225

Time (d) d)  Sludge_SBR Sludge_Membrane

 

 Fig. 4. DZP (a),DCF (b), HHCB (c) and FLX (d) concentration in the sludge of the SBR and the membrane  chamber.   PAC addition.     

25

DCF NPX IBP FLX DZP AHTN HHCB ADBI TMP SMX ROX ERY 0

200

400

600

gbiotransformed/d Before PAC addition After PAC addition

800

 

Fig. 5. Biotransformation rate of OMPs before and after PAC addition in the SeMPAC system (n=3‐5,  average values and standard deviations)                       

26

Table 1. Influent and effluent of macropollutants in the SeMPAC system  COD (mg/L)

N-NH4+ (mg/L)

TN (mg/L)

P-PO43- (mg/L)

Influent

850±100

80±15

80±15

5.5±1.0

Effluent (P2)

25±15

<1±1

20±15

0±0.3

Effluent (P3)

30±15

<1±1

10±15

0±0.3

    Table 2. OMPs biotransformation kinetics constants before and after PAC addition in the SBR reactor  (P2 and P3, respectively)  kbiol (L/gVSSd) 

ERY 

ROX

Before PAC addition 0.4±0.2  0.4±0.2 After PAC addition

1.9±1.0  6.0±1.0

HHCB 0.3±0.2

DZP

FLX

0.04±0.04 1.5±0.4

6.2±0.4

0.1±0.06

IBP

NPX

4.4±0.9

SMX 

TMP 

1.3±0.4  0.07±0.04  4.1±0.1  2.0±0.3 

  kbiol (L/gVSSd) 

ADBI 

Before PAC addition 0.5±0.3  After PAC addition

AHTN

0.2± 0.1 3.9± 0.7 0.2± 0.2

0.9±1.0  1.0±0.1

2.9±0.4

 

27

0.2±0.03

E1

E2 

EE2 

0.3± 0.2 0.3± 0.2  0.3± 0.2  17.8

2.6±1.0  4.2±0.4