命运和卡马西平及其降解毒性副产品在耦合的臭氧化和城市废水纳滤重用
z火绒Yacouba
g .勒
j . Mendret- 纽约des研究所膜、IEM蒙彼利埃大学CNRS, ENSCM,法国蒙彼利埃
出现的新兴有机微污染物在水体及其影响是关注与重用的水的质量。高级氧化过程展示了有前景的结果应对这一挑战。尽管如此,这些过程可能导致的生成毒性更强氧化副产品。本研究的目的是探讨臭氧化的耦合和纳滤(NF)应用于卡马西平(卡马西平)。它包含在监测的退化和命运卡马西平及其随后的副产品,他们的命运和毒性。卡马西平5分钟后完全退化的臭氧化和六个标识转换形成的副产品:我(hydroxycarbamazepine), BQM [1 - (2-benzaldehyde) 4-hydro (1 h、3 h) -quinazoline-2-one],二(2 - (1 h) -quinazolinone), BaQM [1 - (2-benzoic酸)4-hydro (1 h、3 h) -quinazoline-2-one], BQD [1 - (2-benzaldehyde) - (1 h、3 h) -quinazoline-2 4-dione]和BaQD [1 - (2-benzoic酸)- (1 h、3 h) -quinazoline-2 4-dione]。矿化速率的臭氧化高臭氧剂量甚至从未超过12%。生物与费氏弧菌透露,BQM和BQD负责毒性。NF能够删除与去除率高达93%总有机碳的85%渗透回收率。卡马西平及其不同的臭氧化副产物被NF几乎完全保留,除了二世,这有一个兆瓦略低于膜分子量截止的去除率仍取决于回收率在80和96%。
1介绍
国内废水(DWW)重用越来越被认为是一种很有前途的解决日益增长的水资源短缺在世界许多地区(Cirelli et al ., 2012;凯利斯et al ., 2013;律et al ., 2016;古德2017)。然而,即使是最有效的常规二级处理过程,包括膜生物反应器(mbr),一些限制对于bio-refractory污染物已经指出,这可能对生态系统和人类健康造成的不良影响(罗et al ., 2014;Iorhemen et al ., 2016;Majumder et al ., 2019)。例如,各种有机微污染物(OMPs)被发现在MBR二级污水ng.L-1-µg的浓度范围。l - 1 (董et al ., 2016;Gogoi et al ., 2018)。使DWW重用成为可能,污水处理厂(WWTP)废水必须因此进行有效和可持续的三级处理流程(阿宝et al ., 2005;Baawain et al ., 2020)。
高级氧化过程(aop) DWW后处理有吸引力的解决方案与流程允许消除各种OMPs废水。aop偶尔也可能导致更多的有毒副产品的形成(Le et al ., 2016,2017年;邓小平2020年;波尔et al ., 2020)。最活泼的氧化剂臭氧(羟自由基(•OH)后Rekhate,斯利瓦斯塔瓦,2020年)。玛戈特et al。(2013)和Guilloussou et al。(2020)展示了臭氧降解的能力大部分药物在现实DWW作为三级处理(玛戈特et al ., 2013;Guillossou et al ., 2020)。Bourgin et al。(2018)删除了高于80%的12微污染物作为指标物质在瑞士立法在整个流程的整个WWTP升级臭氧化步骤(0.5 gO3 / gC) (Bourgin et al ., 2018)。不同的机制和代理在臭氧化:结合分子臭氧和副产品,激进分子从臭氧自分解或臭氧的反应与胶体和溶解有机板牙(Huber et al ., 2003;燕鸥et al ., 2003;多德et al ., 2006;Ikehata et al ., 2006;斯奈德et al ., 2006;哈维尔·贝尼特斯et al ., 2009;温特et al ., 2009)。
然而,从二次废水有机物的矿化臭氧化相当低。Rosal et al .,例如,测量总有机碳(TOC)只有15%的减少(Rosal et al ., 2008;邓2020 b;Dubowski et al ., 2020)。这个不完整的去除TOC表示存在的有毒副产品可以超过父分子。因此,无论重用的DWW治疗,可能对环境和人类健康风险仍然很高,因为副产品可能诱发更严重比目标OMPs环境影响(Azais et al ., 2017)。事实上,它已被证明,臭氧化可能产生毒性。值得注意的是,一些研究报告增加了在体外和在活的有机体内在臭氧处理的废水毒性(Volker et al ., 2019)。此外,文献表明,臭氧治疗只能实现一个后续治疗后删除生成的副产品。然而,考虑到有限的可用数据,考虑到报告的性能在减少毒性之间的研究有极大的差别,Volker等人提出,需要进一步的调查来确定一个最佳的后处理。
作为这些副产品的管理解决方案和相关的毒性、膜过滤过程是高度承诺。纳滤(NF)和反渗透(RO)过程是已知有效分离小分子如OMPs通过大小排斥、静电相互作用、疏水溶质和溶剂之间的相互作用和膜亲和性和交互。RO提供了非常高的选择性和OMPs排斥率,但所需的低流量、高压力构成其主要缺点。作为一个可选择的解决方案,NF是最近开发的,因为它提供了良好的选择性和OMPs拒绝利率在一个可接受的渗透通量(Zhang et al ., 2020)。这种方法的主要缺点是它的污染及其生成的管理倾向集中通常代表10 - 15%的给水卷(凯瑟琳·千et al ., 2011;Azais et al ., 2014;局域网et al ., 2018)。
通过耦合臭氧化和NF进程,一个进程可以使用的优点与缺点的其他(Ouali et al ., 2020)。例如,臭氧化降解能力的可用于减轻二次废水的污染倾向胶体和溶解有机物(Yu et al ., 2018)。Vatankhah et al。(2018)应用pre-ozonation一步废水废水纳滤前,发现在一个特定的臭氧剂量的0.2 mgO3 / mgC显示显著减少污染相比,纳滤没有pre-ozonation。此外,NF的选择性和拒绝功能可以用来消除降解产生的副产品臭氧化过程(Byun et al ., 2015)。
制药,卡马西平(卡马西平,服用过抗癫痫类药物分子),已被选为本研究由于其代表性bio-refractory新兴污染物发现普遍WWTP二级废水,其疏水性(日志Kow > 2)及其臭氧(高反应活性Huber et al ., 2003;克拉拉et al ., 2005;Braeutigam et al ., 2012;波尔et al ., 2020)。本研究的具体目标是评估潜在的卡马西平臭氧化去除副产品NF和估计这种废水通过耦合的急性毒性演化过程。卡马西平的退化已被一些作者监控,但到目前为止,据我们所知,没有研究了退化的命运和毒性随后NF过程中副产品。
2材料和方法
2.1卡马西平的解决方案
作为一个真正的二级污水的有机物会与臭氧和干涉化学反应途径的决心,超纯水(超纯水)用作所有实验(矩阵Papageorgiou et al ., 2017)。卡马西平在Sigma-Aldrich购买,为分析纯,其物理化学性质所示表1。为了监控ozone-based降解率和确定低浓度卡马西平及其副产品是实现高废品率在渗透膜,掺入了20 mg.L超纯水−1前的卡马西平的反应。
表1。卡马西平的物理化学特征。
2.2臭氧化设置
臭氧化的实验室规模的飞行员由一个玻璃搅拌间歇反应器(V反应堆= 3 L)恒温控制(20°C)不断地由一个臭氧发生器(BMT 803 N)从课成绩纯氧舱(图1)。在反应堆扩散之前,臭氧是稀释和氧达到60问h的气体流量−1并介绍了从反应器底部通过一个多孔扩散器。964年一个臭氧气体分析仪(BMT)是用来监控气体臭氧浓度([O3]气体,在BMT除湿的除湿机后)。化学途径决定了两种不同的臭氧浓度(5到303/纳米3入口气体)和监控的30分钟的接触时间。靛蓝法确定溶解臭氧浓度(巴德和Hoigne 1981)。两个电阀连接到一台计算机被用来应用所需的氧气/臭氧浓度组合。在反应期间,机械搅拌器是利用同质化(400 rpm)和增加的臭氧溶解率的解决方案。循环泵是用于抽样。
图1。实验装置的臭氧化实验室规模的飞行员。
2.3纳滤的设置
2.3.1纳滤膜的选择和鉴定
芳香聚酰胺膜nf - 90 (Dow-Filmtec,米德兰,MI)被选中用于实验。这个膜被认为是一个“紧”NF膜,估计MWCO约150 Da,这似乎适合保留卡马西平和大部分退化的副产品(Azais et al ., 2017)。实验之前,第一次浸泡在超纯水膜去除防腐剂化合物,然后压实18岁酒吧至少1小时或直到稳定的流量。在这项研究中使用的每个nf - 90膜为特征的渗透率和氯化钠被拒绝。平均初始渗透率和氯化钠拒绝10条分别为8.4±1.0 L h−1米−2酒吧−1和88±4%。其他地方描述整个臭氧化纳滤装置(火绒Yacouba et al ., 2021)。
2.3.2错流纳滤装置
Osmonics Sepa CF II细胞(Sterlitech corp .)被用来进行过滤实验利用平板膜优惠券的有效膜面积140厘米2。一个泵(Hydra-Cell Wanner)工程有限公司)是用来喂养膜模块的解决方案从一个16 L饲料船。优莱博cryothermostat (F32)维护提要在恒定温度下(20±1°C),以防止液体流动温度的增加。跨膜压力(TMP)被设定为10条使用测微的压力控制阀位于滞留物出口。实验进行错流速度(vT)的0.5年代−1媒介foulant垫片,47 Mil(1.194毫米)。渗透复苏NF膜效率的影响是研究在不同水回收率(Y)对应于∼0,15日,40岁的60 - 85%。
在实验之前,给水放置在储罐和循环24 h (vT= 0.5年代−1)没有TMP确保复合吸附在管道和膜已达到一个稳定状态。收集样品的体积的不同分析被认为是明显拒绝计算。
2.4纳滤和臭氧化系统的性能评估
2.4.1一道确定转换产品的分析和确认
卡马西平的副产品被确定在臭氧化超纯水矩阵的基础上,研究Azais et al。Azais et al ., 2017)。首先建立化学途径,实验的臭氧浓度下运行5 g /纳米气相入口3。分析由液相色谱串联高分辨率质谱使用飞行时间质谱仪(LC-TOF-MS)来确定最大未知的副产品。转换产品监控是基于区域的频谱进行的。LC-TOF-MS分析使用一个Acquity h级配有Phenomenex Kinetex C18柱(100毫米×2.1毫米,1.7µm)保持在30°C。高分辨率电喷雾电离质谱(HR-ESI-MS)数据在积极或消极的离子模式收购SYNAPT G2-S(水公司,曼彻斯特,英国)配备一个应急服务国际公司的来源。标准的分辨率亮氨酸脑啡肽(MH + = 556.27)是0000年40。在以下条件下获得了:毛细管电压3000 V;锥电压20 v;干燥气体温度140°C;反溶剂温度= 450°C; dry gas flow, 1000 L h−1使用喷雾器气体氮;压力= 6.5酒吧。样本容量10µL被注射流动相流速为0.5毫升分钟−1。的流动相洗脱液的混合物组成的一个(HCOOH milliQ水+ 0.1%)和B(乙腈+ HCOOH 0.1%)。梯度由0 - 14分钟:100%,15 - 17分钟:100% B, A . 1 ngμL 17.1 -20分钟:100%−1的亮氨酸脑啡肽是用作内部校准标准。
Collision-induced离解的三重四极是利用片段并确定所选的副产品。TOF分析仪(LC-Q-TOF-MS / MS)是用来测量分子质量通过碰撞产生的碎片能量从15到40 eV每个MS / MS谱记录。so-obtained碎片被用来提出结构公式选择退化的副产品。拟议的化学结构被确认使用水质量碎片的软件。这些分析后,发现群众的总结,建立了保留时间、经验公式和发展结构为每一个副产品。所确定的副产品被选在臭氧化被跟踪,和外表的动力学和降解进行了评估。此后,NF的去除率每个副产品监控。
仪器量化限制(IQL)和仪器检出限(IDL)测定方法的检测和量化评估基于信号噪声限制3和10 5复制。IDL和卡马西平IQL超纯水µg.L被发现是3.0−1和9.9µg.L−1分别。
2.4.2全球污染监测指标
2.4.2.1总有机碳监测
矿化程度监测20 mg.L掺杂在超纯水的臭氧化−1卡马西平虽然TOC测定使用TOC-VCSN日本岛津公司分析仪(日本岛津制作所)。同样的方法已经应用于渗透和滞留物通量在NF实验评估TOC浓度。
2.4.2.2毒性评估
急性毒性监测使用Microtox模型500分析仪Microtox Omni软件(现代水Inc .)。这个分析是在测量液体样品的影响海洋发光细菌革兰氏阴性菌株费氏弧菌NRRL b - 11177。这种细菌在细胞新陈代谢,发出荧光,可以减少有毒元素的存在。因此生物荧光细菌的状态的一个很好的指标,因此全球样品的毒性。的急性毒性评估样本都使用了81.9%的筛检试验的决心在臭氧化去除动力学和45%在NF移除评价的筛检试验。81.9%(或45%)样品浓度稀释后通过添加22%氯化钠溶液,该计划的目的是将模拟所需的盐水条件下海洋细菌代谢活化,因此发光排放。
之前测量细菌发光,样品被调整的pH值在6.5和7.5之间。先前的研究提供了更多的细节关于毒性测定(Le et al ., 2016;Azais et al ., 2017;Le et al ., 2017;埃尔卡泰et al ., 2019)。
即使没有任何毒性,发光可能改变随着时间的推移,由于实验条件。因此,这种可变性R(t)是监控通过一个控制样本组成的2%氯化钠在超纯水。R(t)计算根据以下方程:
在哪里陆(Ctl) (t)由细菌发光排放的强度在一个给定的接触时间(5分钟或15分钟),在任意控制解决方案单元(AU),然后呢陆(Ctl) (t = 0)发出的是初始强度发光细菌在添加控制解决方案(AU)。修正后的抑制率我(t)本质上归因于然后计算样品的毒性情商。并表示百分比:
在哪里陆(样本)(t)是发光的强度由细菌后发出的t= 5分钟或t= 15分钟的接触一个示例(AU)陆(样本)(t= 0)的初始强度之前发出的发光细菌的示例(AU)。
进化的毒性监测臭氧化过程中液体散货和NF的渗透和滞留物卤水和讨论了关于退化的出现和消失的副产品以及他们的去除率由臭氧化和NF。
3结果与讨论
3.1臭氧化过程的性能
3.1.1监测卡马西平退化
卡马西平的化学通路决定之前,其ozone-based退化是第一个监控(图2)。
图2。进化期间卡马西平浓度的臭氧化:卡马西平= 20球型的初始浓度1Vreactor = 3 L, Vstir = 400 rpm, [O3)气体= 53/纳米3。
可以清楚地看到图2卡马西平是高活性,臭氧和在第一个5分钟完全退化期对应于一个特定的传输采用臭氧剂量的2.483/德国。在之前的研究中,Huber et al。(2003)确定高反应性系数(3.0×105L摩尔−1。年代−1卡马西平),在纯溶液使用Milli-Q纯净水。
3.1.2成矿的卡马西平在臭氧化
卡马西平的矿化率由臭氧化监控与此同时退化和提出了图3。
图3。进化的TOC在超纯水卡马西平臭氧化(卡马西平)0= 20球型−1Vreactor = 3 L, Vstir = 400 rpm, [O3)气体= 303/纳米3。
图3显示一个非常弱的矿化率卡马西平在臭氧化。事实上,其他研究人员透露,效率低下而闻名的臭氧化过程减少TOC (Byun et al ., 2015)。这个过程是已知的降低和母亲分裂分子转换的副产品。一般来说,有一个明显的变化在化学需氧量和TOC浓度。在目前的实验中,矿化从未超过12%,尤其是在臭氧化的第一个5分钟接触时间,即使有很高的应用臭氧气体浓度。
3.1.3卡马西平在臭氧化的化学通路
基于先前的研究卡马西平aop降解的化学通路(O3紫外线+ H2O2、锰(七)、铁(VI))和卡马西平动力学及其副产品,以下假设是(Andreozzi et al ., 2002;Vogna et al ., 2004;胡锦涛等人。,2009年;Azais et al ., 2017;波尔et al ., 2020)。当臭氧注入反应堆,卡马西平的退化开始与副产物的形成。的副产品“我”(hydroxycarbamazepine, m / z = 253.1)是由卡马西平的芳香环的羟基化,而1 - (2-benzaldehyde) 4-hydro - (1 h、3 h) -quinazoline-2-one (BQM, m / z = 251.08)成立的卡马西平与分子臭氧分子内反应和重组Criegee机制(娃娃和Frimmel 2005;麦克道尔et al ., 2005;Azais et al ., 2017)。BQM应该弱反应分子臭氧、二阶速率常数(kO3∼4米−1年代−1),主要是与羟基自由基反应形成1 - (2-benzaldehyde) - (1 h、3 h) -quinazoline-2 4-dione (BQD, m / z = 267.10) (麦克道尔et al ., 2005)。Azais等人建议的形成1 - (2-benzoic酸)- (1 h、3 h) -quinazoline-2 4-dione (BaQD, m / z = 283.07)是由于缓慢的反应与臭氧分子BQD (kO31∼M-1s-1) (Azais et al ., 2017)。1 - (2-benzoic酸)4-hydro - (1 h、3 h) -quinazoline-2-one (BaQM, m / z = 267.10)的质量类似BQD是另一个化合物可能来自BQM反应分子臭氧或羟基自由基(大et al ., 2014)。另一个喹唑啉化合物“二世”(2 - (1 h) -quinazolinone) (m / z = 147.06),也被检测到。这是假设形成结果BQM的退化和/或BaQM (麦克道尔et al ., 2005;Azais et al ., 2017)。整个氧化途径提出了卡马西平图4。
图4。臭氧化过程中卡马西平的化学通路(卡马西平)0= 20球型−1Vreactor = 3 L, Vstir = 400 rpm, [O3)气体= 303/纳米3T反应= 30分钟。改编自Azais et al。(2017)。
3.1.4监控卡马西平退化的副产品
在实验过程中,发现卡马西平副产品监控以及臭氧化时间,和它们的相对浓度,表示面积UPLC /女士而言,比较。每个化合物的检测区域使用,因为没有商业标准量化在水中的浓度的副产品。正常化(A / Amax)计算面积的最大值(Amax)的副产品作为参考。卡马西平ozone-based退化的进化的副产品了图5最初的卡马西平浓度20球型投手−1。
图5。相对规范化的进化领域的卡马西平及其臭氧化副产物在超纯水的臭氧化掺杂卡马西平(卡马西平)0= 20球型−1Vreactor = 3 L, Vstir = 400 rpm, [O3)气体= 303/纳米3。
结果显示在图5是高度整合与那些了吗图4。启动后的反应,卡马西平立即退化。卡马西平的臭氧化导致我和副产品BQM的形成。BQM虽然下降,但似乎变成副产品二世,BaQM BQD,与此同时BaQD收益率。
地区不同的副产品高降解时间5分钟,反应的接触时间设置为5分钟在卡马西平的臭氧化促进跟踪转换副产品在随后的NF流程。
3.1.5在臭氧化监测毒性
在毒性化学途径的决心,进化也监控。目的是连接毒性趋势观察到退化的副产品的出现和消失,然后确定最有毒的种类。这项研究的结果发表在图6。
图6。急性毒性的发展解决方案包含卡马西平及其臭氧化副产物,使用81.9%筛查microtox测试,接触时间15分钟后用诉fischeri发光细菌。臭氧化条件(卡马西平)0= 20球型−1[O3)气体= 303/纳米3。
最初,只有卡马西平在解决方案,毒性水平大约是15 - 20%,表明母亲的急性毒性化合物相对较低。臭氧化联系1 - 2分钟的时间后,毒性增加到84%和70之间的相对高度有毒的化合物。这增加毒性符合BQM的形成和优势(1 - (2-benzaldehyde) 4-hydro - (1 h、3 h) -quinazoline-2-one)和BQD (1 - (2-benzaldehyde) - (1 h、3 h) -quinazoline-2 4-dione)的解决方案,而卡马西平大大降低(图5)。第三阶段的毒性趋势,发生退化接触时间大约5分钟后,在于减少到32之间的值和35%的诉fischeri生物荧光抑制。这个下降减少匹配的细胞毒性的浓度BQM的形成进一步的副产品,这很可能不如BQM有毒。这些假设被证实了最近的一项研究由波尔et al .,他检查了在活的有机体内个人和混合物在斑马鱼毒性(鲐鱼类卡马西平)及其臭氧化副产物(波尔et al ., 2020)。事实上,他们的研究结果证实,ozonated溶液的毒性主要是由于BQM BQD,都完全消失后15分钟的臭氧化的实验条件研究(图5)。这些结果表明,臭氧化反应持续时间是一个重要的参数与臭氧治疗DWW不增加废水的毒性。
3.2纳滤系统的性能
NF系统的性能评估ozonated和non-ozonated废水,考虑渗透通量和卡马西平及其副产品保留。实验进行了一段15 - 25 h为了达到至少85%的水回收率(Y = 85%)。
3.2.1渗透通量进化
NF实验期间,渗透通量的演变是监控ozonated和non-ozonated卡马西平的解决方案。这项研究的结果发表在图7。
图7。进化的渗透通量和回收率在NF实验应用于ozonated和non-ozonated卡马西平的解决方案使用超纯水矩阵,NF - 90膜,TMP = 10酒吧、vt = 0.5年代−140 Y = 0.1, 15日,60 - 85%。臭氧化条件(卡马西平)0= 20球型−1[O3)气体= 303/纳米3T反应= 5分钟。
渗透通量演化显示下降20% ozonated和non-ozonated矩阵。这种渗透通量下降是由于卡马西平及其副产品。臭氧化的解决方案后,通量进化略(但不明显)改进的臭氧化可能没有矿化TOC而是刚刚改变了卡马西平成低分子量的副产品。
3.2.2在纳滤过程中去除性能
3.2.2.1总有机碳的去除
因为所有的实验运行在超纯水矩阵,实测有机碳浓度由于卡马西平或其副产品。TOC浓度测定滞留物和渗透流和回收率图8。
图8。进化的TOC滞留物和渗透流在NF ozonated卡马西平的解决方案:NF - 90膜,TMP = 10酒吧、vt = 0.5年代−140 Y = 0.1, 15日,60 - 85%。臭氧化条件(卡马西平)0= 20球型−1[O3)气体= 303/纳米3T反应= 5分钟。
TOC值约为14 mgL-1滞留物和大约10 mgL-1开始渗透流的实验。回收率上升,TOC值增加滞留物,稍微减少渗透,因为膜变得污染,改善其去除能力。TOC去除率在NF评估93% Y = 85%的渗透回收率。这个结果是一致的结果在某些先前的研究(Byun et al ., 2015;Maryam et al ., 2020)。
3.2.2.2卡马西平副产品去除率
Azais et al ., 2016已经证明,卡马西平可以有效地除去WWTP废水nf - 90拒绝利率在99%到97之间。评估的影响对NF pre-ozonation表演、卡马西平的去除率ozone-based退化副产品利用NF - 90膜是评估。去除率在实验的回收率是SI中描述。
它表明NF NF - 90可以去除100%的卡马西平及其副产品,除了卡马西平副产品二世的去除率在96%和80之间,这取决于回收率。这些副产品的主要去除机制可能是位阻,因为,对他们来说,分子量(MW)(我:253.1 g。mol-1, BQM: 251.08 g。mol-1, BQD: 267.10 g。米ol-1, BaQM: 267.10 g.mol-1 and BaQD: 283.07 g.mol-1) is higher than the MWCO (150 g.mol-1) of the NF-90 membrane utilized. The by-product II is the only kind with a MW (147.06 g.mol-1) smaller than the membrane MWCO and may be responsible for the TOC values in permeate (图8)。这些结果证实,nf - 90膜适用于有效地去除ozone-based退化的副产品OMPs相对较低的兆瓦。
3.2.2.3滞留物毒性在纳滤和渗透流
与此同时副产品移除,毒性也评估滞留物和渗透流的不同的恢复率。所示的结果图9。
图9。进化的急性毒性(45%筛查Microtox测试,接触时间15分钟后用诉fischeri)滞留物和渗透流在NF - 90 NF ozonated卡马西平的解决方案在不同回收率(Y),臭氧化条件(卡马西平)0= 20球型−1[O3)气体= 303/纳米3。T反应= 5分钟。
随着回收率的增加,TOC浓度滞留物流也会增加。与此同时,渗透流的浓度减少。像预期的那样按照好的去除不同的副产品,滞留物的毒性增加,虽然减少渗透流。低毒性的渗透是一个逻辑的结果考虑到的主要副产品转换疑似负责这些毒性(BQM BQD)几乎完全被NF操作(图9)。这个结果非常重要,因为它表明,臭氧化时使用在增加毒性的实验条件,结合NF操作成为可能获得渗透水没有毒性。额外的治疗步骤的实现臭氧化后,如砂过滤或活性炭过滤器,除去OMPs已经证明了能力,副产品和毒性(玛戈特et al ., 2013;Bourguin et al ., 2018)。目前的研究表明臭氧与NF的组合操作的效率。
4结论
本研究旨在调查卡马西平的命运和毒性及其氧化副产品pre-ozonation和NF耦合过程。它包含在监测卡马西平的降解动力学,建立ozone-based降解化学途径,然后评估确定的去除率NF相结合过程中的副产品。
结果证实了卡马西平对臭氧的反应活性高,因为20球型卡马西平的解决方案−1几乎完全退化的5分钟的接触时间,与一个特定的转移臭氧剂量的2.48分别3/德国。尽管如此,TOC去除率仅为12%左右臭氧化5分钟后,证实了臭氧化过程的低效率的有机物质矿化。毒性之间的联系的趋势和卡马西平臭氧化的化学途径表明毒性的峰值的出现与生产副产品BQM BQD,展示其相对较高的急性毒性。
与臭氧化过程中只有12%的TOC摘除,多达93%的去除TOC在NF实现。这个结果和副产品的去除率是一致的,100%左右的副产品除了卡马西平副产品二世,这有一个兆瓦略小于的MWCO膜和去除率,然而,高于80%。此外,因为几乎所有的芳香的副产品被膜保留,毒性很低的渗透中检测出流,而滞留物毒性显著增加增加BQM和BQD滞留物的浓度。
总之,NF的耦合和臭氧化已经证明了它的效率安全地删除卡马西平及其转换的副产品。该混合过程的协同作用可以用来消除耐火OMPs,从而帮助安全有效治疗系统的设计和可持续DWW重用。进一步的调查将MBR关注pre-ozonated NF滞留物再循环的影响性能。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。
作者的贡献
ZY实验和第一次写作。JM是项目的主要研究者。GL、FZ和某人有readen和纠正手稿。EP分析工作。
资金
作者承认法国国家研究机构(ANR)支持本研究通过该公约于2016年ANR JCJC项目SAWARE (ANR - 16 - ce04 - 0002 - 01)。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
确认
作者感谢Loubna Karfane Atfane提供技术支持。
补充材料
本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fenvc.2021.798785/full补充材料
引用
Andreozzi, R。马洛塔,R。平托,G。,和Pollio, A. (2002). Carbamazepine in Water: Persistence in the Environment, Ozonation Treatment and Preliminary Assessment on Algal Toxicity.水Res。36岁,2869 - 2877。doi: 10.1016 / s0043 - 1354 (01) 00500 - 0
Azais,。,Mendret, J., Cazals, G., Petit, E., and Brosillon, S. (2017). Ozonation as a Pretreatment Process for Nanofiltration Brines: Monitoring of Transformation Products and Toxicity Evaluation.j .风险。板牙。338年,381 - 393。doi: 10.1016 / j.jhazmat.2017.05.045
Azais,。,Mendret, J., Gassara, S., Petit, E., Deratani, A., and Brosillon, S. (2014). Nanofiltration for Wastewater Reuse: Counteractive Effects of Fouling and Matrice on the Rejection of Pharmaceutical Active Compounds.9月,Purif。中欧。133年,313 - 327。doi: 10.1016 / j.seppur.2014.07.007
Azais,。,Mendret, J., Petit, E., and Brosillon, S. (2016). Influence of Volumetric Reduction Factor during Ozonation of Nanofiltration Concentrates for Wastewater Reuse.光化层165年,497 - 506。doi: 10.1016 / j.chemosphere.2016.09.071
Baawain, m . S。Al-Mamun,。,O米idvarborna, H., Al-Sabti, A., and Choudri, B. S. (2020). Public Perceptions of Reusing Treated Wastewater for Urban and Industrial Applications: Challenges and Opportunities.环绕。Dev,维持。22日,1859 - 1871。doi: 10.1007 / s10668 - 018 - 0266 - 0
巴德,H。,和Hoigné, J. (1981). Determination of Ozone in Water by the Indigo Method.水Res。15日,449 - 456。0043 - 1354 . doi: 10.1016 / (81) 90054 - 3
Bourgin, M。贝克,B。,Boehler, M., Borowska, E., Fleiner, J., Salhi, E., et al. (2018). Evaluation of a Full-Scale Wastewater Treatment Plant Upgraded with Ozonation and Biological post-treatments: Abatement of Micropollutants, Formation of Transformation Products and Oxidation By-Products.水Res。129年,486 - 498。doi: 10.1016 / j.watres.2017.10.036
Braeutigam, P。因特网,M。,Schneider, R. J., Lehmann, A., Stolle, A., and Ondruschka, B. (2012). Degradation of Carbamazepine in Environmentally Relevant Concentrations in Water by Hydrodynamic-Acoustic-Cavitation (HAC).水Res。46岁,2469 - 2477。doi: 10.1016 / j.watres.2012.02.013
Byun, S。T一个urozzi, J. S., and Tarabara, V. V. (2015). Ozonation as a Pretreatment for Nanofiltration: Effect of Oxidation Pathway on the Permeate Flux.9月,Purif。中欧。149年,174 - 182。doi: 10.1016 / j.seppur.2015.05.035
凯瑟琳·千,K。,Sarp, S., Lee, S., Lee, J.-H., Lopez-Ramirez, J. A., and Cho, J. (2011). Evaluation of a Membrane Bioreactor and Nanofiltration for Municipal Wastewater Reclamation: Trace Contaminant Control and Fouling Mitigation.海水淡化272年,128 - 134。doi: 10.1016 / j.desal.2011.01.002
同事g . L。、Consoli年代。,licciardello, F., Aiello, R., Giuffrida, F., and Leonardi, C. (2012). Treated Municipal Wastewater Reuse in Vegetable Production.阿格利司。水等内容。104年,163 - 170。doi: 10.1016 / j.agwat.2011.12.011
克拉拉的M。,Strenn, B., Gans, O., Martinez, E., Kreuzinger, N., and Kroiss, H. (2005). Removal of Selected Pharmaceuticals, Fragrances and Endocrine Disrupting Compounds in a Membrane Bioreactor and Conventional Wastewater Treatment Plants.水Res。39岁,4797 - 4807。doi: 10.1016 / j.watres.2005.09.015
邓,h (2020 b)。臭氧化机制的卡马西平和Ketoprofen RO集中从市政废水处理:动能政权,去除效率和基体效应。科学。总环境。717年,137150年。doi: 10.1016 / j.scitotenv.2020.137150
多德,m . C。,Buffle, M.-O., and von Gunten, U. (2006). Oxidation of Antibacterial Molecules by Aqueous Ozone: Moiety-specific Reaction Kinetics and Application to Ozone-Based Wastewater Treatment.环绕。科学。抛光工艺。40岁,1969 - 1977。doi: 10.1021 / es051369x
娃娃,t·E。,和Frimmel, F. H. (2005). Removal of Selected Persistent Organic Pollutants by Heterogeneous Photocatalysis in Water.Catal。今天101年,195 - 202。doi: 10.1016 / j.cattod.2005.03.005
咚,H。,Yuan, X., Wang, W., and Qiang, Z. (2016). Occurrence and Removal of Antibiotics in Ecological and Conventional Wastewater Treatment Processes: A Field Study.j .包围。管理。178年,11-19。doi: 10.1016 / j.jenvman.2016.04.037
Dubowski Y。Alfiya, Y。报信,Y。、Sabach年代。,和Friedler, E. (2020). Removal of Organic Micropollutants from Biologically Treated Greywater Using Continuous-Flow Vacuum-UV/UVC Photo-Reactor.环绕。科学。Pollut。Res。27日,7578 - 7587。doi: 10.1007 / s11356 - 019 - 07399 - 7
埃尔卡泰米。Trellu C。,Darwich, A., Rivallin, M., Bechelany, M., Nagarajan, S., et al. (2019). Electrochemical Advanced Oxidation Processes Using Novel Electrode Materials for Mineralization and Biodegradability Enhancement of Nanofiltration Concentrate of Landfill Leachates.水Res。162年,446 - 455。doi: 10.1016 / j.watres.2019.07.005
Gogoi,。,Mazumder, P., Tyagi, V. K., Tushara Chaminda, G. G., An, A. K., and Kumar, M. (2018). Occurrence and Fate of Emerging Contaminants in Water Environment: A Review.地下水Sust。Dev。6,169 - 180。doi: 10.1016 / j.gsd.2017.12.009
古德,v . g . (2017)。海水淡化与水再利用,解决全球水资源短缺。启包围。科学。Biotechnol。16,591 - 609。doi: 10.1007 / s11157 - 017 - 9449 - 7
Guillossou, R。勒面粉糊,J。,Brosillon, S., Mailler, R., Vulliet, E., Morlay, C., et al. (2020). Benefits of Ozonation before Activated Carbon Adsorption for the Removal of Organic Micropollutants from Wastewater Effluents.光化层245年,125530年。doi: 10.1016 / j.chemosphere.2019.125530
胡,L。,Martin, H. M., Arce-Bulted, O., Sugihara, M. N., Keating, K. A., and Strathmann, T. J. (2009). Oxidation of Carbamazepine by Mn(VII) and Fe(VI): Reaction Kinetics and Mechanism.环绕。科学。抛光工艺。43岁,509 - 515。doi: 10.1021 / es8023513
胡贝尔,M . M。,C一个nonica, S., Park, G.-Y., and von Gunten, U. (2003). Oxidation of Pharmaceuticals during Ozonation and Advanced Oxidation Processes.环绕。科学。抛光工艺。37岁,1016 - 1024。doi: 10.1021 / es025896h
大,U。,Seiwert, B., Reemtsma, T., and Jekel, M. (2014). Ozonation Products of Carbamazepine and Their Removal from Secondary Effluents by Soil Aquifer Treatment - Indications from Column Experiments.水Res。49岁的34-43。doi: 10.1016 / j.watres.2013.11.016
Ikehata, K。,Jodeiri Naghashkar, N., and Gamal El-Din, M. (2006). Degradation of Aqueous Pharmaceuticals by Ozonation and Advanced Oxidation Processes: A Review.臭氧:科学。Eng。28日,353 - 414。doi: 10.1080 / 01919510600985937
Iorhemen, O。哈姆扎,R。,和T一个y, J. (2016). Membrane Bioreactor (MBR) Technology for Wastewater Treatment and Reclamation: Membrane Fouling.膜6日,33。doi: 10.3390 / membranes6020033
哈维尔·贝尼特斯,F。Acero, j·L。真实,f·J。,和Roldán, G. (2009). Ozonation of Pharmaceutical Compounds: Rate Constants and Elimination in Various Water Matrices.光化层53至59,77。doi: 10.1016 / j.chemosphere.2009.05.035
>,M。,Kalavrouziotis, I. K., and Gikas, P. (2013). Review of Wastewater Reuse in the Mediterranean Countries, Focusing on Regulations and Policies for Municipal and Industrial Applications.水珠。巢J。15日,333 - 350。doi: 10.30955 / gnj.000936
局域网,Y。,Groenen-Serrano, K., Coetsier, C., and Causserand, C. (2018). Nanofiltration Performances after Membrane Bioreactor for Hospital Wastewater Treatment: Fouling Mechanisms and the Quantitative Link between Stable Fluxes and the Water Matrix.水Res。146年,77 - 87。doi: 10.1016 / j.watres.2018.09.004
勒,t . x H。,Nguyen, T. V., Amadou Yacouba, Z., Zoungrana, L., Avril, F., Nguyen, D. L., et al. (2017). Correlation between Degradation Pathway and Toxicity of Acetaminophen and its By-Products by Using the Electro-Fenton Process in Aqueous media.光化层172年,1 - 9。doi: 10.1016 / j.chemosphere.2016.12.060
勒,t . x H。,Nguyen, T. V., Yacouba, Z. A., Zoungrana, L., Avril, F., Petit, E., et al. (2016). Toxicity Removal Assessments Related to Degradation Pathways of Azo Dyes: Toward an Optimization of Electro-Fenton Treatment.光化层161年,308 - 318。doi: 10.1016 / j.chemosphere.2016.06.108
罗,Y。,Guo, W., Ngo, H. H., Nghiem, L. D., Hai, F. I., Zhang, J., et al. (2014). A Review on the Occurrence of Micropollutants in the Aquatic Environment and Their Fate and Removal during Wastewater Treatment.科学。总环境。473 - 474,619 - 641。doi: 10.1016 / j.scitotenv.2013.12.065
律,S。,Chen, W., Zhang, W., Fan, Y., and Jiao, W. (2016). Wastewater Reclamation and Reuse in China: Opportunities and Challenges.j .包围。科学。39岁,86 - 96。doi: 10.1016 / j.jes.2015.11.012
Majumder,。古普塔,B。,和Gupta, A. K. (2019). Pharmaceutically Active Compounds in Aqueous Environment: A Status, Toxicity and Insights of Remediation.环绕。Res。176年,108542年。doi: 10.1016 / j.envres.2019.108542
玛戈特,J。,Kienle, C., Magnet, A., Weil, M., Rossi, L., de Alencastro, L. F., et al. (2013). Treatment of Micropollutants in Municipal Wastewater: Ozone or Powdered Activated Carbon?科学。总环境。461 - 462,480 - 498。doi: 10.1016 / j.scitotenv.2013.05.034
马里亚姆,B。,Buscio, V., Odabasi, S. U., and Buyukgungor, H. (2020). A Study on Behavior, Interaction and Rejection of Paracetamol, Diclofenac and Ibuprofen (PhACs) from Wastewater by Nanofiltration Membranes.环绕。中欧。创新18日,100641年。doi: 10.1016 / j.eti.2020.100641
麦克道尔,d . C。胡贝尔,M . M。瓦格纳,M。,von Gunten, U., and Ternes, T. A. (2005). Ozonation of Carbamazepine in Drinking Water: Identification and Kinetic Study of Major Oxidation Products.环绕。科学。抛光工艺。39岁,8014 - 8022。doi: 10.1021 / es050043l
Ouali, S。,loulergue, P., Biard, P. F., Nasrallah, N., and Szymczyk, A. (2020). Ozone Compatibility with Polymer Nanofiltration Membranes.j .会员。科学。618年,118656年。doi: 10.1016 / j.memsci.2020.118656
Papageorgiou。,Stylianou, S. K., Kaffes, P., Zouboulis, A. I., and Voutsa, D. (2017). Effects of Ozonation Pretreatment on Natural Organic Matter and Wastewater Derived Organic Matter - Possible Implications on the Formation of Ozonation By-Products.光化层170年,33-40。doi: 10.1016 / j.chemosphere.2016.12.005
阿宝,M。,Nancarrow, B. E., Leviston, Z., Porter, N. B., Syme, G. J., and Kaercher, J. D. (2005).预测群体行为与废水重用。决定接受或拒绝的原因是什么?。珀斯:CSIRO
波尔,J。,Golovko, O., Carlsson, G., Eriksson, J., Glynn, A., Örn, S., et al. (2020). Carbamazepine Ozonation Byproducts: Toxicity in Zebrafish (Danio rerio) Embryos and Chemical Stability.环绕。科学。抛光工艺。54岁,2913 - 2921。doi: 10.1021 / acs.est.9b07100
PubChem (2020)。卡马西平。珀斯:CSIRO。可以在::https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/2554(2020年8月24日通过)。
Rekhate, c V。,和Srivastava, J. K. (2020). Recent Advances in Ozone-Based Advanced Oxidation Processes for Treatment of Wastewater- A Review.化学。Eng。j .睡觉。3,100031。doi: 10.1016 / j.ceja.2020.100031
Rosal, R。,Rodríguez, A., Perdigón-Melón, J. A., Mezcua, M., Hernando, M. D., Letón, P., et al. (2008). Removal of Pharmaceuticals and Kinetics of Mineralization by O3/H2O2 in a Biotreated Municipal Wastewater.水Res。42岁,3719 - 3728。doi: 10.1016 / j.watres.2008.06.008
斯奈德,s。温特,e . C。,Rexing, D. J., Zegers, R. E., and Drury, D. D. (2006). Ozone Oxidation of Endocrine Disruptors and Pharmaceuticals in Surface Water and Wastewater.臭氧:科学。Eng。28日,445 - 460。doi: 10.1080 / 01919510601039726
燕鸥,t。存根,J。,Herrmann, N., McDowell, D., Ried, A., Kampmann, M., et al. (2003). Ozonation: a Tool for Removal of Pharmaceuticals, Contrast media and Musk Fragrances from Wastewater?水Res。37岁,1976 - 1982。doi: 10.1016 / s0043 - 1354 (02) 00570 - 5
Vatankhah, H。,Murray, C. C., Brannum, J. W., Vanneste, J., and Bellona, C. (2018). Effect of Pre-ozonation on Nanofiltration Membrane Fouling during Water Reuse Applications.9月,Purif。中欧。205年,203 - 211。doi: 10.1016 / j.seppur.2018.03.052
Vogna D。,Marotta, R., Andreozzi, R., Napolitano, A., and d’Ischia, M. (2004). Kinetic and Chemical Assessment of the UV/H2O2 Treatment of Antiepileptic Drug Carbamazepine.光化层54岁,497 - 505。doi: 10.1016 / s0045 - 6535 (03) 00757 - 4
Volker, J。,Stapf, M., Miehe, U., and Wagner, M. (2019). Systematic Review of Toxicity Removal by Advanced Wastewater Treatment Technologies via Ozonation and Activated Carbon.环绕。科学。抛光工艺。53岁,7215 - 7233。doi: 10.1021 / acs.est.9b00570
温特,e . C。,Rosario-Ortiz, F. L., and Snyder, S. A. (2009). Effect of Ozone Exposure on the Oxidation of Trace Organic Contaminants in Wastewater.水Res。43岁,1005 - 1014。doi: 10.1016 / j.watres.2008.11.050
Yacouba, z。Mendret, J。勒,G。,Zaviska, F., and Brosillon, S. (2021). Removal of Organic Micropollutants from Domestic Wastewater: The Effect of Ozone-Based Advanced Oxidation Process on Nanofiltration.Eng j .水过程。101869年39岁。doi: 10.1016 / j.jwpe.2020.101869
Yu, W。,liu, T., Crawshaw, J., Liu, T., and Graham, N. (2018). Ultrafiltration and Nanofiltration Membrane Fouling by Natural Organic Matter: Mechanisms and Mitigation by Pre-ozonation and pH.水Res。139年,353 - 362。doi: 10.1016 / j.watres.2018.04.025
关键词:废水重用、纳滤、臭氧化、有机微量污染物,副产品,急性毒性
引用:Yacouba咱,Lesage G, Mendret J, Zaviska F,小E和Brosillon年代(2021)命运和卡马西平及其降解毒性副产品在耦合的臭氧化和城市废水纳滤重用。前面。环绕。化学。2:798785。doi: 10.3389 / fenvc.2021.798785
收到:2021年10月20日;接受:2021年11月18日;
发表:2021年12月09年。
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*通信:j . Mendretjulie.mendret@umontpellier.fr