BPA performance (TOC, BOD and toxicity) during photo-Fenton reaction

Abstract

This project was a part of the author's four months Erasmus+ exchange studies at Universitat Politècnica de Catalunya Barcelonatech (UPC, Spain) via Lahti University of Applied Sciences (Lahti UAS, Finland). The project was carried out in the chemical engineering department of UPC at the College of Industrial Engineering of Barcelona (EUETIB) under the guidance of professor Montserrat Pérez-Moya. Previously in 2013, in EUETIB, Marina Navarro had studied the effects of the photo-Fenton process on bisfenol-A (BPA). This study was implemented based on Navarro's results.

BPA is a chemical used in plastic production. It is considered as an endocrine interrupter, although research results about the health risks of BPA are under scientific debate. Advanced oxidation processes (AOPs) are methods to treat wastewater, photo-Fenton reaction being one of them. In the photo-Fenton reaction, hydrogen peroxide and iron(II) are used as reagents together with UV- light irradiation. Based on previous studies, the by-products which appear during the photo-Fenton process, may be even more toxic than BPA itself, effecting on wastewater treatment systems. In this study, the main idea was to evaluate the evolution of toxicity during the photo-Fenton process, and to study the biodegradability of BPA and the end products of the photo-Fenton process.

The theory part presents the latest information about BPA according to the recent risk assessment of the EU. Chapter 3 includes the analytical and Chapter 4 the experimental methods. The concentrations of reagents being variables with BPA concentration of 30mg/L, preliminary experiments and 14 experiments were implemented. TOC, H2O2 and toxicity were analyzed during the experiments and BOD5 from the BPA solutions and the end products of the experiments. Biodegradability was evaluated using the BOD/COD ratio.

As a conclusion, a mineralization rate of over 80% was achieved, when the H2O2 concentration was 100.63 mg/L and at least 4mg/L Fe(II) was used. BPA of 30 mg/L was found not biodegradable, 20 mg/L was partially biodegradable and the lower concentrations were totally biodegradable. After the photo-Fenton treatment, all the solutions were at least partially biodegradable. The results seem to indicate that in such low concentrations neither BPA nor the by-products were toxic for the bacteria, but were used as a source of aliment instead. LD50 of BPA for this bacteria was 40000 mg/L. The used method for toxicity analysis was viewed critically. Because of the different effects due to the bacteria strain used, cautiousness is needed if both biodegradability and toxicity are evaluated based on bacterial methods. Combining AOPs and biodegradation could be one solution for the removal of pollutants, such as BPA, from the wastewater, which requires further studies.

Tämä projekti on toteutettu osana Lahden ammattikorkeakoulun (LAMK) Master-tutkintoon liittyvää kolmen kuukauden Erasmus+ -vaihto-opiskelua Espanjassa (Universitat Politècnica de Catalunya Barcelonatech, UPC). Projekti tehtiin UPC:n kemiantekniikan laitoksella professori Montserrat Pérez-Moyan ohjaamana (College of Industrial Engineering of Barcelona, EUETIB). Vuonna 2013 Marina Navarro oli tutkinut EUETIB:ssa photo-Fenton- reaktion vaikutusta bisfenoli-A:han (BPA). Tämä tutkimus perustuu Navarron tuloksiin ja on jatkoa aiempaan projektiin.

BPA on muoviteollisuudessa käytetty hormonitoimintaa häiritsevä yhdiste, vaikkakaan BPA:n terveyshaitoista tehtyjen tutkimusten tuloksista ei olla yksimielisiä. Jäteveden puhdistamisessa käytetyistä AOP-menetelmistä (Advanced Oxidation Process) tutkittavana oli photo-Fenton reaktio. Photo-Fenton reaktiossa vetyperoksidi ja rauta(II) reagoivat UV-säteilyn kanssa. Aiemmat tutkimukset osoittavat, että reaktion aikana muodostuvat sivutuotteet voivat olla jopa haitallisempia kuin BPA itsessään. Tämän tutkimuksen päätarkoituksena on arvioida toksisuuden muuttumista photo-Fenton reaktion aikana sekä tutkia BPA:n ja photo-Fenton reaktion lopputuotteen biohajoavuutta.

Teoriaosuudessa on kerrottu viimeisimmistä EU:n riskinarvioinnista ja luokittelusta BPA:ta koskien sekä esitetty taustaa tutkimukselle. Analyyttiset menetelmät on esitelty kappaleessa 3 ja kokeellinen tutkimusmenetelmä kappaleessa 4. Alustavat photo-Fenton-kokeet sekä 14 varsinaista koetta toteutettiin BPA-liuoksella (30 mg/L), missä reagenssien pitoisuudet olivat muuttujina. TOC, H2O2 ja toksisuus analysoitiin kokeen aikana otetuista näytteistä ja BOD5 BPA-liuoksista sekä kokeen lopputuotteesta. Biohajoavuutta arvioitiin BOD/COD-suhteella.

Tutkimuksessa havaittiin, että yli 80% mineralisaatio saavutettiin käyttämällä photo-Fenton reaktiossa 100.63mg/L H2O2 ja vähintään 4mg/L Fe(II). 30 mg/L-pitoinen BPA-liuos määritettiin biohajoamattomaksi, 20 mg/L osittain biohajoavaksi ja sitä matalammat pitoisuudet täysin biohajoaviksi. Photo-Fenton reaktiolla käsitellyt näyteliuokset olivat kaikki vähintäänkin osittain biohajoavia. Tulosten mukaan tämän tutkimuksen verrattain alhaiset BPA:n ja sivutuotteiden pitoisuudet eivät olleet toksisia käytetyille bakteereille, vaan päinvastoin bakteerit pystyivät käyttämään niitä ravintona. Käytetyille bakteereille BPA:n LD50 -arvon todettiin olevan 40000 mg/L.

Toksisuuden määrittämiseen käytettyä menetelmää on tarkasteltu kriittisesti. Vaikutukset bakteereihin eroavat huomattavasti eri bakteerikannoilla. Kantojen väliset eroavaisuudet voivat vääristää tuloksia, joten tulosten soveltamisessa tulee olla varovainen kun arvioidaan sekä biohajoavuutta että toksisuutta bakteereja hyödyntäen. AOP-menetelmien ja bakteerien avulla tapahtuvan biohajottamisen yhdistämistä voi pitää varteenotettavana mahdollisuutena BPA:n kaltaisten aineiden poistamiseksi jätevedestä. Menetelmien optimointi on kiinnostava tutkimusaihe niin BPA:n kuin muidenkin haitallisten orgaanisten aineiden poistamiseksi jätevedestä.