Plósz, B.G., Langford, K.H., Thomas, K.V. (2012). An activated sludge modeling framework for xenobiotic trace chemicals (ASM-X): Assessment of  diclofenac and carbamazepine Biotechnology and Bioengineering 109(11), 2757–2769. (link)

 

Título

An activated sludge modeling framework for xenobiotic trace chemicals (ASM-X): Assessment of diclofenac and carbamazepine

(Uma estrutura de modelagem de lodo ativado para produtos químicos xenobióticos (ASM-X): Avaliação de diclofenaco e carbamazepina)

 

Resumo

Conventional models for predicting the fate of xenobiotic organic trace chemicals, identified, and calibrated using data obtained in batch experiments spiked with reference substances, can be limited in predicting xenobiotic removal in wastewater treatment plants (WWTPs). At stake is the level of model complexity required to adequately describe a general theory of xenobiotic removal in WWTPs. In this article, we assess the factors that influence the removal of diclofenac and carbamazepine in activated sludge, and evaluate the complexity required for the model to effectively predict their removal. The results are generalized to previously published cases. Batch experimental results, obtained under anoxic and aerobic conditions, were used to identify extensions to, and to estimate parameter values of the activated sludge modeling framework for Xenobiotic trace chemicals (ASM-X). Measurement and simulation results obtained in the batch experiments, spiked with the diclofenac and carbamazepine content of preclarified municipal wastewater shows comparably high biotransformation rates in the presence of growth substrates. Forward dynamic simulations were performed using full-scale data obtained from Bekkelaget WWTP (Oslo, Norway) to evaluate the model and to estimate the level of re-transformable xenobiotics present in the influent. The results obtained in this study demonstrate that xenobiotic loading conditions can significantly influence the removal capacity of WWTPs. We show that the trace chemical retransformation in upstream sewer pipes can introduce considerable error in assessing the removal efficiency of a WWTP, based only on parent compound concentration measurements. The combination of our data with those from the literature shows that solids retention time (SRT) can enhance the biotransformation of diclofenac, which was not the case for carbamazepine. Model approximation of the xenobiotic concentration, detected in the solid phase, suggest that between approximately 1% and 16% of the total solid carbamazepine and diclofenac concentrations, respectively, is due to sorption—the remainder being non-bioavailable and sequestered. We demonstrate the effectiveness of the model’s predictive power over conventional tools in a statistical analysis, performed at four levels of structural complexity. To assess WWTP retrofitting needs to remove xenobiotic trace chemicals, we suggest using mechanistic models, e.g., ASM-X, in regional risk assessments. For preliminary evaluations, we present operating charts that can be used to estimate average xenobiotic removal rates in WWTPs as a function of SRT and the xenobiotics mass loads normalised to design treatment capacity. Biotechnol. Bioeng. 2012; 109: 2757–2769. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

 

TRADUÇÃO LIVRE

Modelos convencionais para prever o destino de traços químicos orgânicos xenobióticos, identificados e calibrados usando dados obtidos em experimentos em lote enriquecidos com substâncias de referência, podem ser limitados na previsão da remoção de xenobióticos em estações de tratamento de águas residuais (ETEs). O que está em jogo é o nível de complexidade do modelo necessário para descrever adequadamente uma teoria geral de remoção de xenobióticos em ETEs. Neste artigo, avaliamos os fatores que influenciam a remoção de diclofenaco e carbamazepina em lodos ativados e avaliamos a complexidade necessária para o modelo prever efetivamente sua remoção. Os resultados são generalizados para casos publicados anteriormente. Resultados experimentais em lote, obtidos em condições anóxicas e aeróbicas, foram usados ​​para identificar extensões para, e estimar os valores dos parâmetros da estrutura de modelagem de lodo ativado para traços de produtos químicos xenobióticos (ASM-X). Os resultados de medição e simulação obtidos nos experimentos em lote, enriquecidos com o teor de diclofenaco e carbamazepina de águas residuais municipais pré-clarificadas, mostram taxas de biotransformação comparativamente altas na presença de substratos de crescimento. Simulações dinâmicas diretas foram realizadas usando dados em escala real obtidos de Bekkelaget WWTP (Oslo, Noruega) para avaliar o modelo e estimar o nível de xenobióticos retransformáveis ​​presentes no afluente. Os resultados obtidos neste estudo demonstram que as condições de carregamento de xenobióticos podem influenciar significativamente a capacidade de remoção das ETEs. Mostramos que a retransformação de traços químicos em tubulações de esgoto a montante pode introduzir erros consideráveis ​​na avaliação da eficiência de remoção de uma ETE, com base apenas nas medições de concentração do composto original. A combinação de nossos dados com os da literatura mostra que o tempo de retenção de sólidos (SRT) pode aumentar a biotransformação do diclofenaco, o que não foi o caso da carbamazepina. A aproximação do modelo da concentração de xenobiótico, detectada na fase sólida, sugere que entre aproximadamente 1% e 16% das concentrações sólidas totais de carbamazepina e diclofenaco, respectivamente, é devido à sorção – o restante sendo não biodisponível e sequestrado. Demonstramos a eficácia do poder preditivo do modelo sobre ferramentas convencionais em uma análise estatística, realizada em quatro níveis de complexidade estrutural. Para avaliar as necessidades de adaptação de WWTP para remover vestígios de produtos químicos xenobióticos, sugerimos o uso de modelos mecanísticos, por exemplo, ASM-X, em avaliações de risco regionais. Para avaliações preliminares, apresentamos gráficos operacionais que podem ser usados ​​para estimar as taxas médias de remoção de xenobióticos em ETEs em função do SRT e das cargas mássicas de xenobióticos normalizadas para dimensionar a capacidade de tratamento. Biotecnologia. Bioeng. 2012; 109: 2757–2769. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

 

Artigo publicado no site Wiley Online Library,  no Journal Biotechnology & Bioengineering.