Pulp and paper mill effluent toxicity before and after treatment with engineered nanomaterials and ash

Abstract

The continued growth of the population and industrialization results in the production of large quantities of toxic effluents containing various contaminants. This type of wastewater is often discharged into aquatic systems after being treated. Unless efficient treatment is applied, treated wastewater can pose a threat to aquatic organisms, flora, fauna and human health. Consequently, the application of an effective treatment technique in the treatment of wastewater is of great importance. In order to assess the growth of research in the field of toxicity of industrial effluents and biosolids, a scientometric analysis was carried out using the relevant keywords in the main collection of the Web of Science. In this analysis, the analyzed documents were evaluated according to their scientometric criteria. The results obtained in this regard demonstrate that, despite a relatively long investigation carried out in this field between 1951 and 2018, only 944 documents were published, denoting the need for greater collaboration between industries and scientific communities to reduce uncertainties and risks, and barriers that hinder the growth of research in this area. In addition, the scarcity of relevant regulations and legislation to minimize the negative impacts of industrial effluents was also marked by this analysis. In addition, within the scope of this dissertation, the toxicity assessment of an effluent from a paper and cellulose factory supplied by a Portuguese industry was carried out before and after treatment, using Daphnia magna as a model species and the acute immobilization test. The analysis previously carried out on this effluent revealed extreme toxicity and, therefore, several treatments were applied with iron-based nanomaterials and ashes supplied by the effluent producing industry. Before the effluent toxicity analysis, the treatment additives were analyzed for their toxicity through their application to the ASTM medium, the culture solution used in the cultures and as a negative control in D. magna. Then, the best sequence of additives was applied to the effluent and the toxicity of the treated effluent was evaluated. The results obtained in this regard showed that, although the treatment can effectively reduce environmental impacts by inducing chemical corrections, the treatment did not produce a considerable reduction in the effluent toxicity for D. magna. Therefore, further research is needed on a possible effective treatment for these industrial wastewaters, both from a chemical and ecotoxicological point of view. This study is in line with the 2030 Sustainable Development Goals assigned by the United Nations in relation to waste reduction, pollution and the need to achieve a sustainable environment.

O crescimento contínuo da população e da industrialização resulta na produção de grandes quantidades de efluentes tóxicos contendo vários contaminantes. Este tipo de águas residuais é frequentemente descarregado em sistemas aquáticos depois de ser tratado. A menos que um tratamento eficiente seja aplicado, as águas residuais tratadas podem representar uma ameaça para organismos aquáticos, flora, fauna e para a saúde humana. Consequentemente, a aplicação de uma técnica de tratamento eficaz no tratamento das águas residuais é de grande importância. De modo a avaiar o crescimento da investigação no campo da toxicidade de efluentes industriais e biosólidos, uma análise cientométrica foi realizada empregando as palavras-chave relevantes na coleção principal do Web of Science. Nesta análise, os documentos analisados foram avaliados quanto aos seus critérios cientométricos. Os resultados obtidos nesse sentido demonstram que, apesar da uma relativa longa investigação realizada neste campo entre 1951 a 2018, apenas 944 documentos foram publicados, denotando a necessidade de haver uma maior colaboração entre indústrias e comunidades científicas para reduzir as incertezas e os riscos, as barreiras que impedem o crescimento de pesquisas nessa área. Além disso, a escassez dos regulamentos e legislação relevantes para minimizar os impactos negativos dos efluentes industriais também foi marcada por essa análise. Além disso, no âmbito desta dissertação, foi efetuada a avaliação da toxicidade de um efluente de uma fábrica de papel e celulose fornecido por uma indústria portuguesa antes e após o tratamento, usando Daphnia magna como espécie modelo e o teste agudo de imobilização. A análise realizada anteriormente sobre esse efluente revelou uma extrema toxicidade e, portanto, vários tratamentos foram aplicados com nanomateriais à base de ferro e cinzas fornecidos pela indústria produtora do efluente. Antes da análise de toxicidade do efluente, os aditivos de tratamento foram analisados quanto à sua toxicidade através da sua aplicação ao meio ASTM, a solução de cultura utilizada nas culturas e como controlo negativo em D. magna. Em seguida, a melhor sequência dos aditivos foi aplicada ao efluente e a toxicidade do efluente tratado avaliada. Os resultados obtidos nesse sentido demonstraram que, embora o tratamento possa efetivamente reduzir os impactos ambientais ao induzir correções químicas, o tratamento não produziu uma considerável redução da toxicidade do efluente para D. magna. Portanto, é ainda necessário mais investigação sobre um possível tratamento eficaz para estas a´guas residuais industriais, tanto do ponto de vista químico quanto ecotoxicológico. Este estudo está alinhado com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável 2030 atribuídos pelas Nações Unidas em relação à redução de resíduos, poluição e a necessidade de alcançar um ambiente sustentável.