Remediation of P-rich eutrophic water using anionic nanoclays

Abstract

Eutrophication of water bodies is a common phenomenon resulting from the surplus of inorganic nutrients, usually related to anthropogenic activities, such as, agriculture, sewage discharges, mining, overconsumption, among others. Recent efforts to control and remediate eutrophication processes include the use of green nanotechnology. Zn-Al layered double hydroxides (LDH) are non toxic hydrotalcite-like anionic nanoclays that can exchange the stabilizer anion by others that can be present in the water, such as phosphates. Therefore, the present study aimed to assess the efficacy of Zn-Al LDH-NO3 as a low toxic adsorbent for the remediation of P-rich water bodies (benchmarked with calcined LDH). For this purpose, three concentrations of LDHs (5, 50 and 500 mg/L) were added to P-rich solutions mimicking the maximum recommended concentration of phosphorus on drinking water (0.4 mg P/L) and wastewater (10 mg P/L), according to the Portuguese legislation (DL 236/98) and to water collected from an eutrophic artificial lake (Aveiro, Portugal), simulating a real scenario. Nitrates and phosphates were periodically measured to evaluate the nanomaterial capacity to remove phosphates’ content for a period of 7 days. The remediation efficacy was also assessed in terms of the toxicity of remediated water at the end of the remediation period through growth inhibition tests using the freshwater microalgae Raphidocelis subcapitata. Tested materials showed a great efficacy on the removal of phosphates, in all tested media. Overall, the higher the LDH tested concentration, the higher the speed on P removal, the higher the nitrates released (below the recommended threshold for drinking water, 25 mg/L) and the higher the growth inhibition effects on the green microalgae R. subcapitata. The intercalation of phosphates was confirmed through X-ray diffraction (XRD). In conclusion, the results suggest that Zn-Al LDH-NO3 is a technological and environmentally friendly promising solution for phosphates remediation, preferably if used for very short-periods (e.g. the addition of 500 mg LDH/L into the solution of 10 mg P/L removes 99.9% of the P in just 5 minutes, releasing only 6 mg NO3/L).

A eutrofização de corpos de água é um fenómeno comum resultante da disponibilidade de nutrientes inorgânicos, normalmente relacionada com atividades antropogénicas, tais como agricultura, descargas de esgoto, mineração, indústria, entre outros. Os recentes esforços para controlar e remediar o processo de eutrofização incluem a utilização da nanotecnologia. Os hidróxidos duplos lamelares (LDH) de Zn-Al são nanoargilas aniónicas não tóxicas que conseguem trocar o anião estabilizador por outros que podem estar presentes na água, como é o caso do fosfato. Deste modo, o presente estudo teve como objetivo avaliar a eficácia do Zn-Al LDH-NO3 como um adsorvente de baixa toxicidade para a remediação de massas de água ricas em P, comparativamente a um material de referência: LDH calcinado. Para tal, três concentrações de LDH (5, 50 e 500 mg/L) foram adicionados a soluções que mimetizaram a concentração de fosfato máxima recomendada em água potável (0.4 mg P/L) e água de ETAR (10 mg P/L), de acordo com a legislação Portuguesa (DL 236/98), e ainda a água recolhida de um lago artificial eutrofizado (Aveiro, Portugal), num cenário real. Os nitratos e fosfatos foram medidos periodicamente de forma a avaliar a capacidade do nanomaterial remover o conteúdo de fosfato durante um período de 7 dias. A eficácia da remediação aos 7 dias foi igualmente avaliada em termos da toxicidade da água remediada através de testes de inibição de crescimento da microalga de água doce Raphidocelis subcapitata. Os materiais testados demonstraram uma grande eficiência na remoção de fosfatos, em todos os meios testados. No geral, quanto maior a concentração de LDH, maior a velocidade de remoção de P, maior a quantidade de nitratos libertados (inferior ao limite para água potável: 25 mg NO3/L) e maior são os efeitos de inibição de crescimento na microalga R. subcapitata. A intercalação de fosfatos foi confirmada através da difração de raio-X (DRX). Em conclusão, os resultados sugerem que Zn-Al LDH-NO3 é uma solução nanotecnológica ambientalmente promissora para a remediação de P, preferencialmente se utilizada durante curtos períodos de tempo (p.e. a adição de 500 mg LDH/L na solução de 10 mg P/L removeu 99.9% de P em apenas 5 minutos, libertando apenas 6 mg NO3/L).