Biodegradation of Nonylphenol Ethoxylate Surfactants in Biofilm Reactors

Abstract

The primary degradation of a technical nonylphenol ethoxylate surfactant with an average chain length of 10 ethoxylate units (NPEO-10) was studied in a flow-through system by means of miniaturized biofilm reactors (mBFR) with bacteria from an activated sludge plant. 5 mg/L of the test compound (total EO concentration) were spiked in synthetic wastewater (SWW) and fed to the reactors continuously for 64 days. Compound removal and the formation of degradation products (DP) were monitored under both oxic and anoxic conditions. Solid-phase extraction and RP-HPLC with fluorescence detection were employed for sample preparation and analysis. Better removal of the parent compound was seen with the oxic reactors (50 to 70%) than with the anoxic reactors (30 to 50%). Compared to SWW organic matter, the test compound proved to be of refractory nature. The appearance of degradation products in the effluent was earlier with anoxic reactors despite their lower elimination efficiency. After extraction of biomass only minor amounts of NPEO-10 and metabolites were found, indicating that small amounts were present in adsorbed or intracellular form. Ultimate biodegradation of NPEO-10 and of octylphenol ethoxylates (OPEO-9.5; average chain length of 9.5 EO units) was tested by means of manometric respirometry at a theoretical oxygen demand (ThOD) of 100 mg/L. Whereas NPEO-10 was biodegraded by only 26%, at best, in 28 days, OPEO-9.5 degradation amounted to (40 ± 5)%. Biologischer Abbau von Nonylphenolethoxylaten in Biofilmreaktoren Der Primarabbau eines technischen Nonylphenolethoxylat-Gemisches mit einer durchschnittlichen Kettenlange von 10 Ethoxygruppen (NPEO-10) wurde unter Verwendung von miniaturisierten Biofilmreaktoren (mBFR) untersucht. Die Reaktoren wurden mit Biomasse aus der Belebungsstufe einer kommunalen Klaranlage inokuliert und als Durchfluss-Testsystem uber eine Dauer von 64 Tagen betrieben. Die Konzentration an NPEO-10 betrug 5 mg/L (Gesamtkonzentration aller Ethoxylate) in einer Matrix aus synthetischem Abwasser. Die Elimination der Testsubstanz sowie die Bildung von Abbauprodukten wurde unter oxischen und anoxischen Bedingungen untersucht. Als analytische Methoden wurden Festphasenextraktion und RP-HPLC mit Fluoreszenzdetektion eingesetzt. In den oxischen Reaktoren (50…70% Elimination) konnte eine bessere NPEO-10-Elimination erreicht werden als in den anoxischen Reaktoren (30…50% Elimination). Die Testsubstanz erwies sich als refraktarer gegenuber biologischem Abbau als die organische Substanz des synthetischen Abwassers. Trotz der geringeren Eliminationsleistung der anoxischen Reaktoren wurden dort fruher Abbauprodukte im Reaktorablauf beobachtet als in den oxischen mBFR. Nach Extraktion der Biomasse der Testreaktoren konnten nur geringe Mengen an NPEO-10 und Abbauprodukten gefunden werden, was zeigte, dass nur ein kleiner Teil in adsorbierter oder intrazellularer Form vorlag. In einem geschlossenen Respirometer wurde die vollstandige biologische Abbaubarkeit von NPEO-10 sowie eines Octylphenolethoxylat-Gemisches (OPEO-9.5; durchschnittliche Kettenlange von 9.5 Ethoxygruppen) bei einem theoretischen Sauerstoffbedarf (ThOD) von 100 mg/L untersucht. Wahrend NPEO-10 nur zu maximal 26% des ThOD abgebaut wurde, wurde fur OPEO-9.5 ein Abbau von (40 ± 5)% erreicht.