Gli ingegneri degli impianti di riciclaggio delle acque reflue possono stare tranquilli sapendo che i loro metodi per ridurre al minimo la formazione di un potente cancerogeno mirano al composto chimico giusto.
Professore assistente della USC Viterbi Daniel McCurry, la studentessa universitaria Meredith Huang e la studentessa magistrale Shiyang Huang hanno confermato la sostanza chimica responsabile della formazione del cancerogeno N-nitrosodimetilalmina, o NDMA, nelle acque reflue riciclate. Hanno iniziato il loro studio dopo che sono emersi risultati contraddittori nella comunità di ricerca ambientale, causando esitazione nell'adozione di metodi di intervento NDMA presso le strutture di trattamento. Il loro lavoro è stato pubblicato in Lettere di scienze e tecnologie ambientali come lo studio di copertina di marzo.
"La recente siccità in California e la conseguente vulnerabilità dell'acqua hanno aumentato l'interesse per il riciclaggio dell'acqua, " disse Meredith Huang, primo autore dello studio. "Però, sottoprodotti di disinfezione come NDMA, formato nel processo di trattamento delle acque reflue, sono dannosi per l'uomo e introducono alcuni problemi quando l'obiettivo è il ri-consumo".
Alla fine degli anni '90, alte concentrazioni di NDMA sono state trovate in quelle che altrimenti sarebbero acque reflue riciclate estremamente pulite, che nella maggior parte degli stati viene scaricata nei fiumi che vengono utilizzati come fonti di acqua potabile. Questa scoperta ha dato il via a uno sforzo di ricerca lungo anni da parte di diversi laboratori per capire come si stava formando il composto chimico dannoso.
"La concentrazione di NDMA di cui siamo preoccupati è molto, molto basso, " ha detto McCurry, che lavora presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Sonny Astani. "A differenza di molti inquinanti organici nell'acqua potabile, dove il limite normativo può essere dell'ordine dei microgrammi per litro, per NDMA, la linea guida normativa in molti luoghi varia da 10 nanogrammi per litro a 100 nanogrammi per litro. Così, da tre a quattro ordini di grandezza inferiori in concentrazione perché è solo un cancerogeno super potente".
La maggior parte delle acque reflue riciclate che verranno utilizzate come acqua potabile attraverso un processo noto come riutilizzo potabile, prima entra nel terreno prima di andare in un impianto di acqua potabile. Il suolo funge da filtro, rimozione di sostanze chimiche e degradazione di composti nocivi come l'NDMA. Ma l'alto costo del pompaggio dell'acqua dentro e fuori il terreno ha portato a un maggiore interesse per il riutilizzo potabile diretto, dove le acque reflue riciclate vanno direttamente a un impianto di acqua potabile.
"L'NDMA è uno dei principali ostacoli al riutilizzo diretto dei potabili perché è davvero difficile sbarazzarsi dei processi di trattamento tradizionali accurati, “Ha detto McCurry. È invece più facile ed economico abbassare le concentrazioni di NDMA eliminando le molecole responsabili della sua formazione.
Originariamente, i ricercatori hanno scoperto che l'NDMA è il risultato della fase di clorazione del processo di trattamento delle acque reflue riciclate. Nello specifico, diclorammina, un componente minore della miscela di cloro, provoca la formazione di NDMA. Questi risultati hanno portato gli impianti di trattamento a iniziare a manipolare la chimica del cloro per abbassare le concentrazioni di diclorammina e, in definitiva, ridurre la formazione di NDMA.
Però, i ricercatori erano ancora incerti su cosa stesse reagendo la diclorammina per formare NDMA fino a cinque anni fa, quando i ricercatori di Toronto hanno scoperto che alcuni prodotti farmaceutici, come l'antiacido Zantac, può formare NDMA quando clorurato in condizioni simili alle acque reflue. Successivamente, altri ricercatori hanno iniziato a esaminare il meccanismo di formazione da sostanze chimiche simili a Zantac.
"Hanno deciso che era la monoclorammina la responsabile, contrariamente a diversi studi pratici che dimostrano che ridurre al minimo la diclorammina nelle acque reflue riciclate riduce al minimo la formazione di NDMA, " McCurry ha detto. "Sono giunti alla conclusione sbagliata perché la monoclorammina e la diclorammina sono interconvertibili. Così, sperimentalmente, è piuttosto difficile separarli."
Con questo in testa, McCurry e il suo team hanno progettato con cura il loro esperimento per evitare conversioni tra le due molecole utilizzando dosi molto più basse. Quindi, applicando sistematicamente una gamma di dosi di monocloramina e diclorammina ai precursori farmaceutici, sono stati in grado di determinare quale molecola era la causa principale della formazione di NDMA.
I risultati
Per verificare il loro approccio, hanno usato per la prima volta una molecola precursore con una reazione ben nota, dimetilammina, e hanno confrontato i loro risultati sperimentali con quelli di un programma di modellazione al computer prima di testare gli altri quattro precursori. Il modello, che non include una reazione da monoclorammina e dimetilammina a NDMA, hanno abbinato i loro risultati sperimentali e hanno dimostrato che la formazione di NDMA dalla monoclorammina non esiste o non è importante.
"Il nostro documento ha dimostrato che la diclorammina è responsabile della formazione di NDMA da questi precursori di derivazione farmaceutica. E siamo stati in grado di vedere che si ottiene sempre più NDMA man mano che si aumenta la monoclorammina, ma è solo perché la monocloramina diventa diclorammina, " disse McCurry. "Allora, i nostri risultati dal lavoro di chimica fondamentale supportano l'osservazione pratica che ridurre al minimo la diclorammina riduce al minimo la formazione di NDMA".
Mentre il loro studio conferma l'identità del composto responsabile della formazione di NDMA e incoraggia gli impianti di trattamento a continuare a implementare metodi di intervento, il loro lavoro è lungi dall'essere completo. Shiyang Huang sta attualmente lavorando a un modello che mostrerà in dettaglio il meccanismo completo di formazione dell'NDMA.
"I nostri risultati si basano su esperimenti di resa dell'NDMA che considerano solo i prodotti finali delle reazioni. Il percorso esatto dai precursori all'NDMA non è stato ancora scoperto, " ha detto Shiyang Huang. "Comprendere il meccanismo completo ci darebbe maggiori informazioni per spiegare quale fattore - pH, temperatura, altre sostanze chimiche - influenzerebbero in pratica la formazione di NDMA."
