Titanium (Ti) occurs naturally in soils and as highly purified titanium dioxide (TiO2) in many commercial products that have been used for decades. We report for the first time the occurrence, characterization, and removal of nano- and larger-sized Ti at wastewater treatment plants (WWTPs). At one WWTP studied in detail, raw sewage contained 100 to nearly 3000 μg Ti/L. Ti larger than 0.7 μm accounted for the majority of the Ti in raw sewage, and this fraction was well removed by WWTP processes. Ti concentrations in effluents from this and several other WWTPs ranged from <5 to 15 μg/L and were nearly all present in the <0.7 μm size fraction. As Ti was removed, it accumulated in settled solids at concentrations ranging from 1 to 6 μg Ti/mg. Ti-containing solids were imaged in sewage, biosolids, and liquid effluent as well as in commercial products containing engineered TiO2. Single nanoparticles plus spherical aggregates (50 nm to a few hundred nanometer in size) composed of sub-50 nm spheres of Ti and oxygen only (presumably TiO2) were observed in all samples. Significantly larger silicate particles containing a mixture of Ti and other metal atoms were also observed in the samples. To support the field work, laboratory adsorption batch and sequencing batch reactor experiments using TiO2 and activated sludge bacteria verified that adsorption of TiO2 onto activated sludge biomass occurs. Monitoring for TiO2 in the environment where WWTP liquid effluent is discharged (rivers, lakes, oceans) or biomass disposed (landfills, agriculture and soil amendments, incinerator off-gas or residuals) will increase our knowledge on the fate and transport of other nanomaterials in the environment.

Titanium dioxide nanoparticles increasingly will be used in commercial products and have a high likelihood of entering municipal sewage that flows to centralized wastewater treatment plants (WWTPs). Treated water (effluent) from WWTPs flows into rivers and lakes where nanoparticles may pose an ecological risk. To provide exposure data for risk assessment, titanium concentrations in raw sewage and treated effluent were determined for 10 representative WWTPs that use a range of unit processes. Raw sewage titanium concentrations ranged from 181 to 1233 µg L−1 (median of 26 samples was 321 µg L−1). The WWTPs removed more than 96% of the influent titanium, and all WWTPs had effluent titanium concentrations of less than 25 µg L−1. To characterize the morphology and presence of titanium oxide nanoparticles in the effluent, colloidal materials were isolated via rota-evaporation, dialysis and lyophilization. High resolution transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray analysis indicated the presence of spherical titanium oxide nanoparticles (crystalline and amorphous) on the order of 4 to 30 nm in diameter in WWTP effluents. This research provides clear evidence that some nanoscale particles will pass through WWTPs and enter aquatic systems and offers a methodological framework for collecting and analyzing titanium-based nanomaterials in complex wastewater matrices.