Oxydation biologique et chimique à l’ozone des micropolluants émergents en station d’épuration

National audiencePharmaceuticals are found in significant quantities in municipal wastewater, probably because of their incomplete biotransformation by human or animal metabolization. They are not completely eliminated through conventional wastewater treatment and are subsequently released into the aquatic environment. More advanced treatment is required for the effective reduction of the quantity of pharmaceuticals entering the environment. Among the available technical treatments, tertiary ozonation has proved an economically feasible and highly effectivewayof removing awide range of contaminants. Like other oxidative treatments, ozonation leads to major changes in the water composition. Consequently, it is important to evaluate the toxic potential of the treated effluent through relevant ecotoxicological end points.This pilot study took place at the Bellecombe WWTP (France). A mixture of municipal and hospital wastewater was treated by conventional activated sludge (CAS) followed by tertiary ozonation at three transferred ozone doses ranging from 0.45 to 2.30 mg O3/mg DOC with a hydraulic contact time of 5 minutes. To characterize the removal efficiencies of both CAS and CAS with tertiary ozonation, 12 pharmaceuticals were tested. Endocrine disruption tests were conducted to assess the toxic potential of the effluents.The overall elimination yields achieved by CAS were 48% with a high standard deviation (above 18%). The addition of tertiary ozonation greatly improved the global removal to 92% (+/- 4%) for an average transferred ozone dose of 0.45 mg O3/mg DOC. Increasing the ozone dose to 1.30 mg O3/mg DOC significantly enhanced the removal of the pharmaceuticals, with kO3 below 105 M-1.s-1. In addition, estrogenic, androgenic, and glucocorticoid endocrine disruption were all reduced in the ozonation stage.Ozonation proved to be highly effective in removing pharmaceuticals at low ozone doses, while simultaneously reducing the potential of endocrine disruption activities compared with biological treatment by conventional activated sludge.L’effet induit par la présence des micropolluants dans l’eau sur l’environnement et les organismes est devenu une préoccupation grandissante intégrée au cycle de l’eau. Les résidus de médicaments sont particulièrement concernés compte tenu de leur usage élargi et de la fréquence de quantification élevée dans les eaux résiduaires que cela génère. Différentes voies sont identifiées pour réduire les émissions des flux rejetés vers les milieux naturels et l’une d’entre elles peut s’appuyer sur le traitement en station d’épuration urbaine (STEU), grâce à leur place stratégique en tant que point de collecte et de restitution des eaux traitées. Des traitements complémentaires ont été caractérisés et sont nécessaires pour stabiliser et accroître les performances des systèmes biologiques actuels. L’ozonation a démontré des performances élevées de traitement sur un large nombre de composés émergents tout en étant économiquement viable. Comme tout traitement d’oxydation, y compris biologique, elle provoque des changements structurels qui peuvent donner lieu à des composés de transformation ou des sous-produits d’oxydation. Il est ainsi nécessaire d’évaluer les possibles effets générés par les effluents traités en termes de toxicité. Dans le cadre de l’observatoire SIPIBEL, les performances de traitement de 12 composés émergents par traitement biologique conventionnel à boues activées (BA) et par ozonation tertiaire ont été étudiées. L’étude a été réalisée à l’échelle pilote à partir des effluents mixtes urbains et hospitaliers de la STEU de Bellecombe en Haute-Savoie, France. Le traitement par BA est opéré pour traiter la pollution carbonée et l’azote par nitrification totale. L’ozonation tertiaire a été réalisée en utilisant trois doses spécifiques d’ozone transféré exprimées par rapport à la concentration en COD de l’eau traitée secondaire (0,45, 1,30 et 2,30 mg O3/mg COD) et un temps de contact hydraulique de cinq minutes. Le potentiel de perturbation endocrinienne des effluents sur les activités estrogéniques, glucocorticoïdiques et androgéniques a été évalué avec une batterie de tests cellulaires in vitro dédiés. Les abattements quantifiés sur le traitement par BA pour dix micropolluants quantifiés (carbamazépine, sulfaméthoxazole, acide salicylique, ibuprofène, paracétamol, diclofénac, kétoprofène, éconazole, aténolol, propranol) confirment la variabilité importante et les performances réduites de ce système avec un rendement moyen de 48 % (±18 %). L’abattement du système à BA suivi de l’ozonation tertiaire atteint 92 % (±4 %) d’abattement sur les mêmes molécules dès l’utilisation de la faible dose d’ozone transféré. L’augmentation de la dose spécifique transférée à 1,30 mg O3/mg COD a un effet d’amélioration sur les résidus de médicaments dont l’affinité à l’ozone est inférieure à 105 M-1.s-1. Pour l’activité androgénique suivie, les concentrations mesurées ont été en dessous de la limite de quantification pour les eaux traitées biologiquement et par ozonation. L’ozonation tertiaire à 1,5 mg O3/mg COD a donné lieu à des valeurs non détectées pour les deux activités de perturbation de type glucocorticoïde et estrogénique. Le traitement biologique complété par l’ozonation tertiaire s’est confirmé performant pour le traitement des résidus de médicaments et pour la réduction du potentiel de perturbation endocrinien des effluents (activités estrogéniques, glucocorticoïdiques et androgéniques)

Development of a multiple-class analytical method based on the use of synthetic matrices for the simultaneous determination of commonly used commercial surfactants in wastewater by liquid chromatography-tandem mass spectrometry

International audienceDischarges of surfactants from wastewater treatment plants are often considered as the principal vector of pollution into the environment. The analysis of complex matrices, such as urban wastewater, suspended solids and biological sludge requires careful preparation of the sample to obtain a sensitive, selective and reproducible analysis. A simple, fast, effective and multi-residue method based on the SPE (water) and QuEChERS (solid matrices) approaches using synthetic matrices for validation and quantification, has been developed for the determination of 16 surfactants in wastewater, suspended solids and biological sludge.This work resulted in an innovative method that was validated to detect and assess several classes of surfactants such as quaternary ammonium compounds, betains, alkylphenols and their ethoxylated or sulfated derivatives in urban wastewater and solid matrices. The optimised extraction method exhibited recoveries comprised between 83% and 120% for all the tested compounds in the dissolved matrix and between 50% and 109% for particulate matrix. The limits of quantification of all compounds were comprised between 0.1 and 1.0 mu g/L. for dissolved matrix and between 2 and 1000 ng/g (dry weight) in particulate matrix. Linearity was assessed for all compounds within the [LOQ-250LOQ] range. Confidence intervals were also computed in real matrices with less than 15% margin of error for all studied surfactants. This work has confirmed, first and foremost, that surfactants are indeed highly concentrated in urban wastewater. As expected, linear alkylbenzene sulfonates were present at significant concentrations (up to 1-2 mg/L). In addition, although biological processing results in significant removal of the total pollution, the residual concentrations at output of WWTP remain significant (up to 100 mu g/L

Proposal to optimize ecotoxicological evaluation of wastewater treated by conventional biological and ozonation processes

International audienceA mixture of urban and hospital effluents (50 % v/v) was evaluated for ecotoxicity with an advanced bioassay battery. Mixed effluents were tested before any treatment, af- ter biological treatment alone, and after biological treatment followed by a tertiary ozonation (15 mg O3/L). Laying a high value on the continuance of organisms’ fitness, essential to preserve a healthy receiving ecosystem, the main objective of this study was to combine normalized bioassays with newly developed in vivo and in vitro tests in order to assess alteration of embryo development, growth and reproduction, as well as genotoxic effects in aquatic organisms exposed to complex wastewater effluents. Comparison of the bioassays sensitivity was considered. Contrary to the lack of toxicity observed with normalized ecotoxicity tests, endpoints measured on zebrafish embryos such as developmental abnormalities and genotoxicity demonstrated a residual toxicity in wastewater both after a biological treatment followed or not by a tertiary O3 treatment. However, the ozonation step allowed to alleviate the residual endocrine disrupting potential measure in the bi- ologically treated effluent. This study shows that normalized bioassays are not sensitive enough for the ecotoxicological evaluation of wastewaters and that there is a great need for the development of suitable sensitive bioassays in order to characterize properly the possible residual toxicity of treated effluents

Élimination des composés pharmaceutiques en station d’épuration par traitements biologiques et ozonation tertiaire

National audienceThe choice to operate the CAS and MBBR systems with full nitrification, results in the same level of performance on pharmaceutical compounds removal for both biological systems (despite the differences on process conditions : sludge concentration, hydraulic contact time…).The biological treatment of 10 pharmaceuticals with CAS or MBBR reactor succeeded in 24% of removal of the 7 refractory compounds measured (carbamazepine, sulfamethoxazole, propranolol, atenolol, diclofenac, econazole, salicylic acid), and an average of 45% including also paracetamol, ketoprofen and ibuprofen with an important variability on performances (> 20%). The combined system CAS biolog ical treatment plus tertiary ozonation at low ozone dosage (0.45 gO3/gDOC) improves the average removal up to 92% with only one compound -econaz ole- moderately eliminated (70%). It has been observed that increasing the ozone from the low to the intermediate dosage of 1.30 gO3/gDOC leads to an average removal improvement of around 6% whereas a more important TOD (2.30 gO3/gDOC) did not led to a better performance.Contrary to the lack of toxicity observed with normalized ecotoxicity tests, endpoints measured on zebrafish embryos (FET bioassay) such as mortality, developmental abnormalities and genotoxicity demonstrated a residual toxicity (null/weak) both, in wastewater after a biological treatment followed or not by a tertiary ozonation treatment. However, the tertiary ozonation resulted in an improvement of the residual endocrine disrupting potential measured in the biologically-treated effluents.This study shows that normalized bioassays are not sensitive enough for the ecotoxicological evaluation of wastewaters and that there is a great need for the development of suitable sensitive bioassays in order to characterize properly the possible residual toxicity of differently treated effluents.The knowledge of the sample chemical fingerprints, by a comprehensive non-target approach based on the comparison of biochemical signatures, is a promising growing strategy to identify and prioritize the emerging contaminants and to contribute to the study of the treatment performance.Les performances atteintes par les deux systèmes biologiques étudiés – boues activées conventionnelles (BA) et réacteur biologique à biomasse fluidisée (MBBR) – dans le traitement des dix micro— polluants d’origine pharmaceutique quantifiés sont similaires et cela grâce au niveau d’épuration identique en nitrification totale.Les abattements quantifiés sont variables et atteignent en moyenne pour les sept composés réfractaires seulement 24% (carbamazépine, sulfaméthoxazole, propranolol, aténolol, diclofénac, éconazole, acide salicylique). Les trois autres composés, bien éliminés en traitement biologique, atteignent en moyenne 96% (paracétamol, kétoprofène et ibuprofène).Le traitement biologique combiné à l’ozonation tertiaire élimine efficacement les composés pharmaceutiques de l’eau dès l’utilisation des doses faibles d’ozone (0,45 gO3/g de carbone organique dissous COD). Un abattement moyen de 92% d’efficacité est quantifié sur la moyenne de composés pharmaceutiques dissous, à comparer aux 24% à 45% d’abattement obtenu en traitement bio logique seul. Le passage à une dose d’ozone de 1,30 gO3/gCOD permet d’augmenter de 6% l’abattement moyen des micropolluants. Cette performance n’est pas améliorée par l’utilisation des doses d’ozone plus importantes.Contrairement aux tests d’écotoxicité normalisés (peu sensibles pour discriminer des effets toxiques dans les eaux traitées biologiquement ou chimiquement), les effets mesurés sur les embryons du poisson Danio rerio comme la mortalité, les anomalies sur le développement et la génotoxicité ont montré un effet toxique (nul à faible) pour les effluents biotraités ou ozonés. Par rapport au traitement biologique, l’ozonation tertiaire améliore significativement le potentiel de perturbation endocrinienne des effluents par la réduction complète de l’activité oestrogénique et glucocorticoïde des effluents.L’ozonation n’augmente ni ne diminue le niveau de toxicité des effluents déjà atteint avec le traitement biologique seul. Il existe un bruit persistant probablement lié à la présence d’autres micro - polluants rémanents dans l’eau et non quantifiés par la méthode d’analyse ciblée. Leur activité peut être à l’origine du niveau d’effet toxique faible obtenu pour certains biomarqueurs. Ces résultats montrent la nécessité d’améliorer la sensibilité des bioessais dans le but d’optimiser l’évaluation des effets écotoxicologiques résiduels dans les différents types d’effluents.L’obtention des signatures chimiques, au travers d’une approche non ciblée, s’avère un outil puissant et complémentaire. Elles révèlent la complexité des effluents étudiés par le nombre important de signaux obtenus. Les cartographies réalisées, par l’analyse en composantes principales, permettent d’avoir une vision globale des effluents et de leur mise en relation respective. Cette approche globale complète efficacement les résultats obtenus par le dosage ciblé des micropolluants

Gammarus fossarum as a sensitive tool to reveal residual toxicity of treated wastewater effluents

International audienc

Assessment of Ozone or Not-Treated Wastewater Ecotoxicity Using Mechanism-Based and Zebrafish Embryo Bioassays

International audienceToxicity of wastewater treatment plant (WWTP) effluents is usually assessed with standardized bioassays, as e.g. the Fish Embryo Toxicity test (FET), but assessment of sub-lethal toxic effects requires to develop more adapted tests. The present work aimed to add the recording of several sub-lethal endpoints in exposed zebrafish embryo-larval stages in order to increase the sensitivity of residual toxicity evaluation of WWTP effluents using a semi-quantitative method (iFET score). This approach was complemented with the genotoxicity assessment on the exposed embryos, a sub-acute hazard particularly relevant to evaluate a potential chronic toxicity risk of low and multi-contaminated environmental matrices. Additionally, endocrine activities of effluents were quantified using human reporter cell lines. This test battery was applied to the assessment of the residual toxicity of five biological treatment effluents, further treated or not using various ozonation treatments intended to improve pharmaceutical compounds removal. Acute toxicity towards zebrafish embryos was very low. However, iFET score approach proposed was able to reveal residual toxicity through the presence of developmental abnormalities in all samples tested. Additionally, a low residual genotoxicity was measured in embryos exposed to two of the WWTP effluents when all excepted one exhibited a residual endocrine activity potential in the ng/L range providing complementary information on the occurrence of endocrine active chemicals and their reduction by different processes. To sum up, such a simplified and ecologically relevant test battery was found sensitive enough to characterize and differentiate various residual effluent’s ecotoxicity at contaminant levels of environmental concern