Prétraitements physico-chimiques et biotransformation des eaux usées et des boues d'épuration: devenir des perturbateurs endocriniens (EDCs) et des composes pharmaceutiquement actifs (PhACS). (2013)

La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de &#13;\nce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce &#13;\nrésumé peut être lue en PDF. &lt;br /&gt;&lt;br /&gt; La croissance de la population et l'urbanisation ont conduit à la libération de composés&#13;\nperturbateurs endocriniens (EDCs) et des composés pharmaceutiquement actifs (PhACs) dans&#13;\nl'environnement. Ces composés sont détectés dans les eaux usées (WW) et dans des boues&#13;\nd'épuration (WWS) à travers le Canada.&#13;\nLe problème majeur avec ces composés est celui de leur détection (ng ou pg) principalement&#13;\ndans les milieux ayant des matrices complexes tels que les WW et les WWS. De plus,&#13;\nl'élimination des WW et des WWS constitue un problème global inévitable à cause de la&#13;\nprésence des composés organiques tels que les EDCs et les PhACs. En outre, l'axe de&#13;\nrecherche actuel met l'accent sur une approche de valeur ajoutée (VAP) plutôt que sur une&#13;\napproche d'élimination. En effet, au cours du traitement des WW et des WWS, une possibilité de&#13;\ndégradation concomitante de ces composés organiques serait envisageable et nécessite de ce&#13;\nfait une investigation. Ainsi, la présence des composés organiques toxiques et leur dégradation&#13;\npar des traitements physico-chimiques et biologiques devraient faire l'objet d'une attention&#13;\nparticulière. Cependant, ces traitements peuvent parfois conduire à la formation des métabolites&#13;\nplus toxiques que les composés parents. Les problématiques soulevées par la présence des&#13;\ncomposés organiques toxiques dans les WW et les WWS, à savoir leur détection, leur&#13;\nmécanisme de dégradation et la formation des sous produits, nécessite une uchuche.&#13;\nLe bisphénol A (BPA) est un perturbateur endocrinien largement utilisé dans les industries de&#13;\nplastique et des pates à papier. À côté des autres sources de production, le BPA est relargué&#13;\ndans les systèmes aquatiques par l'intermédiaire des stations d'épuration (WWTP). Plus encore,&#13;\nd'autres composés pharmaceutiquement actifs, tel que la carbamazepine (CBZ) y sont détectés.&#13;\nLa CBZ est le composé pharmaceutique le plus persistant et qui est détecté à une fréquence&#13;\nélevée dans les différents milieux environnementaux. Afin d'évaluer la toxicité des effluents&#13;\ntraités et rejetés dans l'environnement, l'identification et la quantification du BPA et du CBZ dans&#13;\nles WW et les WWS seraient d'un intérêt majeur.&#13;\nLe BPA a été mesuré, dans les échantillons provenant des stations d'épuration de la&#13;\ncommunauté urbaine de la ville de Québec (Canada), avec la méthode du LC-MS/MS. Les&#13;\nrésultats montrent que le BPA est présent à des quantités significatives (0.07 µg L-1 à 1.68 µg L-&#13;\n1 dans les WW et 0.104 µg g-1 à 0.312 µg g-1 dans les WWS) dans les effluents de ces stations&#13;\nd'épuration. L'efficacité d'élimination du BPA dans le circuit a été de 76%. Cependant, des&#13;\nconcentrations environementalement significatives de 0.41 µg L-1 demeurent présentes dans les&#13;\neffluents traités. En ce qui concerne l'analyse des CBZ dans les WW et les WWS, une méthode&#13;\nrapide et fiable permettant d'analyser des échantillons à haut débit pour générer de manière&#13;\nplus rapide les données, les détecter et les surveiller a été mise au point et valide. Le procédé&#13;\nultrarapide (15s/échantillon) est basé sur l'utilisation de la désorption thermique induite par&#13;\ndiode laser avec ionisation chimique à pression atmosphérique (LDTD-APCI) couplée à la&#13;\nspectrométrie de masse en tandem (MS/MS). La limite de détection de la méthode a été de 12&#13;\nng L-1 dans les WW et de 3.4 ng g-1 dans les WWS. Par ailleurs, trois méthodes d'extraction à&#13;\nsavoir l'extraction par ultrasons (USE), l'extraction par micro ondes (MAE) et l'extraction&#13;\naccélérée par solvant (ASE) avec trois conditions différentes de solvant tel que le méthanol,&#13;\nl'acétone, et l'acétonitrile: éthyle acétate (5: 1, v/v) ont été comparées sur la base des&#13;\nprocédures de blanc et de la méthode de récupération. En général, et comparativement à la&#13;\nUSE et la MAE, l'ASE a montré la meilleure efficacité d'extraction avec du méthanol. En outre, la&#13;\nquantification de la CBZ dans les échantillons de WW et WWS a révélé la présence des&#13;\ncontaminants dans toutes les étapes d'épuration.&#13;\nPlusieurs technologies de traitement incluant diverses méthodes de prétraitement, telles que&#13;\nl'hydrolyse, l'oxydation Fenton, l'ultra-sonication et la ferro-sonication ont été développées dans&#13;\nle but de dégrader le BPA et la CBZ dans les WW et WWS et pour la production de produits à&#13;\nvaleur ajouté (VAPs) a'basé WWS. Les effets de différentes méthodes de prétraitements,&#13;\ncomme par exemple l'hydrolyse alcaline (AH), l'hydrolyse thermique (TH), l'hydrolyse alcaline&#13;\nthermique (TAH), l'oxydation thermique (TO) et l'oxydation alcaline thermique (TAO), sur la&#13;\nsolubilisation des WWS et la dégradation simultanée du BPA ont été étudiés. Les résultats&#13;\nindiquent que parmi les différentes méthodes de prétraitements AH, TH et TAH, cette dernière a&#13;\namélioré de façon significative la solubilisation des WWS (41.6% de solide en suspension (SS),&#13;\n70.7% de solides en suspension volatile (VSS) et de 48.5% de demande chimique en oxygène&#13;\n(COD» avec une dégradation élevée de 38.4% de BPA. La solubilisation des SS, des VSS et&#13;\ndes COD s'est avérée basse dans les prétraitements TO et TAO, comparativement au&#13;\nprétraitement TAH. Cependant, en raison des processus d'oxydation, une dégradation plus&#13;\nélevée de BPA (75.0% et 78.9%) a été observe respectivement dans les procédés de&#13;\nprétraitements TO et TAO. Parmi les autres méthodes de prétraitement, à savoir l'ultra-&#13;\nsonication (US), l'oxydation Fenton (FO) et la ferro-sonication (FS), une solubilisation élevée&#13;\n(39.7%, 51.2%, 64.5% et 17.6%), respectivement pour les SS, VSS, COD et du carbone&#13;\norganique soluble (SOC), a été observe pendant les processus de prétraitement de ferro-&#13;\nsonication durant 180 minutes résultant ainsi à une forte dégradation de 82.7% de BPA. Pour ce&#13;\nqui est de la CBZ, parmi les diverses méthodes de prétraitement utilisées (US, FO et FS), une&#13;\nhausse de la demande chimique en oxygène soluble (SCOD) et du carbone organique soluble&#13;\n(SOC) correspondant respectivement à une augmentation de 63 à 86% et 21 à 34% a été&#13;\nobserve pendant les processus de prétraitement au FO. Ce processus a permis d'obtenir un fort&#13;\ntaux de rabattement du CBZ dans les WW (84 à 100%). Par ailleurs, ce travail a conduit à une&#13;\ninvestigation de la dégradation photocatalytique de la CBZ présent dans les WW avec de&#13;\nnanoparticules de Ti02 et ZnO. L'utilisation des nanoparticules de Ti02 et ZnO, a permis&#13;\nrespectivement une dégradation de 100% et 92% de la CBZ dans les eaux usées pendant une&#13;\npériode d'irradiation de 120 min. Ceci pourrait être attribué à la dégradation oxydative de la CBZ&#13;\npar le Ti02 et le ZnO en tant qu'une bande directe d'excitation des semi-conduits résultant en&#13;\nune séparation des trous électroniques.&#13;\nDe plus, l'identification des différents sous-produits formés durant les prétraitements de US, FO&#13;\net FS pour la dégradation du BPA des WWS et de la CBZ des eaux usées a été analysée. Des&#13;\nsous-produits similaires ont été observés dans tous les trois processus d'oxydation avancés&#13;\n(AOPs). La formation des sous produits à savoir le 3-hydroxybisphenol A, l'hydroquinone et la 4-&#13;\nhydroxyacetophenone, a été rendue possible par les réactions des radicaux d'OH• avec le BPA,&#13;\nl'époxycarbamazepine et l'hydroxycarbamazepine pendant la dégradation de la CBZ. En outre,&#13;\nl'activité oestrogénique des échantillons prétraités aux US, FO et FS avec la CBZ et ses sous&#13;\nproduits a été mesurée avec la méthode du Yeast Estrogen Screen (YES). Les résultats issus&#13;\ndu YES test indiquent qu'aucun échantillon prétraité ne montre une activité oestrogénique. De&#13;\nplus, la dégradation du BPA par des enzymes laccases produits par Sinorhizobium meliloti dans&#13;\nles boues brutes et prétraitées a aussi été déterminée. Le résultat indique une forte activité&#13;\ndes laccases (230.9 U L-1) dans les boues prétraitées au TAH résultant de la dégradation du&#13;\nBPA (21.9%). Ceci suggère une dégradation biologique concomitante du BPA. Parmi les&#13;\nméthodes de prétraitement du WWS aux US, FO et FS, une forte activité de la laccase (207.9 U&#13;\nL-1) a été observée dans les boues ayant subit un prétraitement à la ferro-sonication pendant&#13;\n180 minutes résultant à une hausse du taux de rabattement du BPA de 16.2%.&#13;\nDans une autre mesure, l'application du modèle de surface de réponse dans la prédiction et&#13;\nl'optimisation de la ferro-sonication et l'ozonation partielle de prétraitement de la dégradation du&#13;\nBPA à partir du WWS a été analysée. Ce processus d'optimisation a permis de conclure qu'une&#13;\ndégradation maximum de BPA correspondant à 88% pourrait être obtenue avec 163 minutes de&#13;\ntemps d'ultrasonication, une concentration de 2.71 mg L-1 FeS04, et un pH de 2.81 avec 22 g L-1&#13;\nde concentration de solides en suspension (SS). Pour ce qui est du processus d'ozonation, les conditions optimales pour une dégradation de 100% du BPA ont été de: 24 g L-1 SS, pour un&#13;\npH de 6.23 avec une dose d'ozone de 26.1 mg g-1 SS pour un temps d'ozonation de 16.5&#13;\nminutes. De plus, l'effet de la ferro-sonication (FS) et de l'ozonation partielle (OZ) dans les&#13;\nconditions optimales de la rhéologie du WWS a été étudié. De tous les modèles rhéologiques&#13;\nétudiés, la loi de puissance a été la plus marquée avec une confiance d'ajustement de 90% à&#13;\n97% en décrivant