Développement de méthodes analytiques pour la détection et la quantification de traces de produits pharmaceutiques dans les eaux du fleuve Saint Laurent

Le présent projet vise à documenter la nécessité d’augmenter notre connaissance de la présence des contaminants organiques tels que les médicaments dans l’environnement et d’évaluer leur devenir environnemental. On a étudié la présence de composés pharmaceutiques dans différents échantillons d'eau. On a focalisé nos efforts spécialement sur les échantillons d'eau de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et ses effluents, les eaux de surface avoisinantes et l’eau du robinet dans la région de Montréal. Pour ce faire, on a tout d’abord développé deux méthodes analytiques automatisées basées sur la chromatographie liquide avec extraction en phase solide (SPE) couplée à la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). On a également étudié les performances des trois techniques d'ionisation à pression atmosphérique (API), pour ensuite les utiliser dans la méthode analytique développée. On a démontré que l'ionisation par électronébulisation (ESI) est une méthode d'ionisation plus efficace pour l'analyse des contaminants pharmaceutiques dans des échantillons de matrices très complexes comme les eaux usées. Une première méthode analytique SPE couplée à la LC-MS/MS a été développée et validée pour l'étude des échantillons complexes provenant de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et des eaux de surface près de l'usine. Cinq médicaments de prescription ont été étudiés: le bézafibrate (un régulateur de lipides), le cyclophosphamide et le méthotrexate (deux agents anticancéreux), l'orlistat (un agent anti-obésité) et l’énalapril (utilisé dans le traitement de l'hypertension). La plupart de ces drogues sont excrétées par le corps humain et rejetées dans les eaux usées domestiques en faisant par la suite leur chemin vers les usines municipales de traitement des eaux usées. On a pu démontrer qu'il y a un faible taux d’élimination à l'usine d'épuration pour le bézafibrate et l'énalapril. Ces deux composés ont aussi été détectés dans les eaux de surface sur un site à proximité immédiate de la décharge de l’effluent de la station d'épuration. i En observant la nécessité de l'amélioration des limites de détection de la première méthode analytique, une deuxième méthode a été développée. Pour la deuxième méthode, un total de 14 contaminants organiques, incluant trois agents anti-infectieux (clarithromycin, sulfaméthoxazole et triméthoprime), un anticonvulsant (carbamazépine) et son produit de dégradation (10,11-dihydrocarbamazépine), l'agent antihypertensif (enalapril), deux antinéoplastiques utilisés en chimiothérapie (cyclophosphamide et méthotrexate), des herbicides (atrazine, cyanazine, et simazine) et deux produits de transformation de l’atrazine (deséthylatrazine et déisopropylatrazine) ainsi qu’un agent antiseptique (triclocarban). Ces produits ont été quantifiés dans les eaux de surface ainsi que dans l’eau du robinet. L'amélioration des limites de détection pour cette méthode a été possible grâce à la charge d'un volume d'échantillon supérieur à celui utilisé dans la première méthode (10 mL vs 1 mL). D'autres techniques de confirmation, telles que les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle et la mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol, ont été explorées. L'utilisation d'un analyseur de masse à temps d’envol a permis la confirmation de 6 des 14 analytes. Finalement, étant donné leur haute toxicité et pour évaluer leur persistance et leur transformation au niveau du traitement des eaux potables, la cinétique d'oxydation du cyclophosphamide et de méthotrexate avec l'ozone moléculaire et des radicaux OH a été étudiée. Les constantes de dégradation avec l'ozone moléculaire ont été calculées et la qualité de l'eau après traitement a pu être évaluée. Le rendement du processus d'ozonation a été amélioré pour la cyclophosphamide dans les eaux naturelles, en raison de la combinaison de réactions directes et indirectes. Cette étude a montré que l'ozone est très efficace pour oxyder le méthotrexate mais que le cyclophosphamide serait trop lent à s’oxyder pour un traitement efficace aux conditions usuelles de traitement de l’eau potable.

Proceso y dispositivo de ozonización para el tratamiento de aguas contaminadas con pesticidas y otros contaminantes orgánicos de origen agrícola

Proceso y dispositivo de ozonización para el tratamiento de aguas contaminadas con pesticidas y otros contaminantes orgánicos de origen agrícola en el que un volumen de agua se introduce en un reactor, haciéndose burbujear en el mismo una mezcla de aire y ozono a través del agua. En la fase acuosa se mantienen determinadas condiciones de pH y concentración de agua oxigenada de forma automatizada, generándose una concentración alta de especies radicales que producen la oxidación de los contaminantes. De esta forma se consigue la eliminación de los contaminantes originales y de los productos intermedios, llegándose a la mineralización total o reducción a moléculas orgánicas pequeñas muy oxidadas -ácido oxálico, ácido fórmico- de baja peligrosidad, que permite la reutilización o vertido posterior de las aguas.

Modeling reaction kinetics and mass transfer in ozonation in water solutions

This dissertation is based on four articles dealing with modeling of ozonation. The literature part of this considers some models for hydrodynamics in bubble column simulation. A literature review of methods for obtaining mass transfer coefficients is presented. The methods presented to obtain mass transfer are general models and can be applied to any gas-liquid system. Ozonation reaction models and methods for obtaining stoichiometric coefficients and reaction rate coefficients for ozonation reactions are discussed in the final section of the literature part. In the first article, ozone gas-liquid mass transfer into water in a bubble column was investigated for different pH values. A more general method for estimation of mass transfer and Henry’s coefficient was developed from the Beltrán method. The ozone volumetric mass transfer coefficient and the Henry’s coefficient were determined simultaneously by parameter estimation using a nonlinear optimization method. A minor dependence of the Henry’s law constant on pH was detected at the pH range 4 - 9. In the second article, a new method using the axial dispersion model for estimation of ozone self-decomposition kinetics in a semi-batch bubble column reactor was developed. The reaction rate coefficients for literature equations of ozone decomposition and the gas phase dispersion coefficient were estimated and compared with the literature data. The reaction order in the pH range 7-10 with respect to ozone 1.12 and 0.51 the hydroxyl ion were obtained, which is in good agreement with literature. The model parameters were determined by parameter estimation using a nonlinear optimization method. Sensitivity analysis was conducted using object function method to obtain information about the reliability and identifiability of the estimated parameters. In the third article, the reaction rate coefficients and the stoichiometric coefficients in the reaction of ozone with the model component p-nitrophenol were estimated at low pH of water using nonlinear optimization. A novel method for estimation of multireaction model parameters in ozonation was developed. In this method the concentration of unknown intermediate compounds is presented as a residual COD (chemical oxygen demand) calculated from the measured COD and the theoretical COD for the known species. The decomposition rate of p-nitrophenol on the pathway producing hydroquinone was found to be about two times faster than the p-nitrophenol decomposition rate on the pathway producing 4- nitrocatechol. In the fourth article, the reaction kinetics of p-nitrophenol ozonation was studied in a bubble column at pH 2. Using the new reaction kinetic model presented in the previous article, the reaction kinetic parameters, rate coefficients, and stoichiometric coefficients as well as the mass transfer coefficient were estimated with nonlinear estimation. The decomposition rate of pnitrophenol was found to be equal both on the pathway producing hydroquinone and on the path way producing 4-nitrocathecol. Comparison of the rate coefficients with the case at initial pH 5 indicates that the p-nitrophenol degradation producing 4- nitrocathecol is more selective towards molecular ozone than the reaction producing hydroquinone. The identifiability and reliability of the estimated parameters were analyzed with the Marcov chain Monte Carlo (MCMC) method. @All rights reserved. No part of the publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without the prior permission of the author.

Ozonation of the purified hydrolyzed azo dye Reactive Red 120 (CI)

The combination of chemical and biological water treatment processes is a promising technique to reduce recalcitrant wastewater loads. The key to the efficiency of such a system is a better understanding of the mechanisms involved during the degradation processes. Ozonation has been applied to many fields in water and wastewater treatment. Especially for effluents of textile finishing industry ozonation can achieve high color removal, enhance biodegradability, destroy phenols and reduce the COD. However, little is known about the reaction intermediates and products formed during ozonation. This work focuses on the oxidative degradation of purified (>90%), hydrolyzed Reactive Red 120 (Color Index), a widely used azo dye in the textile finishing processes with two monochlorotriazine anchor groups. Ozonation of the dye in ultra pure water was performed in a laboratory scale cylindrical batch reactor. Decolorization, determined by measuring the light absorbance at the maximum wavelength in the visible range (53 5 nm), was almost complete after 150 min with an ozone concentration of 12.8 mg/l. The TOC/TOC0 ratio was about 74% and the COD was diminished to 46% of the initial value. The BOD5/COD ratio increased from 0.01 to 0.14. To obtain detailed information on the reaction processes during ozonation and the resulting oxidation products organic and inorganic anions were analyzed. Oxidation and cleavage of the azo group yielded nitrate. Cleavage of the sulfonic acid groups of aromatic rings caused an increase in the amount of sulfate. Formic acid and oxalic acid were identified as main oxidation products by high performance ion chromatography (HPIC). The concentrations of these major products were monitored at defined time intervals during ozonation.

Biodiversity of amoebae and amoebae-resisting bacteria in a drinking water treatment plant

The complex ecology of free-living amoebae (FLA) and their role in spreading pathogenic microorganisms through water systems have recently raised considerable interest. In this study, we investigated the presence of FLA and amoebae-resisting bacteria (ARB) at various stages of a drinking water plant fed with river water. We isolated various amoebal species from the river and from several points within the plant, mostly at early steps of water treatment. Echinamoeba- and Hartmannella-related amoebae were mainly recovered in the drinking water plant whereas Acanthamoeba- and Naegleria-related amoebae were recovered from the river water and the sand filtration units. Some FLA isolates were recovered immediately after the ozonation step, thus suggesting resistance of these microorganisms to this disinfection procedure. A bacterial isolate related to Mycobacterium mucogenicum was recovered from an Echinamoeba-related amoeba isolated from ozone-treated water. Various other ARB were recovered using co-culture with axenic Acanthamoeba castellanii, including mycobacteria, legionella, Chlamydia-like organisms and various proteobacteria. Noteworthy, a new Parachlamydia acanthamoebae strain was recovered from river water and from granular activated carbon (GAC) biofilm. As amoebae mainly multiply in sand and GAC filters, optimization of filter backwash procedures probably offers a possibility to better control these protists and the risk associated with their intracellular hosts

CeO(2)-catalyzed ozonation of phenol

Three different cerium citrate-based precursors were used for synthesizing CeO(2) through thermal treatment. Three morphological types of CeO(2) were obtained. Characterization of these oxides was carried out by XRD patterns, SEM microscopy, N(2) adsorption isotherms, Raman spectroscopy, zeta potential, and UV/Vis luminescence. Ozonation of phenol catalyzed by CeO(2) was studied as a representative reaction of environmental interest. The differences on the catalytic activity showed by these three oxides could be correlated to amounts of Ce(3+) on CeO(2) surface and, consequently, to the demand for oxygen needed to burn each precursor.