Zoom on pharmaceutical substances: presence, distribution and behaviour in wastewater treatment plants
Zoom sur les substances pharmaceutiques : présence, partition, devenir en station d'épuration
Résumé
Within the framework of the AMPERES project, studies were conducted on 21 French wastewater treatment plants (WWTPs) in order to measure the composition of raw and treated wastewaters regarding pharmaceutical substances and to estimate their elimination in function of the treatment applied. A powerful methodology using Solid Phase Extraction and liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry has been developed for the analysis of these substances in complex matrices. Thanks to this methodology, aqueous and particulate phases as well as sludges were analysed. Pharmaceutical substances were quantified in 83% of the WWTP input with total concentrations lower than hundreds of ng/L except for some currently used compounds that are not subject to regulations or to restrictions as paracetamol (170 µg/l), aspirin (130 µg/l), theophylline (14µg/l), ibuprofen (11 µg/l) and caffeine (4 µg/l). In the WWTP release, pharmaceutical substances were quantified in 70% of cases with total concentrations in the order of hundreds of ng/L. In general all quantified substances were shown to be efficiently removed in WWTPs. Elimination rates higher than 70% were calculated for water lines in biological processes for caffeine, theophylline, paracetamol, aspirin, ibuprofen and hormones. Elimination rates of antibiotics (sulfamethoxazole and roxitromycine), three betablokers (oxprenolol, prapranolol, sotalol) are in the range of 30-70% and remain stable along the treatments and are not efficiently removed unless specific tertiary treatments are used as activated carbon filtration, reverse osmosis and ozonation. Concentration values of pharmaceutical substances in sludges are low, about hundreds of ng/L dry weight. The material balances show that the dominant phenomenon for pharmaceutical substances is not the accumulation in sludge but the transformation. The interest of this work was: 1) to develop a robust and reliable methodology while being efficient in terms of detection limits (LD and LQ respectively) applicable to the monitoring of WWTPs independently from the type of matrices; 2) to make an inventory of the emission of pharmaceutical substances depending on the type of treatment process.
Dans le cadre du projet Ampères (Analyse de Micropolluants Prioritaires et Emergents dans les Rejets et les Eaux superficielles) des études ont été conduites sur 21 stations d'épuration (STEP) afin d'estimer la composition en substances pharmaceutiques des eaux usées et traitées et ainsi évaluer leur présence leur dégradation en fonction des traitements. Une méthodologie performante et fiable utilisant l'extraction en phase solide (ou SPE) associée à la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (RRLC/MS/MS) a été développée pour l'analyse de ces substances (une vingtaine) dans des matrices complexes. Grâce à cette méthodologie, les phases dissoute et particulaire ainsi que les boues ont pu être analysées. Les substances pharmaceutiques sont détectées en moyenne dans 83% des cas en entrée de STEP avec des concentrations totales faibles, inférieures à la centaine de ng/L, sauf pour certaines substances largement utilisées dans la vie courante comme le paracétamol (170 µg/L), l'aspirine (130 µg/L), la théophylline (14 µg/L), l'ibuprofène (11 µg/L) et la caféine (4 µg/L). En sortie de STEP, les substances pharmaceutiques sont détectées en moyenne à 70% des cas avec des concentrations totales de l'ordre de la centaine de ng/L. Tous les substances détectées sont relativement bien éliminés dans les STEP. Des rendements d'élimination supérieurs à 70% ont été mesurés sur les files eau des filières biologiques pour les excitants (caféine, théophylline), antidouleurs (paracétamol, aspirine, ibuprofène) et les hormones. Le rendement d'élimination reste dans la gamme intermédiaire (30-70%) pour deux antibiotiques recherchés (sulfamethoxazole, roxitromycine), trois bétabloquants (oxprénolol, propranolol, sotalol) restent stables et ne sont pas éliminés à l'exception de certains traitements tertiaires comme l'utilisation du charbon actif, l'osmose inverse et l'ozonation. Les valeurs de concentration des substances pharmaceutiques dans les boues sont faibles, elles sont de l'ordre de la centaine de ng/g ps. Les bilans matières montrent que le phénomène prépondérant pour les substances pharmaceutiques n'est pas l'accumulation dans les boues, mais la transformation. L'intérêt de cette étude a été : 1) de développer une méthodologie robuste et fiable tout en étant performante en termes de limite de détection (LD et LQ respectivement) applicable à un suivi des stations d'épuration et ce quelque soit le type de matrices ; 2) de faire l'inventaire de la composition des rejets des substances pharmaceutiques selon le type de procédé utilisé.