Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de chimie environnementale et écotoxicologie CECOTOX)

Origines et flux de biocides et de filtres UV dans les stations d'épuration des eaux usées

Plagellat, Cécile ; Tarradellas, Joseph (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3053.

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    Summary
    Adverse effects on the environment have become a matter of increasing concern considering the increase of industrialization and of the amount of commercialized chemicals. At present, approximately 100'000 substances are on the market, 3000 are sold at high volumes. In Europe, 200 to 300 new substances are authorized every year (in Switzerland, approximately 50). Contamination is induced by consumption of numerous products frequently applied by private or professional users. Persistence and ecotoxicity of certain organic compounds contained in these products might have impacts on the quality of our environment. Knowledge on potential sources of these substances is the first step in order to limit their release. The project developed within the present PhD thesis aims at determining the sources of certain compounds by applying material flux analysis on the basis of sewage sludge. Presently, a large number of anthropogenic organic compounds originating from private households, craft industry, industry and stormwater is disposed of into the collector system and ends up in sewage sludge. Carbendazim, diuron, Irgarol 1051®, octhilinone, permethrin, tributyltin (TBT) and triphenyltin (TPT) comprise numerous applications as biocides and pesticides whilst methylbenzylidene camphor (4-MBC), octyl methoxy cinnamate (OMC), octocrylene (OC) and octyl triazone (OT) are used as UV-screens (type UVB) in a large number of cosmetic products. Their toxic effects on non-target organisms and their potential for bioaccumulation give rise to environmental concern. These substances are used as ingredients in products of daily use and are disposed of into wastewater. Due to their physico-chemical properties they are more or less lipophilic and are likely to persist in sewage sludge. On the basis of the analysis of sewage sludge samples from well characterized sites (catchments and wastewater treatment plants, WWTPs) it is possible to determine the sources (private households, craft industry, industry and stormwater). The first step of this study was the development of analytical methods which allow for quantification of these compounds in sewage sludge. Due to their different physico-chemical properties, four different methods were required. These methods have recovery rates ranging between 75 and 106 % and limits of detection in the order of μg/kg dry matter. The analysis of sludge from 12 sites obtained within 2 sampling periods show that most of the substances are present in all samples. Mean concentrations were 6,8 μg/kg dm (dry matter) for carbendazim, 9,5 μg/ kg d.m. for diuron, 98,1 μg/kg d.m. for permethrin, 148 μg/kg d.m. for TBT, 1777 μg/kg d.m.for 4-MBC, 110 μg/kg d.m. for OMC, 4834 μg/kg d.m. for OC and 5517 μg/kg d.m. for OT. Octhilinone was not detected whilst Irgarol 1051® and TPT were found in 7 and 11 samples, respectively. The transfer of these compounds from wastewater into sludge is an important parameter for material flux analysis on the basis of sewage sludge. A study on the fate of carbendazime and permethrin during wastewater treatment has been carried out on two WWTPs. Whilst removal of permethrin was high (>94%) up to 70% of carbendazime present in sewage were found in treatment plant effluents. Adsorption is an important process for removal of permethrin. However, only 4 to 15 % of the load in wastewater was transferred to sewage sludge. Carbendazim is mainly associated to the aqueous phase and thus, a very small quantity ends up in sludge (approximately 1%). Therefore, the loads found in sewage sludge are more or less representative for consumption of the compounds in the catchments according to their physico-chemical properties. Additionally, it has been shown that the part of permethrine ending up in sludge depends on the treatment techniques of the WWTPs. Thus, for comparison of the pollutant loads in sewage sludge between different sites their fate in the WWTPs has to be known. The loads per inhabitant of the three well characterized types of sites have been calculated in order to determine the sources of the substances. Type A comprises sites with a separate sewer system and a catchment where mainly private households are present. Type B has a combined sewer system collecting sewage from private households, craft industry and stormwater whilst type C comprises a combined sewer system which includes effluents from private households and industry as well as stormwater. The results are as follows: Stromwater is considered as main source of carbendazim in wastewater whilst diuron originates mainly from stormwater and from industrial effluents. Private households contribute significantly to the loads of permethrine and TBT in sewage. For UV-screens the loads from private households are also important but stormwater and industrial effluents are likely to be potential sources as well. A difference in consumption between rural (type A) and more urban sites (type B and C) is possible which might hamper a proper estimate of the sources of UV-screens.
    Résumé
    La dégradation de notre environnement devient une préoccupation grandissante avec l'augmentation de l'industrialisation et la commercialisation toujours plus élevée de substances chimiques. Actuellement, 100 000 substances se retrouvent sur le marché dont 3 000 vendues en grande quantité. En Europe, 200 et 300 nouvelles substances et environ 50 notifiées en Suisse, sont commercialisées par an. La pollution trouve son origine dans les nombreux produits fréquemment utilisés par les particuliers et les entreprises. La persistance et l'écotoxicité de certaines substances organiques qui composent ces produits deviennent problématiques pour la qualité de notre environnement. Limiter leur rejet commence par la connaissance des sources potentielles de rejet de ces polluants. Le projet développé lors de cette thèse consiste à déterminer les sources de certains composés par l'analyse des flux dans les boues d'épuration. En effet, à travers le système de désapprovisionnement des biens aqueux de l'anthroposphère, une gamme variée de composés organiques provenant des ménages privés, des artisanats, des industries, et des eaux de ruissellement des bassins versants, aboutit dans les boues d'épuration. La carbendazime, le diuron, l'Irgarol 1051®, l'octhilinone, la perméthrine, le tributylétain (TBT) et le triphénylétain (TPT) ont de multiples applications comme biocides tandis que le méthyle benzilidène camphre (4-MBC), l'octyle méthoxy cinnamate (OMC), l'octocrylène (OC) et l'octyle triazone (OT) sont utilisés comme filtre UVB dans de nombreux cosmétiques. Leur toxicité pour des organismes non ciblés ainsi que la possibilité de bioaccumulation en font des composés d'intérêt préoccupant pour l'environnement. Contenus dans des produits d'usage courant, ces composés sont rejetés dans les eaux usées. Leurs propriétés physico-chimiques les rendent plus ou moins lipophiles et susceptibles de persister dans les boues d'épuration. En analysant des boues d'épurations de sites sélectionnés pour des bassins versants et des stations d'épuration des eaux usées (STEPs) bien caractérisés, il a été possible de mettre en évidence certaines sources de rejet de ces composés comme les ménages privés, les industries et les eaux de ruissellement. La première étape de cette étude a donc été de développer des méthodes analytiques permettant la quantification de ces composés dans les boues d'épuration. Du fait de leurs propriétés chimiques différentes, quatre méthodes distinctes ont été nécessaires. Ces méthodes permettent de récupérer de 75% à 106% de ces composés dans les boues et de les déterminer avec des limites de détection de l'ordre du μg/kg de matière sèche. Les analyses de boues d'épuration, prélevées sur 12 sites à deux périodes d'échantillonnage, montrent que la plupart de ces substances persistent dans tous les échantillons à des concentrations moyennes de 6,8 μg/kg PS (poids sec) pour la carbendazime, 9,5 μg/kg PS pour le diuron, 98,1 μg/kg PS pour la perméthrine, 148 μg/kg PS pour le TBT, 1777 μg/kg PS pour le 4-MBC, 110 μg/kg PS pour l'OMC, 4834 μg/kg PS pour l'OC et 5517 μg/kg PS pour l'OT. L'octhilinone n'a pas été détectée tandis que l'Irgarol 1051® et le TPT sont trouvés dans 7 et 11 échantillons respectivement. Le transfert des substances des eaux usées vers les boues d'épuration est le paramètre important dans l'analyse des flux par les boues d'épuration. Une étude a été effectuée sur le devenir de la carbendazime et de la perméthrine dans deux STEPs. Tandis que la perméthrine est éliminée de façon efficace (>94%) au cours des différents traitements, jusqu'à 70% de la carbendazime rejetée dans les eaux usées se retrouve dans l'effluent final. Même si l'adsorption aux particules jouent un rôle important dans le processus d'élimination de la perméthrine des eaux usées, la part de la perméthrine dans les boues d'épuration du stockeur ne représente que 4 à 15% des flux dans les eaux usées. La carbendazime reste quand à elle préférentiellement dans la phase liquide des eaux usées et donc une très faible partie aboutit dans les boues d'épuration (environ 1%). Ainsi, selon les propriétés des composés organiques, le flux dans les boues d'épuration est plus ou moins représentatif de ce qui est réellement utilisé dans le bassin versant. De plus, il a été montré que la proportion de perméthrine aboutissant dans les boues d'épuration varie selon le type de traitement effectué sur la STEP. Une comparaison des flux de polluants dans les boues d'épuration entre différents sites ne peut donc pas être effectuée sans connaître le devenir de ces polluants à travers les STEPs. Afin de déterminer les sources des substances, les flux ont été calculés par habitant selon trois types de sites bien caractérisés. Le type A comprend des sites ayant un système séparatif de collecte des eaux usées et un bassin versant constitué essentiellement de ménages privés, le type B contient des sites avec un système unitaire de collecte des eaux usées des ménages privés, des artisans et des eaux de ruissellement tandis que le type C est composé de sites avec un système unitaire de collecte des eaux usées des ménages privés, des artisans, des industries et des eaux de ruissellement. Les résultats sont les suivants : Les eaux de ruissellement sont la principale source de la carbendazime dans les eaux usées tandis que le diuron provient essentiellement des eaux de ruissellement et des industries. Les ménages privés jouent un rôle important dans les flux de perméthrine et de TBT dans les eaux usées. Pour les filtres UV, les flux par les ménages privés sont importants mais il semblerait que les eaux de ruissellement ainsi que les eaux industrielles peuvent aussi être une source potentielle. Une différence de consommation des cosmétiques entre le milieu rural des type A et urbain (type B et C) est envisageable et peut éventuellement empêcher une bonne estimation des origines.