Ανάπτυξη μεθόδου ταυτόχρονου προσδιορισμού φαρμακευτικών ουσιών και ενδοκρινικών διαταρακτών, μελέτη της τύχης τους κατά την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων με έμφαση στην αναερόβια χώνευση της ιλύος

Abstract

The aim of the present PhD thesis was the development of analytical methods for the simultaneous determination of pharmaceutical compounds and endocrine disrupting chemicals in wastewater and sewage sludge samples, in order to estimate their concentration levels in conventional Wastewater Treatment Plants (WWTPs), as well as the investigation of their fate in lab-scale anaerobic reactors. More precisely, this dissertation presents an analytical method based on solid-phase extraction (SPE) and gas chromatography coupled with mass spectrometry for the simultaneous determination of the most frequently used acidic pharmaceutical residues, ibuprofen (IBF), diclofenac (DCF), naproxen (NPX) and ketoprofen (KFN), and phenolic endocrine disruptors, bisphenol (BPA), triclosan (TCS), nonylphenol (NP), nonylphenol monoethoxylate (NP1EO) and nonylphenol diethoxylate NP2EO), in wastewater and sewage sludge samples. In the first phase of the study, each compound has been characterized individually as a trimethylsilyl derivative in order to identify the characteristic ions (m/z ratio) constituting the mass spectrum and to choose the ions for quantification and confirmation. Subsequently, derivatization was optimized by testing different variables such as the volume of the derivatization solvent bis(trimethylsilyl) trifluoroacetamide and the effect of each catalyst, pyridine and 1% trimethyl chlorosilane, in the derivatized solution. For the analysis of wastewater samples, two commercial SPE cartridges, C18 and Oasis HLB, were compared for their extraction efficiency of the target compounds. The key parameter of extraction procedure included the effect of pH (2.5, 5.3 and 7) of the loading solution. For solid samples, parameters such as the mass of extracted biomass, the volume of the extraction organic solvent and the effect of matrix interferences in chromatographic analysis were evaluated. The developed methods presented satisfactory repeatability and reproducibility with mean relative recoveries ranging from 91% (IBF) to 117% (NPX) for wastewater and 84% (NP2EO) to 107% (IBF) for sewage sludge samples. The limits of detection for the developed methods were ranged between 0.3 ng L-1 (KFN) to 14.8 ng L-1 (BPA) and 15.0 (TCS) ng g-1 to 32.9 ng g-1 (BPA) for wastewater and sewage sludge, respectively. The concentrations of the target nine emerging contaminants were determined in wastewater and sludge samples originating from two WWTPs in Greece. Average concentrations in raw and treated wastewater ranged from 0.39 μg L-1 (KFN) to 12.52 μg L-1 (NP) and from <LOD (IBF) to 0.80 μg L-1 (DCF), respectively. A significant part of nonylphenols (NPs) and TCS in influent wastewater was bound to the particulate phase, while PhACs and BPA were mainly detected in the aqueous phase. Removal of target compounds during wastewater treatment ranged between 39% (DCF) and 100% (IBF). Except of DCF and BPA, similar removal efficiencies were observed in both WWTPs and no effect of different size and operational conditions was noticed. Use of mass balances showed that accumulation on sludge was a significant removal mechanism for NPs and TCS, while biodegradation/biotransformation was the major mechanism for the other compounds. Sampling of raw and digested sludge demonstrated that IBF and NPX are significantly removed (>80%) during anaerobic digestion, whereas removal of EDCs was lower, ranging up to 55% for NP1EO. During the last part of this PhD thesis the fate of the target compounds in lab-scale anaerobic digesters was investigated. For this reason, two single stage systems operating in mesophilic and thermophilic mode and one two-stage system (thermophilic-mesophilic bioreactor) were used. The performance of all digestion systems was monitored through various parameters such as pH, volatile suspended solids removal, total COD removal, concentrations of VFAs, and biogas daily production. Analysis of the results showed that the operation of all digestion systems remained stable and efficient throughout the entire period of the study. Regarding micropollutants, almost all of the investigated compounds removed significantly during sludge anaerobic digestion. The highest removal efficiency was calculated for diclofenac, naproxen, ibuprofen and ketoprofen (>80%), whereas lower removal efficiencies were observed for triclosan, bisphenol and nonylphenols (40-80%). On the other hand, the elimination of nonylphenol, nonylphenol monoethoxylate and nonylphenol diethoxylate was very low or even negative for some days, in mesophilic and thermophilic range, indicating their persistence during anaerobic sludge treatment or/and their formation during the process. In general, two-stage digestion showed slightly better performance for all tested compounds. Finally, none of the target compounds were totally eliminated by the applied treatment processes and, as a result, they were detected in most treated sludge samples. According to the above, a possible threat for the environment cannot be excluded, due to digested sludge disposal.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκαν αναλυτικές μέθοδοι για τον ταυτόχρονο ιχνοπροσδιορισμό τεσσάρων (4) φαρμακευτικών ουσιών και πέντε (5) ενδοκρινικών διαταρακτών σε δείγματα υγρών αποβλήτων και ιλύος. Οι συγκεκριμένες μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν για να εκτιμηθούν τα επίπεδα συγκεντρώσεων των υπό διερεύνηση μικρορύπων σε συμβατικές μονάδες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων και ιλύος και για να μελετηθεί η τύχη τους σε εργαστηριακούς αντιδραστήρες αναερόβιας χώνευσης.Οι αναλυτικές μέθοδοι που αναπτύχθηκαν περιλάμβαναν προκατεργασία του διαλυτού κλάσματος των αποβλήτων με εκχύλιση στερεής φάσης (SPE) και χρήση υπερήχων για το σωματιδιακό κλάσμα των αποβλήτων και τα δείγματα ιλύος. Ο ποιοτικός και ποσοτικός προσδιορισμός των ουσιών πραγματοποιήθηκε με χρήση αέριας χρωματογραφίας συζευγμένης με φασματομετρία μάζας (GC-MS). Με τις συγκεκριμένες μεθόδους προσδιορίστηκαν ταυτόχρονα οι πιο διαδομένες στη χρήση όξινες φαρμακευτικές ουσίες; ibuprofen (IBF), diclofenac (DCF), naproxen (NPX), ketoprofen (KFN) και οι συνθετικοί ενδοκρινικοί διαταράκτες (synthetical EDCs); bisphenol A (BPA), triclosan (TCS), nonylphenol (NP), nonylphenol monoethoxylate (NP1EO) και nonylphenol diethoxylate (NP2EO). Στην πρώτη φάση της ανάπτυξης των μεθόδων, κάθε ένωση αναλύθηκε μεμονωμένα -μετά από παραγωγοποίηση- προκειμένου να προσδιοριστεί το φάσμα μαζών της και να επιλεγούν τα χαρακτηριστικά ιόντα για τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό της. Στη συνέχεια, βελτιστοποιήθηκε η διαδιακασία της παραγωγοποίησης. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν: ο όγκος του διαλύτη παραγωγοποίησης (Ν,Ο-δι-τριμεθυλο-σιλυλο-τριφθορο-ακεταμιδίου, BSTFA), η διάρκεια της αντίδρασης και η επίδραση των καταλυτών πυριδίνης και 1% τριμεθυλο-χλωροσιλάνιο (TMCS). Για την απομόνωση των ουσιών στόχων από τα δείγματα των υγρών αποβλήτων εξετάστηκαν δύο διαφορετικές φύσιγγες εκχύλισης (C18 και Oasis HLB) και μελετήθηκε η επίδραση του pH (2.5, 5.3 και 7) του δείγματος. Για την απομόνωση των ουσιών από τα στερεά δείγματα (σωματιδιακή φάση αποβλήτων και ιλύ) μελετήθηκε η επίδραση της ποσότητας της εκχυλιζόμενης βιομάζας και ο όγκος του οργανικού διαλύτη εκχύλισης. Οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν ήταν επαναλήψιμες και αναπαραγώγιμες με μέσες σχετικές ανακτήσεις (Rf) που κυμάνθηκαν από 91% (IBF) έως 117% (NPX) για τα υγρά απόβλητα και από 84% (NP2EO) έως 107% (IBF) για τα δείγματα ιλύος. Τα όρια ανίχνευσης που υπολογίστηκαν κυμάνθηκαν μεταξύ 0.3 ng L-1 (KFN) και14.8 ng L-1 (BPA) και 15.0 (TCS) έως 32.9 ng g-1 (BPA) για τα υγρά απόβλητα και την ιλύ, αντίστοιχα.Στη συνέχεια, προσδιορίστηκαν οι συγκεντρώσεις των υπό εξέταση ουσιών σε δείγματα ακατέργαστων και επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων και σε δείγματα ιλύος προερχόμενα από δύο Ελληνικές Μονάδες Επεξεργασίας Υγρών Αποβλήτων (Μ.Ε.Υ.Α.). Οι μέσες συγκεντρώσεις στην είσοδο και την έξοδο των μονάδων, κυμάνθηκαν από 0.39 μg L-1 (KFN) έως 12.52 μg L-1 (NP) και από <LOD (IBF) έως 0.80 μg L-1 (DCF), αντίστοιχα. Ένα σημαντικό μέρος των εννεϋλιοφαινολών (NPs) και του TCS στα εισερχόμενα υγρά απόβλητα ανιχνεύτηκε στη σωματιδιακή φάση, ενώ οι φαρμακευτικές ενώσεις (PhACs) και η BPA ανιχνεύτηκαν κυρίως στη διαλυτή φάση. Η απομάκρυνση των ενώσεων κατά την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων κυμάνθηκε μεταξύ 39% (DCF) και 100%(IBF). Με εξαίρεση το DCF και την BPA, παρόμοια ποσοστά απομάκρυνσης υπολογίστηκαν για τις υπόλοιπες ενώσεις στις δύο Μ.Ε.Υ.Α. Η χρήση ισοζυγίων μαζών έδειξε ότι η συσσώρευση στην ιλύ ήταν ένας σημαντικός μηχανισμός απομάκρυνσης για τις NPs και το TCS, ενώ η βιοαποδόμηση/βιομετατροπή ήταν ο σημαντικότερος μηχανισμός για τις υπόλοιπες ενώσεις. Σε ότι αφορά στην ιλύ, η πιο συχνά ανιχνευόμενη ένωση ήταν η NP με μέσες συγκεντρώσεις ίσες με 6.48 and 10.59 mg Kg-1 στα δείγματα αφυδατωμένης και θερμικά ξηραμένη ιλύος, αντίστοιχα. Η δειγματοληψία ιλύος από την είσοδο και την έξοδο του αναερόβιου χωνευτή που λειτουργεί στη Μ.Ε.Υ.Α. της Ψυττάλειας έδειξε ότι οι ουσίες IBF και NPX απομακρύνονται σημαντικά (>80%) κατά τη διάρκεια της αναερόβιας χώνευσης, ενώ η απομάκρυνση των EDCs ήταν πολύ χαμηλότερη (έως 55% για την NP1EO).Στο τελευταίο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η τύχη των ουσιών στόχων σε τρία διαφορετικά συστήματα αναερόβιας χώνευσης εργαστηριακής κλίμακας; ένα μονοβάθμιο μεσόφιλο χωνευτή, ένα μονοβάθμιο θερμόφιλο χωνευτή και ένα διβάθμιο συστήμα αποτελούμενο από θερμόφιλο και μεσόφιλο χωνευτή σε σειρά. Όλα τα συστήματα λειτούργησαν στον ίδιο συνολικό χρόνο παραμονής της ιλύος (Sludge Residence Time, SRT: 20 ημέρες). Η ικανοποιητική λειτουργία των χωνευτών εξασφαλίστηκε μέσω παρακολούθησης μίας σειράς παραμέτρων όπως του pH, της απομάκρυνσης των πτητικών αιωρουμένων στερεών, της απομάκρυνσης του ολικού COD, των συγκέντρωσεων των πτητικών λιπαρών οξέων, της αλκαλικότητας, και της παραγωγής του βιοαερίου. Η παρακολούθηση των παραπάνω παραμέτρων έδειξε ότι η λειτουργία όλων των συστημάτων χώνευσης παρέμεινε σταθερή και αποδοτική καθ' όλη τη διάρκεια της μελέτης. Όσον αφορά στους μικρορύπους, οι περισσότερες από τις εξεταζόμενες ενώσεις απομάκρυνθηκαν σε σημαντικό βαθμό κατά την αναερόβια επεξεργασία της ιλύος. Τα υψηλότερα ποσοστά απομάκρυνσης υπολογίστηκαν για τις ουσίες DCF, NPX, IBF και KFN (>80%), ενώ χαμηλότερα ποσοστά απομάκρυνσης παρατηρήθηκαν για τις TCS, ΒPA και NPs (40-80%). Οι NP, NP1EO και NP2EO ήταν οι μόνες ενώσεις για τις οποίες αρνητικά ποσοστά απομάκρυνσης υπολογίστηκαν σε ορισμένες ημέρες υπό συνθήκες θερμόφιλης και μεσόφιλης χώνευσης, υποδεικνύοντας την εμμονή τους κατά τη διάρκεια της αναερόβιας επεξεργασίας της ιλύος ή/και το σχηματισμό τους κατά τη διεργασία από πρόδρομες ενώσεις. Σε γενικές γραμμές, το διβάθμιο σύστημα χώνευσης παρουσίασε ελαφρώς καλύτερη απόδοση στα ποσοστά απομάκρυνσης των ουσιών στόχων σε σχέση με τα μονοβάθμια συστήματα. Καμία από τις υπό διερεύνηση ενώσεις δεν απομακρύνθηκε πλήρως με τις εφαρμοζόμενες μεθόδους επεξεργασίας και, κατά συνέπεια, ανιχνεύθηκαν στα περισσότερα δείγματα χωνευμένης ιλύος. Σύμφωνα με τα ανωτέρω, μια πιθανή απειλή για το περιβάλλον δεν μπορεί να αποκλειστεί λόγω της διάθεσης της επεξεργασμένης ιλύος στο έδαφος.