Ozonation for the improvement of wastewater quality in lagoons

Concerns over environmental sustainability in Canada have increased in recent years leading to changes to the discharge limits of certain contaminants like biological oxygen demand (25 mg/L), ammonia (1.25 mg NH3-N/L), and total suspended solids (25 mg/L) in effluent from wastewater treatment facilities collecting an average daily influent volume of 100 m3 or more. Contaminants of emerging concern (CECs) like pharmaceuticals, hormones, pesticides, herbicides, and other natural and synthetic compounds found in effluent from wastewater treatment facilities remain unregulated in Canada but may persist in the environment and lead to negative environmental outcomes. Given the number of Canadians who rely upon lagoons for their wastewater treatment in small, rural, and remote communities, there is a need to investigate and develop new, cost-effective strategies to improve the quality of wastewater treated in lagoons. Ozonation has been shown to improve the removal of a variety of wastewater contaminants (including CECs) from real wastewater through direct means (oxidation of compounds) and indirect means (increased dissolved oxygen, enhanced biodegradability) and was investigated in the present thesis as a potential strategy to improve wastewater treatment in lagoons. Two pilot tests were conducted to investigate the effects of ozonation on contaminant removal in lagoons. Samples of wastewater were collected from several locations in each lagoon prior to ozonation, during ozonation, and after ozonation and analyzed to determine the effect of ozonation on the removal of conventional contaminants and CECs. The samples were analyzed for biological oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total ammonia, unionized ammonia, total dissolved solids (TDS), total suspended solids (TSS), nitrite, nitrate, toxicity to Vibrio fischeri, and for the presence of fifteen CECs. For the first pilot test at New Credit First Nation, there were reductions in the BOD and total ammonia during the ozonation period. There was a decrease in toxicity to Vibrio fischeri and a further decrease in total ammonia during the post-ozonation period. The concentrations of three CECs (carbamazepine, gemfibrozil, and ibuprofen) decreased during the ozonation period, and the gemfibrozil concentration continued to decrease during the post-ozonation period. For the second pilot test at Rainy River First Nation, there were reductions in BOD, total ammonia, and unionized ammonia in the post-ozonation period. There was also a reduction in time from ice-off at the lagoon until compliance with the Wastewater System Effluent Regulations (WSERs) in 2018 compared to 2017 and 2016, but this time was still longer than in 2015 or 2014. Laboratory experiments with synthetic wastewater showed no improvements in removal of contaminants due to ozonation in a subsequent biodegradation process by Bacillus, Pseudomonas, and Rhodococcus species, and an increase in the formation nitrate at one of the dose tested. Direct removal of two indicator compounds (caffeine and sulfamethoxazole) by ozone was observed. The optimal dosing strategy for the removal of caffeine was different than for the removal of sulfamethoxazole. Overall, it is unclear if the pilot tests led to improvements in each lagoon and laboratory experiments with synthetic wastewater did provide evidence of an optimal ozone dosing strategy to improve the removal of contaminants. Monitoring at New Credit First Nation and Rainy River First Nation may provide further insight on the impact of ozonation on contaminant removal processes in lagoons. Further laboratory experiments using a more complex synthetic wastewater or real lagoon wastewater may also help determine the impact of ozonation on contaminant removal and the optimal dosing strategy to minimize costs associated with ozone production.Les préoccupations environnementales au Canada ont augmenté au cours des dernières années, ce qui a entraîné des changements aux limites de rejet concernant la demande biochimique en oxygène (25 mg/L), de l'ammoniac (1,25 mg NH3-N), et des matières en suspension (25 mg/L) pour les effluent des stations de traitement dont le volume moyen quotidien est de 100 m3 ou plus. Les contaminants d'intérêt émergent (CIE) présents dans les eaux usées ne sont pas réglementés au Canada, peuvent persister dans l'environnement et entraîner des effets sur l'environnement. Étant donné le nombre de Canadiens qui dépendent d'étangs pour le traitement de leurs eaux usées, surtout dans les petites communautés rurales et éloignées, il est nécessaire d'étudier et de développer de nouvelles stratégies peu couteuses pour améliorer la qualité des eaux usées traitées dans ces étangs. Il a été démontré que l'ozonation améliore l'élimination d'une variété de contaminants (y compris les CIEs) des eaux usées réelles par des moyens directs (oxydation des composés) et indirects (augmentation de l'oxygène dissous, biodégradabilité accrue) et a été étudiée dans la présente thèse comme une stratégie possible pour améliorer le traitement d'eau usée dans les étangs. Deux essais pilotes ont été réalisés pour étudier les effets de l'ozonation dans les étangs. Des échantillons d'eaux usées ont été prélevés à plusieurs endroits dans chaque étang avant, pendant et après l'ozonation et analysés pour déterminer l'effet de l'ozonation sur l'élimination des contaminants classiques et des CIE. Les échantillons ont été analysés pour la demande biochimique en oxygène (DBO), la demande chimique en oxygène (DCO), l'ammoniac total, l'ammoniac non ionisé, les matières dissous totales (MDT), les matières en suspension totales (MST), le nitrite, le nitrate, la toxicité envers Vibrio fischeri et la présence de quinze CIEs. Pour l'essai pilote à la Première nation de New Credit, des réductions de la DBO et de l'ammoniac total ont été observées pendant la période d'ozonation. La toxicité envers Vibrio fischeri et la concentration en ammoniac total ont diminué pendant la période suivant l'ozonation. Les concentrations de trois CIEs (carbamazépine, gemfibrozil et ibuprofène) ont diminué pendant la période d'ozonation, et la concentration de gemfibrozil a continué de diminuer pendant la période suivant l'ozonation. Pour l'essai pilote à la Première nation de Rainy River, des réductions de la DBO, de l'ammoniac total et de l'ammoniac non ionisé ont été observées au cours de la période suivant l'ozonation. Il y a eu une réduction du temps entre la fonte du couvert de glace de l'étang et la conformité aux limites imposées par le Règlement sur les effluents des systèmes d'assainissement des eaux usées en 2018 par rapport à 2017 et 2016, mais ce temps était plus long qu'en 2015 ou 2014. Des expériences de laboratoire avec des eaux usées synthétiques n'ont montré aucune amélioration de l'élimination des contaminants par l'ozonation dans un subséquent processus de biodégradation par trois espèces de bactérie Bacillus, Pseudomonas et Rhodococcus, mais une augmentation de formation du nitrate a été observée à une des doses étudiées. L'élimination directe de deux CIEs (caféine et sulfaméthoxazole) par l'ozone a été observée. La stratégie optimale pour l'élimination de la caféine était différente de celle du sulfaméthoxazole. L'absence d'essais de contrôle ne permet pas de conclure si les essais pilotes ont mené à des améliorations dans chaque étang et les expériences en laboratoire avec l'eau usée synthétique n'ont pas permis d'identifier une stratégie optimale de dosage de l'ozone pour améliorer l'élimination des contaminants. La surveillance aux Premières nations de New Credit et de Rainy River pourrait permettre de mieux comprendre l'effet de l'ozonation sur les processus d'élimination des contaminants dans les étangs des eaux usées en fournissant un point de comparaison des résultats