Presence and fate of drugs of abuse in environmental waters and engineered systems

The presence of contaminants of emerging concern (CECs) in environmental waters has received increasing attention over the last decade due to potential impacts on both aquatic organisms and human health. Several classes of contaminants have been added to the list of CECs being investigated, including drugs of abuse (DOAs) which are the focus of the present thesis. Target DOAs included cocaine and its active metabolite, benzoylecgonine (BE), several amphetamine drugs, as well as illicit opioid drugs or prescription opioids that are often abused. To date, the data available on the occurrence and removal of these compounds is limited compared to other CECs, especially in drinking water. Therefore, this PhD thesis includes a detailed investigation into their occurrence in three matrices: wastewater, surface and drinking water, as well as their removal during wastewater and drinking water treatment estimated using conventional and novel sampling strategies. In order to determine the extent of contamination of wastewater, surface water and drinking water by DOAs, a sampling campaign was carried out to demonstrate the link between discharges of drugs of abuse in wastewater and contamination of surface water and drinking water. Sample analysis demonstrated that 18 of 20 target compounds were identified in at least one matrix. Results indicated that the levels of some target compounds did not decrease in surface water, indicating that these compounds may be persistent in the environment. Negative removal efficiencies of the target compounds during treatment at the DWTP were calculated for several compounds. Efficient removal of DOAs from wastewater is key to reducing the potential for impacts of these compounds to aquatic organisms and human health. However, it is difficult to assess removals of DOAs from wastewater because of the influence of hydraulic retention time (HRT) on measurements of untreated and treated wastewater. A novel method was applied for the first time to calculate removals of DOAs by taking into account the HRT distribution of the plant. The time-shifted mass balancing approach used to calculate DOA removals successfully corrected negative removals and demonstrates the importance associated with the pursuit of improving sampling campaign strategies and methods to better assess the fate of CECs in engineered systems. Since DOAs and other CECs are not completely removed during wastewater treatment and the potential negative effects on aquatic organisms and humans are largely unknown, tertiary treatment technologies are being considered, such as ozonation. For most classes of CECs, their fate during ozone treatment and their potential oxidation transformation products (OTPs) have not been fully explored, and specifically, transformations of DOAs have not been investigated before. Therefore, this project included the first evaluation of the potential of ozone to remove these contaminants. This study showed removals of up to 50%, depending on the complexity of the matrix, and the identification of OTPs generated from methylenedioxymethamphetamine (MDMA), cocaine and oxycodone using high-resolution mass spectrometry (HRMS). The presence and persistence of most of the investigated DOAs in surface water and a source of drinking water raise concerns for both aquatic organisms and human health. In addition, the identification of persistent OTPs underlines the need to explore the fate of CECs when emerging treatment technologies, such as ozonation, are applied, since their formation may have a significant effect on the toxicity of the treated water. Finally, the low removals measured throughout the wastewater treatment processes for some of these compounds demonstrate the importance of improving treatment methods to mitigate the impact of CECs on the environment and public health.La présence de contaminants émergents dans les eaux environnementales reçoit une attention croissante depuis la dernière décennie en raison des impacts potentiels sur les écosystèmes aquatiques et la santé humaine. Plusieurs classes de contaminants ont été ajoutées à la liste des contaminants d'intérêt émergent, y compris les drogues qui font l'objet de la présente thèse. Les drogues considérées dans cette thèse sont la cocaïne et le benzoylecgonine, plusieurs amphétamines et opioïdes. Cette thèse fournit une première étude de la présence de ces composés dans trois matrices: les eaux usées et de surfaces et l'eau potable ainsi que de leur enlèvement au cours de traitement en usine d'épuration des eaux usées et de traitement de l'eau potable, et ce, en utilisant des stratégies d'échantillonnage conventionnelles et innovatrices. Afin de déterminer l'ampleur de la contamination des eaux usées, de surface et de l'eau potable par ces drogues, une campagne d'échantillonnage a été élaborée afin de démontrer le lien entre le relâchement des ces drogues via les eaux usées traitées et la contamination des eaux de surface et de l'eau potable. L'analyse des échantillons démontre que 18 des 20 composés ciblés étaient présents dans au moins l'une des matrices. Les résultats indiquent également que la concentration de certains composés n'a pas diminuée dans l'eau de surface, indiquant que ces composés sont généralement persistants dans l'environnement. Les résultats indiquent plusieurs valeurs négatives pour le taux d'enlèvement de certains composés. L'élimination efficace des drogues dans les eaux usées est essentielle pour réduire le risque d'impact sur les écosystèmes aquatiques et la santé humaine. Cependant, il est difficile d'évaluer le devenir de ces drogues en cours de traitement des eaux usées en raison de l'influence des temps de rétention hydraulique sur les concentrations mesurées à l'entrée et la sortie des unités de traitement. Une approche de calcul d'enlèvement basée sur des calculs de bilans de masse intégrant un décalage temporel, a permis le calcul de taux plus fiables et l'élimination des taux d'enlèvement négatifs. Ces résultats démontrent l'importance de poursuivre la mise en place de stratégies et des méthodes améliorées pour l'échantillonnage et le calcul d'enlèvement afin de mieux évaluer le devenir des contaminants d'intérêt émergent dans les systèmes d'ingénierie des eaux.Étant donné que les drogues ne sont pas complètement éliminées lors du traitement des eaux usées et considérant que les effets négatifs potentiels sur les organismes aquatiques et les humains sont en grande partie inconnus, les technologies de traitement tertiaire, comme l'ozonation, sont étudiées comme solution potentielle. Cette thèse consiste en la première évaluation du potentiel de l'ozone pour éliminer ces drogues. Les résultats obtenus démontrent des taux d'enlèvement jusqu'à 50%, selon la complexité de la matrice, et ont permis l'identification de produits de transformation du méthylènedioxyméthamphétamine (MDMA), de la cocaïne et de l'oxycodone en utilisant la spectrométrie de masse à haute résolution.La présence et la persistance de la plupart des drogues étudiées, autant dans l'eau de surface que dans l'eau potable, soulèvent des préoccupations relativement à l'impact potentiel sur les organismes aquatiques et la santé humaine. De plus, l'identification de produits de transformation persistants souligne la nécessité d'étudier le devenir des contaminants émergents, particulièrement lorsque des technologies émergentes, telles que l'ozonation, sont considérées. L'implantation de ces technologies doit se faire en considérant l'effet potentiel sur la toxicité de l'eau traitée. Enfin, les faibles taux d'enlèvement des drogues observés en cours de traitement démontrent l'importance d'améliorer les méthodes de traitement afin de réduire l'impact des contaminants d'intérêt émergent sur les écosystèmes et la santé humaine