Removal of contaminants of emerging concern (CECs) from wastewater using Pilot Ozonation Technology

There is a growing concern about contaminants of emerging concern (CECs) found in the environment. These CECs include pharmaceuticals, personal care products and illicit drugs that are often not easily removed using conventional treatment technologies. Aclarus has developed a low-cost, low energy ozonation system that may be applied to the treatment of wastewater. The objective of this thesis was to test the potential of the ozonation used as a disinfection technology, to remove CECs and reduce toxicity. The evaluation was performed using the Aclarus AOWWT-10 pilot ozonation unit applied to the secondary effluent at the wastewater treatment plant in Peterborough, Ontario. The unit was operated in parallel to a full-scale ultraviolet (UV) disinfection unit. A suite of illicit drugs and indicator compound were selected as a representative sample of CECs in wastewater. Wastewater samples collected prior to and after ozone or UV treatment were extracted using solid-phase extraction, and thereafter quantified for target compounds using LC/MS-MS (Orbitrap XL, Thermo) and subjected to toxicity testing. From experimental results, ozonation treatment led to disinfection levels comparable to the level obtained in the full-scale UV treatment system (>99% disinfection based on Escherichia coli counts), but yielded much higher CEC removals for a large variety of target compounds, with an average of 86% for ozonation compared to an average of 7% for UV. Statistical analysis showed that both flow rate of water through the ozonation system, as well as the level of ozone generation (i.e. ozone dose) significantly affected the removal of CECs, while the interaction between the two factors, and also system pressure had no significant effects. Based on the results of a factorial design experimental plan, optimal CEC removal can be obtained by running the Aclarus system at a flow rate of 5 gal/min, with the use of two ozone generators fed by oxygen, corresponding to an ozone dose of 5.3 mg/L. Flow rates lower than 5 gal/min were found to cause no significant additional removal of CECs.Toxicity analysis of the samples using the Microtox systems indicated that ozone-treated samples had decreased toxicity as compared to pre-treated water (secondary effluent), whilst post-UV treated water were shown to have increased toxicity after UV treatment. These results confirm our hypothesis that ozonation has additional benefits, CEC removal and decreased toxicity, even when used as a disinfection unit.Les contaminants d’intérêt émergent (CIE) retrouvés dans l’environnement sont une source de préoccupation grandissante. Ces CIEs incluent entre-autres, les produits d’hygiène personnelle et les pharmaceutiques, ainsi que les drogues illicites qui sont souvent peu éliminés lors de traitement des eaux usées utilisant des technologies conventionnelles. Aclarus Ozone Water Systems a développé un système d’ozonation à faibles coût et demande énergétique et pouvant être appliqué au traitement des eaux usées. L’objectif de cette thèse était de déterminer le potentiel de l’ozonation, utilisée comme technologie de désinfection, à réduire la concentration des CIEs et diminuer la toxicité résiduelle des eaux traitée. L’évaluation a été effectuée en utilisant l’unité pilote d’ozonation Aclarus AOWWT-10, appliquée à l’effluent secondaire de l’usine de traitement des eaux usées de Peterborough, en Ontario. L’unité a été testée en parallèle avec l’unité de désinfection aux ultraviolets (UV) de la station. Un ensemble de drogues illicites et composés indicateurs a été choisi comme échantillon représentatif de CIEs dans les eaux usées. Les échantillons d’eaux usées, recueillis avant et après les traitements à l’ozone ou au UV, ont été préparés par extraction sur phase solide, analysés par LC/MS-MS (Orbitrap XL, Thermo) afin de quantifier les composés cibles, et puis soumis à des tests de toxicité. Le traitement à l’ozone a atteint des niveaux de désinfection comparables à ceux obtenus dans le système de traitement UV utilisé à la station d’épuration (>99% de désinfection basé sur le décompte de Escherichia coli). Toutefois, l’ozonation a permis une diminution de concentration de CIEs beaucoup plus élevée pour une grande variété de composés cibles avec une moyenne de 86% pour l’ozonation comparativement à une moyenne de 7% pour l’UV. L’analyse statistique a montré que le débit d’eau dans le système d’ozonation et le niveau de production d’ozone (i.e. dose d’ozone) influence de manière significative l’enlèvement des CIEs, alors que l’interaction entre les deux facteurs ainsi que la pression du système n’ont pas d’effet significatif. Selon les résultats du plan expérimental d’un modèle factoriel, un enlèvement optimal de CIE peut être obtenu en opérant le système Aclarus à un débit de 5 gal/min et en utilisation deux générateurs d’ozone alimentés en oxygène, ce qui correspond à une dose d’ozone de 5.3 mg/L. Un débit inférieur à 5 gal/min n’a permis d’atteindre des niveaux d’enlèvement accrus des CIEs.Selon les analyses Microtox, le traitement à l’ozone a produit une eau traitée ayant une toxicité réduite en comparaison à l’effluent secondaire, tandis que les eaux traitées aux UV ont démontré une toxicité accrue suite au traitement UV. Les résultats d’analyse chimique et écotoxicologique confirment donc notre hypothèse que l’ozonation offrent des avantages supplémentaires, soit l’enlèvement des CIEs et une réduction de la toxicité résiduelle, même lorsqu’utilisée en tant qu’unité de désinfection