Effects of Continuous Pollution by Pharmaceutical Micropollutants on the Fouling of a Membrane Bioreactor Treating Domestic Wastewater

Membrane bioreactors (MBR) are increasingly used for domestic wastewater treatment and reuse and great concerns have been raised in the last decade about some emerging trace pollutants found in aquatic environment, notably pharmaceutical products. As a consequence, the removal of pharmaceutical micropollutants by MBRs has been extensively investigated but there is still a lack of knowledge on the effects of the current presence of pharmaceutical micropollutants in domestic wastewaters on MBR fouling. Among the different pharmaceuticals, it was decided to focus on carbamazepine (CBZ), an anti-epileptic drug, because of its occurrence in domestic wastewaters and persistence in biological processes including MBRs. The chemical analysis of soluble microbial products (SMPs) in the supernatant showed that a continuous introduction of CBZ into a submerged MBR via the feed (about 90 µg/L CBZ in the feed) led to a significant increase in the concentration of proteins whereas no significant change was found for polysaccharides. Size exclusion high performance liquid chromatography (HPLC-SEC) analysis showed that the addition of CBZ induced a significant increase of 10-100 kDa proteins in the supernatant and a slight decrease of 100-1000 kDa proteins. After addition of CBZ a significant increase of transmembrane pressure (TMP) in the MBR was observed, which indicates that the increase of the quantity of 10-100 kDa proteins led to a more severe fouling caused by internal fouling in the biocake that was formed on MBR membrane surface. This study also suggests that 10-100 kDa proteins might play a major role in the TMP jump phenomenon. Moreover it was found that addition of CBZ to the MBR affected the biological activities, as a slight inhibition of the exogenous respiration rate was observed.Les bioréacteurs à membrane (BAM) sont de plus en plus utilisés pour le traitement et la réutilisation des eaux usées domestiques et de grandes préoccupations ont été soulevées concernant certains polluants émergents traces trouvés dans l'environnement aquatique dans la dernière décennie, notamment les produits pharmaceutiques. En conséquence, l’élimination des micropolluants pharmaceutiques par BAM a été étudiée de manière considérable, mais il y a encore un manque de connaissances sur l’impact de la présence actuelle de micropolluants pharmaceutiques dans les eaux usées domestiques sur le colmatage de BAM. Parmi les différents produits pharmaceutiques, il a été décidé de se concentrer sur la carbamazépine (CBZ), un médicament antiépileptique, en raison de sa présence dans les eaux usées domestiques et de sa persistance dans les processus biologiques, y compris BAM. L’analyse chimique des produits microbiens solubles (PMS) dans le surnageant a montré que l'introduction continue de CBZ dans un BAM immergé par l'intermédiaire de l'alimentation (environ 90 µg/L CBZ dans l'alimentation) conduit à une augmentation significative de la concentration en protéines mais aucun changement significatif n'a été constaté pour les polysaccharides. L'analyse par HPLC-SEC a montré que l'addition de CBZ induit une augmentation significative des protéines de 10-100 kDa dans le surnageant et une légère diminution des protéines de 100-1 000 kDa. Après addition de CBZ, une augmentation significative de la pression transmembranaire (PTM) dans le BAM a été observée, ce qui indique que l'augmentation de la quantité des protéines de 10-100 kDa a conduit à un colmatage plus grave provoqué par le colmatage interne dans le dépôt qui a été formé sur la surface de la membrane de BAM. Cette étude permet également de suggérer que les protéines de 10-100 kDa pourraient jouer un rôle majeur dans le phénomène de saut PTM. Par ailleurs, il a été constaté que l'addition de CBZ dans le BAM affecte les activités biologiques : une légère inhibition de la respiration exogène a été observée