Hospital wastewater treatment in submerged membrane bioreactor and its influence on inhabiting microbiome.

Tiwari, Bhagyashree (2020). Hospital wastewater treatment in submerged membrane bioreactor and its influence on inhabiting microbiome. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 286 p.

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Résumé

La présence des produits pharmaceutiques et de leurs métabolites dans l'environnement est inquiétante. Les hôpitaux sont une source ponctuelle de rejets pharmaceutiques dans les eaux usées. Le traitement simultané des eaux usées d’hôpitaux (EUH) et des eaux usées municipales entraîne une élimination inefficace des résidus pharmaceutiques, car les stations de traitement des eaux usées municipales (STEP) sont conçues pour dégrader les polluants conventionnels. Le traitement séparé des effluents hospitaliers empêche non seulement la dilution des produits pharmaceutiques, mais offre également la possibilité de développer un système de traitement dédié à l'élimination des résidus pharmaceutiques. L'élimination des résidus pharmaceutiques dans les stations de traitement des eaux usées est régie par deux processus : l’adsorption et la biodégradation. Une concentration élevée de biomasse dans le bioréacteur à membrane (BRM) en raison du temps de rétention des boues (TRS) plus long augmente l'élimination des micropolluants par adsorption. Le BRM favorise les contacts prolongés avec les communautés microbiennes dégradantes, ce qui facilite la sécrétion des enzymes cataboliques et l'élimination ultérieure des produits pharmaceutiques des eaux usées. L'efficacité et la robustesse de la technologie BRM reposent sur la structure et la composition des communautés microbiennes vivant dans les boues. Les paramètres de fonctionnement tels que le temps de rétention hydraulique (TRH), le temps de rétention des boues (TRS), le pH, la température et la configuration du réacteur déterminent les performances du système BRM. Cette étude visait l'optimisation des paramètres opérationnels du bioréacteur à membrane immergée (BRMi) pour le traitement des eaux usées d’hôpitaux. Le devenir des polluants pharmaceutiques, lors du traitement des eaux d’hôpitaux et les principaux mécanismes d'élimination ont été étudiés. La présente étude met l'accent sur l'identification de la communauté microbienne impliquée dans la dégradation des polluants pharmaceutiques. Initialement, les eaux usées synthétiques enrichies de polluants pharmaceutiques ont été utilisées pour optimiser le TRH et le TRS du BRMi. Les résultats ont montré que le TRH de 18h et le TRS de 100j sont les conditions de traitement optimales pour l'élimination des résidus de médicament. L'analyse de la communauté bactérienne révèle que l'ajout de produits pharmaceutiques dans les eaux usées a entraîné un changement dans la communauté bactérienne. Les longs TRS facilite la prolifération des bactéries à croissance lente et nitrifiantes. Avant le traitement des EUH réelles, la biomasse du BRMi était acclimatée en utilisant un mélange d'eaux usées synthétiques et d'eaux usées réelles d’hôpitaux. L'étude d'acclimatation révèle un changement dans la composition de la communauté microbienne avec le temps. La prédominance des communautés bactériennes pathogènes et dégradantes telles que Mycobacterium, Pseudomonas et Zoogloea était évidente à un stade ultérieur de l'acclimatation. Le traitement des EUH réelles à TRH et TRS optimisés a montré une élimination efficace de l'ibuprofène, de l'hydroxy-ibuprofène, de l'estrone, de la caféine, du sulfaméthoxazole et de la clarithromycine. Parmi les 12 produits pharmaceutiques étudiés, l'élimination du diclofénac, de l'hydroxydiclofénac, de la venlafaxine, de la desvenlafaxine et de la carbamazépine était faible. L'analyse de la communauté microbienne révèle que les divers contaminants des EUH (produits pharmaceutiques, métabolites, solvants et agents pathogènes) induisent une transformation de la communauté microbienne du BRMi de manière à favoriser une dégradation maximale des contaminants récalcitrants. La forte abondance de la communauté bactérienne dégradante dans BRMi confirme l'hypothèse que des conditions de traitement optimisées favorisent la prolifération de consortiums microbiens uniques et efficaces. L'impact de la température sur l'élimination des polluants pharmaceutiques démontre que les performances globales du BRMi diminuent à basse température. La température de fonctionnement optimale de 20°C a été recommandée pour le traitement des EUH. La diminution de la population bactérienne nitrifiante était corrélée à la diminution des performances du BRMi à basse température. L'étude sur le devenir des polluants pharmaceutiques révèle que la biodégradation était le principal mécanisme d'élimination des produits pharmaceutiques dans BRMi. Une baisse de la température (10°C) de fonctionnement du BRMi a entraîné une diminution de l'élimination des produits pharmaceutiques par biodégradation, indiquant une inhibition de la croissance microbienne à basse température. L'étude a été l'une des premières tentatives d'analyse de la communauté de micro-eucaryotes de BRMi traitant les EUH et a révélé une abondance de ciliés parasites et de la communauté fongique. Actuellement, la prédiction du rôle de la communauté des micro-eucaryotes dans la dégradation pharmaceutique est difficile et indique la nécessité d'une investigation approfondie.

The presence and prevalence of pharmaceuticals and their metabolites in the environment are worrisome. Hospitals are the point source of pharmaceutical release in wastewater. The co-treatment of hospital wastewater (HWW) with municipal wastewater results in-appropriate removal of pharmaceuticals as municipal wastewater treatment plants (WWTP) are designed to degrade conventional pollutants. The separate treatment of hospital effluent not only prevents the dilution of pharmaceuticals but also provides the opportunity to develop a dedicated and specific treatment system for efficient removal of pharmaceuticals. The removal of pharmaceuticals in wastewater treatment plants is governed by two processes, i.e., either by sorption or biodegradation. High biomass concentration in membrane bioreactor (MBR) [due to longer sludge retention time (SRT) augments the removal of micropollutants via adsorption. MBR favors prolonged contact with degrading microbial communities, which facilitates the catabolic enzymes secretion and subsequent removal of pharmaceuticals from wastewater. The efficiency and robustness of MBR technology rely on the structure and composition of sludge-dwelling microbial communities. The operating parameters such as hydraulic retention time (HRT), sludge retention time (SRT), pH, temperature, and reactor configuration determines the performance of the MBR system. This study intended toward the optimization of operational parameters of submerged membrane bioreactor (SMBR) for the treatment of hospital wastewater. During the treatment of pharmaceuticals, their fate in the treatment process and major removal mechanisms were investigated. The present study emphasizes the identification of microbial communities involved in the degradation of pharmaceuticals. Initially, synthetic wastewater spiked with pharmaceuticals was utilized to optimize the HRT and SRT of the SMBR. The result showed that the HRT of 18h and SRT of 100d are the optimum treatment condition for the removal of drug residues. The bacterial community analysis reveals that the addition of pharmaceuticals in wastewater has resulted in a shift in the bacterial community. The long SRT facilitates the proliferation of slow-growing and nitrifying bacteria. Prior to the treatment of real HWW, the SMBR biomass was acclimatized using a mixture of synthetic wastewater and real hospital wastewater. The acclimatization study reveals a shift in microbial community composition with time. The dominance of pathogenic and degrading bacterial communities such as Mycobacterium, Pseudomonas, and Zoogloea was evident at the later stage of acclimatization. The treatment of real HWW at optimized HRT and SRT showed efficient removal of ibuprofen, hydroxy-ibuprofen, estrone, caffeine, sulfamethoxazole, and clarithromycin. Among the 12 studied pharmaceuticals, the removal of diclofenac, hydroxy- diclofenac, venlafaxine, desvenlafaxine, and carbamazepine was low. The microbial community analysis reveals that the various contaminants of HWW (pharmaceuticals, metabolites, solvent, and pathogen) shape the microbial community of the SMBR in such a way that leads to the maximum removal/ degradation of recalcitrant contaminants. The high abundance of degrading bacterial community in SMBR confirms the hypothesis that optimized treatment conditions favor the proliferation of unique and efficient microbial consortia. The impact of temperature on pharmaceutical removal demonstrates that the overall SMBR performance reduces at low temperature. The optimum operating temperature of 20°C was recommended for the treatment of HWW. The decrease in nitrifying bacterial population correlated with the decline in SMBR performance at low temperature. The study on the fate of pharmaceuticals in SMBR reveals that the biodegradation was the major removal mechanism of the pharmaceuticals in SMBR. The low operating temperature of SMBR resulted in a decrease in pharmaceutical removal by biodegradation, indicating inhibition of microbial growth at low temperature. The study was one of the first attempts to analyze the micro-eukaryotes community of SMBR treating HWW and revealed an abundance of parasitic ciliates and fungal community. Currently, the prediction of the role of micro-eukaryotes community for pharmaceutical degradation is challenging and indicating the need of thorough and extensive investigation.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Drogui, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Tyagi, Rajeshwar Dayalet Buelna, Gerardo
Mots-clés libres:	produits pharmaceutiques; eaux usées d’hôpitaux; bioréacteur à membrane immergée; communauté microbienne; mécanisme d'élimination; pharmaceuticals; hospital wastewater; submerged membrane bioreactor; microbial community; removal mechanism
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	24 janv. 2023 18:38
Dernière modification:	24 janv. 2023 18:38
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13067

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