Integration of advanced off-line and on-line systems for the monitoring of surface and drinking water quality

Abstract

An optimal strategy for monitoring water quality should be based on a combination of different technologies depending on the particularities of the system being observed. The final solution will be a combination of laboratory techniques, on-line instruments and statistical methods. In this case, the investigation was based on the Llobregat River basin in order to monitor natural and drinking waters after treatment in the Sant Joan Despi Water Treatment Plant (Barcelona). The thesis includes an optimization method for laboratory analysis of pharmacueticals in surface waters. 23 of the 28 compounds tested were detected. The highest concentrations were obtained for ß-blockers metoprolol and sotalol; the antibiotic ofloxacin; and lipid regulator gemfibrozil. Within the group of estrogens, estrone and estrone-3-sulfate were identified. The latter showed concentrations in some points high enough to induce estrogenic effects on aquatic organisms.

A series of indexes have been developed for the assessment of the risks posed by certain substances found in the Llobregat River to the ecosystems. The methodology is based on comparison of average concentrations with the higher concentrations that have been proved to show no effect on the environment. According to the results, the studied metals (barium, copper, nickel and zinc) had higher rates than 1 for aquatic organisms. For the organic compounds, the most significant indexes are referred to the pesticides terbuthylazine, diazinon and MCPA; and the antibiotics ciprofloxacin and clarithromycin. When the relationship is established to the legal threshold, chlorpyrifos and lindane showed indexes above 1 over some months.

The work also includes the development of indexes for measuring the potential danger of these substances to human health. The methodology considers the systemic and carcinogenic effects caused by the ingestion of water based on data from the World Health Organization (WHO) and the Information System Risk Assessment (RAIS). Over 5 years, systemic RAIS index drops from 0.64 to 0.42 for surface water and from 0.61 to 0.31 for potable water; the carcinogenic index is insignificant for the water inlet and varies from 4.2x10-05 to 7.4x10-06 for drinking water; WHO systemic index ranges from 0.41 to 0.16 for surface water and from 0.61 to 0.31 for potable water. All indices are below the thresholds, except for the carcinogenic risk in treated water in 2008 and 2009, where the rate is slightly above the limit.

One of the technologies being explored to provide useful information for operators of water is UV-Visible spectrophotometry. A probe based on this technology along with statistical methods have been used to obtain a multivariate model that will predict the origins of water in the drinking water network of Barcelona. The analysis of the combination of the spectral fingerprints with conductivity, boron and fluoride was performed to improve predictability.

The information that reports on the physical and chemical parameters in the water can be combined with toxicological information. An automatic biosensor was tested to measure its response to a series of priority pollutants. EC50 values (effective concentration that causes a 50% decrease in the activity; in mg L-1) were calculated for nonylphenol (0.03 and 0.06 for 15 and 30 min), triclosan (0.13 and 0.13), terbuthylazine (2.88 and 2.74), dimethoate (6.80 and 6.20), diclofenac (10.26 and 9.82), DBSS (50 and 39), diazinon (193 for 15 min), propanil (1594 for 15 min) and MCPA (2.0 for 15 min). For heavy metals, results were obtained with copper (II) (10.61 and 4.68), nickel (II) (317 and 222), chromium (III) (190 and 123) and iron (III) (52 for 15 min).

Una estrategia óptima para monitorizar la calidad del agua se debe basar en una combinación de diferentes tecnologías en función de las particularidades del sistema a supervisar. La solución final será una combinación de técnicas de laboratorio, equipos en continuo, y métodos estadísticos. En este caso, la investigación se ha basado en el río Llobregat, para monitorizar las aguas naturales o potables después de su paso por la potabilizadora de Sant Joan Despí (Barcelona). La tesis incluye una optimización del método para el análisis en laboratorio de fármacos en aguas superficiales. Se detectaron 23 de los 28 compuestos analizados. Las concentraciones más altas se obtuvieron para los ß-bloqueantes metoprolol y sotalol; el antibiótico ofloxacina; y el regulador lipídico gemfibrozilo. Dentro del grupo de los estrógenos, se identificaron estrona y estrona-3-sulfato . Esta última mostró concentraciones en algunos puntos suficientes para inducir efectos estrogénicos en los organismos acuáticos. Para la evaluación del riesgo para los ecosistemas de las sustancias que se encuentran en el río Llobregat, se han desarrollado una serie de índices. La metodología se basa en la comparación de las concentraciones medias con las concentraciones más altas que no tienen efecto en el medio ambiente. Según los resultados, los metales estudiados (bario, cobre, níquel y zinc) dieron índices superiores a 1 para los organismos acuáticos. En cuanto a los compuestos orgánicos, los índices más significativos son los referidos a los pesticidas terbutilazina, diazinón y MCPA; y a los antibióticos claritromicina y ciprofloxacina. Cuando la relación se establece con el umbral legal, clorpirifos y lindano mostraron índices superiores a 1 en algunos meses. Asimismo, se han desarrollado índices para medir el peligro potencial de estas sustancias en la salud humana. La metodología considera los efectos sistémicos y cancerígenos causados por la ingestión oral de agua basados en los datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS) y el Sistema de Información de Evaluación de Riesgos (RAIS). En 5 años, el índice sistémico RAIS desciende de 0,64 a 0,42 para aguas superficiales y de 0,61 a 0,31 para agua potable; el índice cancerígeno es insignificante para el agua de entrada y varía de 4.2x10-05 a 7.4x10-06 para agua potable; el índice sistémico OMS va de 0,41 a 0,16 para aguas superficiales y de 0,61 a 0,31 para agua potable. Todos los índices se encuentran por debajo de los umbrales, a excepción del riesgo cancerígeno en el agua tratada durante 2008 y 2009, donde el índice está ligeramente por encima del umbral. Una de las tecnologías que se explora para obtener información útil para los operadores de agua es la espectrofotometría Ultravioleta-Visible. En la red de agua potable de Barcelona, se utilizó una sonda basada en esta tecnología junto a métodos estadísticos, para obtener un modelo multivariante que sirva para predecir los orígenes del agua. Con el fin de mejorar la capacidad de predicción, se realizó el análisis de la combinación de las huellas espectrales con los parámetros: conductividad, flúor y boro. La información que refleja los parámetros físicos y químicos en el agua puede ser combinada con información toxicológica. Un biosensor automático ha sido probado para medir su respuesta a una serie de contaminantes prioritarios. Se calcularon los valores de EC50 (concentración efectiva que causa una disminución del 50% de la actividad en mg L-1) para nonilfenol (0,03 y 0,06 para 15 y 30 min), triclosán (0,13 y 0,13), terbutilazina (2,88 y 2,74), dimetoato (6,80 y 6,20), diclofenaco (10,26 y 9,82), DBSS (50 y 39), diazinon (193 para 15 min), propanil (1594 para 15 min) y MCPA (2,0 para 15 min). Para los metales pesados, los resultados se obtuvieron con cobre (II) (10,61 y 4,68), níquel (II) (317 y 222), cromo (III) (190 y 123) y hierro (III) (52 para 15 min).