Effects of municipal WWTP contributions on the distribution of pahs in the Mapocho River, Chile, and possible consequences for the facto reuse

Abstract

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are a group of fused-ring aromatic compounds and ubiquitous environmental pollutants. The two main factors contributing to the persistence of high molecular weight PAHs in the environment are their molecular stability and hydrophobicity. Anthropogenic sources of PAHs dominate over natural sources, which include combustion engines, residential heating, industrial activities, and biomass burning. Due to their carcinogenic potential, they have been listed as priority pollutants by the European Union (EU) and the US Environmental Protection Agency (EPA). The main goal of this study is to evaluate the effects of the La Farfana municipal Wastewater Treatment Plant (WWTP) contributions to the fate and distribution of PAHs in the Mapocho River and possible consequences for de facto reuse. The Mapocho River is the main effluent of the city of Santiago, providing water for various uses, mainly irrigation. Further, in the context of the ongoing mega-drought in central Chile, the Mapocho River is a candidate for direct potable reuse applications. For the studied river section, the WASP water quality model coupled to the HEC-RAS model was implemented. The water quality model was used to study the distribution and mobility of PAHs in the water column, while the HEC-RAS model was used to characterize the river s hydraulics. Since there were no available measurements of PAHs from the effluent of La Farfana, reported concentrations of Naphthalene (Naph) and Benzo[a]pyrene (B[a]P) in different WWTPs around the world were used to conduct simulations of the fate of PAHs for the period 2004 to 2016. The results show the coupled model adequately represented the main processes of distribution and mobility of PAHs in the water column. Model simulations showed that B[a]P exceeded the limits established by the EU for drinking water (0.01 μg/L) throughout the second half of the study period (2010 to 2016) for effluent concentrations associated with the 95th percentile (C95). Naph concentrations did not exceed the maximum regulatory threshold, as most of this pollutant volatilizes. For C95 and C50 effluent concentrations of B[a]P, the fraction of the contaminant sorbed to the river s total suspended solids exceed for almost the entire study period the maximum permissible concentration proposed by the National Institute for Public Health and the Environment of the Netherlands (490 μg/kg). The continuous discharge of effluents (which do not have defined regulations for certain persistent pollutants such as PAHs) supposes an unquantified environmental threat. De facto reuse of treated effluents discharged to the Mapocho River is a current practice in Santiago s Metropolitan Area. It is expected that, under scenarios of decreasing streamflow in the Mapocho River, the concentrations of PAHs in the water will be increasingly higher. -------- Los Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAHs, por su acrónimo en inglés) son un grupo de compuestos aromáticos de anillos fusionados y contaminantes ambientales omnipresentes. Los dos principales factores que contribuyen a la persistencia de los PAHs de alto peso molecular en el medio ambiente son su estabilidad molecular y su hidrofobicidad. Las fuentes antropogénicas de PAHs dominan sobre las fuentes naturales, que incluyen los motores de combustión, la calefacción residencial, las actividades industriales y la quema de biomasa. Debido a su potencial cancerígeno, han sido incluidos en la lista de contaminantes prioritarios por la Unión Europea (UE) y la Agencia de Protección Medioambiental de Es-tados Unidos (US-EPA). El objetivo principal de este estudio es evaluar los efectos de los aportes de la Planta de Tratamiento de Aguas Servidas (PTAS) La Farfana al destino y distribución de los PAHs en el río Mapocho y las posibles consecuencias para el reuso de facto. El río Mapocho es el principal efluente de la ciudad de Santiago, proporcionando agua para diversos usos, principalmente para riego. Además, en el contexto de la actual megasequía en la zona central de Chile, el río Mapocho es un candidato para aplicaciones de reuso potable directo. Para el tramo de río estudiado, se implementó el modelo de calidad del agua WASP acoplado al modelo HEC-RAS. El modelo de calidad del agua se utilizó para estudiar la distribución y movilidad de los PAHs en la columna de agua, mientras que el modelo HEC-RAS se utilizó para caracterizar la hidráulica del río. Dado que no se disponía de mediciones de PAHs en el efluente de La Farfana, se utilizaron las concentraciones reportadas de Naftaleno (Naph) y Benzo[a]pireno (B[a]P) en diferentes PTAS de todo el mundo para realizar simulaciones del destino de los PAHs para el período 2004 a 2016. Los resultados muestran que el modelo acoplado representó adecuadamente los principales procesos de distribución y movilidad de los PAHs en la columna de agua. Las simulaciones del modelo mostraron que el B[a]P superó los límites establecidos por la UE para el agua potable (0,01 μg/L) a lo largo de la segunda mitad del periodo de estudio (2010 a 2016) para las concentraciones de efluentes asociadas al percentil 95 (C95). Las concentraciones de Naph no superaron el umbral máximo reglamentario, ya que la mayor parte de este contaminante se volatiliza. En el caso de las concentraciones de B[a]P en los efluentes de C95 y C50, la fracción del contaminante adsorbida a los sólidos suspendidos totales del río superó durante casi todo el periodo de estudio la concentración máxima permitida propuesta por el Instituto Nacional de Salud Pública y Medio Ambiente de los Países Bajos (490 μg/kg). La descarga continua de efluentes (que no tienen regulaciones definidas para ciertos contaminantes persistentes como los PAHs) supone una amenaza ambiental no cuantificada. El reuso de facto de los efluentes tratados que se vierten al río Mapocho es una práctica actual en el Área Metropolitana de Santiago. Se espera que, bajo escenarios de disminución del caudal del río Mapocho, las concentraciones de PAHs en el agua sean cada vez mayores.