Polluants émergents : Solutions techniques de traitement Recherche et Développement Polluants émergents : Solutions techniques de traitement

Sommaire Introduction Techniques de traitement Conclusion Contexte Les polluants émergents et les sources Résidus pharmaceutiques Perturbateurs endocriniens Substances Prioritaires L’efficacité de traitement de STEP conventionnelles Techniques de traitement Les mécanismes d’élimination : Physique Thermique Chimique Biologique Les procédés de traitement Conclusion

La Directive Cadre sur l’Eau CONTEXTE Directive publiée le 23/10/2000, transposée en droit français par la loi du 21 avril 2004. La DCE établit un cadre pour la protection des eaux de surface, souterraines, de transition et côtières. Objectif : la reconquête des milieux aquatiques: Préserver et améliorer l’état des systèmes aquatiques : le « bon état écologique », Promouvoir une utilisation durable de l’eau, Atténuer les effets des inondations et des sécheresses.

Les polluants émergents à l’étude (chez VE) Les substances pharmaceutiques: 20 à 30 molécules (Antibiotiques,Analagésiques/Anti-inflammatoires, Lipo-régulateurs, Béta-bloquants, Anti-épileptiques). Les perturbateurs endocriniens (PE): 10 à 15 molécules à effet important (Hormones stéroïdiennes, alkylphénols). Les substances prioritaires: 33 substances ou groupes de substances dont 11 très toxiques (Diuron, Chloroalcanes, Octylphénol).

Devenir des polluants dans l’environnement Utilisation et sources Devenir Effets

Produits pharmaceutiques Employés dans divers médicaments. Plus de 4000 molécules. Formulés pour être solubles dans l’eau. Présence avérée dans l’environnement.

Exemple de produits pharmaceutiques Ibuprofène (Analgésique anti-inflammatoire): En vente libre en France jusqu’à 200 mg, Utilisé pour le traitement des maux de tête et la douleur. Salbutamole (β2-sypathomemetic): Utilisé lors de crise d’asthme, Produit dopant, Utilisé comme relaxant pour les muscles utérins. Antibiotiques: Sous ordonnance, Cible un type de bactéries à tuer.

Antibiotiques dans les eaux usées brutes Données IRH (Programme d’étude ADEME, 2007) – Veolia Environnement – Suez Environnement

Perturbateurs endocriniens Quantité excrétée par jour : Estradiol Estrone Produites par les ovaires Femmes : 10 to 100 µg Femmes enceintes : 200 to 30 000 µg Hormones naturelles Ethinylestradiol 50 µg par pilule Hormones synthétiques Pilule contraceptive

Hormones dans les eaux usées brutes Hormones : Ecart < 0.4 – 200 ng.L-1 Estrone > 17β−estradiol > 17α−estradiol >> ethynilestradiol 40 – 200 10 –40 1 –10 < 0.8 -2

Que sont les substances prioritaires? Liste de 33 substances et groupes de substances définies comme dangereuses et nocives par la Directive Européenne 2000/60/CE (Annexe X). Parmi ces substances: Pesticides: Alachlore, atrazine, diuron…, Métaux et leurs composés: Cadmium, mercure, nickel, plomb, Hydrocarbure Aromatique Polycyclique (HAP): Fluoranthène, Benzo(a)pyrène, benzo(k)fluoranthène…

Choix des substances prioritaires Sélection des substances prioritaires en fonction: Ecotoxicité aquatique, toxicité sur l’homme, données de surveillance montrant l’étendue de la contamination, facteurs indiquant une possibilité de contamination (volume de production, d’utilisation et modes d’utilisation des substances).

Substances prioritaires 139 substances de la liste II 76/464/CEE 33 Substances Prioritaires DCE dont 11 Dangereuses Prioritaires 18 Substances de la liste I Aldrine Tétrachlorure de carboneDDT (y c. DDD et DDE) Dieldrine Endrine Tétrachloroéthylène Trichloroéthylène Isodrine Cadmium et composés Hexachlorobenzène Hexachlorobutadiène Hexachlorocyclohexane (y c. Lindane) Mercure et composés Pentachlorophénol Trichlorobenzène Trichlorométhane 1.2 Dichloroéthane* Anthracène Naphthalène 5 autres HAP Atrazine Endosulfan Simazine Trifluraline Plomb et ses composés Nickel et ses composés Dichlorométhane Benzène Ethylbenzène Toluène 1.1.1-Trichloroéthane 1.1.2-Trichloréthane Chlorure de Vinyle Xylènes … Alachlore Diphényléthers bromés C10-13-chloroalcanes Chlorfenvinphos Chlorpyrifos Di(2-éthylhexyl)phtalate (DEHP) Diuron Fluoranthène Isoproturon Nonylphénols Octylphénols Pentachlorobenzène Composés du tributylétain Chlorobenzène Chloroprène 3-chloroprène 1.2-Dichlorobenzène 1.4-Dichlorobenzène 1.1-Ddichloroéthane

Impacts sanitaires des substances prioritaires Perturbateurs endocriniens, Nonylphenol, phtalate… Cancers, tumeurs sur organes reproductifs chez les animaux et humains, Atrazine et simazine… Problèmes neurologique, cardiovasculaire, respiratoire, Plomb, Mercure… Effet mutagènes sur les mammifères et organismes aquatiques Hydrocarbure…

Traitement conventionnel des eaux usées Traitement primaire Traitement secondaire Bassin de sédimentation Influent Prétraitement Effluent Elimination de grosses particules, Elimination de matières en suspensions, graisses, sable, Elimination de DCO, DBO, et autres polluants, Elimination de matières en suspension et de biomasses résiduelles, Possibilité de traitement tertiaire selon le milieu de rejet.

L’efficacité de traitement de STEP conventionnelle Objectif de la STEP conventionnelle Elimination de paramètres globaux (DCO, azote, phosphore), Respect de limites réglementaires, Diminution de l’impact environnemental lié aux paramètres globaux (DBO5). Problèmes posés par les polluants émergents Faibles concentrations (taux de dilution) donc difficile à atteindre, par les micro-organismes (MOO), Dégradabilité biologique faible (certains polluants récalcitrants), Effets toxiques vis-à-vis des MOO, Certains composés sont enlevés (≈ 90 %) des STEPs mais demeurent à des concentrations du ng/l dans les effluents, Continuellement émis dans l’environnement.

Techniques de traitement Mécanismes d’élimination Principaux mécanismes impliqués dans l’élimination des polluants émergents. Mécanique, Physique, Chimique, Biologique, Thermique.

Types de traitement Transfert de phase I : sans modification chimique Transfert de phase II : modification chimique et production de boues. Procédés de dégradation : sans production de boues Techniques membranaires Biodégradation aérobie Procédés d’oxydation avancée Procédés d’adsorption Biodégradation anaérobie Oxydation par voie humide Procédés physiques Biosorption Incinération Procédés chimiques Oxydation par Fenton

Procédés d’élimination avec production de boues Procédés membranaires: Bioréacteur à membrane Combinaison de mécanisme physique et biologique. Principe: Majoritairement membranes de microfiltration pour rétention de solides (MOO): Membranes immergées, Boucle externe. Etapes de traitement Prétraitement : Tamisage et dessablage des eaux brutes, Filtration membranaires: Séparation entre les boues activées et eau épurée à l’aide de membranes, Rejet des eaux traitées en rivière.

Procédés membranaires: Bioréacteur à membrane Traitements biologique: Boues activités, Dégradation par voie aérobique. Traitement physique: Filtration de l’eau à l’aide des membranes, Rétentions de matières à diamètres supérieurs des pores de la membrane.

Les procédés membranaires: Bioréacteur à membrane Les avantages: Rétention des boues, ce qui implique une spécialisation de Micro organismes, Temps de contact polluants et bactérie prolongé (dans le cas de membranes de nanofiltration), Efficacité d’élimination des polluants émergents amélioré par rapport aux BAC. Les inconvénients: Colmatage membranaire, Prix des membranes encore élevés, Traitement des membranes .

Les procédés anaérobique: Réacteur UASB Le principe: Dégradation de polluants par voie biologique anaérobique. Etapes de traitements: Prétraitements: Tamisage et dessablage des eaux brutes, Traitement biologique: Dégradation anaérobique des polluants, Rejet des eaux (si qualité compatible)

Les procédés anaérobique: Réacteur UASB Les avantages: Production de méthane pouvant être valorisé, Efficace sur certains composés organochlorés (Dichloroethane), Coût énergétique moindre. Les inconvénients: Organismes anaérobique sensibles (méthanogènes), Démarrage du réacteur lent.

Les procédés d’oxydation: Fenton et Photo-Fenton Le principe: Dégradation de substances par oxydation chimique (Ions fer II et peroxyde d’hydrogène) et irradiation (Solaire). Etapes de traitements: Injection de Fer II, Injection de peroxyde d’hydrogène, Exposition solaire, Rejet des eaux traitées.

Les procédés d’oxydation: Photo-Fenton Mécanisme: Oxydation des polluants par des radicaux hydroxyles: Fe² + H2O2 → Fe³ + OHˉ + OH• Production de radicaux hydroxyles. Fe³ + hv → Fe² + OHˉ + OH• Génération d’ion fer II et de radicaux hydroxyles. Les radicaux hydroxyles s’attaquent à pratiquement toutes matières organiques.

Les procédés d’oxydation: Photo-Fenton Les avantages: Techniques peut être utiliser seule ou comme prétraitement, Facile de mise en œuvre, Utilisation de l’énergie solaire, Efficaces sur les pesticides (Alachlore, diuron…). Les inconvénients: Ne peut être utilisé sur tout les endroits du globe, Possibilité de précipités, Utilisation de acides (diminution du pH) et bases (neutralisation de pH avant rejet).

Procédés d’élimination sans production de boues Les procédés d’oxydation: Ozone (couplé ou non aux UV): Le principe: Dégradation de substances par oxydation et irradiation (Lampe UV). Utilisation en tant que pré ou postraitement biologique: Prétraitement: Tamisage et dessablage, Traitement biologique: Boues activées, Oxydation: Injection d’ozone, Désinfection: Ultra violet.

Les procédés d’oxydation: Ozone + UV Mécanismes: oxydation chimique des polluants: Ozone puissant oxydant s’attaquant directement aux polluants organiques, Formation de radicaux oxydants, UV action directe (limitée) et formation de radicaux.

Les procédés d’oxydation: Ozone + UV Les avantages: Elimination de composés biodégradables et récalcitrants à une action biologique, Addition possible à une STEP conventionnelle, Modulable (avant et/ou après traitement biologique par exemple). Les inconvénients: Installation d’un ozoneur nécessaire (dépense énergétique), Possibilité de production de substances plus dangereuses, Coût de cette technique demeure élevée.

Résultats obtenus en laboratoire ozone + UV Concentration (ng/L) Echantillons Beta Estradiol Alpha Estradiol Ethinylestradiol Estrone Sortie STEP conventionnelle 3,4 <0,2 2,2 5,8 Sortie+UV 2,8 1,6 5,1 Sortie+O3 0,2 <0,4 0,3 Sortie+UV+O3

Conclusion Lors des processus conventionnels de traitement des eaux usées, les polluants émergents sont: Pour certains, majoritairement éliminés des eaux usées traitées (biodégradation, transfert vers les boues), Pour certains, une fraction minoritaire, émis au milieu récepteur. Des solutions techniques existent déjà pour faire face aux micropolluants à risque: Une panoplie d’opérations unitaires sont disponibles (oxydants, rayons, membranes, …), mais un savoir faire est nécessaire pour sélectionner les combinaisons « gagnantes », Une optimisation économique est nécessaire pour atteindre des coûts acceptables pour couvrir ces risques.

Conclusion La complexité des enjeux écarte de facto les solutions « simplistes »: Prise en compte d’interactions ou d’effets contradictoires entre opérations unitaires (qualité de l’intégration), Particularités du cas des cycles courts et de la réutilisation. De nombreux points nécessitent encore des efforts de recherche: Nouveaux développements analytiques, Nouvelles combinaisons de traitements, Stratégies de contrôle des substances à risque, Suivi des impacts à long terme, actualisation régulière des analyses de risque & management du risque, Devenir des substances exportées avec les boues.

Merci de votre attention

Membranes de bioréacteur à membrane

Qualité de rejets Bioréacteurs à membranes

Réacteur UASB

Photo-Fenton

Test ozone + UV