Parmi les nombreux contaminants qui menacent les écosystèmes aquatiques et les approvisionnements en eau potable, les produits chimiques perturbateurs du système endocrinien (CDE) ont suscité des préoccupations particulières en raison de leur capacité à interférer avec les systèmes hormonaux à des concentrations extrêmement faibles. Ces composés proviennent d'une vaste gamme de sources, notamment des produits pharmaceutiques, des produits de soins personnels, des produits chimiques industriels et des eaux de ruissellement agricoles.

Comprendre les perturbateurs endocriniens

Les perturbateurs endocriniens sont des produits chimiques exogènes qui peuvent imiter, bloquer ou modifier la fonction normale du corps et des hormones naturelles. Parce que les hormones régulent presque tous les processus physiologiques et 8212; croissance, développement, reproduction, métabolisme et fonction immunitaire et 8212; même des perturbations mineures peuvent avoir des conséquences importantes. Le système endocrinien fonctionne sur un délicat équilibre entre molécules et récepteurs signalants, et les EDC peuvent exploiter ces voies, se lier aux récepteurs, modifier la synthèse ou la dégradation des hormones ou modifier l'expression des gènes sensibles aux hormones.

Classes et sources communes

Des milliers de produits chimiques ont été identifiés comme étant des perturbateurs endocriniens potentiels, mais plusieurs classes sont particulièrement répandues dans les sources d'eau :

  • Bisphénol A (BPA)[ et ses analogues: Utilisé dans les plastiques polycarbonés, les résines époxys qui recouvrent les boîtes alimentaires et le papier thermique.
  • Phthalates: Plastiques présents dans les produits en PVC, les cosmétiques et les dispositifs médicaux. Ils sont omniprésents dans les eaux usées et les eaux de surface.
  • Pesticides: Les composés organochlorés comme le DDT (et ses métabolites), l'atrazine et le glyphosate persistent dans le sol et l'eau.
  • Pharmaceutiques: Contraceptifs hormonaux (éthinylestradiol), antibiotiques, anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS) et antidépresseurs, qui pénètrent dans les voies navigables par excrétion humaine et élimination inappropriée.
  • Chimiques industrielles: Polybromodiphényléthers (PBDE) utilisés comme retardateurs de flamme, et alkylphénols (par exemple, nonylphénol) utilisés dans les détergents.
  • Mycotoxines et hormones naturelles: Les métabolites fongiques peuvent également perturber les systèmes endocriniens.

Impacts sur la santé et l'écologie

Les effets de l'exposition chronique aux EDC ont été documentés tant chez la faune que chez les humains. Dans les organismes aquatiques, la féminisation des poissons mâles, la reproduction altérée et le comportement altéré ont été liés à des composés oestrogéniques dans les effluents d'eaux usées. Pour les humains, les études épidémiologiques associent l'exposition d'EDC à la diminution du nombre de spermatozoïdes, à la puberté précoce chez les filles, à l'incidence accrue de cancers sensibles aux hormones (bras, prostate, testicules) et à des troubles métaboliques tels que l'obésité et le diabète.

-Les perturbateurs endocriniens représentent une pandémie silencieuse; leurs effets à faible dose et leur présence généralisée dans l'environnement remettent en question nos paradigmes toxicologiques traditionnels. -- Ana Soto, Université Tufts

Le traitement conventionnel de l'eau et ses limites

Bien que ces procédés soient efficaces pour éliminer la turbidité, les agents pathogènes et certaines matières organiques, ils sont souvent inadéquats pour les EDC. La coagulation et la floculation ciblent principalement les particules, mais bon nombre d'EDC sont solubles ou liées au carbone organique dissous. La chloration peut réagir avec les contaminants organiques pour former des sous-produits de désinfection (PDB), mais elle ne permet pas de minéraliser complètement les perturbateurs endocriniens. L'adsorption au carbone activé peut éliminer certaines EDC, mais sa capacité devient saturée, nécessitant une régénération ou un élimination.

Ozonation: Mécanisme et chimie

L'ozone est une molécule naturelle composée de trois atomes d'oxygène, dont le potentiel d'oxydation (2,07 V) est secondé par le fluor parmi les oxydants courants. Lorsqu'elle est dissoute dans l'eau, l'ozone réagit avec les contaminants par deux voies primaires : l'oxydation moléculaire directe de l'ozone et l'oxydation indirecte par les radicaux hydroxyles (•OH) produits lors de la décomposition de l'ozone. La voie directe est sélective, attaquant de préférence les fractions riches en électrons comme les phénols, les amines et les liaisons doubles. La voie indirecte, typique à pH supérieur (ci-dessus 8), génère une cascade de radicaux qui oxyde une plus grande gamme de composés.

Voies de dégradation pour les EDC

La structure chimique de nombreux EDC comprend des cycles aromatiques, des groupes phénoliques et des liaisons non saturées qui sont sensibles à l'attaque de l'ozone. Par exemple, le bisphénol A contient deux groupes phénoliques; l'ozone clive la liaison entre les cycles ou ouvre la structure aromatique, produisant des acides organiques, des aldéhydes plus petits et moins nocifs, et finalement du dioxyde de carbone et de l'eau. Les phtalates subissent une hydrolyse des liaisons estérologiques et un clivage des anneaux. Les pesticides comme l'atrazine sont plus récalcitrants : la réaction directe à l'ozone est lente, mais l'addition de peroxyde d'hydrogène (O3/H2O2) accélère la production de radicaux, ce qui augmente la dégradation de l'atrazine.

Réaction Kinétique et sous-produits

La constante de vitesse pour l'ozone qui réagit avec un EDC détermine le temps de contact nécessaire.Pour les composés à réaction rapide (k > 103 M[−1s−1), comme les phénols, quelques secondes peuvent suffire. Pour les composés plus lents, les radicaux hydroxyles deviennent cruciaux. La décomposition de l'ozone peut produire du bromate (BrO3−] lorsque des ions bromures sont présents dans l'eau de source.

Ozonation pour l'élimination des perturbateurs endocriniens : preuves de la recherche et de la pratique

De nombreuses études examinées par des pairs ont examiné l'efficacité de l'ozonation pour éliminer les EDC de l'eau potable et des eaux usées.

Bisphénol A (BPA)

Les essais en laboratoire et à l'échelle pilote montrent systématiquement que l'ozonation à des doses de 2 à 5 mg O3/L avec des temps de contact de 2 à 10 minutes peut dégrader le BPA de plus de 99 %. Une étude réalisée par Umar et al. (2010) a indiqué que le BPA a été complètement éliminé en 5 minutes à pH 7 et la dose d'ozone de 3 mg/L. Les sous-produits primaires (par exemple, les dérivés de l'acide muconique, l'acide formique) présentent une activité estrogène réduite par rapport au composé parent.

Produits pharmaceutiques et produits de soins personnels

Une usine de traitement des eaux usées à grande échelle en Suisse (projet Verbio) a démontré que l'ozonation a réduit la concentration de 32 composés organiques traces, dont de nombreux EDC, de 80 % en moyenne avec une dose d'ozone de 0,4 à 0,6 g O[3/g de carbone organique dissous (DOC). Parmi les composés testés, la carbamazépine (un anticonvulsant sans activité endocrine mais utilisée comme traceur) a été réduite de >95 %, le diclofénac >90 % et les hormones estrone et estradiol de >90 %. Des résultats similaires ont été rapportés dans des usines d'Allemagne, du Canada et des États-Unis.

Pesticides

L'oxydation de l'atrazine par l'ozone seul est lente (constante de vitesse ~6 M−1s−1), mais l'oxydation avancée par O[3/H2O[2 à un rapport molaire de 1:1 permet un retrait rapide.

Efficacité comparée : Ozonation par rapport à d'autres processus avancés

Au-delà de l'ozonation, d'autres technologies, dont le charbon actif granulaire (GAC), la nanofiltration (NF), l'osmose inverse (RO) et les UV/H[2O2, sont utilisées pour l'élimination d'EDC.

Technology EDC Removal Efficiency Key Advantages Key Disadvantages
Ozonation 70–99% (varied by compound) No residual chemicals; in situ generation; effective against many EDCs Energy-intensive; bromate risk; byproducts may require post-treatment
GAC 60–95% (depends on bed life and compound) Simple operation; no chemical addition Sorption saturation; regeneration/disposal cost; less effective for hydrophilic compounds
RO/NF >90% for most EDCs High rejection; simultaneous removal of salts and pathogens Membrane fouling; high energy; brine disposal
UV/H2O2 80–99% (with appropriate dose) No bromate; effective for recalcitrant compounds Higher energy for UV lamps; H2O2 residuals need quench

L'ozonation offre un équilibre favorable entre efficacité et simplicité opérationnelle pour de nombreux services publics, surtout lorsqu'elle est combinée à la filtration biologique (p. ex. biofiltres) pour éliminer les sous-produits d'oxydation biodégradables. Des systèmes hybrides tels que O3/BAC (carbone actif biologique) gagnent en traction pour éliminer les EDC parent et ses produits de transformation.

Mise en œuvre pratique du traitement des eaux et des eaux usées

L'intégration de l'ozonation dans l'infrastructure de traitement existante nécessite une ingénierie rigoureuse.Les principaux paramètres de conception sont : la dose d'ozone, le temps de contact, l'efficacité du transfert de masse et l'extinction ou l'élimination de l'ozone résiduel avant désinfection.

Énergie et coûts

L'ozone est généralement produit sur place à partir de l'air sec ou de l'oxygène pur, ce qui nécessite une consommation d'énergie de 8 à 15 kWh par kg O[3 produite. Pour une usine traitant 10 millions de gallons par jour (MGD) à une dose d'ozone de 3 mg/L, la consommation d'énergie est d'environ 150 à 250 kW, ce qui se traduit par des coûts opérationnels de 0,05 à 0,15 $ par 1 000 gallons traités.

Surveillance et contrôle des processus

La surveillance en temps réel des résidus d'ozone dans la chambre de contact et la mesure de l'absorption du carbone organique dissous (COD) ou des UV à 254 nm (UV[]254) sont utilisées pour ajuster la dose d'ozone.

. L'Office fédéral de l'environnement a mandaté l'ozonation ou un traitement avancé équivalent pour toutes les grandes stations de traitement des eaux usées qui se déversent dans des plans d'eau sensibles à partir de 2020.

Gestion des sous-produits et considérations de sécurité

Bien que l'ozone dégrade de nombreuses EDC, la formation de sous-produits de désinfection (PDB) exige une attention particulière. Le bromate est le PDB le plus réglementé de l'ozonation, mais il comprend aussi divers aldéhydes (formaldéhyde, glyoxal), cétones et acides organiques. Certains aldéhydes sont cytotoxiques et génotoxiques. Cependant, la filtration biologique après ozonation (p. ex., le BAC) élimine efficacement ces sous-produits et la toxicité globale diminue souvent après le traitement.

Perspectives et orientations de la recherche

Les progrès dans la production d'ozone (p. ex., rejet de corona à haute fréquence avec une efficacité accrue) réduisent les coûts énergétiques. L'ozonation en couplage avec des procédés à base de catalyseur (ozonation catalysée) ou avec l'oxydation électrochimique peut encore améliorer l'élimination de la CDE tout en réduisant les sous-produits.

De plus, l'adoption de l'ozonation dans les systèmes décentralisés de traitement de l'eau et les dispositifs de point d'utilisation est à l'étude pour les collectivités dépendantes des eaux souterraines contaminées par des EDC.

Conclusion

L'ozonation offre une technologie éprouvée et robuste pour réduire la concentration d'un large éventail d'ECD, du bisphénol A aux phtalates, aux hormones pharmaceutiques et aux pesticides. Lorsqu'ils sont conçus et exploités correctement, les systèmes d'ozonation peuvent dégrader ces contaminants avec un minimum de dommages résiduels, bien qu'une gestion soigneuse du bromate et d'autres sous-produits soit essentielle. À mesure que les normes de traitement de l'eau deviennent plus strictes et que les données probantes sur les risques d'ECD continuent de croître, l'ozonation est sur le point de devenir une composante intégrante des trains de traitement de l'eau de pointe dans le monde entier.

Pour plus de renseignements, les lignes directrices de l'Organisation mondiale de la santé pour la qualité de l'eau potable et le Programme de dépistage des perturbations endocriniennes de l'EPA fournissent un contexte faisant autorité sur les cadres réglementaires et les méthodes d'essai.