Le rôle des filtres à tranquilliser dans l'élimination des produits pharmaceutiques et des produits de soins personnels des eaux usées

Chaque jour, les eaux usées transportent une vaste gamme de contaminants au-delà des polluants bien connus comme la matière fécale et les produits chimiques industriels, parmi lesquels les produits pharmaceutiques et les résidus de produits de soins personnels (PPCP) provenant des médicaments, des hormones, des antibiotiques, des agents solaires, des parfums et des composés antibactériens qui se transforment en égouts par excrétion humaine, bain et élimination inappropriée. Les usines de traitement traditionnelles luttent souvent pour éliminer ces micropolluants, suscitant des inquiétudes quant à la perturbation des écosystèmes et aux impacts potentiels sur la santé humaine.

Comment les filtres à tranquilliser fonctionnent

Les filtres à tranquilliser sont des réacteurs biologiques à film fixe qui ont été utilisés pendant plus d'un siècle dans le traitement des eaux usées municipales et industrielles. Le procédé implique un lit de milieux poreux, généralement des roches, du gravier ou des emballages plastiques, par lequel les eaux usées sont continuellement distribuées d'en haut. Un bras rotatif ou des buses fixes assurent une application uniforme sur toute la surface.

La conception est délibérément simple : aucune aération mécanique n'est nécessaire car la ventilation naturelle créée par la structure ouverte du milieu fournit suffisamment d'oxygène pour la respiration aérobie. L'effluent est recueilli au fond, généralement recirculé pour maintenir la charge hydraulique, puis transmis à des clarificateurs secondaires pour l'enlèvement des solides. La simplicité d'utilisation, la faible consommation d'énergie et la résilience aux charges de choc rendent les filtres à filtre attrayants pour les petites et moyennes usines, en particulier dans les régions en développement ou dans des zones ayant une expertise technique limitée.

Types de médias et développement de biofilms

Historiquement, les milieux rocheux (pierre ou gravier) étaient les normes, mais les installations modernes utilisent souvent des milieux plastiques structurés ou des emballages plastiques aléatoires qui offrent une surface plus élevée et un poids plus léger. Le choix des milieux influence l'épaisseur et la composition du biofilm. Les milieux rocheux et plastiques supportent tous deux un biofilm dense et stratifié : la zone aérobie extérieure où l'oxygène et les nutriments sont abondants, et une zone anaérobie interne où l'oxygène est appauvri.

Les biofilms plus épais (communs dans les filtres à roches avec des forces de cisaillement plus faibles) peuvent développer des zones intérieures anaérobies qui favorisent la déchloration réductrice des composés halogénés, tandis que les biofilms plus fins (typique des filtres à haute teneur en plastique) favorisent l'oxydation aérobie. Pour l'élimination du PPCP, il faut trouver un équilibre : un biofilm trop mince peut ne pas retenir suffisamment de dégradateurs spécialisés, tandis qu'un film trop épais peut assécher et réduire la stabilité du processus.

Mécanismes de suppression du PPPC dans les filtres à tranquillisation

L'élimination des produits pharmaceutiques et des produits de soins personnels dans les filtres à filtre se fait par une combinaison de processus physiques, chimiques et biologiques. La compréhension de ces mécanismes est essentielle pour optimiser la conception du système et prédire quels composés seront traités efficacement.

Biodégradation : le chemin principal

La biodégradation est le mécanisme d'élimination le plus important pour la plupart des PPSP. Les microorganismes du biofilm métabolisent ces composés organiques comme sources de carbone, les métabolisent en présence de substrats primaires ou les transforment par des enzymes telles que les monooxygénases, les dioxygénases et les peroxydases. Par exemple, l'ibuprofène est facilement dégradé par des bactéries hétérotrophes dans des conditions aérobies, avec des demi-vies par ordre d'heures dans un filtre à aspersion bien aéré. La carbamazépine, un médicament antiépileptique, est plus persistant, mais peut encore être partiellement transformée par des processus cométaboliques lorsqu'un substrat primaire (p. ex. glucose ou acétate) est présent.

Les recherches ont montré que les filtres à trémie peuvent atteindre une élimination > 80 % pour de nombreux PPPC, y compris l'acétaminophène, la caféine, le naproxène et plusieurs antibiotiques sulfonamides. La clé est la forte concentration de biomasse et le temps de rétention des solides longs dans le biofilm, ce qui permet aux bactéries à croissance lente qui peuvent dégrader les composés récalcitrants pour établir et maintenir une population stable.

Adsorption et biosorption

De nombreux PPSP sont modérément hydrophobes (p. ex. triclosan, certaines hormones stéroïdes) et sorbent la matière organique ou la matrice de biofilm. Cette sorption est réversible et dépend de la concentration, ce qui signifie que les composés adsorbés peuvent se déssorber plus tard si l'équilibre change. Cependant, dans un filtre à tribord à fonctionnement continu, les composés sorbés sont éventuellement exposés à des microorganismes dégradants, ce qui rend l'adsorption un retrait temporaire qui se termine par la biodégradation.

Volatilisation et décapage

Les PPSP très volatils (p. ex., certains parfums comme le limone ou des sous-produits désinfectants comme le chloroforme) peuvent s'échapper dans l'atmosphère pendant le contact eau-air dans le filtre à filtre. La structure ouverte et la ventilation naturelle favorisent le transfert de masse. Bien que la volatilisation ne soit pas un processus destructeur, elle transfère le composé de l'eau à l'air, ce qui peut être acceptable pour les composés à faible toxicité mais problématique pour les perturbateurs endocriniens qui pourraient persister dans l'atmosphère.

Photodégradation : un facteur mineur mais pertinent

Les parties exposées de filtres filtrants, en particulier celles exposées directement au soleil ou aux UV artificiels dans certains modèles, peuvent favoriser la photodégradation de composés sensibles à la lumière tels que le diclofénac, certaines tétracyclines et des agents solaires comme l'avobenzone. Cependant, cet effet est limité aux quelques centimètres supérieurs du lit filtre et est souvent négligé dans la conception.

Facteurs influant sur l'efficacité de l'enlèvement

La performance des filtres à trémie pour l'élimination du PPCP n'est pas constante; elle dépend des paramètres de conception, des conditions d'exploitation et des propriétés chimiques spécifiques de chaque composé.

Chargement et recirculation hydrauliques

Le taux de charge hydraulique (HLR), généralement exprimé en mètres cubes par mètre carré par jour, contrôle le temps de contact entre les eaux usées et le biofilm. Les HLR inférieurs (temps de contact plus longs) améliorent généralement l'élimination des composés récalcitrants mais réduisent le débit global. La recirculation des effluents peut augmenter la dilution et l'exposition efficaces, permettant de passer plusieurs fois par le filtre et d'accroître l'efficacité de l'élimination des composés faiblement biodégradables.

Taux de chargement biologique

La concentration de matière organique biodégradable (BOD) dans l'influent affecte l'épaisseur et l'activité du biofilm. Une forte charge organique peut entraîner une croissance excessive du biofilm, un blocage et des conditions anaérobies qui réduisent la dégradation du PPCP. Inversement, une très faible charge organique peut ne pas soutenir suffisamment de biomasse pour la transformation cométabolique des contaminants traces.

Température et saisonnalité

L'activité biologique est dépendante de la température. Les filtres à tranquilliser fonctionnant dans les climats froids (moins de 15 °C) montrent des taux d'élimination significativement réduits du PPCP, en particulier pour les composés qui dépendent de bactéries à croissance lente.

Biofilm Âge et composition

Un biofilm mature à haute diversité microbienne est mieux équipé pour dégrader une large gamme de PPCP. Des périodes de démarrage (plusieurs semaines) sont nécessaires pour établir un consortium stable. L'ajout de souches bactériennes spécialisées (bioaugmentation) ou la fourniture de donneurs/récepteurs d'électrons (p. ex., hydrogène, nitrate) peuvent favoriser l'élimination de composés spécifiques. Par exemple, l'ajout d'une petite quantité de méthanol peut stimuler des bactéries dénitrifiantes qui dégradent également certains produits pharmaceutiques dans des conditions anoxiques.

Études de cas : Performances du monde réel

Plusieurs études à grande échelle et des études pilotes ont documenté l'efficacité des filtres à trémie pour l'élimination du PPCP. Un exemple notable est une usine de traitement des eaux usées en Suisse qui a amélioré son système de filtre à trémie pour obtenir >90% d'élimination du diclofénac, un médicament anti-inflammatoire non stéroïdien qui prévaut dans les milieux aquatiques. La clé était d'optimiser la recirculation et d'ajouter une étape post-polyssage avec du carbone actif.

Une étude pilote menée aux États-Unis a démontré que les filtres à trémie avec des milieux plastiques ont permis d'éliminer 85 % du triclosan et 78 % du bisphénol A. La même étude a révélé que les filtres à trémie de roche ont obtenu un rendement légèrement meilleur pour ces composés hydrophobes, probablement en raison d'une capacité de biosorption plus élevée.

Ces exemples illustrent que les filtres à trémie peuvent être une composante solide d'une approche multi-barres de gestion du PPCP, en particulier lorsqu'ils sont combinés avec des technologies de traitement tertiaire comme l'ozonation, le charbon actif ou la filtration par membrane.

Défis et limites

Despite their strengths, trickling filters have well-known limitations that must be addressed to meet modern PPCP removal standards.

Élimination incomplète des composés persistants

Certains produits pharmaceutiques, en particulier ceux qui présentent une faible biodégradabilité et une grande solubilité dans l'eau (p. ex. l'iopromide, un agent de contraste ou le sulfaméthoxazole), sont mal enlevés. L'élimination de la carbamazépine se situe souvent entre 30 et 50 %, même dans des conditions optimales.

Biofilm Blogging et Channeling

Des charges élevées de graisse, d'huile ou de solides peuvent provoquer un blocage des milieux, entraînant une distribution inégale et un écoulement des canaux qui contourne le biofilm. Cela réduit l'efficacité du contact et de l'élimination. Un nettoyage ou un rinçage régulier est nécessaire, mais les temps d'arrêt peuvent être problématiques.

Variation saisonnière des performances

Comme on l'a noté, les températures froides nuisent à l'activité biologique. De plus, les fortes précipitations peuvent diluer les eaux usées et réduire la concentration des substrats primaires nécessaires à la dégradation cométabolique.

Stratégies d'optimisation et orientations futures

La recherche cherche activement à améliorer les capacités de retrait des filtres à trémie du PPPC tout en maintenant leur simplicité opérationnelle.

Bioaugmentation avec des souches spécialisées

L'introduction de souches bactériennes spécifiques qui peuvent dégrader les PPCP cibles, comme Trametes versicolor champignons pourritures blanches pour le diclofénac ou Pseudomonas[ spp. pour le triclosan, peut stimuler l'élimination sans changements majeurs de l'infrastructure.

Combinaison avec des procédés d'oxydation avancés

Le filtre à trier permet d'éliminer facilement les PPSP biodégradables et de réduire la charge organique, rendant l'oxydation avancée plus efficace et moins coûteuse. Par exemple, un filtre à trier suivi d'un réacteur UV-LED en aval peut atteindre >99 % d'élimination des hormones et des antibiotiques.

Surveillance en temps réel et contrôle adaptatif

Les capteurs en ligne pour l'oxygène dissous, le pH et les substituts spécifiques du PPCP (p. ex., l'absorbance UV à 254 nm) peuvent permettre un ajustement dynamique de la charge et de la recirculation pour maintenir une élimination optimale.

Systèmes fixes intégrés

Les systèmes hybrides qui combinent les filtres filtrants et l'aération (par exemple, les filtres aérés à écoulement ascendant ou les réacteurs mobiles à biofilm) peuvent fournir des zones aérobies et anaérobies dans la même unité, améliorant ainsi la gamme de composés qui peuvent être dégradés.

Incidences sur les politiques et la réglementation

Comme la réglementation relative aux résidus pharmaceutiques dans les masses d'eau (par exemple, la Directive-cadre de l'Union européenne sur l'eau et la future législation suisse sur les micropolluants), les filtres à trémie devront démontrer la conformité aux normes d'élimination.

Dans de nombreuses régions, les filtres à filtre sont déjà en place et représentent un investissement important en capital.Les décideurs devraient envisager des mesures incitatives pour moderniser ces systèmes avec des moyens de biofilmisation, des capacités de bioaugmentation et de polissage après traitement.

Conclusion

Leur capacité à soutenir des biofilms denses et diversifiés capables de biodégrader un large éventail de micropolluants, combinés à une faible consommation d'énergie et à une simplicité opérationnelle, les rend particulièrement utiles pour les communautés qui cherchent des solutions rentables. Bien qu'elles ne puissent résoudre elles-mêmes tous les défis liés à l'élimination des PPSP, elles constituent un élément essentiel d'une approche à barrières multiples. Les progrès dans la conception des médias, la bioaugmentation et l'intégration à une oxydation avancée promettent d'améliorer encore leur performance.