Les contaminants émergents sont des produits chimiques et des microorganismes qui ne sont pas couramment surveillés dans l'environnement, mais qui peuvent avoir des effets néfastes sur la santé humaine et les écosystèmes, notamment les produits pharmaceutiques, les produits de soins personnels, les composés perturbateurs du système endocrinien, les pesticides et les produits chimiques industriels.

Comprendre le traitement secondaire des eaux usées

Le traitement secondaire des eaux usées représente l'étape biologique du traitement, après sédimentation primaire. Son objectif principal est d'éliminer les matières organiques dissoutes et en suspension, les nutriments tels que l'azote et le phosphore, et les agents pathogènes.

Les filtres à boues activées utilisent un lit de milieux, comme des roches ou du plastique, sur lequel les eaux usées se recoupent, permettant aux biofilms microbiens de dégrader les polluants. Les biofilms MBBR combinent croissance en suspension et processus de biofilm en utilisant de petits supports en plastique qui fournissent une surface pour les biofilms tout en étant maintenus en suspension par aération. Chaque système a ses propres paramètres opérationnels et vulnérabilités lorsqu'il est exposé aux contaminants émergents.

Le traitement secondaire vise à atteindre des normes de qualité des effluents qui réduisent la demande biochimique en oxygène (DBO) et les solides en suspension totaux (STS) à des niveaux sûrs pour le rejet dans les plans d'eau naturels ou pour un traitement plus avancé.

Nature des contaminants émergents

Les contaminants émergents peuvent être classés en plusieurs groupes selon leur origine et leur structure chimique :

  • Produits pharmaceutiques et produits de soins personnels (PPCP):[ Comprend les antibiotiques, les analgésiques, les hormones, les écrans solaires et les parfums.
  • Chimiques perturbatrices endocriniennes (EDC): Tels que le bisphénol A (BPA), les phtalates et les nonylphénols, qui interfèrent avec les systèmes hormonaux chez la faune et l'homme.
  • Substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS): Utilisées dans les revêtements antiadhésifs, les mousses anti-incendie et les textiles résistants à l'eau.
  • Pesticides et produits chimiques industriels:[ Y compris les herbicides, les insecticides, les plastifiants et les retardateurs de flamme.
  • Nanomatériaux et microplastiques:[ De petites particules provenant de produits de consommation et de procédés industriels pouvant transporter d'autres polluants.

Bon nombre de ces composés ne sont pas réglementés par les normes actuelles de qualité de l'eau et leurs effets à long terme sur les écosystèmes et la santé humaine sont encore à l'étude. Ils sont souvent présents à des concentrations de traces (ng/L à μg/L), ce qui complique la détection et l'élimination.

Impacts sur les processus de traitement secondaire

Interférence avec l'activité biologique

Les microorganismes des systèmes de traitement secondaire sont les chevaux de bataille de la dégradation de la matière organique. Cependant, de nombreux contaminants émergents sont biologiquement actifs par la conception. Les antibiotiques, par exemple, peuvent inhiber ou tuer sélectivement des espèces bactériennes sensibles, modifiant la structure de la communauté microbienne.

Les bactéries nitrifiantes sont particulièrement sensibles aux chocs toxiques causés par les résidus pharmaceutiques.Une étude publiée dans Sciences et technologies environnementales a indiqué que certains anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS) peuvent inhiber la respiration microbienne, ce qui entraîne des taux de dégradation plus faibles et des niveaux de DBO plus élevés dans les effluents.

Difficultés de persistance et de suppression

De nombreux contaminants émergents sont récalcitrants, ce qui signifie qu'ils résistent à la biodégradation pendant le traitement secondaire classique. Les composés du SPAF, par exemple, ont de fortes liaisons carbone-fluorine qui ne sont pas facilement brisées par des processus biologiques ordinaires. Les études montrent que les systèmes de boues activées éliminent généralement moins de 50 % de nombreux types de SPAF, avec des SPAF à chaîne courte souvent plus persistantes que les SPAF à chaîne longue.

La persistance de ces composés suscite des inquiétudes quant à leur accumulation dans l'environnement. Même à de faibles concentrations, l'exposition chronique peut causer des perturbations endocriniennes chez les poissons et d'autres organismes aquatiques. De plus, la présence d'antibiotiques dans les effluents peut favoriser le développement de bactéries résistantes aux antibiotiques et de gènes de résistance, une menace croissante pour la santé publique reconnue par l'Organisation mondiale de la santé (OMS).

Certains contaminants peuvent aussi se transformer en métabolites plus toxiques pendant le traitement biologique. Par exemple, certains parfums comme les muscs synthétiques peuvent se transformer en formes plus persistantes et bioaccumulables, ce qui complique les évaluations des risques et démontre que la simple mesure de l'élimination des composés parentaux peut ne pas saisir le risque total.

Effets sur la manipulation et l'élimination des boues

Les composés hydrophobes comme le triclosan, le BPA et certains pesticides ont tendance à s'adsorber sur la fraction solide. Lorsque des biosolides sont appliqués sur des terres agricoles comme engrais, ces contaminants peuvent pénétrer dans le sol, être absorbés par les cultures ou lessivés dans les eaux souterraines.

De plus, la présence d'agents antimicrobiens dans les boues peut inhiber les processus de digestion anaérobie utilisés pour stabiliser les boues, réduire la production de biogaz et augmenter les coûts d'exploitation.

Études de cas et résultats de recherche

Plusieurs études ont documenté les effets réels des contaminants émergents sur le traitement secondaire.Une revue exhaustive dans La recherche sur l'eau[ a analysé des données de plus de 100 usines de traitement des eaux usées (WWTP) en Europe et en Amérique du Nord. Elle a révélé que, bien que les boues activées classiques puissent éliminer plus de 80 % de certains composés comme l'acétaminophène et la caféine, les taux d'élimination du diclofénac et de la carbamazépine étaient inférieurs à 30 %.

Une autre étude menée dans le cadre d'un WWTP en Suède a porté sur l'effet des antibiotiques sur la nitrification. Les chercheurs ont observé que les pics de concentration de ciprofloxacine étaient corrélés à des baisses temporaires de l'efficacité d'élimination de l'ammoniac, exigeant une supplémentation chimique pour maintenir la conformité.

L'élimination des microplastiques pendant le traitement secondaire est également un domaine de recherche en croissance. Une étude de l'Université de Toronto a révélé que les procédés de boues activées éliminent environ 90 % des microplastiques de l'influent, mais les 10 % restants (qui peuvent être des milliards de particules par jour) sont rejetés dans les eaux réceptrices.

La persistance du SPAF a entraîné un examen réglementaire de plus en plus rigoureux. L'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis a établi des avis de santé pour certains SPAF dans l'eau potable et envisage de fixer des limites plus strictes pour les rejets d'eaux usées.

Stratégies d'atténuation

Procédés d'oxydation avancés (PAO)

Pour surmonter les limites du traitement biologique, de nombreuses installations intègrent des processus d'oxydation avancés, soit comme étape tertiaire, soit directement dans le système de traitement secondaire. Les AOP comme l'ozone (O3) combiné au peroxyde d'hydrogène (H2O2), la photolyse ultraviolette (UV) et les réactions de Fenton génèrent des radicaux hydroxyles hautement réactifs qui peuvent décomposer même les polluants organiques les plus persistants. L'ozonisation s'est révélée efficace pour éliminer de nombreux produits pharmaceutiques et perturbateurs endocriniens, mais elle peut produire des sous-produits qui nécessitent un traitement plus poussé.

Technologies d'adsorption

Le carbone actif, sous forme de poudre (PAC) et de granulés (GAC), est largement utilisé pour adsorber les contaminants organiques. Le PAC peut être administré directement dans le bassin de boues activées, en s'intégrant au traitement biologique existant. Les filtres GAC, souvent placés après une clarification secondaire, fournissent une étape de polissage qui capture les composés traces résiduelles.

Bioréacteurs de membrane (RMB)

Les bioréacteurs membraneux combinent traitement biologique et filtration membranaire (microfiltration ou ultrafiltration).La membrane conserve la biomasse et les particules, ce qui permet des concentrations de biomasse plus élevées et des temps de rétention plus longs des boues, conditions qui favorisent la croissance de bactéries à croissance lente capables de dégrader les composés récalcitrants.Les RMB ont démontré une meilleure élimination de nombreux produits pharmaceutiques par rapport aux boues activées conventionnelles.

Optimisation et bioaugmentation des processus

L'augmentation du temps de rétention des boues (TRS) permet aux microorganismes de disposer de plus de temps pour s'adapter aux composés lentement biodégradables et les dégrader. Le maintien de niveaux d'oxygène dissous plus élevés et l'optimisation des rapports nutritifs favorisent également la santé microbienne. La bioaugmentation, l'ajout de souches microbiennes spécifiques ayant des capacités de dégradation connues, a montré des promesses dans les études en laboratoire pour des composés comme les solvants chlorés et certains pesticides.

Contrôle des sources et prétraitement

Il s'agit d'abord d'une stratégie rentable qui peut comprendre des programmes de reprise des produits pharmaceutiques, des restrictions à l'utilisation de certains produits chimiques dans les produits de consommation (p. ex., interdiction des microbilles dans les cosmétiques) et des exigences de prétraitement industriel.

Il est souvent nécessaire de combiner ces approches et les installations de traitement peuvent devoir mettre en place un système à barrières multiples qui comprend le traitement biologique, les AOP et l'adsorption pour gérer efficacement la diversité des contaminants émergents.

Cadres de réglementation et de surveillance

Normes actuelles

La plupart des pays réglementent les polluants conventionnels dans les effluents des eaux usées — tels que la DBO, les SAT et les nutriments — mais peu d'entre eux ont des limites spécifiques pour les contaminants émergents. L'Union européenne, par sa Directive-cadre sur l'eau, a inscrit certaines substances prioritaires sur sa liste de surveillance, comme le diclofénac et certaines hormones, exigeant des États membres qu'ils les surveillent.

Sans facteurs réglementaires, les services publics de distribution peuvent manquer de financement et d'incitation pour améliorer les processus de traitement. Toutefois, les preuves croissantes de dommages écologiques, associées à la pression du public, poussent les autorités de réglementation à envisager de nouvelles normes.

Orientations futures

Les progrès de la chimie analytique, comme la chromatographie liquide-spectrométrie de masse au tandem (CL-MS/MS), permettent maintenant la détection de contaminants à des concentrations extrêmement faibles, ce qui permet une surveillance plus complète et une évaluation des risques. Cependant, le dépistage de tous les contaminants possibles est peu pratique.Une approche de pointe consiste à utiliser la surveillance fondée sur les effets – mesurer l'activité biologique de l'effluent (p. ex., l'estrogénicité) plutôt que de quantifier chaque composé.

Les cadres réglementaires devraient évoluer vers des approches plus globales fondées sur le risque, en tenant compte des effets cumulatifs des mélanges de polluants. Le concept de « empreinte chimique » et l'utilisation de normes de qualité environnementale (QE) adaptées à des conditions particulières sont à l'étude.

Regards en tête

Les contaminants émergents représentent un défi complexe et évolutif pour les procédés de traitement secondaire des eaux usées. Leur capacité à interférer avec le traitement biologique, à persister par des procédés conventionnels et à s'accumuler dans l'environnement exige une réponse proactive. Les stratégies les plus efficaces combinent le contrôle des sources, l'optimisation des processus et des technologies de pointe comme les AOP, le carbone actif et les bioréacteurs membranaires.

Les services publics de distribution doivent également tenir compte des compromis économiques et énergétiques. Les améliorations apportées au traitement avancé peuvent être coûteuses et les exigences énergétiques de technologies comme l'ozonation et les UV peuvent être en conflit avec les objectifs de réduction du carbone.

La collaboration entre les chercheurs, les ingénieurs, les organismes de réglementation et le public est essentielle. En étant informé des dernières découvertes et en investissant dans une infrastructure de traitement résiliente, le secteur de l'eau peut rester en avance sur la marée de contaminants émergente et s'assurer que les eaux usées traitées sont sécuritaires pour l'environnement et pour les applications de réutilisation.

Pour de plus amples informations sur ce sujet, l'EPA fournit des ressources sur Contaminants de nouvelles préoccupations, et l'OMS a publié des rapports sur La résistance aux antimicrobiens dans les eaux usées. De plus, des revues universitaires comme La recherche sur l'eau publient régulièrement des études évaluées par des pairs sur les technologies d'atténuation et le devenir environnemental.