Chapitre 1 – Elimination de micropolluants organiques dans une filière conventionnelle
1.2. Synthèse bibliographique
1.2.1. Filières conventionnelles de traitement des eaux usées
Les filières conventionnelles de traitement des eaux usées comportent plusieurs étapes de
traitement qui ont pour objectif d’éliminer les différentes formes de pollutions présentes dans les
eaux usées. Ces étapes de traitement pourront selon les techniques employées éliminer ou non les
MPO présents dans les eaux usées.
1.2.1.1. Prétraitement et traitement primaire
La première étape est le prétraitement qui a pour objectif de protéger le relèvement des eaux
brutes, les conduites contre les obstructions et les autres appareils de traitement contre l’abrasion,
et plus généralement pour éliminer tout ce qui pourrait gêner les traitements ultérieurs (Gaïd,
2008). Le traitement primaire a pour but d’éliminer par décantation les matières en suspension
(MES), les colloïdes et parfois le phosphore qui ne sont pas affectés par les étapes de
prétraitement.
Du fait de la nature des procédés employés (mécaniques ou physiques), le prétraitement est
considéré comme n’ayant pas d’impact sur les MPO. De même, le traitement primaire n’est pas
adapté pour l’élimination des MPO. Le programme de recherche AMPERES (Irstea, Suez et
Université Bordeaux 1) s’est intéressé au devenir d’une centaine de substances prioritaires et
émergentes sur plusieurs STEU françaises (Choubert et al., 2011). Un abattement moyen de 35 %
a été obtenu sur le traitement primaire pour 20 substances prioritaires et 73 émergentes. De même,
la synthèse bibliographique réalisée par Alexander et al. (2012) a montré que des abattements
moyens d’environ 30 % sont obtenus après coagulation-floculation et décantation pour la plupart
des produits pharmaceutiques et des pesticides et sont reliés à l’élimination des colloïdes.
L’abattement d’un MPO va dépendre du type de coagulant utilisé, de la dose, des conditions
physico-chimiques (pH, alcalinité, température) et de ses propriétés physico-chimiques.
L’élimination des MPO semble dépendre de leur hydrophobicité, avec des abattements élevés
ayant été observés pour les molécules hydrophobes (log K
ow> 4,5) et faibles pour les molécules
hydrophiles (log K
ow< 3,5) (Gasperi et al., 2012, 2010). Le principal mécanisme d’élimination
est une sorption des composés hydrophobes sur les particules en suspension qui sont ensuite
éliminées par décantation. L’absence de corrélation observée entre l’abattement des MPO et leur
hydrophobicité dans la revue d’Alexander et al. (2012) laisse supposer que l’hydrophobicité n’est
pas le seul facteur gouvernant leur élimination lors de l’étape de coagulation.
35
1.2.1.2. Traitement biologique
Le traitement biologique intervient classiquement après le traitement primaire et permet
d’éliminer les pollutions biodégradables carbonées et azotées des eaux usées à l’aide de
micro-organismes. Ces micro-organismes vont croitre sous forme libre dans l’eau (boues activées) ou
bien de manière fixe sur un support solide en contact avec l’eau (biofiltre). La biomasse formée
lors de leur croissance pourra ensuite être facilement extraite sous forme de MES et éliminée
(incinération) ou valorisée (biodigestion, compostage, épandage). Plusieurs mécanismes
d’élimination des MPO peuvent se produire lors du traitement biologique. Les mécanismes les
plus importants sont la biodégradation, la sorption et la volatilisation (Figure 1) (Margot et al.,
2015 ; Pomiès et al., 2013).
Figure 1. Principaux mécanismes d’élimination des micropolluants lors du traitement conventionnel des eaux usées en STEU (Margot et al., 2015).
Le premier mécanisme est la biodégradation, soit par voie métabolique où les bactéries vont
utiliser les MPO comme source de carbone et d’énergie entrainant leur minéralisation, soit par
voie cométabolique où les bactéries vont partiellement dégrader les MPO sans les utiliser comme
source de carbone et d’énergie. La biodégradation peut avoir lieu en conditions aérobies,
anoxiques et anaérobies. Le type de procédé utilisé (boues activées, bioréacteur à membrane,
biofiltre) va dicter les conditions opérationnelles et avoir un impact sur la biodégradation des MPO
(Cirja et al., 2008). Une augmentation de l’âge des boues dans les réacteurs biologiques permet
de diversifier la flore bactérienne et ainsi d’augmenter le nombre de voies métaboliques de
dégradation des composés complexes et donc des MPO (Clara et al., 2005 ; Joss et al., 2008).
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L’acidité et l’alcalinité des eaux usées peuvent influencer la physiologie des micro-organismes
(pH optimal de l’activité enzymatique microbienne) et la solubilité des MPO (Urase et al., 2005).
La température des eaux usées influence l’activité microbiologique, le taux de croissance
microbien étant relié à cette température (Price et Sowers, 2004). Son augmentation permet aussi
d’accélérer les équilibres d’adsorptions sur les boues et les réactions de biodégradation. Enfin, la
structure des MPO a un impact sur leur biodégradabilité. Les molécules de grande taille et
hydrophiles sont plus difficiles à biodégrader que les molécules petites et hydrophobes (Cirja et
al., 2008).
Le deuxième mécanisme pouvant entrainer une élimination des MPO est la sorption sur les
boues/MES qui sont ensuite séparées de l’eau. D’une part, des interactions hydrophobiques
peuvent avoir lieu entre les MPO et les MES ou certains composés des boues tels que les
substances polymériques extracellulaires et la membrane cellulaire lipophile des
micro-organismes. D’autre part, des interaction électrostatiques sont possibles entre les groupements
chargés positivement des MPO et les surfaces chargées négativement des micro-organismes et de
la matière organique (Joss et Ternes, 2006). Les MPO peuvent aussi se sorber sur la matière
organique dissoute (MOD) et les colloïdes, entrainant une diminution de leur sorption sur les
boues. Le principal facteur influençant la sorption sur les boues est l’hydrophobicité des MPO,
elle-même influencée par la structure des MPO et le pH. Les molécules hydrophiles auront
tendance à rester en phase liquide, tandis que les molécules hydrophobes se dirigeront vers la
phase particulaire (Ternes et al., 2004).
Dans une moindre mesure, certains MPO peuvent se volatiliser (transfert de la phase liquide vers
la phase gazeuse) lors de l’aération des réacteurs biologiques. Le processus va dépendre de la
pression de vapeur des MPO (constante de Henry) et de la surface de contact entre les phases
liquide et gazeuse (Cirja et al., 2008). Des réactions chimiques (ex. hydrolyse, oxydation) et
physiques (ex. photolyse) peuvent aussi intervenir mais sont généralement considérées
négligeables.
Les procédés biologiques apportent en moyenne une élimination supplémentaire des MPO de 30
% par rapport au traitement primaire (Choubert et al., 2011). Les abattements sont variables d’une
molécule à l’autre et d’un procédé à l’autre, certaines molécules n’étant pas impactées par le
traitement biologique (ex. diuron, diclofénac) tandis que d’autres sont éliminées à plus de 99 %
(ex. acétaminophène, ibuprofène) (Martin Ruel et al., 2012 ; Verlicchi et al., 2012). De manière
générale, les MPO hydrophobes, biodégradables ou volatiles seront bien éliminés (abattement >
60 %) tandis que les MPO hydrophiles seront moins bien abattus (< 30 %) (Mailler et al., 2014).
37
1.2.2. Traitements avancés
Les deux procédés les plus utilisés dans les filières de traitement avancé des eaux usées sont
l’adsorption sur charbon actif et l’ozonation. De par sa surface spécifique importante (400 à 2500
m²/g) et sa distribution de pores variée garantissant l’adsorption d’une large gamme de molécules
organiques, le charbon actif est un adsorbant reconnu et le plus utilisé pour l’élimination des MPO
lors du traitement avancé des eaux usées (Tahar et al., 2013). Les MPO vont diffuser de la phase
liquide vers des sites d’adsorptions à la surface du charbon et ainsi être séparés de l’eau à traiter.
Le charbon actif est le plus souvent utilisé sous forme de poudre (CAP) avec un diamètre
inférieure à 100 µm dans des réacteurs de contact ou bien sous forme de grain (CAG) avec un
diamètre supérieur à 800 µm et utilisé dans des filtres fixes. L’ozonation est un procédé
d’oxydation se basant sur la forte réactivité de la molécule d’ozone (O
3) et des radicaux hydroxyles
(HO
●) produits lors de sa décomposition dans l’eau pour dégrader les MPO et les transformer en
sous-produits plus petits, biodégradables et potentiellement moins toxiques (von Gunten, 2003a).
Cette partie de la synthèse bibliographique présente les résultats d’études sur l’élimination de
MPO sur des STEU équipées d’un traitement avancé par adsorption sur charbon actif ou
ozonation. L’objectif est de faire un constat sur les performances de ces installations et d’estimer
la part de chaque étape de traitement (conventionnel et avancé) dans l’élimination des MPO.
Seules les études présentant des concentrations en MPO dans les eaux brutes, après traitement
biologique et après traitement avancé sont présentées. Une synthèse bibliographique détaillée et
spécifique à l’adsorption sur charbon actif est proposée au chapitre 2 ainsi que pour l’ozonation
au chapitre 3.
1.2.2.1. Etat de l’art
Hollender et al. (2009) ont étudié le devenir de 58 MPO sur une STEU équipée d’un traitement
primaire par clarification, d’un traitement biologique par boues activées suivi d’une seconde
clarification et d’un traitement avancé par ozonation (dose d’ozone spécifique proche de 0,6
gO
3/gCOD) combinée à une filtration sur sable. Un abattement total sur la filière conventionnelle
et le traitement avancé supérieur à 80 % (pourcentage d’abattement choisi en se basant sur la
législation suisse) a été obtenu pour 24 molécules sur les 37 retrouvées dans les eaux brutes contre
seulement 7 molécules pour la filière conventionnelle seule (Tableau 2). La filière conventionnelle
et le traitement avancé ont néanmoins chacun joué un rôle important pour l’abattement des MPO,
avec 15 molécules principalement éliminées par traitement biologique et 22 molécules par
traitement avancé. Le filtre à sable n’a pas eu d’impact significatif sur les MPO déjà bien éliminés
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par le traitement biologique et l’ozonation, mais des analyses par screening en mode suspect ont
permis de montrer qu’il était efficace pour éliminer les sous-produits d’oxydation. Sur les 22
molécules détectées à des concentrations supérieures à 100 ng/L dans les eaux brutes, seules 3
avaient encore une concentration supérieure à 100 ng/L en sortie de traitement avancé contre 18
en sortie de traitement biologique.
Yang et al. (2011) se sont intéressés pendant 1 an au devenir de 16 MPO sur une STEU équipée
d’un traitement primaire par clarification et d’un traitement biologique par boues activées suivi
d’une seconde clarification. Le traitement avancé consistait en une microfiltration suivie par une
adsorption sur des lits fixes de CAG en fonctionnement depuis 3 ans et un réacteur d’ozonation
(Figure 2). Des échantillons ont été prélevés en sortie de traitement primaire, après microfiltration,
après adsorption et après ozonation. Un abattement total supérieur à 80 % a été atteint pour 14
MPO, principalement par traitement biologique (part du traitement biologique dans l’abattement
total > 50 % pour 13 molécules) (Tableau 2). La microfiltration n’a pas eu d’influence sur les
MPO en phase dissoute, tandis que l’ozonation n’a pas eu d’impact significatif sur les MPO déjà
bien éliminés par le traitement biologique et l’adsorption sur charbon actif. Le traitement avancé
a permis de diminuer les concentrations des MPO, avec 15 molécules retrouvées à des
concentrations inférieures à 100 ng/L contre 9 molécules après traitement biologique.
Figure 2. Schéma de la STEU et du traitement avancé étudiés par Yang et al. (2011).
Margot et al. (2013) ont étudié l’élimination de 120 MPO (perturbateurs endocriniens, pesticides,
produits pharmaceutiques, métabolites, pesticides et autres composés chimiques) sur une STEU
équipée d’une installation d’adsorption sur CAP suivie d’une séparation par ultrafiltration et d’une
seconde filière en parallèle avec ozonation suivie d’un filtre à sable pour le traitement des
sous-produits d’oxydation. Le traitement conventionnel consistait en un prétraitement suivi d’une
décantation dans un clarificateur et d’un traitement biologique par boues activées (âge de boue de
2 jours) suivi d’un bioréacteur en lit mouvant pour la nitrification. Seuls 8 MPO sur les 70
retrouvés dans les eaux brutes avaient un abattement supérieur à 80 % après traitement biologique.
39
L’installation de traitement avancé par adsorption sur CAP consistait en un réacteur de contact de
30 m
3avec ajout en continu de CAP à une dose comprise entre 10 et 20 mg/L (Figure 3). Un
coagulant (FeCl
3, 4-15 mg/L) a été ajouté pour améliorer la séparation du CAP lors de l’étape
d’ultrafiltration. L’installation d’ozonation se composait d’un réacteur de 129 m
3divisé en 4
chambres (9 compartiments au total) avec un temps de séjour hydraulique d’au moins 20 min
(Figure 4). 60 % du gaz ozoné (2-14 % en O
3) produit par le générateur d’ozone était injecté dans
la première et la deuxième chambre et 40 % dans la troisième chambre, avec un temps de contact
total dans le réacteur allant de 20 à 60 min. Le dosage en ozone (2 à 13 mgO
3/L injectés, 5,7
mgO
3/L en moyenne) était contrôlé automatiquement de manière à obtenir une concentration en
ozone dissous résiduelle en sortie de réacteur inférieure à 0,1 mgO
3/L. Après ozonation, un filtre
à sable éliminait les sous-produits d’oxydation. Les performances des deux filières (traitement
conventionnel + adsorption sur CAP ou ozonation) étaient similaires en termes d’abattement total.
Figure 3. Schéma de l’installation de charbon actif en poudre avec séparation par ultrafiltration (Margot et al., 2013a).
Dans les deux cas, plus d’une quarantaine de MPO sur les 70 MPO détectés dans les eaux brutes
avaient un abattement total supérieur à 80 % et compris entre 40 et 80 % pour plus d’une vingtaine
d’autres molécules (Tableau 2). Les concentrations en sortie de traitement avancé étaient
similaires entre les deux filières (41 et 43 molécules < 100 ng/L) et plus faibles qu’en sortie de
traitement biologique (18 molécules < 100 ng/L). En revanche, la part du traitement avancé dans
l’abattement total était plus importante dans la filière avec adsorption sur CAP (part traitement
avancé > 50 % pour 42 molécules) que dans celle avec ozonation (part traitement avancé > 50 %
pour 33 molécules).
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Figure 4. Schéma de l’installation d’ozonation avec post-traitement sur filtre à sable (Margot et al., 2013a).
Bourgin et al. (2018) ont étudié le devenir de 550 MPO sur une STEU équipée d’un traitement
primaire par clarification, d’un traitement biologique par boues activées suivi d’une seconde
clarification et d’un traitement avancé par ozonation ou par adsorption sur CAG. 5 procédés
différents ont été utilisés pour éliminer les sous-produits d’oxydation après ozonation (dose
d’ozone spécifique de 0,55 gO
3/gCOD) : une filtration sur sable, sur CAG neuf, sur CAG usagé
et des réacteurs biologiques fluidisés ou fixes (seuls les résultats avec le filtre à sable sont
présentés ici). Seuls 33 MPO sur les 156 retrouvés dans les eaux brutes avaient un abattement
supérieur à 80 % après traitement biologique. Un abattement total supérieur à 80 % a été obtenu
pour 91 MPO et entre 40 et 80 % pour 55 MPO pour la filière avec CAG (Tableau 2). La filière
avec ozonation s’est montrée plus efficace, avec un abattement total supérieur à 80 % pour 117
MPO et entre 40 et 80 % pour 33 MPO. Une concentration inférieure à 100 ng/L a été mesurée en
sortie de la filière d’adsorption sur CAG pour 132 MPO et en sortie de filière d’ozonation pour
141 MPO, contre 104 MPO en sortie de traitement biologique. Le filtre à sable n’a pas eu d’impact
significatif sur les MPO déjà bien éliminés par le traitement biologique et l’ozonation, mais des
analyses de screening en mode suspect ont montré qu’il était efficace pour éliminer les
sous-produits d’oxydation. La part du traitement avancé dans l’abattement total était supérieure à 50 %
pour environ 90 MPO sur chaque filière. Les deux traitements avancés se sont avérés efficaces
pour éliminer les MPO, particulièrement l’ozonation.
Le projet MICROPOLIS-PROCEDES (Choubert et al., 2018) a étudié le devenir de 35 MPO sur
une STEU équipée d’un traitement primaire par décantation lamellaire, d’un traitement biologique
par biofiltration (traitement du carbone et nitrification) et d’un traitement avancé par ozonation
(0,39-1,58 gO
3/gCOD) suivi par une seconde étape de biofiltration (dénitrification et traitement
des sous-produits d’oxydation) (Figure 5). Un abattement total supérieur à 80 % a été obtenu pour
28 molécules, avec une forte contribution du traitement biologique (part du traitement biologique
> 50 % pour 21 molécules) (Tableau 2). L’étape de dénitrification n’a pas eu d’impact significatif
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sur les MPO qui étaient déjà bien éliminés par traitement biologique et ozonation. Le traitement
avancé a permis de diminuer les concentrations des MPO, avec 31 molécules retrouvées à des
concentrations inférieures à 100 ng/L contre 20 molécules après traitement biologique.
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Tableau 2. Synthèse des résultats de la littérature sur les performances (abattements et concentrations en MPO) de différentes filières conventionnelles de traitement suivies d’un traitement avancé pour l’élimination des MPO des eaux usées.
Auteurs Hollender et al. Yang et al. Margot et al. Bourgin et al. Choubert et al.
Année 2009 2011 2013 2018 2018
Pays Suisse Etats-Unis Suisse Suisse France
Traitement biologique Boues activées Boues
activées Boues activées Boues activées Biofiltration
Traitement avancé Ozonation CAG CAP Ozonation CAG Ozonation Ozonation
Post-traitement avancé Filtre à sable Ozonation Ultrafiltration Filtre à sable Filtre à sable Biofiltration
MPO analysés 58 16 120 550 35
MPO détectés 37 16 70 156 35
Concentrations (en nombre de MPO par catégorie)
Eaux brutes > 1000 ng/L 7 5 25 26 9 Eaux brutes >100 ng/L 15 10 36 62 8 Eaux brutes < 100 ng/L 15 1 9 68 18 Sortie biologie >100 ng/L 18 6 52 52 15 Sortie biologie < 100 ng/L 19 9 18 104 20 Traitement avancé >100 ng/L 3 1 29 27 24 15 4 Traitement avancé < 100 ng/L 34 15 41 43 132 141 31
Abattements traitement conventionnel (en nombre de MPO par catégorie)
> 80 % 7 7 8 22 16
40-80 % 10 5 21 30 12
< 40 % 20 4 41 93 7
Abattements total traitement conventionnel + traitement tertiaire (en nombre de MPO par catégorie)
> 80 % 24 14 43 41 91 117 28
40-80 % 7 2 23 25 55 33 3
< 40 % 6 0 2 4 10 6 4
Part de chaque étape de traitement dans l’abattement total (en nombre de MPO par catégorie)
Traitement biologique > 75 % 10 8 18 19 48 46 11
Traitement biologique 50-75 % 5 5 11 18 17 15 10
Traitement avancé > 75 % 14 1 18 11 69 73 7