Les micropolluants présents dans les eaux usées brutes ont différentes origines : domestique (ex. : composés pharmaceutiques, produits cosmétiques, détergents, tensioactifs, métaux), industrielle (ex. : tensioactifs, métaux, phtalates, retardateurs de flammes), hospitalière (ex. : composés pharmaceutiques), urbaine (ex. : HAP, métaux), ou agricole (ex. : pesticides).
Certains micropolluants ont aussi une origine « naturelle » liée par exemple à la composition des roches et au volcanisme (métaux) ou aux feux de forêt (HAP). Les rejets de micropolluants peuvent être continus ou intermittents suivant leurs sources et peuvent être retenus temporairement dans les réseaux d’assainissement (dépôts), ce qui a des conséquences sur la variabilité des concentrations mesurées dans les eaux usées brutes.
L’écotoxicité des micropolluants fait l’objet aujourd’hui de nombreuses études. En effet, bien que les micropolluants soient présents à l’état de traces dans l’environnement, des questions
A. Synthèse bibliographique
16
par rapport à leur persistance, la résistance des microorganismes et les effets synergiques sont posées (Daughton et Ternes, 1999). Les perturbateurs endocriniens sont souvent pointés du doigt. Ce groupe comprend des micropolluants naturels ou synthétiques tels que les hormones, les phtalates (utilisés comme plastifiants), les alkylphénols, les polychlorobiphényls (PCB, utilisés dans les équipements électriques), le bisphénol A (Fatta-Kassinos et al., 2010). Ces molécules proches des hormones dans leur structure sont capables de dérégler le système hormonal d’un organisme vivant. Plusieurs études se sont intéressées à leurs effets sur les organismes aquatiques ainsi que les mammifères, les amphibiens et les oiseaux (Harrison et al., 1997; Taylor et Harrison, 1999; Iguchi et al., 2001; Clouzot et al., 2008). La féminisation des populations de poissons en aval des rejets de STEP a notamment été observée chez le flet (Hashimoto et al., 2000), le gardon (Jobling et al., 1998), la truite arc-en-ciel (Harries et al., 1997).
Parmi la centaine de milliers de substances chimiques utilisés, nous présentons de façon succincte les familles les plus étudiées. Ces substances, fortement consommées et utilisées, présentent des fréquences de quantification élevées dans les eaux usées brutes et les boues.
¾ Les composés pharmaceutiques
Les composés pharmaceutiques peuvent être classés en différentes classes thérapeutiques qui caractérisent leur action sur l’organisme humain (i.e., anti inflammatoires, analgésiques, anti dépresseurs, antibiotiques, etc.). De nombreuses études s’y sont intéressées durant les dernières années. L’ibuprofène, le naproxène et le paracétamol sont les composés pharmaceutiques les plus présents dans les eaux usées brutes à des concentrations allant de 2 à 600 µg/L (Miège et al., 2009). Les composés pharmaceutiques présentent une grande variété de propriétés physico-chimiques (solubilité, volatilité, hydrophilie, biodégradabilité) ce qui implique des comportements très différents au sein d’une STEP (Verlicchi et al., 2012). De plus, certains composés pharmaceutiques ont la particularité d’être rejetés dans les eaux usées en partie sous forme métabolisée par le corps humain ou sous forme conjuguée et non pas seulement sous forme de composés parents (Besse, 2010).
¾ Les métaux
Les métaux peuvent provenir de sources naturelles (ils sont présents dans la composition des roches) mais aussi de sources industrielles notamment les industries métallurgiques et de traitements de surface, de sources domestiques (canalisations, détergents) ou des rejets
A. Synthèse bibliographique
urbains par temps de pluie provoquant le lessivage des sols et donc une pollution liée au trafic automobile et à la corrosion des toitures (Garnaud, 1999 ; Robert-Siante, 2009). Les métaux dont les concentrations sont les plus élevées dans les eaux usées sont le fer, l’aluminium, le bore et le zinc (> 100 µg/L) (Carletti et al., 2008; Santos et Judd, 2010; Choubert et al., 2011b). Les métaux ne sont pas biodégradables et la plupart d’entre eux ont tendance à se sorber sur les particules. Par contre, le bore et le lithium, par exemple, sont majoritairement présents en phase dissoute ; ils peuvent donc être utilisés comme indicateur de pollution d’origine urbaine.
¾ Les pesticides
La famille des pesticides regroupe notamment les herbicides, les fongicides et les insecticides.
Leur utilisation peut être domestique (jardinage), agricole ou à l’échelle d’une collectivité.
Parmi les pesticides, l’atrazine, la simazine le diuron et l’isoproturon sont listés parmi les substances prioritaires de la DCE. L’atrazine et la simazine sont interdites dans l’Union Européenne depuis la décision 2004/247/CE du 10 mars 2004 (EC, 2004) mais sont quantifiées dans les eaux usées brutes à des concentrations de l’ordre de 100 ng/L (Kolpin et al., 2006; Terzic et al., 2008; Martin Ruel et al., 2010). Les pesticides sont considérés comme peu biodégradables (INERIS, 2008) et avec une capacité de sorption faible (log Kow < 2,7).
¾ Les hydrocarbures aromatiques polycycliques HAP
Les sources d’émissions des HAP sont nombreuses. Ils sont présents dans les combustibles fossiles et dans tous les produits fabriqués à partir de pétrole. Les HAP présents dans l’atmosphère (avec pour origine principale la combustion de bois, de charbon, de carburant ou le chauffage des habitations) rejoignent les eaux usées via les rejets urbains en temps de pluie Rocher, 2003 ; Gasperi, 2006). Parmi eux, 16 sont classés prioritaires par l’USEPA (USEPA, 2001). Dans la réglementation européenne, le naphtalène, le fluoranthène, l’anthracène et la somme de 5 autres HAP (benzo(g,h,i)pérylène, indéno(1,2,3-cd)pyrène, benzo(b)fluoranthène, benzo(a)pyrène, benzo(k)fluoranthène) sont classés substances prioritaires par la DCE. L’anthracène, le fluoranthène et le benzo(b)fluoranthène sont ceux qui sont le plus présents dans les eaux usées à des concentrations proches de 200 ng/L (Coquery et al., 2011; Fatone et al., 2011). On différencie souvent les HAP dits légers (2 ou 3 cycles aromatiques, log Kow entre 3,3 et 4,5) des HAP dits lourds (plus de 3 cycles aromatiques, log Kow entre 4,5 et 6,8). Seuls les HAP légers sont susceptibles de se volatiliser. Plus un HAP a de cycles aromatiques, plus il est hydrophobe. Notons que les ratios
A. Synthèse bibliographique
18
de concentrations entre HAP donnent des informations sur l’origine d’un rejet. Par exemple, le ratio
∑ ∑
lourds légers
HAP
HAP indique une origine pyrolytique (si < 1) ou pétrolière (si >1) (Wang et
al., 1999). Autre exemple, le ratio
Anthracène ne Phénanthrè
indique une origine pyrolytique (si sa valeur est faible, entre 4 et 10) ou pétrolière (si > 10) (Budzinski et al ., 1997). Enfin, le fluoranthène, le pyrène et le benzo(a)anthracène sont particulaèrement considérés comme marqueurs du trafic automobile (Gasperi, 2006).
¾ Les alkylphénols polyéthoxylés (APEO)
Les nonylphénols éthoxylates représentent la majeure partie des alkylphénols éthoxylates utilisés comme détergents, tensioactifs ou agents dispersants. Ce sont des composés d’origine anthropique. Dans les mélanges commerciaux, 80 % des alkylphénols (AKP) sont des 4-nonylphénols (4-NP) et 20 % des 4-octylphénols (4-t-OP). Les AKP peuvent être présents en phase dissoute et en phase particulaire dans les eaux usées brutes. Les propriétés physico-chimiques des AKP dépendent de la longueur des chaînes alkyles et éthoxylée : plus la chaîne éthoxylée est longue, plus la molécule est hydrophobe (Soulier 2012). D’un point de vue réglementaire, 4-NP et 4-t-OP sont classés respectivement comme substance dangereuse prioritaire et substance prioritaire par la DCE (CE, 2008).
Les voies de biodégradation des APEO sont présentées sur la Figure A-2. La voie oxydative (condition aérobie) passe par l’étape de formation de NP1EC alors que la voie non oxydative (conditions anaérobies) conduit à la formation de nonylphénols mono et di éthoxylates (NP1EO et NP2EO). Les deux voies conduisent ensuite à la formation de 4-NP et/ou de 4-t-OP (Ahel et al., 1994).
A. Synthèse bibliographique
Figure A-2 : Schéma de la biodégradation des APEO (Soulier, 2012)
Dans les eaux usées brutes, on retrouve le 4-NP ainsi que NP1EO, NP2EO à des concentrations comprises entre 1 et 20 µg/L, (Cespedes et al., 2008; Cladières, 2012; Soulier 2012).
4. Les STEP domestiques : lieu de transfert et de biodégradation des