Synthèse sur les rendements respectifs des systèmes épuratoires

Pour évaluer les concentrations à utiliser pour la suite des travaux et vérifier la compatibilité de la méthodologie avec l’environnement naturel, les concentrations d’une sélection de produits pharmaceutiques et les rendements épuratoires associés des 3 sites d’étude ont été étudiés avec des stratégies d’échantillonage différentes.

Cas particuliers

L’épuration de certains composés est très faible voir négative dans certains cas de figures. Dans le but de mieux appréhender les particularités de ces composés problématiques, il convient de chercher des explications à ces épurations négatives.

Carbamazépine

La carbamazépine est considérée par de nombreux auteurs comme un composé très réfractaire aux systèmes d’épuration classiques. Toutefois les rendements épuratoirs négatifs notifiés par de nombreuses études posent question (Collado et al., 2014 ; Gros et al., 2010 ; Kosma et al., 2014 ; Li et al., 2013 ; Mompelat et al., 2009 ; Verlicchi & Zambello, 2014 ; Wick et al., 2009).

Pour la carbamazépine, les rendements négatifs sont attribués à un défaut d’analyse. L’augmentation de la quantité de carbamazépine durant l’épuration serait dûe à la modification chimique de certains composés de dégradation de la carbamazépine qui, arrivant sous cette forme dans les eaux usées brutes, pourraient par réaction avec les matières organiques naturelles notamment, redevenir le composé parent carbamazépine, détectés dans les effluents (Ternes, 1998).

Il conviendrait donc à l’avenir pour optimiser l’analyse et la connaissance du rendement épuratoire de la carbamazépine d’analyser non pas le composé parent seul mais également ces produits de dégradation plus ou moins modifiés afin d’avoir une connaissance plus générale sur ce composé particulier.

Cette possibilité a été confirmée par Bahlmann et al. (2014), qui ont démontré que certains métabolites de la carbamazépine étaient épurés de façon significative durant le traitement. Mais l’information majeure de cette étude fut la caractérisation de la forme sous laquelle était excretée la carbamazépine.

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En effet, selon leurs analyses, seules 13% du principe actif ingéré est excrété sous la forme du composé parent, ce qui indique que l’analyse de la carbamazépine sous sa forme de principe actif uniquement ne conduit qu’à une caractérisation partielle des contaminations qu’elle peut induire.

Oxazépam

Les études démontrant des rendements épuratoires négatifs pour l’oxazépam sont moins nombreuses mais toutefois significatives. L’oxazépam est un composé qui a la particularité d’être à la fois un principe actif, mais également le principal composé de dégradation du diazépam (Klaminder et al., 2015).

Si dans nos analyses, la limite de quantification relativement élèvée du diazépam a cantonné la détection de celui-ci à quelques échantillons seulement, le fait que cette molécule se dégrade de façon significative en oxazépam nous permet d’attribuer le rendement épuratoire négatif à une prise en compte partiel du signal. Le signal oxazépam devrait être pris en compte en parallèle avec l’évolution du signal du diazépam qui, pour le peu d’échantillons dans lesquels ce dernier a été retrouvé de façon significative, est très bien épuré. On pourrait donc considérer que la très bonne épuration notifiée pour le diazépam pourrait résulter en une dégradation sous forme d’oxazépam, augmentant ainsi mécaniquement les concentrations d’oxazépam.

Diclofénac

Le diclofénac est une molécule fréquemment retrouvée dans tous les milieux aquatiques comme le confirme les concentrations importantes notifiées à Josnes et Autainville notamment. Toutefois si l’épuration de ce composé était significativement élevée dans les deux systèmes épuratoires ruraux, c’est le composé le moins bien dégradé dans la station d’épuration de la Source avec une épuration médiane de 5% seulement et de facto autant d’occurrences de rendements épuratoires négatifs que positifs. Ces rendements très moyens dans les stations d’épuration de type boues activées sont bien référencées (Gros et al., 2010 ; Quintana et al., 2005). Dans ce cas précis, c’est donc bien la résistance du composé aux traitements épuratoires qui est évoquée.

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Comparaison des flux entrants et implications

Entre les systèmes ruraux et urbains, il existe une très grande différence dans les flux totaux entrant et sortant des installations épuratoires, principalement du fait des variations très importantes du nombre de foyers raccordés. A titre d’exemple, entre Josnes et Orléans la Source cette différence est d’environ cent fois plus pour le site urbain (respectivement 700 EH et 90000 EH). Toutefois, l’information donnée par les concentrations démontre qu’au-delà de flux totaux très variables, les gammes de concentration de chaque famille de composés sont assez proches. En effet les médicaments très consommés (ANSM, 2014a) sont parmi les plus concentrés dans les eaux usées brutes.

Pour comparer ces systèmes épuratoires entre eux malgré des débits très différents, nous avons choisi d’exprimer les flux en milligrammes de principes actifs par jour et par habitant. En partant du principe que la charge hydraulique est de 100% pour chacun des prélèvements, soit 700 EH pour Josnes, 400 EH pour Autainville et 90,000 EH pour Orléans la Source. Les résultats sont présentés en Figure III.7. Ce graphique permet de mieux appréhender les pollutions induites par un citoyen moyen quel que soit le type d’installation épuratoire auquel il est raccordé.

Pour la majorité des principes actifs, les ordres de grandeur de flux journaliers entrant et sortant sont proches quelle que soit la station (Figure III.7). Des molécules comme l’aténolol ou la carbamazépine suivent par exemple assez bien ce schéma. Pour d’autres composés accessibles sans prescription et très consommés, (ANSM, 2013) comme certains analgésiques (e.g. acide salicylique, paracétamol), les flux entrant enregistrés sont 10 à 100 fois supérieurs pour la station d’épuration urbaine par rapport aux deux sites ruraux dans lesquels d’autres types d’anti-inflammatoires semblent favorisés comme par exemple l’ibuprofène.

Le flux entrant le plus significativement supérieur en milieu rural par rapport au site urbain concerne le gemfibrozil, un médicament anti-diabétique. En effet, le flux entrant est 8 fois supérieur à Josnes et Autainville qu’à Orléans la Source. Ceci peut s’expliquer par les différences de populations. En effet, la démographie et notamment la pyramide des âges des deux communes rurales, à la moyenne d’âge nettement plus élevée que la ville d’Orléans, indiquent la présence de populations plus susceptibles d’être affectées par des maladies comme le diabète, cible thérapeutique du gemfibrozil.

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Figure III-7 : Flux journaliers par habitants entrants et sortants des installations épuratoires pour chacun des trois sites d’étude Autainville (losanges gris), Josnes (carrés bleus) et Orléans la Source

(triangles verts)

Ainsi, les flux entrants dans les installations épuratoires peuvent donc donner des informations sur les habitudes de consommation des populations raccordées au réseau. C’est dans cette veine que des études de consommation et de suivi ont été menées sur différents produits médicamenteux et polluants émergents, comme la carbamazépine (Clara et al., 2004 ; Nakada et al., 2008), l’ibuprofène (Nakada et al., 2008) ou encore la nicotine et ses dérivés (Buerge et al., 2008). Des études se sont également intéressées aux concentrations dans les eaux usées d’autres polluants potentiels, tels les drogues, à l’échelle d’un pays comme les Pays-Bas (Emke et al., 2014) ou l’Angleterre (Kasprzyk-Hordern & Baker, 2012), d’une ville, comme Barcelone (Jurado et al., 2012) ou encore d’une prison espagnole (Postigo et al., 2011). L’intérêt de cette dernière est de concerner une population restreinte et peu mobile permettant une caractérisation des consommations en drogues dures.

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Ce calcul donne des indications sur l’efficacité de certaines politiques de contrôles carcéraux par exemple. La connaissance des flux de micropolluants organiques, principalement sur des populations bien identifiées, peut être utilisée dans plusieurs domaines et notamment pour améliorer l’efficacité et le suivi des politiques publiques.

Capacités épuratoires

Quel que soit le système épuratoire étudié, les trois démontrent une capacité épuratoire insuffisante concernant les produits pharmaceutiques. Si, de manière générale, les molécules les plus concentrées sont également quantitativement les mieux épurées, comme par exemple pour l’aténolol ou le paracétamol, leurs concentrations dans les effluents sont encore significativement élevées par rapport à la majorité des autres composés. Ainsi les analgésiques en général, bien qu’ils figurent parmi les molécules les mieux dégradées, sont également les plus concentrés dans les effluents et donc à même de contaminer les milieux aquatiques.

Parmi les autres familles de composés étudiés, les psychotropes (e.g. carbamazépine, oxazépam) sont des composés problématiques. Car malgré des concentrations dans les eaux usées brutes 10 à 100 fois plus faibles en moyenne que celles des analgésiques par exemple, on les retrouve dans les effluents dans des gammes de concentrations similaires. Ceci est la preuve de leur capacité de résistance à la dégradation.

Si l’on compare les données de la bibliographie de flux journaliers par personne avec nos trois sites d’étude (Figure III.8), on peut noter que les ordres de grandeur sont très variables en fonction des installations étudiées pour les valeurs de flux en entrée. Par exemple, pour une molécule comme le gemfibrozil, les flux journaliers s’étalent sur 5 ordres de grandeur différents. L’étalement des valeurs de flux en entrée ne semblent par ailleurs pas être guidée par l’emplacement des stations d’épurations. En effet les flux de nos deux sites ruraux ne sont pas extrêmes par rapport aux autres stations urbaines. L’étalement est moins marqué pour la carbamazépine pour laquelle les flux se concentrent sur deux ordres de grandeur seulement. L’épuration très faible à négative de la carbamazépine est une nouvelle fois confirmée avec des flux entrants et sortants très proches quelle que soit la station d’épuration étudiée. Contrairement au paracétamol pour lequel on constate dans les flux sortants une différence de un à trois ordres de grandeur par rapport aux flux entrants.

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Cette comparaison avec des résultats antérieurs nous permet de confirmer que les capacités épuratoires des produits pharmaceutiques des installations étudiées dans ce travail sont assez proches d’autres chaînes de traitement épuratoires de part le monde. En effet, un composé persistant comme la carbamazépine l’est également dans d’autres sites, et ce, quelle que soit la chaîne de traitement étudiée. Tandis que pour d’autres molécules comme le diclofénac, il existe une très grande variabilité dans les capacités épuratoires.

Figure III-8 : Comparaison des flux journaliers entrants et sortants pour 5 principes actifs comparés avec quelques données de la bibliographie pour des stations d’épuration urbaines avec [1] (Yan et al.,

2014), [2] (Gracia-Lor et al., 2012), [3] (Castiglioni et al., 2006), [4] (Karthikeyan & Meyer, 2006)et [5] (Zorita et al., 2009)

En conséquence, cette inadéquation des chaînes de traitements actuels par rapport à l’épuration de certains principes actifs problématiques, démontre bien qu’il est nécessaire de penser à des traitements épuratoires innovants et à bas coût pour une application à échelle industrielle. Le but étant de compenser ces mauvais rendements épuratoires et ainsi, améliorer la qualité des effluents et limiter les risques pour les milieux aquatiques.

Bien que l’une des solutions les plus simples à mettre en œuvre technologiquement serait de responsabiliser les prises de produits pharmaceutiques, on l’a vu (Daughton, 2014).

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III.2. Exemple de contamination environnementale : une carotte