Évaluation du devenir de résidus médicamenteux et de leurs métabolites au sein de zones de rejet végétalisées

Discipline(s) / mots-clés :

Traitement des eaux, substances émergentes, dépollution / hydrodynamique, traitement de l’eau, modélisation, chimie organique.

Description du travail

Depuis quelques années, on assiste à l’émergence d’un nouveau type d’ouvrage de traitement complémentaire en aval des filières conventionnelles de traitement des eaux usées. Ces ouvrages relèvent dans leur conception d’une approche davantage liée au génie écologique qu’au génie des procédés. On regroupe ces ouvrages sous le vocable de zones de rejet végétalisées (ZRV). Il est important de noter que les ZRV constituent une application du concept de zone humide artificielle appliqué ici au polissage d’effluent de station d’épuration. Celles-ci peuvent ainsi se définir comme des espaces aménagés entre la station d’épuration et le milieu récepteur. Elles ne constituent pas une étape propre du dispositif de traitement mais ont pour but de contribuer, dans une certaine mesure, à la réduction des impacts des rejets sur le milieu récepteur. La création de ces milieux humides artificiels est également propice à l’accueil de la biodiversité. (Agence de l’Eau Rhin Meuse, 2011). Les objectifs attendus d’une ZRV peuvent être décrits par quatre fonctions principales (Malamaire, 2009) :

• La rétention des boues ou macro-déchets : rétention des MES provenant du by-pass des ouvrages de traitement ou d’un départ de boues accidentel du clarificateur secondaire ;
• La dispersion du rejet : il s’agit de limiter les flux de polluants via une réduction des volumes d’eau rejetés au milieu superficiel. Trois voies sont possibles pour assurer cette réduction de volume : infiltration dans le sol et le sous-sol, évapotranspiration liée aux végétaux, évaporation (Boutin et al., 2010) ;
• Le lissage hydraulique : il s’agit d’atténuer les fortes variations journalières de débit afin d’éviter de perturber l’écoulement du milieu récepteur superficiel (lessivage) ;
• L’abattement complémentaire de la pollution : il s’agit d’affiner l’épuration des eaux traitées. Pour autant, la ZRV ne peut se substituer à un traitement tertiaire conventionnel dans la mesure où les abattements obtenus sont difficiles à quantifier car faibles. Les mécanismes mis en jeu sont les mécanismes de dégradation microbiologique par culture libre et fixée, la rétention et l’exportation de nutriments par les végétaux, la photodégradation, la décantation des matières particulaires… On cherche ainsi à obtenir une réduction des flux de MES, phosphore, azote, germes pathogènes et substances émergentes et prioritaires (métaux, résidus médicamenteux, etc.).

Pour l’AERM, ces zones ont avant tout vocation à créer un raccordement « doux » vers le milieu naturel – pas de canalisation- et d’améliorer la biodiversité – création de zones humides supplémentaires et/ou diversification de milieux-. L’abattement pour certains macropolluants est avéré pour certains paramètres, dans des proportions encore mal définies. Leur intérêt dans l’abattement des résidus médicamenteux n’a encore pas été étudié.

Les objectifs du présent projet sont les suivants : 1. Quantifier l’abattement des chaînes métaboliques de résidus médicamenteux au sein des ZRV ; quantifier l’efficacité des filières de traitement extensives vis-à-vis de la réduction des teneurs en composés médicamenteux (molécules-mères et métabolites) dans les eaux résiduaires ; 2. Mettre en évidence les critères de conception et les facteurs environnementaux impactant le devenir des molécules suivies ; 3. Proposer des recommandations pour l’optimisation de l’efficacité de ces systèmes en fonction des contraintes locales. 4. Etudier l’accumulation des résidus médicamenteux dans le sol / sédiments ( ?)

L’atteinte de ces objectifs passe par les étapes et les méthodologies décrites ci-dessous :

Objectif 1

• Mettre au point une méthode analytique de suivi (qualitatif et quantitatif) des chaînes métaboliques issues de composés médicamenteux d’intérêt au sein des différentes matrices étudiées (dans l’eau, le sol et les plantes) ; des techniques analytiques innovantes (UPLC-MS/MS, MALDI Imaging) seront pour cela mobilisées (80 substances médicamenteuses ont déjà été identifiées à travers la bibliographie et d’autres de ces composés médicamenteux seront prochainement déterminés suite à un stage de master 2 actuellement en cours à la plateforme métabolomique de l’IBMP) ;
• Quantifier l’efficacité de traitement des chaînes métaboliques et étudier leur devenir/fractionnement par l’intermédiaire des bilans masse (mise en œuvre de prélèvements automatisés) ;
• Evaluer la dynamique des molécules cibles au sein des différents compartiments des systèmes étudiés : eau, sol, infiltration, évapoconcentration , pour la ZRV (priorité) et bilan sommaire pour la station de traitement (FPR) entrée/sortie

Objectif 2

• Déterminer les facteurs environnementaux et les conditions physico-chimiques (types de plantation, composition de l’effluent, oxygénation, potentiel rédox, variables climatiques, etc.) influençant cette efficacité ;
• Evaluation exhaustive du comportement hydrodynamique des ZRV en lien avec leur conception (géométrie, dimensionnement) : bilan hydrique (débits entrant et sortant, évapotranspiration, infiltration et exfiltration), détermination des temps de séjour (utilisation de traceurs fluorescents), caractérisation des phénomènes de mélange influençant le transport des contaminants ;
• Corréler l’ensemble de ces facteurs avec les flux déterminés (cf. objectif 1).

Objectif 3

• Définir des molécules indicatrices permettant un suivi pertinent et synthétique de l’efficacité des ZRV vis-à-vis des chaînes métaboliques de résidus médicamenteux ;
• Modéliser les flux de composés à travers les ZRV en couplant une approche hydrodynamique (Mécanique des Fluides Numérique en lien avec une approche systémique) avec les cinétiques de dégradation.
• Enfin les résultats expérimentaux et de simulation obtenus seront utilisés afin de dégager des prescriptions pour la conception et le dimensionnement, qui seront consignées lors de la rédaction d’un guide pratique de recommandations.

Références

Agence de l’Eau Rhin Meuse, 2011. Aménagements des milieux naturels en aval de station d’épuration - Zone de rejet végétalisée. Agence de l’Eau Rhin-Meuse. Ávila, C., Reyes, C., Bayona, J.M., García, J., 2012. Emerging organic contaminant removal depending on primary treatment and operational strategy in horizontal subsurface flow constructed wetlands: influence of redox. Water Res. Boutin, C., Iwema, A., Lagarrigue, C., 2010. Point sur les Zones de Dissipation Végétalisées : Vers une protection supplémentaire du milieu récepteur de surface ? CEMAGREF - ONEMA. Fatta-Kassinos, D., Vasquez, M.I., Kümmerer, K., 2011. Transformation products of pharmaceuticals in surface waters and wastewater formed during photolysis and advanced oxidation processes -- Degradation, elucidation of byproducts and assessment of their biological potency. Chemosphere 85, 693–709. Hijosa-Valsero, M., Matamoros, V., Sidrach-Cardona, R., Martín-Villacorta, J., Bécares, E., Bayona, J.M., 2010. Comprehensive assessment of the design configuration of constructed wetlands for the removal of pharmaceuticals and personal care products from urban wastewaters. Water Res. 44, 3669–3678. Kümmerer, K., 2009. The presence of pharmaceuticals in the environment due to human use -- present knowledge and future challenges. J. Environ. Manage. 90, 2354–2366. Malamaire, G., 2009. GUIDE : Les Zones de Rejets Intermédiaires - Des procédés naturels pour réduire l’impact du rejet des stations d’épuration sur les milieux aquatiques. Agence Régionale Pour l’Environnement - PACA.