Procédé innovant mettant en œuvre des nanostructures pour l’élimination des micropolluants émergeants des effluents aqueux. – POLPHARMA

La mise en oeuvre des technologies existantes pour traiter les résidus de médicaments dans les différents types de filières de traitement des eaux usées et d’eaux destinées à la consommation humaine est pénalisée par leur coût, et/ou efficacité et/ou des difficultés techniques. En outre, certains médicaments ne sont pas complétement éliminés par les procédés conventionnels appliqués dans les STEP et/ou les filières de production d’eau potable. Sur la base de la consommation, de la présence dans l’environnement, de la résistance aux traitements usuels et d’une éventuelle toxicité, l’amoxicilline, la doxycycline, la carbamazépine, la ciprofloxacine, la danofloxacine et le sulfaméthoxazole ont été qualifiés comme substances d’intérêt par le consortium du projet POLPHARMA : BRGM, CEREGE, IEM, LCMCP-UPMC et SUEZ.
L’originalité de ce projet réside dans la fonctionnalisation des nanocomposites synthétisés à partir de produits commerciaux disponibles et inertes (bentonite, nanoparticules de silice ou d’oxyde de fer) et d’enzymes. La formulation développée peut être construite au sens large. Après rétention des micropolluants, les nanocomposites de taille micrométrique, peuvent être séparées de l’eau traitée par floculation suivie d’une sédimentation ou filtration. La régénération de ces composites a également été abordée dans ce projet.

La comparaison des abattements de la ciprofloxacine en phase aqueuse par les principaux minéraux industriels usuellement utilisés en adsorption et en filtration a mis en avant les performances d’une montmorillonite d’origine marocaine. La capacité d’échange cationique de celle-ci est un facteur déterminant dans l’adsorption des micropolluants amphotères. Hormis les contraintes économiques et techniques, le charbon actif reste le media adsorbant capable de traiter de façon non spécifique tous les micropolluants ciblés. Les nanocomposites mis au point dans ce projet ont par contre, une adsorption spécifique vis-à-vis de certains polluants. Quel que soit le type d’eau testée, la danofloxacine, la ciprofloxacine et la doxycycline sont éliminées. Peu ou pas adsorbé, le sulfamethoxazole est bien éliminé par dégradation enzymatique favorisée par les media composites fonctionnalisés, pendant que la carbamazépine est partiellement éliminée mais par adsorption sur les solides activés avec des enzymes.

L’intérêt des nouveaux media composites pour capter les métaux a été mis en avant au travers des résultats prometteurs de quelques tests de traitement d’eaux usées urbaines. L’application de ces nouveaux media, multifonctionnels (adsorbant et échange d’ions) pour le traitement d’effluents industriels particuliers (pollution spécifique, pH acide, forte teneur en composés organiques…) pressentie comme prometteuse serait à confirmer dans une seconde phase de qualification de ces media.
La dégradation enzymatique a été étudiée principalement à l'aide d'eaux usées synthétiques. Il serait important d'évaluer la performance des enzymes libres et immobilisés dans des conditions réelles d'eaux usées. En ce sens, les essais avec des systèmes enzymes-médiateurs dans les eaux usées réelles à très faible concentration de micropolluants, comme on les rencontre habituellement dans ces eaux, devraient être fondamentaux pour évaluer l'impact des conditions réelles sur l'efficacité du traitement. Un autre aspect important à considérer est le changement du traitement, puisque toutes les expériences ont été réalisées à l'échelle du laboratoire. En ce sens, la conception d'un réacteur (p. ex. bioréacteur enzymatique à membrane, lit garni) serait la meilleure option car elle permettrait également d'évaluer l'efficacité du traitement en fonctionnement continu. Par ailleurs une étude technicoéconomique permettrait d’évaluer le coût en tenant compte du cycle de vie des enzymes

Le projet a donné lieu à 3 publications et 2 communications orales

POLPHARMA est un projet qui repose sur un partenariat entre deux industriels (SOLVAY et SUEZ) et quatre centres de recherche (BRGM, CEREGE, IEM et UPMC) de compétences multidisciplinaires complémentaires pour répondre à une problématique sociétale et technologique émergente. Le domaine de recherche du consortium couvre le traitement de l’eau, la chimie, la physico-chimie des interfaces et les nanosciences. Ce projet s’inscrit dans les thématiques prioritaires du plan d’action National Français dédié à la santé et à l’environnement. Son but est de développer des solutions technologiques novatrices permettant de traiter dans des conditions économiques attrayantes, les eaux affectées par les micropolluants pharmaceutiques les plus résistants aux traitements conventionnels employés en France et ailleurs. Ces contaminants transitent principalement par les stations d’épuration et les centres de soins (hôpitaux et cliniques). Ils font partie des polluants émergents pour lesquels il n’existe actuellement pas de réglementation en Europe concernant leur présence dans l’environnement. La finalité ultime du projet est de produire une eau propre et de réduire les risques liés aux rejets de médicaments dans l'environnement. Les substances prioritaires retenues pour l’étude selon les critères de consommation, présence dans l’environnement, résistance aux traitements usuels et de toxicité et risque potentiel pour l’environnement sont : l’amoxicilline, la carbamazépine, la ciprofloxacine, la danofloxacine et le sulfaméthoxazole. L'originalité de ce projet réside dans l'utilisation d’argiles pontées avec divers oxydes métalliques à réactivité variable avec ou sans enzymes immobilisées pour répondre aux différents objectifs du projet, à savoir : Elaborer des nanostructures de grande réactivité de surface et de texture modulable pour le traitement des micropolluants et développer un procédés de traitement économique pouvant être intégré facilement dans les installations de traitement préexistantes. Le projet est structuré en cinq tâches interdépendantes qui aboutissent à la validation industrielle du schéma de traitement. Ces phases couvrent les différentes échelles depuis le laboratoire jusqu’à la démonstration en conditions industrielles. La 1re tâche est destinée à la sélection pour le besoin du projet, de trois effluents pertinents assez représentatifs de la problématique en terme de contamination. L’élément moteur de cet axe est l’identification et la classification des effluents menaçants en qualité de réservoir micropolluants émergents. La tâche 2 sera consacrée à la synthèse, la fonctionnalisation et à la caractérisation des phases actives nano-structurées. Les solides visés sont des argiles pontées avec divers oxydes à fortes réactivités de surfaces. La structure et l’architecture du pontage seront adaptées aux capacités recherchées en faisant varier la taille et la nature des oxydes. Ces supports seront aussi utilisés pour le greffage d'enzymes qui sera réalisé dans la tâche 3. En parallèle, des enzymes seront également greffées sur des membranes céramiques afin de comparer les deux stratégies d’élimination des micropolluants. En tâche 4, le travail portera sur i) l’optimisation de la capture des micropolluants pharmaceutiques avec les nanomatériaux bruts ou fonctionnalisés en fonction de la physico-chimie et des conditions hydrodynamiques du milieu et sur ii) le développement d’un procédé de séparation solide/liquide spécifique aux produits nouvellement formés. Une démonstration à l’échelle semi-pilote sera réalisée en vue d’une part de définir un schéma de traitement industriel et d’autre part, pour mener une étude technico-économique. La tâche 5 aura pour but de mettre en place un protocole de recyclage des argiles pontées et des membranes ainsi que d’effectuer une analyse de risques sur l'utilisation des nanomatériaux développés dans le traitement de l'eau.