Technologies de traitement des micropolluants et cadre juridique

Les micropolluants sont aujourd’hui largement présents dans notre environnement et représentent une menace pour la biodiversité et la santé humaine. Une partie d’entre eux se retrouvent dans l’eau, où ils peuvent être toxiques à de très faibles concentrations, de l'ordre du millionième de gramme par litre (µg/l) ou du milliardième de gramme par litre (ng/l). Le terme "micropolluant" désigne un composé ou substance minéral ou organique dont les effets peuvent être toxiques pour l’homme et/ou les écosystèmes.

Définition et typologie

Deux familles de composés sont à distinguer :

Les micropolluants minéraux : il s’agit principalement des métaux. Les principaux métaux suivis sont le cadmium, le mercure, le cuivre, le chrome, le zinc, le nickel, le plomb…
Les micropolluants organiques : solvants, plastifiants, détergents, désinfectants, conservateurs, médicaments (antibiotiques, antidépresseurs...), hormones synthétiques ou naturelles, produits de combustion (HAP, dioxines), biocides et pesticides.

Cas particuliers des perturbateurs endocriniens : ils regroupent une vaste famille de composés, capables d'interagir avec le système hormonal. Selon l’Endocrine Society, il est « impossible d’identifier les seuils d’action d’un perturbateur endocrinien » en raison du fonctionnement particulier du système hormonal.

Comportement dans le milieu naturel

Dispersion et circulation

Les micropolluants se retrouvent dans plusieurs milieux naturels - eau, air, sols - et ceux qui ne sont ni dégradés ni fixés par le vivant finissent dans les milieux aquatiques. Un certain nombre de polluants atmosphériques, après un temps de séjour plus ou moins long, retombe à la surface du globe sous forme de dépôts secs ou humides par dissolution et entraînement par les précipitations. Les dépôts sur le sol sont transportés vers les eaux superficielles et souterraines par ruissellement, érosion ou infiltration des eaux de pluie.

Dégradation et persistance

La plupart des micropolluants sont détruits par des microbes ou des champignons présents dans le sol et par les plantes. Les métaux lourds sont des atomes, ils ne peuvent donc pas être détruits. Certains micropolluants organiques persistent très longtemps dans la nature : les plus solubles s’accumulent dans les nappes d’eaux souterraines (ex : pesticides) alors que les autres se fixent dans le sol ou la vase et les sédiments (ex : PCB). On parle de bioaccumulation lorsque les organismes vivants concentrent les polluants dans leurs tissus.

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Impacts sur la santé et les écosystèmes

Les impacts sont variables en fonction de la toxicité des composés et de l’exposition. Les analyses écotoxicologiques permettent de détecter la présence d’un micropolluant par l’observation et la mesure des changements qu’ils provoquent sur un organisme vivant. Les analyses écotoxicologiques tiennent compte de l’exposition réelle aux micropolluants et constituent une alarme efficace.

Les médicaments constituent un cas particulier : plus de 3 000 médicaments à usage humain et 300 vétérinaires sont disponibles sur le marché français. Les médicaments sont éliminés par le corps humain et se retrouvent dans les eaux usées. Ces molécules ne sont pas éliminées par la plupart des stations d'épuration ni par celles de production d'eau potable qui n'ont pas été conçues pour. La dépollution est inefficace pour 90 % des substances pharmaceutiques présentes dans les eaux usées.

Principales techniques de traitement des micropolluants

Parmi les solutions technologiques, certaines permettent d’agir de manière curative en dépolluant l’eau. Ces traitements peuvent s’opérer avant la distribution dans les réseaux, ou au moment de restituer les eaux usées dans les milieux naturels, notamment dans les stations de traitement des eaux usées (STEU). On distingue aujourd’hui essentiellement trois familles de techniques :

Ozonation

L’ozonation, ou oxydation des micropolluants par l’ozone, s’opère à partir d’oxygène, en utilisant un courant électrique de haute tension. Cette oxydation dégrade les molécules de micropolluants en brisant leurs liaisons chimiques, réduisant ainsi leur toxicité. Elle est destinée à être utilisée en traitement complémentaire des eaux usées et s’avère efficace pour les composés organiques complexes, notamment les hormones et les médicaments.

Absorption sur charbon actif

L’absorption sur charbon actif consiste à utiliser les nombreux pores de ce matériau pour capter les molécules organiques contenues dans les eaux, comme les médicaments ou les pesticides. Cette technique est davantage adaptée aux eaux peu chargées en matières organiques, et s’avère donc plutôt destinée pour l’instant au traitement de l'eau potable.

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Filtration membranaire

La filtration membranaire consiste à filtrer les eaux au travers d’une membrane semi-perméable en céramique ou en polymères, en exerçant une pression. Pour un traitement des micropolluants dans les eaux usées, les membranes de basse pression sont privilégiées (microfiltration, ultrafiltration) ; pour l'eau potable, seules les membranes de haute pression permettent d’obtenir un résultat suffisant (nanofiltration, osmose inverse).

Limites techniques et environnementales

Malgré les progrès opérés, le traitement des micropolluants de l’eau pose de sérieuses difficultés. L’efficacité des traitements dépasse rarement les 80 à 90 % d’élimination des micropolluants et parfois ce taux est nettement inférieur. Certains traitements comme l’ozonation génèrent des sous-produits dont on ne connaît pas toujours les effets. Une autre difficulté tient à la grande diversité des substances considérées : aucune technique ne couvre convenablement le traitement de toutes les catégories de micropolluants.

La filtration par membranes à haute pression pourrait être efficace pour les PFAS, mais son utilisation pour traiter les eaux usées n’est pas appropriée, celles-ci étant trop chargées en matières en suspension qui encrasseraient les membranes. Afin d’obtenir des résultats satisfaisants pour une grande variété de micropolluants, il faudrait faire appel à plusieurs technologies de manière combinée, ce qui pose un problème de coût tant en investissement qu’en fonctionnement.

Enfin, les traitements opérés génèrent souvent de nouveaux déchets difficiles à traiter : charbons actifs chargés en micropolluants, concentrats de membranes à haute pression avec perte en eau importante. Ces déchets posent un problème de gestion et de traitement ultérieur.

Coûts économiques et énergétiques

Le coût de mise en œuvre des technologies vient s’ajouter aux procédés déjà existants. Plus le traitement visé veut être large et efficace, plus les coûts augmentent : investissements pour équipements et adaptation des infrastructures, frais d’exploitation, acquisition de compétences, achat de consommables et consommation énergétique. Par exemple, certains estimations évoquent un surinvestissement représentant 10 à 15 % de l’investissement total pour l’ajout de technologies de traitement des micropolluants dans les stations d’épuration.

Prévention à la source : une nécessité

Chères, complexes, énergivores et pas toujours suffisamment efficaces : tel est le bilan des techniques actuelles de traitement des micropolluants dans l’eau. Il existe un consensus sur la nécessité de changer d’approche et d’attaquer le problème à la source, en réduisant l’utilisation et la dispersion des micropolluants. Cela relève de la responsabilité des entreprises, des acteurs publics, des agriculteurs et des ménages.

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Cadre réglementaire national et européen

La Directive Cadre sur l’eau (DCE) 2000/60/CE identifie 45 substances prioritaires, 21 étant "substances dangereuses prioritaires". La directive 2013/39/UE a introduit 12 nouvelles substances dans cette liste. La Directive fille 2008/105/CE établit les normes de qualité environnementale (NQE).

Le Règlement (CE) n° 1907/2006 REACh vise à améliorer la connaissance sur les substances chimiques, protéger la santé humaine et l’environnement et compléter les données sur les dangers des substances. En France, de nombreux arrêtés, circulaires et notes techniques complètent et déclinent les règles européennes : Arrêté du 25 janvier 2010, arrêté du 27 juillet 2015 modifiant cet arrêté, arrêtés du 7 août 2015 relatifs au programme de surveillance, et la Note technique du 12 août 2016 précisant les modalités de la recherche de micropolluants dans les eaux usées traitées et dans les eaux brutes des STEU.

Surveillance et obligations des STEU

La surveillance des micropolluants décrite dans la note technique s’inscrit dans le cadre de l’autosurveillance des stations d’épuration. Les données sont à transmettre selon les modalités prévues aux articles 18 et 19 de l’arrêté du 21 juillet 2015 (format SANDRE). Un rapport synthétique résultant du dispositif RSDE a été rendu public fin 2007 par l’INERIS et l’action RSDE menée après 2010 a confirmé que les agglomérations d’assainissement émettent de façon non négligeable des substances dangereuses vers les milieux aquatiques.

Le maître d’ouvrage de la STEU doit procéder ou faire procéder sur une année à une série de 6 mesures dans les eaux traitées et les eaux brutes, espacées d’au moins un mois, permettant de déterminer les concentrations moyennes 24 heures des micropolluants. Les mesures sur les eaux brutes sont réalisées au point réglementaire A3 « entrée de station » et pour les eaux traitées au point A4 « sortie de station » selon la codification SANDRE.

Campagnes de mesure et calendrier

La première campagne devra débuter entre le 1er janvier et le 30 juin 2019 et comprendra uniquement des mesures sur les eaux traitées. La campagne suivante doit débuter entre le 1er janvier et le 30 juin 2022. Les campagnes suivantes auront lieu tous les 6 ans (2028, 2034, etc.). La liste de micropolluants à mesurer lors de la campagne de mesure de 2019 se trouve en annexe III de la note et comprend les nouvelles substances de la directive 2013/39/UE et les PSEE.

Diagnostics en amont et actions de réduction

Un diagnostic vers l’amont de la station doit être réalisé dès lors que des micropolluants sont identifiés comme significativement présents dans les eaux brutes ou traitées. Le diagnostic commencera dans l’année qui suivra la première campagne de recherche où des micropolluants auront été identifiés comme présents en quantité significative. Les diagnostics peuvent proposer des actions de prévention ou de réduction à mettre en place pour réduire les micropolluants arrivant à la STEU ou aux déversoirs d’orage. Un bilan des diagnostics vers l’amont sera réalisé au niveau national en 2023.

Rôle des arrêtés préfectoraux et pouvoirs du préfet

En s’appuyant sur l’article L. 181-14 et l’article R. 181-45 du code de l’environnement, le service de police de l’eau adresse au maître d’ouvrage de la station un projet d’arrêté préfectoral complémentaire. Cette procédure ne constitue pas une modification substantielle au sens de l’article R.181-46 ; la procédure complète d’autorisation environnementale avec enquête publique n’est donc pas requise. Toutefois, la transmission pour information de la note de présentation non technique et des conclusions motivées du commissaire enquêteur au CODERST est obligatoire. Le préfet a le pouvoir de décider si un dossier doit passer en CODERST.

Prescriptions techniques et qualité des opérations d’échantillonnage

L’échantillonnage des micropolluants doit être réalisé par un organisme titulaire de l’accréditation NF EN ISO/CEI 17025 pour l’échantillonnage automatique avec asservissement au débit sur la matrice « eaux résiduaires ». Le maître d’ouvrage doit établir des procédures écrites détaillant l’organisation d’une campagne d’échantillonnage, le suivi métrologique des systèmes d’échantillonnage, les méthodes d’échantillonnage, les moyens mis en œuvre pour s’assurer de l’absence de contamination du matériel utilisé, le conditionnement et l’acheminement des échantillons jusqu’au laboratoire d’analyses.

Le plan d’assurance qualité (PAQ) précise notamment les moyens pour assurer la réalisation des opérations d’échantillonnage dans les meilleures conditions et liste les documents de référence à respecter. La traçabilité documentaire des opérations de terrain doit être assurée à toutes les étapes de la préparation de la campagne jusqu’à la restitution des données.

Les échantillonneurs utilisés seront des échantillonneurs réfrigérés monoflacons fixes ou portatifs, constituant un seul échantillon moyen sur toute la période considérée. La température du groupe froid devra être à 5°C ± 3°C. Pour les eaux brutes, si l’échantillonnage proportionnel au débit est impossible, l’échantillonnage asservi au temps est pratiqué. L’échantillonneur devra être constitué d’une ligne d’aspiration en Téflon® et d’un flacon collecteur en verre d’un volume d’environ 20 litres.

Organisation logistique et exigences de transport

Pour les substances transportables vers un laboratoire de métropole, la planification des campagnes devra tenir compte des horaires des vols et de la date d’arrivée. Il faut viser des échantillonnages principalement en début de semaine (lundi, mardi) afin de garantir une prise en charge par le laboratoire en fin de semaine et éviter un stockage durant le week-end. Le prestataire de transport doit assurer des conditions de réfrigération (enceintes et blocs eutectiques) maintenant une température de transport de (5 ± 3)°C.

Acteurs, gouvernance et plans nationaux

L'État et structures nationales

Le Plan national de lutte contre les micropolluants 2016-2021 vise à préserver la qualité des eaux et de la biodiversité et intègre toutes les molécules susceptibles de polluer les ressources en eau. Le Plan national Santé Environnement (PNSE3) prend en compte la qualité de l’eau dans l’axe dédié à la prévention générale des populations. L’Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques (INERIS) coordonne l’action nationale de recherche et de réduction des rejets de substances dangereuses dans les eaux (RSDE). L’Agence nationale de sécurité sanitaire (ANSES) réalise l'évaluation des risques sanitaires et finance des projets de recherche sur l’exposition aux agents chimiques.

Les collectivités

Les collectivités exploitant les installations de traitement des eaux usées sont amenées à réduire leurs émissions. Elles doivent dialoguer avec le monde scientifique et repenser la gestion de l’eau et de l'assainissement. La réalisation des campagnes de recherche et des diagnostics à l’amont de la STEU est éligible à un soutien financier des offices de l’eau.

Qualité des données et expertise

Une fois l’ensemble des données de recherche recueillies par le maître d’ouvrage de la STEU, celles-ci seront qualifiées en une seule fois par les offices de l’eau. Les offices de l’eau disposeront de 3 mois après la transmission de la dernière des 6 analyses annuelles pour procéder à l’expertise technique de toutes les données. La liste des micropolluants à mesurer pourra être revue avant chaque nouvelle campagne de mesures.

Limites analytiques et normes de référence

Certains micropolluants ne disposent pas de NQE ou de flux GEREP. Du fait des difficultés d’analyse de la matrice eau, les limites de quantification (LQ) associées à certains micropolluants sont parfois relativement élevées. La règle générale de la directive 2009/90/CE selon laquelle une LQ est à environ 1/3 de la NQE n’est pas toujours applicable.

Vers une stratégie intégrée : prévention, surveillance et traitement

Il apparaît que la lutte contre les micropolluants nécessite une stratégie intégrée combinant :

la prévention et la réduction à la source (substitution, réduction d’usage, bonnes pratiques agricoles et industrielles, information des ménages) ;
la surveillance ciblée et régulière des STEU et des milieux récepteurs, avec diagnostics en amont et transmission des données selon SANDRE ;
le recours raisonné aux traitements complémentaires adaptés à la nature des micropolluants identifiés (ozonation, charbon actif, membranes) en tenant compte des coûts, des impacts énergétiques et des modalités de gestion des déchets produits.

La priorité consiste aujourd’hui à réduire l’émission des micropolluants à la source, tout en poursuivant le développement des technologies de traitement et en consolidant le cadre réglementaire et les dispositifs de surveillance pour mieux protéger la santé et les écosystèmes aquatiques.

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