Efficacité d'abattement de microplastiques en filière conventionnelle de potabilisation

Le plastique est largement et excessivement utilisé de nos jours, au point qu’il est devenu un produit presque incontournable dans notre quotidien. Une production démesurée et croissante au fil des ans a mené à une augmentation importante des déchets et donc à une forte contamination de l’environnement. En effet, nous sommes actuellement confrontés à des quantités sans précédent de plastiques car ce sont des matériaux persistants qui s’accumulent dans notre environnement. Les plastiques sont des objets résistants, néanmoins ils se dégradent en petits fragments sous l’effet, entre autres, de l’érosion et de la photodégradation pour former des particules peu visibles à l’oeil nu. Ces particules plastiques ont été définies comme des microplastiques pour des dimensions comprises entre 5 mm et 1 μm. La taille de ces particules plastiques peut donc varier du millimètre au micromètre. Les microplastiques peuvent être directement manufacturés à l’échelle de ces dimensions pour être utilisés comme matière première pour la fabrication de pièces en plastique de décoration (paillettes, sequins, billes) ou comme agents abrasifs ou exfoliants dans les cosmétiques.

Les microplastiques dans l'environnement

En raison de leurs tailles, les microplastiques peuvent ainsi aisément contaminer les systèmes aquatiques naturels et nos ressources en eaux car ils peuvent y entrer facilement par ruissellements de surface, effluents d’eaux usées, effluents industriels, et même au travers des dépôts atmosphériques. Les microplastiques atteignent les écosystèmes d’eau douce sous différentes tailles, formes et compositions chimiques et se retrouvent parfois à des concentrations élevées dans la colonne d’eau. Certains fleuves importants en Europe (comme le Rhin, la Seine, le Danube et le Rhône) ont été étudiés pour évaluer la contamination en microplastiques [1–3]. La contamination des lacs a également été évaluée dans certaines parties du monde et il a été démontré que les environnements éloignés des activités anthropiques n’échappent pas à cette contamination [4]. Étant donné que les microplastiques sont omniprésents dans l’environnement et qu’ils sont invisibles à l’oeil nu, ces particules sont souvent ingérées ou inhalées au quotidien sans le vouloir. La présence de microplastiques dans le corps humain est susceptible de produire des effets délétères dans les tissus et des cellules. En outre, les microplastiques peuvent contenir des additifs ou des monomères (non chimiquement liés au polymère même), des métaux lourds, des contaminants organiques hydrophobes, des composés perfluorés, des médicaments, etc. qui peuvent se révéler toxiques pour les êtres vivants [5]. Ces substances accompagnantes sont susceptibles d’être lessivées de la matrice du polymère plastique, ce qui en conséquence accroît la nature et l’incertitude des risques liés à ces particules plastiques. Les fibres présentent également un risque particulier pour la santé humaine car, quelle que soit leur nature, les fibres textiles contiennent des additifs et des colorants qui, dans certains cas, sont dangereux pour la faune et la santé humaine. Ainsi, la présence de microplastiques et fibres met en danger le fonctionnement des systèmes aquatiques et donc la qualité de nos ressources en eaux nécessaires à la production d’eau potable et constitue un important problème environnemental d’actualité.

Contamination en eau potable

La contamination des ressources en eaux est une préoccupation majeure et les microplastiques soulèvent des inquiétudes quant à l’efficacité des systèmes de potabilisation. La concentration en microplastiques dans les eaux de surface utilisées pour produire de l’eau potable peut varier de quelques microplastiques à des milliers de microplastiques (de dimensions jusqu’à 1 μm) par litre (voir tab. 1). Néanmoins, il a été observé qu’une filière de potabilisation simple (comprenant la coagulation-floculation et la filtration sur sable) atteint une efficacité d’élimination des microplastiques (jusqu’à 10 μm) d’environ 70%. En comparaison, les stations de potabilisation comprenant une coagulation-floculation, sédimentation, filtration sur sable et filtration sur charbon actif en grains affichent des taux d’abattement (tailles jusqu’à 1 μm) plus élevées (au minimum à 72%) [6, 7]. Cependant, la concentration en microplastiques (tailles jusqu’à 1 μm) dans l’eau potable reste élevée et varie entre 151 et 930 particules de microplastiques/l. L’objectif de l’étude présentée dans cet article est d’évaluer l’efficacité d’élimination des microplastiques et fibres (supérieures à 20 μm) dans une station conventionnelle (type Bieler Modell) de potabilisation des Services Industriels de Genève (SIG) au cours des différentes saisons de l’année (fig. 1).

Identification et caractérisation des microplastiques

Pour étudier l’efficacité d’élimination des microplastiques au cours des différentes saisons de l’année, un prélèvement par mois dans l’eau du Léman et dans l’eau traitée de la principale station de potabilisation à Genève ont été effectués (station de potabilisation du Prieuré). En moyenne, 50 litres d’eau brute et 2000 litres d’eau traitée ont été passés à travers des tamis en acier inoxydable (20 μm de taille de maille, ISO 3310-1). Les particules retenues sur les tamis ont ensuite été transférées avec de l’eau ultrapure (Milli-Q water, Millipore; résistivité supérieure à 18 MΩ.cm, concentration totale en matière organique inférieure à 2 ppb) préalablement filtrée sur des filtres en nitrate de cellulose (0,45 μm, Ø = 47 mm, Sartorius stedium biotech) dans des béchers en verre contenant une solution de peroxyde d’hydrogène (H₂O₂, 30% (p/p), REACTOLAB SA) afin d’arriver à une solution à 15% (p/p). Les solutions ont ensuite été placées dans une étuve pendant 7 jours à une température de 50 °C afin de réaliser une digestion de la matière organique. Puis, les échantillons ont été filtrés sur des tamis de 20 μm, afin d’éliminer la matière organique dissoute, et transférés sur des filtres en oxyde d’aluminium Al2O3 (Anodisc™, 0,2 μm, Ø = 47 mm, GE Healthcare Life Sciences Whatman™) afin de réaliser des analyses d’identification chimique (fig. 2). Pour la détection et mesure des microplastiques jusqu’à 20 μm, nous nous sommes basés sur la microscopie couplé à la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (μFTIR); méthode largement utilisée pour la détection et caractérisation de microplastiques [8]. Étant donné les contraintes en lien avec les analyses par microscopie infrarouge, toutes les microparticules déposées sur un quart de la surface du filtre ont été soigneusement et systématiquement analysées, sauf lorsqu’elles étaient identifiées comme des microparticules minérales ou des microorganismes. La région spectrale entre 1250 et 4000 cm^-1 a été choisie en raison des propriétés d’absorption des filtres Al₂O₃. La résolution spectrale a été fixée à 4 cm^-1 et 8 balayages consécutifs par spectre ont été appliqués.

Résultats

Concentrations en microplastiques totales (jusqu'à 20 μm) et fibres

Des microplastiques d’une taille supérieure à 20 μm ont été trouvés dans tous les échantillons. Cependant, les concentrations des microplastiques étaient plus élevées – de deux ordres de grandeur – dans l’eau brute que dans l’eau traitée, quel que soit le mois considéré au courant de l’année (fig. 3A). La concentration en microplastiques était relativement constante au cours de l’année en entrée et en sortie de la station de potabilisation. Les microplastiques ont été répartis en quatre classes de tailles: 20 – 50 μm, 50 – 100 μm, 100 – 500 μm et supérieure à 500 μm. Aucun microplastique n’a été détecté pour des tailles supérieures à 500 μm (fig. 3B). Dans l’eau brute, la concentration moyenne en microplastiques était égale à 627 ± 279 microplastiques/m³ (fig. 3A). En moyenne, 61% des microplastiques ont été détectés dans la plus petite classe de tailles (20 – 50 μm), suivi par la classe de tailles entre 50 et 100 μm (31%; fig. 3B). En comparaison, l’eau traitée contenait en moyenne de faibles concentrations en microplastiques (11 ± 7 microplastiques/m³), ce qui correspond à un taux d’abattement de 98%. En outre, 68% des microplastiques ont été détectés dans la plus petite classe de tailles (20 – 50 μm), et 25% dans la classe de tailles comprise entre 50 et 100 μm (fig. 3B). Ces résultats montrent que la concentration en microplastiques augmente significativement dans l’eau brute et l’eau traitée avec la diminution des tailles. Les images dans la figure 4 montrent que la forme des microplastiques est plutôt irrégulière et qu’ils sont essentiellement retrouvés sous forme de fragments (microplastiques secondaires). Des microplastiques sous forme de paillettes, sequins ou billes n’ont pas été observés dans cette étude. De nombreuses fibres (naturelles, semi-synthétiques et synthétiques) ont également été observées dans tous les échantillons. La concentration totale en fibres a néanmoins diminué après le traitement de potabilisation (fig. 5A), avec une valeur moyenne de 1813 ± 1161 fibres/m³ d’eau brute à une valeur de 128 ± 84 fibres/m³ dans l’eau traitée, ce qui correspond à un taux d’abattement de 93%. Les résultats indiquent (fig. 5B) qu’à la fois dans l’eau brute et dans l’eau traitée, les fibres étaient prédominantes dans la classe de tailles 100 – 500 μm. En outre, les fibres ont été observées dans toutes les classes de tailles. Contrairement aux microplastiques, les fibres ont des formes allongées et un diamètre de quelques micromètres, ce qui pourrait expliquer leur prédominance dans des tailles plus grandes.

Efficacité du traitement de potabilisation

Nos résultats indiquent (fig. 6) que l’efficacité du traitement conventionnel de potabilisation investigué ici afin d’éliminer les microplastiques est au minimum de 95% et au minimum de 87% pour les fibres (naturelles, synthétiques et semi-synthétiques). Le taux moyen d’élimination des microplastiques est égal à 98% (± 1%) tandis que le taux moyen d’élimination des fibres est de 93% (± 3%). Les concentrations en microplastiques détectées dans notre étude sont faibles en comparaison avec d’autres études dans les stations de potabilisation alimentées avec des eaux de surface (tab. 1). Toutefois, cette différence peut également s’expliquer par le fait que la méthodologie analytique des microplastiques n’est pas encore normalisée et par le fait que certaines études ont déterminé la présence de microplastiques jusqu’à une dimension de 1 μm à l’aide de la spectroscopie micro-Raman alors que nous avons mené nos analyses par microscopie infrarouge FTIR jusqu’à des tailles de 20 μm. Par conséquent, nous pouvons nous attendre, dans ce cas de figure, à des concentrations plus élevées lorsque des tailles inférieures à 20 μm sont investiguées. Les études menées en République Tchèque [6] ou en Chine [7] démontrent clairement cet aspect. Toutefois, il est important de souligner que certaines études se limitent à analyser des volumes d’échantillons nettement plus faibles (1 à 2 litres) que nos échantillons (de 50 à 2000 litres). Néanmoins, en ce qui concerne l’efficacité de traitement pour éliminer les microplastiques, nos résultats sont en accord avec d’autres études portant sur un traitement de potabilisation conventionnel comme en Espagne [9], en France [3] et en Suisse [10]. En outre, toutes les études montrent que le nombre de microplastiques augmente avec la diminution des tailles investiguées.

Tab. 1 Tableau comparatif de l’efficacité d’élimination des microplastiques avec d’autres études.

Nature chimique des microplastiques

Des matériaux tels que le polyamide (PA), le polyéthylène (PE), le polytéréphtalate d’éthylène (PET), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le polypropylène (PP), le polystyrène (PS), l’alcool polyvinylique (PVA), le copolymère d’éthylène avec l’acétate de vinyle (EVA), le polychlorure de vinyle (PVC), ainsi que d’autres matériaux, ont été identifiés par spectroscopie infrarouge. Le PE est le matériau le plus abondant à la fois dans l’eau brute et dans l’eau traitée. Même si la concentration en microplastiques diminue significativement après traitement, la distribution globale et l’hétérogénéité des microplastiques reste très similaire dans l’eau brute à celle de l’eau traitée (fig. 7). Il n’est pas étonnant de retrouver ces compositions chimiques, car ces matériaux sont couramment utilisés au quotidien (emballages, bouteilles, tuyaux, etc.) et dans plusieurs secteurs de l’industrie (construction, textile et emballages). De plus, certains de ces plastiques sont directement utilisés dans la station de potabilisation (joints, crépines, etc.). Par conséquent, une possible contamination de l’eau par ces matériaux plastiques n’est pas totalement exclue en raison d’une potentielle abrasion de ces matières plastiques notamment et par exemple lors du lavage à contre-courant des filtres au moyen d’air et d’eau pour le cas où les crépines seraient constituées de matériaux polymères (PE, etc.).