Photodégradation de micropolluants organiques dans les eaux usées traitées - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement
Rapport (Rapport De Recherche) Année : 2015

Photodegradation of organic micropollutants contained in secondary effluents: bibliographic overview

Photodégradation de micropolluants organiques dans les eaux usées traitées

Résumé

Wastewater treatment plants usually remove a significant amount of micropollutants by volatilization, sorption and/or biodegradation. Nevertheless, secondary effluents still contain various pharmaceutical compounds and pesticides at very low concentrations up to few micrograms per liter. Most of these compounds are photoactive, either due to their chemical structure able to absorb UV irradiation, or due to a reaction with intermediates (metabolites) formed after reactions with organic matter and nitrates, under UV irradiation. This technical report deals with the transformation of organic micropollutants under sun light exposure. A literature review was carried out to identify the main mechanisms, their equations, parameters and influencing variables. Then, the work presents the capacity to be photodegraded for 10 pharmaceutical compounds and 3 pesticides that are usually measured in secondary effluents. A database was created with the data found in 66 publications, containing 349 data of half-life, kinetic parameters and/or removal efficiencies, and also 140 by-products. This information was consolidated with the help of the experimental conditions like the chemical composition of water (concentration for nitrates, dissolved organic matter, micropollutants) and the characteristics of light exposure (position, period of the year, type of light). The information found in literature is relatively abundant for 3 micropollutants (among 13). Diclofenac, propranolol and carbamazepine could be classified as easily, medium and hardly photodegradable respectively. Their full removal from secondary effluent by photodegradation would require a few days, several months and several years of sun exposure, respectively. Fewer data were available in literature for 8 other micropollutants; nonetheless a classification of their photodegradation capacity was also proposed. The photodegradation of 2 micropollutants was not documented at all in the literature (erythromycine and roxithromycine). This work also suggests that lower half-life values are reached in the presence of nitrates and organic matter for most of the studied micropollutants. A lot of information was found for by-products released during photodegradation experiments; although they were mostly related to pure water conditions. This work has also led to various perspectives. We designed laboratory and on-site experimental studies to investigate the contribution of photodegradation process occurring in the water column of discharged planted areas. About fourty of organic micropollutants and a selection of by-products will be studied.
Les stations de traitement des eaux usées éliminent une grande partie des micropolluants organiques par volatilisation, sorption et/ou biodégradation. Néanmoins, les effluents traités contiennent de nombreuses molécules pharmaceutiques et phytosanitaires, à des concentrations faibles, mais atteignant parfois quelques microgrammes par litre. Plusieurs de ces molécules sont photoactives en raison de leurs structures chimiques capables de se modifier sous l’action des rayons ultraviolets (photolyse directe). D’autres molécules sont attaquées par des intermédiaires chimiques très réactifs produits à partir de la matière organique, ou des nitrates, en présence de rayons ultraviolets (photolyse indirecte). Ce rapport porte sur la transformation de micropolluants organiques contenus dans les eaux en présence de lumière naturelle (photodégradation). Il rassemble les connaissances existantes extraites d’une synthèse bibliographique approfondie. Nous présentons tout d’abord les différents mécanismes de photodégradation possibles. Puis, nous détaillons les capacités de photodégradation pour 10 molécules pharmaceutiques et 3 pesticides fréquemment quantifiés dans les effluents traités par les stations de traitement des eaux usées. Les 66 publications scientifiques analysées ont permis de compiler 349 données de temps de demi-vie, paramètres cinétiques et/ou rendements d’élimination, ainsi que 140 produits de dégradation. Ces informations ont été consolidées grâce à la collecte des conditions expérimentales comme la composition de l’eau (i.e. concentrations en nitrates, en matière organique dissoute, en micropolluants) et les caractéristiques d’exposition à la lumière (i.e. localisation géographique du site étudié, période de l’année, nature du rayonnement lumineux appliqué). Les données recueillies sont relativement nombreuses pour 3 des 13 molécules étudiées. Ainsi, le diclofénac, le propranolol et la carbamazépine sont classés, respectivement, comme facilement, moyennement et difficilement photodégradables. Leur élimination complète par photodégradation naturelle nécessiterait, respectivement, quelques jours, plusieurs mois et plusieurs années d'ensoleillement. Les données disponibles sont moins nombreuses pour 8 autres micropolluants, et un classement de leur capacité de photodégradation a également été proposé. Enfin, la photodégradation de 2 micropolluants est insuffisamment documentée dans la littérature (érythromycine et roxithromycine). La présence de nitrates et/ou de matière organique dissoute en faible concentration semble accélérer la photodégradation de la majorité des micropolluants organiques étudiés, sans toutefois modifier fortement leurs temps de demi-vie. Les sous-produits de photodégradation sont multiples et documentés pour 10 des 13 molécules étudiées ; leur génération a principalement été étudiée dans des conditions d’eau pure (photolyse directe). Ce travail ouvre de nombreuses perspectives avec notamment la réalisation d’une série d’expériences à mener au laboratoire et sur le terrain. Elles permettront d’évaluer la contribution de la photodégradation par la lumière naturelle en zone de rejet végétalisée comprenant un compartiment d’eau libre. Une quarantaine de molécules et une sélection de produits de dégradation seront étudiés.

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hal-02602375 , version 1 (16-05-2020)

Identifiants

Citer

B. Mathon, J.M. Choubert, Cecile Miege, Marina Coquery. Photodégradation de micropolluants organiques dans les eaux usées traitées. [Rapport de recherche] irstea. 2015, pp.32. ⟨hal-02602375⟩

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