Traitabilite des pesticides émergents par adsorption sur charbon actif
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Traitabilite des pesticides émergents par adsorption sur charbon actif
TECHNOLOGIES DE L’EAU - Alimentation en Eau Potable - 00AEP00 Traitabilite des pesticides émergents par adsorption sur charbon actif Philippe CHARLES Etude financée par l'Agence de l'Eau Seine Normandie Décembre 2005 Date : Décembre 2005 Réf. : PC/sm/15277 RESUME Les pesticides font l’objet, depuis la publication de la Directive Européenne du 15 juillet 1980, d’une concentration maximale admissible (CMA) extrêmement basse égale à 0,1 µg/L pour tout pesticide quelle que soit sa toxicité. La Directive Européenne 98/83 augmente encore la complexité du problème en introduisant la nécessité de rechercher les métabolites de ces composés. Etant donné ce contexte il s’avère nécessaire d’une part de mettre au point de nouvelles méthodes d’analyse en mettant l’accent de plus en plus sur des substances polaires, difficilement extractibles car solubles dans l’eau, ainsi que sur les principaux métabolites et composés de réaction de ces pesticides, et d’autre part d’évaluer la traitabilité de ces composés déjà présents dans l’environnement ou sur le point d’être commercialisés. D’après ce qui précède, parmi les différents traitements dont dispose le traiteur d’eau pour remédier à la présence de composés phytosanitaires dans la ressource à potabiliser les traitements qui les éliminent (adsorption sur charbon actif, couplage adsorption/membranes, rétention par procédés membranaires) sont à privilégier par rapport aux traitements qui les transforment (oxydation physicochimique ou biologique). L’objectif de cette étude est d’évaluer la traitabilité de ces composés par adsorption sur charbon actif. Dans ce but des essais de laboratoire d’isothermes et de cinétiques d’adsorption sont réalisés afin de générer les coefficients nécessaires à la simulation d’ajout de CAP dans un décanteur, de filtration sur CAG et de couplage CAP/UF. Cette étude est réalisée sur 10 composés sélectionnés dans la liste des pesticides jugés prioritaires au niveau européen et parmi les composés les plus souvent détectés dans les ressources. Ces essais sont réalisés avec un type de charbon actif dans l’eau ultrapure et deux types d’eaux naturelles : une eau souterraine et une eau de Seine clarifiée. Les résultats obtenus viennent compléter les données générées en 2000, 2001 et 2004 sur 35 pesticides. CONCLUSION Les principales conclusions de cette étude sont les suivantes : Elimination de la matière organique En conclusion, les résultats obtenus sur les valeurs moyennes montrent que le temps de fonctionnement du filtre à CAG avant percée à 50 % du COD initial est de 112 jours (ou 3,7 mois), soit 17929 V/V pour l’eau de Seine clarifiée et 148 jours (ou 4,9 mois), soit 23691 V/V pour l’eau souterraine. Ces résultats montrent que l’utilisation du charbon actif pour éliminer la matière organique conduit à des coûts d’exploitation très élevés ainsi qu’à une gestion difficile des installations liés à la régénération du CAG à une fréquence de 3 à 5 mois. Par conséquent il est recommandé d’éliminer la matière organique par des procédés de clarification avancés ou par des adsorbants spécifiques avant de traiter l’eau sur CAG. Cette étape est alors un traitement d’affinage réservé spécifiquement à l’élimination de micropolluants, comme les pesticide, dans des conditions optimisées. Elimination des pesticides par le CAP Les résultats générés à travers cette étude permettent de disposer des coefficients de l’isotherme de Freundlich pour 10 pesticides émergents dans 2 types d’eau naturelle. Ces données viennent compléter celles générées en 2000, 2001 et 2004. L’exploitation de ces résultats amène aux principales conclusions suivantes : − Classement des pesticides par ordre de traitabilité par le CAP décroissante dans les 2 eaux naturelles étudiées. − Les molécules les moins bien éliminées par le CAP et les plus influencées par la présence de matières organiques sont le mécoprop, le MCPA et la Bentazone. − Le naphtalène et la métamitrone sont les molécules les mieux adsorbées et celles pour lesquelles les effets de compétition avec la matière organique sont les plus faibles. − Les résultats des isothermes permettent de tracer pour les 10 pesticides dans les 2 eaux naturelles des abaques de traitement qui donnent le pourcentage de pesticide résiduel dans l’eau en fonction de la dose de CAP mise en œuvre. 2 Elimination des pesticides par le CAG Les résultats générés à travers cette étude permettent de disposer des coefficients isothermes et cinétiques pour 10 pesticides émergents dans 2 types d’eau naturelle. A partir de ces données les courbes de percée de chacun des 10 pesticides étudiés sont simulées par le modèle HSDM pour un filtre à CAG type utilisé en deuxième étage de filtration. L’exploitation de ces résultats amène aux principales conclusions suivantes : − Classement des pesticides par ordre de traitabilité par le CAG décroissante dans les 2 eaux naturelles étudiées. − Les 3 molécules à suivre en priorité dans l’eau filtrée sur CAG si elles sont présentes dans la ressource : le mécoprop, le MCPA et la bentazone. Par contre, le naphtalène et la métamitrone présentent les temps de percée les plus long. − Cette classification de l’élimination des pesticides par filtration sur CAG permet de connaître les molécules à suivre en priorité à la sortie du filtre pour produire une eau conforme à la législation européenne en vigueur : le mécoprop, le MCPA et la bentazone. − Le naphtalène et la métamitrone présentent les temps de percée les plus long. − Les courbes de percée simulées par le modèle HSDM permettent d’anticiper la percée d’un filtre à CAG pour une molécule donnée. Ceci permet de mettre en place en temps utile un suivi analytique rapproché dans l’eau traitée afin d’éviter les épisodes de non conformité. − Les courbes de percée simulées par le modèle HSDM permettent d’estimer les fréquences de régénération des filtres à CAG en fonction de la nature et de la concentration des pesticides présents dans la ressource. MOTS CLES Produits phytosanitaires ; adsorption sur charbon actif en poudre ; adsorption sur charbon actif en grains ; isotherme ; cinétique ; modélisation. 3 SOMMAIRE 1 Introduction ........................................................................................................ 6 2 Objectifs de l’etude ............................................................................................. 7 3 Résultats et discussion........................................................................................ 8 3.1 RESULTATS OBTENUS SUR LA MATIERE ORGANIQUE ............................................ 8 3.1.1 Coefficients isothermes et cinétiques d’adsorption de la matière organique...........8 3.1.2 Courbes de corrélation COD/UV .................................................................................8 3.1.3 Application CAP : dosage de charbon actif à utiliser en fonction de l’objectif de qualité ............................................................................................................9 3.1.4 Application filtre à CAG : courbes de percée en matières organiques simulées par le modèle HSDM......................................................................................10 3.1.4.1 3.1.4.2 Résultats obtenus avec une eau souterraine .......................................................................... 10 Résultats obtenus avec l’eau de Seine clarifiée ...................................................................... 10 3.1.5 Pesticides étudiés.............................................................................................................11 3.1.6 Application CAP : dosage de charbon actif à utiliser en fonction de l’objectif de qualité ..........................................................................................................12 3.1.7 Application CAP : évaluation des effets de compétition avec la matière organique ..........................................................................................................................13 3.1.8 Classification des pesticides étudiés vis à vis de leur traitabilité par le CAP..........14 3.1.9 Application filtration sur CAG .....................................................................................15 3.1.10 Application CAG : évaluation des effets de compétition avec la matière organique ..........................................................................................................................16 3.1.11 Classification des molécules étudiées vis à vis de leur traitabilité par le CAG ..................................................................................................................................16 4 Conclusion .........................................................................................................18 ANNEXES Annexe 1 : Synthèse des coefficients isothermes et cinétiques des matières organiques dans les deux eaux naturelles étudiées........................................ 21 Annexe 2 : Synthèse des coefficients isothermes et cinétiques des pesticides dans les deux eaux naturelles étudiées ..................................................................... 23 Annexe 3 : Graphes des pourcentages de pesticides résiduels dans l’eau à l’équilibre en fonction de la dose de CAP ........................................................................ 25 4 TABLE DES ILLUSTRATIONS Tableaux Tableau 1 : Pourcentages d’élimination de la matière organique en fonction de 3 doses de CAP .........................................................................................................................................10 Tableau 2 : Liste des 10 pesticides étudiés................................................................................................11 Tableau 3 : Classification de la traitabilité des pesticides par le CAP (isothermes)............................14 Tableau 4 : Classification de la traitabilité des pesticides par le CAG (isothermes)...........................17 Figures Figure 1 : Courbe de corrélation COD/UV de l’eau de Seine clarifiée .................................................8 Figure 2 : Courbe de corrélation COD/UV de l’eau de forage...............................................................8 Figure 3 : Pourcentages de COD résiduels à l’équilibre en fonction de la dose de CAP pour une eau de forage.....................................................................................................................9 Figure 4 : Pourcentages de COD résiduels à l’équilibre en fonction de la dose de CAP pour une eau de surface clarifiée ....................................................................................................9 Figure 5 : Simulation des courbes de percée en COD en fonction du temps dans l’eau souterraine ..............................................................................................................................10 Figure 6 : Simulation des courbes de percée en COD en fonction du temps dans l’eau souterraine ..............................................................................................................................11 Figure 7 : Taux de traitement en CAP dans les trois types d’eau pour une concentration initiale en pesticide de 2 µg/L et un objectif de qualité de 0,1 µg/L ............................12 Figure 8 : Pourcentage d’élimination des pesticides pour un dosage en CAP de 1 mg/l .................13 Figure 9 : Influence de la matière organique sur l’adsorption des pesticides ......................................13 Figure 10 : Temps de percée et production du filtre à CAG pour les pesticides en eau de Seine clarifiée..........................................................................................................................15 Figure 11 : Temps de percée et production du filtre à CAG pour les pesticides en eau de forage.......................................................................................................................................15 Figure 12 : Influence de la matière organique sur l’adsorption des pesticides par filtration sur CAG ........................................................................................................................................16 5 1 Introduction Les pesticides font l’objet, depuis la publication de la Directive Européenne du 15 juillet 1980, d’une concentration maximale admissible (CMA) extrêmement basse égale à 0,1 µg/L pour tout pesticide (substance active) quelle que soit sa toxicité. Ce paramètre a, dès son origine, posé des problèmes majeurs aussi bien pour les traiteurs d’eau que pour les laboratoires chargés des analyses de surveillance sanitaire. Ces problèmes résultent en premier lieu du nombre et du tonnage très élevé des substances actives commercialisées (environ 800 pesticides commercialisés en Europe ; environ 100 000 tonnes/an pour le seul territoire Français). La multiplicité des molécules potentiellement présentes dans l’eau rend impossible leur analyse exhaustive et l’on estime que les meilleurs laboratoires sont capables de rechercher entre 100 et 200 pesticides au niveau de la CMA au prix de la mise en œuvre d’un nombre élevé de méthodes d’analyse et donc pour un coût rapidement prohibitif. La Directive Européenne 98/83 augmente encore la complexité du problème en introduisant la nécessité de rechercher les métabolites de ces composés (produits de dégradation ou de réaction pertinents). La période 1997/99 a été mise à profit au CIRSEE pour mettre au point des méthodes multi-résidus permettant le dosage des 34 pesticides jugés prioritaires dans le cadre d’un projet européen (voir liste Annexe 1). Dans l’intervalle des problèmes de contamination par des pesticides non encore rencontrés sont apparus : dinocap, isoxaben, tébutam, clofentézine, etc. Certains pesticides ont par ailleurs été souvent détectés dans le cadre des suivis assurés par des DDASS (exemple de la carbendazime en Ile de France). Etant donné ce contexte il s’avère nécessaire d’une part de mettre au point de nouvelles méthodes d’analyse en mettant l’accent de plus en plus sur des substances polaires, difficilement extractibles car solubles dans l’eau, ainsi que sur les principaux métabolites et composés de réaction de ces pesticides, et d’autre part d’évaluer la traitabilité de ces composés déjà présents dans l’environnement ou sur le point d’être commercialisés. Les différents traitements dont dispose le traiteur d’eau pour remédier à la présence de composés phytosanitaires dans la ressource à potabiliser peuvent se résumer comme suit : Les traitements qui transforment • • • Oxydation directe par le chlore, le bioxyde de chlore, le permanganate de potassium ou l’ozone ; Oxydation avancée mettant en jeux des réactions radicalaires par couplage O3/H2O2, O3/UV, H2O2/Fe ou UV/TiO2 ; Biodégradation au cours des traitements de filtration. Ces différents traitements de transformation des pesticides se heurtent au problème majeur de la formation de métabolites qui sont pris en compte dans la nouvelle Directive Européenne. On notera à ce sujet que le Conseil Supérieur d’Hygiène Publique de France rappelle que l’oxydation radicalaire n’est pas autorisée pour le traitement de ressources contenant des pesticides. Les traitements qui éliminent • • • Adsorption sur charbon actif en poudre (CAP) ou sur charbon actif en grain (CAG) ; Couplage de procédés adsorption sur CAP / membranes ; Rétention par procédés membranaires. 6 2 Objectifs de l’etude Par rapport à ce qui vient d’être dit sur les traitements qui transforment les pesticides en métabolites, les réflexions entreprises au CIRSEE concernent essentiellement les traitements d’élimination de ces composés par adsorption sur charbon actif. La période 1997-99 a été mise à profit par le CIRSEE pour mettre au point deux méthodes multi-résidus CG/SM et HPLC-UV afin de pouvoir identifier et doser les 34 pesticides jugés prioritaires dans le cadre d’un projet européen. Ces méthodes sont appliquées pour acquérir des informations sur la traitabilité de ces composés par adsorption afin d’enrichir nos bases de données sur ce traitement. En particulier, cette étude vient compléter les données générées en 1994-95 sur la traitabilité de l’atrazine et de la simazine par ozonation et adsorption sur charbon actif dans le cadre de l’étude “ Typologie micropolluants ”. Le but des essais effectués en 2005 est de compléter les données générées en 2000, 2001 et 2004 en générant les coefficients d’adsorption de 10 pesticides complémentaires par rapport aux 34 composés déjà étudiés Le rapport de synthèse des études faites en 2000, 2001 et 2004 a été finalisé et distribué en février 2005 sous la référence 00AEP00. Le chapitre « Matériels et méthodes » étant identique, il ne sera pas répéter dans le présent rapport. 7 3 Résultats et discussion 3.1 RESULTATS OBTENUS SUR LA MATIERE ORGANIQUE 3.1.1 Coefficients isothermes et cinétiques d’adsorption de la matière organique Les coefficients générés à partir des résultats des isothermes et des cinétiques d’adsorption de la matière organique obtenus dans l’eau souterraine et dans l’eau de surface clarifiée sont présentés sous forme de tableaux en Annexe 1. 3.1.2 Courbes de corrélation COD/UV Les courbes de corrélation COD/UV des deux eaux naturelles étudiées sont présentées Figures 1 et 2. COD = 0,5932UV + 0,4999 R2 = 0,9473 2,5 [COD] mg/L 2,0 1,5 07/07/2005 1,0 13/07/2005 29/06/2005 0,5 08/06/2005 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Absorbance UV254nm (m-1) Figure 1 : Courbe de corrélation COD/UV de l’eau de Seine clarifiée COD = 0,1523Ln(UV) + 0,655 R2 = 0,8086 0,8 [COD] mg/L 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 07/07/2005 0,2 19/07/2005 0,1 16/05/2005 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Absorbance UV254nm (m-1) Figure 2 : Courbe de corrélation COD/UV de l’eau de forage 8 1,0 La bonne corrélation linéaire obtenue avec cette eau de surface s’explique par la qualité du traitement appliqué : préoxydation à l’ozone et clarification physico-chimique. D’autre part, la période de l’étude correspond uniquement à la saison estivale. La corrélation assez faible obtenue sur cette eau souterraine s’explique par l’influence de cette ressource par les eaux de surface. 3.1.3 Application CAP : dosage de charbon actif à utiliser en fonction de l’objectif de qualité Les résultats des essais d’isothermes d’adsorption de la matière organique permettent d’évaluer les taux de traitement en CAP à appliquer pour atteindre un objectif de traitement. Les Figures 3 et 4 suivantes présentent les pourcentages résiduels de COD en fonction des doses de CAP appliqués dans l’eau de forage et dans l’eau de surface clarifiée. (Ce/Co)*100 (%) 100 05/07/2005 19/07/2005 16/05/2005 10 0,1 1 10 100 Dose de CAP (mg/L) Figure 3 : Pourcentages de COD résiduels à l’équilibre en fonction de la dose de CAP pour une eau de forage (Ce/Co)*100 (%) 100 29/06/2005 13/07/2005 07/07/2005 08/06/2005 10 0,1 1 10 100 1000 Dose de CAP (mg/L) Figure 4 : Pourcentages de COD résiduels à l’équilibre en fonction de la dose de CAP pour une eau de surface clarifiée Le Tableau 1 résume les pourcentages d’abattement moyen observés pour trois doses de CAP (faible, moyenne et forte) proches de celles appliquées en exploitation. 9 Tableau 1 : Pourcentages d’élimination de la matière organique en fonction de 3 doses de CAP Dose de CAP (mg/L) 5 15 50 % COD éliminé ESC 26 48 64 EF 23 35 48 Pour une même dose de CAP, on observe un abattement en COD plus faible en eau de forage qu’en eau de Seine clarifiée. Ce résultat s’explique par le fait que la concentration initiale en COD de l’eau de Seine clarifiée est supérieure à celle de l’eau souterraine. 3.1.4 Application filtre à CAG : courbes de percée en matières organiques simulées par le modèle HSDM 3.1.4.1 Résultats obtenus avec une eau souterraine (Ceq/Co)*100 (%) Les résultats obtenus sont présentés Figure 5. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 05/07/2005 16/05/2005 0 100 200 300 400 Temps (jours) Figure 5 : Simulation des courbes de percée en COD en fonction du temps dans l’eau souterraine D’après ces résultats, le temps de percée en COD à 50 % varie de 96 à 200 jours pour des concentrations initiales de 0,62 à 0,67 mg/l. Sur une échelle de concentration en COD si faible, l’écart observé entre les temps de percées peut s’explique par la précision de la mesure du COD mais aussi par une grande variabilité qualitative de cette ressource souterraine influencée par la surface. 3.1.4.2 Résultats obtenus avec l’eau de Seine clarifiée Les résultats obtenus sont présentés Figure 6. Les temps de percée en COD obtenus pour cette eau de surface clarifiée varie entre 20 et 167 jours, soit entre 1 et 5 mois, ce qui est conforme aux résultats observés sur des filtres industriels pour ce type de ressource. 10 (Ceq/Co)*100 (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 08/06/2005 29/06/2005 13/07/2005 07/07/2005 0 100 200 300 400 Temps (jours) Figure 6 : Simulation des courbes de percée en COD en fonction du temps dans l’eau souterraine En conclusion, les résultats obtenus sur les valeurs moyennes montrent que le temps de fonctionnement du filtre à CAG avant percée à 50 % du COD initial est de 112 jours (ou 3,7 mois), soit 17929 V/V pour l’eau de Seine clarifiée et 148 jours (ou 4,9 mois), soit 23691 V/V pour l’eau souterraine. Ces résultats montrent l’importance d’optimiser les traitements amont d’élimination de la matière organique (clarification) avant la filtration sur CAG en affinage pour éliminer les micropolluants. 3.2 Résultats obtenus sur les pesticides 3.1.5 Pesticides étudiés Les 10 pesticides étudiés en 2005 sont présentés Tableau 2. Tableau 2 : Liste des 10 pesticides étudiés Nom Abréviation Formule NAPH C10H8 DIELD TRICHLO ETHO METAZ OXAD C12H8Cl6O C6H3Cl3 C13H18O5S C14H16ClN3O C15H18O3N2Cl2 Hydrocarbure polycyclique aromatique Organochloré Organochloré Benzofurane Chloroacétanilides Oxadiazole Mecoprop MECO C10H11ClO2 Aryloxylalkanoïc acid MCPA MCPA C9H9ClO3 Aryloxylalkanoïc acid Bentazone BENT C10H12N2O3S Chloroacétanilides METAM C10H10N4O Triazinone Naphtalène Dieldrine Trichlorobenzène Ethofumesate Métazachlore Oxadiazon Métamitrone Famille chimique Méthode d’analyse HPLC UV CG SM CG SM CG CG CG CG après méthylation CG après méthylation CG après méthylation HPLC Les coefficients des isothermes et des cinétiques d’adsorption des 10 pesticides étudiés sont présentés sous forme de tableaux en Annexe 2 dans les deux eaux naturelles utilisées pour ces essais. 11 3.1.6 Application CAP : dosage de charbon actif à utiliser en fonction de l’objectif de qualité Les résultats expérimentaux des isothermes d’adsorption des pesticides dans les eaux naturelles permettent de calculer les taux de traitement en CAP à utiliser en clarification pour atteindre l’objectif de 0,1 µg/l dans l’eau traitée à partir d’une concentration initiale de 2 µg/l proche des valeurs de pointes observées dans les ressources après les pluies de printemps ou d’automne. La Figure 7 ci-dessous présente les résultats obtenus. Il faut noter que ces résultats sont optimistes, même s’ils donnent un ordre d’adsorbabilité relatif des différents pesticides. En effet, seuls les résultats des isothermes sont pris en compte, c’est à dire quand l’état d’équilibre est atteint. Dans la pratique, pour calculer le taux de traitement exact il faudra tenir compte des cinétiques d’adsorption et du temps de contact réel dans l’ouvrage industriel où l’eau et le CAP se trouvent en contact. 10 9 Dosage de CAP (mg/l) 8 Eau Ultrapure Eau de Forage Eau de Seine Clarifiée 7 6 5 4 3 2 1 0 METAM TRICHLO NAPH METAZ BENT Figure 7 : Taux de traitement en CAP dans les trois types d’eau pour une concentration initiale en pesticide de 2 µg/L et un objectif de qualité de 0,1 µg/L Les résultats obtenus permettent de tirer les conclusions suivantes : Possibilité de classement des pesticides par ordre d’adsorbabilité décroissante dans les 3 types d’eau étudiés, − Les 6 molécules les mieux retenues par le charbon actif dans l’eau de Seine clarifiée sont dans l’ordre la métamitrone, la dieldrine, le trichlorobenzène, l’oxadiazon, le naphtalène et l’éthofumésate, − Les 4 molécules les moins bien retenues par le charbon actif dans l’eau de Seine clarifiée sont métazachlore, MCPA, bentazone et mécoprop, − La disparité des écarts dans les doses de CAP entre l’eau souterraine et l’eau de Seine clarifiée traduit l’importance plus ou moins grande des effets de compétition avec la matière organique, − Les pourcentages de pesticides résiduels dans l’eau à l’équilibre en fonction de la dose de CAP sont présentés en Annexe 3 sous forme de graphes pour les 10 pesticides étudiés. 12 3.1.7 Application CAP : évaluation des effets de compétition avec la matière organique L’histogramme Figure 8 présente une synthèse des pourcentages d’élimination des pesticides dans l’eau de surface et dans l’eau souterraine pour un taux de traitement en CAP de 1 mg/l. Cette représentation permet de visualiser d’une part l’ordre d’adsorbabilité des 10 pesticides et d’autre part l’importance plus ou moins grande des effets de compétition due à la présence des matières organiques de l’eau de Seine clarifiée. Eau de Forage 100 Eau de Seine clarifiée Pourcentage d'élimination (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 OXAD NAPH METAM METAZ MECO Figure 8 : Pourcentage d’élimination des pesticides pour un dosage en CAP de 1 mg/l Ecart Eau Sout - Eau Surf (%) Cette représentation met en évidence qu’il existe des effets de compétition plus ou moins important entre l’adsorption de la matière organique et celle des micropolluants. A partir de ces résultats, il est possible de calculer la différence entre le pourcentage d’élimination en eau souterraine et le pourcentage d’élimination en eau de surface. Les résultats obtenus sont présentés Figure 9. 60 50 40 30 20 10 0 MECO METAZ OXAD DIEL METAM Figure 9 : Influence de la matière organique sur l’adsorption des pesticides 13 Les résultats obtenus permettent de tirer les conclusions suivantes : − Cinq composés sont particulièrement influencés par la présence de matière organique avec des différences de taux d’élimination entre l’eau de surface et l’eau souterraine compris entre 35 et 60 % : mécoprop, MCPA, métazachlore, éthofumesate et oxadiazon − Quatre composés sont peu influencés par la présence de matière organique avec des pourcentages compris entre 3 et 27 % : bentazone, dieldrine, naphtalène et métamitrone − L’influence de la matière organique sur l’adsorption du trichlorobenzène n’a pas pu être étudiée suite à des problèmes d’ordre analytique − Les composés les plus sensibles aux phénomènes de compétition avec la matière organique sont ceux dont la solubilité dans l’eau est supérieure à 50 mg/l 3.1.8 Classification des pesticides étudiés vis à vis de leur traitabilité par le CAP La synthèse des résultats présentés ci-dessus permet de proposer une classification arbitraire de la traitabilité par le CAP des 10 pesticides étudiés. Cette classification est basée sur les deux règles suivantes : − Les molécules définies comme étant les mieux adsorbées sont celles pour lesquelles les résultats des isothermes d’adsorption donnent une élimination dans l’eau souterraine supérieure à 80 %, pour un dosage de 1 mg/l de CAP ; − Les molécules définies comme étant celles qui subissent un faible impact lié à la présence de matières organiques (M.O.) sont celles pour lesquelles la différence d’élimination entre l’eau souterraine et l’eau de Seine clarifiée est inférieure ou égale à 10 %, toujours pour un dosage de 1 mg/l de CAP. Les résultats obtenus sont présentés dans le Tableau 3. Dans ce tableau les chiffres entre parenthèses rappel la différence d’adsorbabilité du pesticide entre l’eau souterraine et l’eau de Seine clarifiée présentée Figure 9. Ceci permet d’affiner la classification en hiérarchisant l’impact des matières organiques à l’intérieur d’une même classe d’adsorbabilité. Tableau 3 : Classification de la traitabilité des pesticides par le CAP (isothermes) Influence de la matière organique (M.O.) Faible impact de la (3) M.O. Fort impact de la (4) M.O. Impact de la M.O. indéterminée Molécules les (1) mieux adsorbées Naphtalène (10,0 %) Métamitrone ( 3,0 %) Dieldrine Ethofumésate Métazachlore Oxadiazon Trichlorobenzène (13,5 %) (37,0 %) (43,5 %) (35,3 %) Molécules les (2) moins bien adsorbées Mécoprop MCPA Bentazone (60,0 %) (47,8 %) (27,0 %) En conclusion, parmi les 10 pesticides étudiés, les molécules les moins bien éliminées par le CAP et les plus influencées par la présence de matières organiques sont le mécoprop, le MCPA et la Bentazone. Le naphtalène et la métamitrone sont les molécules les mieux adsorbées et celles pour lesquelles les effets de compétition avec la matière organique sont les plus faibles. 14 3.1.9 Application filtration sur CAG Pour ces simulations la concentration initiale en pesticide est supposée constante à la valeur de 2 µg/l, ce qui correspond aux valeurs de pointe observées dans les ressources, principalement au moment des pluies de printemps et d’automne. La concentration à partir de laquelle la percée du filtre intervient est la valeur paramétrique de 0,1 µg/l. L’ensemble des coefficients isothermes et cinétiques pris en compte pour simuler les courbes de percée des 10 pesticides étudiés dans les deux eaux naturelles sont présentés en Annexe 2. 15 1 000 000 14 13 900 000 12 800 000 11 10 700 000 9 600 000 8 7 500 000 6 400 000 5 4 300 000 3 200 000 2 1 100 000 0 0 NAPH DIELD ETHO METAZ OXAD Volumes eau / Volume CAG Temps (ans) A partir des données ci-dessus les courbes de percée de chacun des 10 pesticides étudiés sont simulées par le modèle HSDM. Les Figures 10 et 11 suivantes synthétisent les temps de percée exprimés en années de fonctionnement et en production du filtre dans les deux eaux naturelles étudiées. Temps (ans) V/V METAM 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 000 000 900 000 800 000 700 000 600 000 500 000 400 000 300 000 200 000 Volumes eau/Volume CAG Temps (ans) Figure 10 : Temps de percée et production du filtre à CAG pour les pesticides en eau de Seine clarifiée 100 000 0 NAPH DIELD ETHO METAZ OXAD METAM Temps (ans) V/V Figure 11 : Temps de percée et production du filtre à CAG pour les pesticides en eau de forage Remarque : Les coefficients de Freundlich n’ayant pas pu être déterminé pour MCPA, mécoprop et bentazone il n’est pas possible de modéliser leur adsorption sur filtre à CAG 15 En conclusion, les résultats obtenus en eau de Seine clarifiée montrent que le métazachlore, l’oxadiazon et l’éthofumésate sont les molécules pour lesquelles on observe les temps de percées les plus rapide, soit moins de 4 ans. Le naphtalène, la dieldrine, la métamitrone et le trichlorobenzène présentent des temps de percée supérieurs à 5 ans. En eau souterraine, le métazachlore présente le temps de percée le plus rapide qui est dans ce cas supérieur à 5 ans. 3.1.10 Application CAG : évaluation des effets de compétition avec la matière organique La différence entre les pourcentages d’élimination obtenus en eau souterraine avec ceux de l’eau de surface permettent d’évaluer l’importance des effets de compétition. Les résultats obtenus sont présentés Figure 12. Ecart Eau Sout - Eau Surf (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 OXAD METAZ ETHO DIELD METAM NAPH Figure 12 : Influence de la matière organique sur l’adsorption des pesticides par filtration sur CAG En conclusion l’adsorption sur CAG est fortement influencée par la présence de matières organiques pour quatre molécules : oxadiazon, métazachlore, éthofumésate et dieldrine. La métamitrone et le naphtalène sont les molécules qui sont les moins sensibles à la présence de matières organiques. 3.1.11 Classification des molécules étudiées vis à vis de leur traitabilité par le CAG Les résultats obtenus sont présentés dans le Tableau 4. Dans ce tableau les chiffres entre parenthèses rappel la différence d’adsorbabilité du pesticide entre l’eau souterraine et l’eau de Seine clarifiée présentée Figure 12. Ceci permet d’affiner la classification en hiérarchisant l’impact des matières organiques à l’intérieur d’une même classe d’adsorbabilité. En conclusion, cette classification de la traitabilité des pesticides sur CAG permet de connaître les molécules à suivre en priorité à la sortie du filtre pour produire une eau conforme à la législation en vigueur. D’après cette classification, trois molécules sont à suivre de façon prioritaire si elles sont présentes dans la ressource : le mécoprop, le 16 MCPA et la bentazone. Par contre, le naphtalène et la métamitrone présentent les temps de percée les plus long. Les résultats concernant le trichlorobenzène sont à valider car l’influence de la matière organique n’a pas pu être évalué. Tableau 4 : Classification de la traitabilité des pesticides par le CAG (isothermes) Influence de la matière organique (M.O.) Faible impact de la M.O. (3) Molécules les mieux adsorbées (1) Naphtalène (5,0 %) Métamitrone (22,0 %) Fort impact de la M.O. (4) Dieldrine Ethofumésate Métazachlore Oxadiazon Impact de la M.O. indéterminée Trichlorobenzène Molécules les moins bien adsorbées (2) (52,0 %) (75,0 %) (78,0 %) (82,0 %) Mécoprop MCPA Bentazone (1) Temps de percée ≥ 2 ans en ESC (HSDM) (2) Temps de percée < 2 ans en ESC (HSDM) (3) < 30% d’écart entre le temps de percée en eau souterraine et eau de Seine clarifiée (4) ≥ 30% d’écart entre le temps de percée en eau souterraine et eau de Seine clarifiée 17 4 Conclusion Les principales conclusions de cette étude sont les suivantes : Elimination de la matière organique En conclusion, les résultats obtenus sur les valeurs moyennes montrent que le temps de fonctionnement du filtre à CAG avant percée à 50 % du COD initial est de 112 jours (ou 3,7 mois), soit 17929 V/V pour l’eau de Seine clarifiée et 148 jours (ou 4,9 mois), soit 23691 V/V pour l’eau souterraine. Ces résultats montrent que l’utilisation du charbon actif pour éliminer la matière organique conduit à des coûts d’exploitation très élevés ainsi qu’à une gestion difficile des installations liés à la régénération du CAG à une fréquence de 3 à 5 mois. Par conséquent il est recommandé d’éliminer la matière organique par des procédés de clarification avancés ou par des adsorbants spécifiques avant de traiter l’eau sur CAG. Cette étape est alors un traitement d’affinage réservé spécifiquement à l’élimination de micropolluants, comme les pesticide, dans des conditions optimisées. Elimination des pesticides par le CAP Les résultats générés à travers cette étude permettent de disposer des coefficients de l’isotherme de Freundlich pour 10 pesticides émergents dans 2 types d’eau naturelle. Ces données viennent compléter celles générées en 2000, 2001 et 2004. L’exploitation de ces résultats amène aux principales conclusions suivantes : • • • • Classement des pesticides par ordre de traitabilité par le CAP décroissante dans les 2 eaux naturelles étudiées. Les molécules les moins bien éliminées par le CAP et les plus influencées par la présence de matières organiques sont le mécoprop, le MCPA et la Bentazone. Le naphtalène et la métamitrone sont les molécules les mieux adsorbées et celles pour lesquelles les effets de compétition avec la matière organique sont les plus faibles. Les résultats des isothermes permettent de tracer pour les 10 pesticides dans les 2 eaux naturelles des abaques de traitement qui donnent le pourcentage de pesticide résiduel dans l’eau en fonction de la dose de CAP mise en œuvre. Elimination des pesticides par le CAG Les résultats générés à travers cette étude permettent de disposer des coefficients isothermes et cinétiques pour 10 pesticides émergents dans 2 types d’eau naturelle. A partir de ces données les courbes de percée de chacun des 10 pesticides étudiés sont simulées par le modèle HSDM pour un filtre à CAG type utilisé en deuxième étage de filtration. L’exploitation de ces résultats amène aux principales conclusions suivantes : • • Classement des pesticides par ordre de traitabilité par le CAG décroissante dans les 2 eaux naturelles étudiées. Les 3 molécules à suivre en priorité dans l’eau filtrée sur CAG si elles sont présentes dans la ressource : le mécoprop, le MCPA et la bentazone. Par contre, le naphtalène et la métamitrone présentent les temps de percée les plus long. 18 • • • • Cette classification de l’élimination des pesticides par filtration sur CAG permet de connaître les molécules à suivre en priorité à la sortie du filtre pour produire une eau conforme à la législation européenne en vigueur : le mécoprop, le MCPA et la bentazone. Le naphtalène et la métamitrone présentent les temps de percée les plus long. Les courbes de percée simulées par le modèle HSDM permettent d’anticiper la percée d’un filtre à CAG pour une molécule donnée. Ceci permet de mettre en place en temps utile un suivi analytique rapproché dans l’eau traitée afin d’éviter les épisodes de non conformité. Les courbes de percée simulées par le modèle HSDM permettent d’estimer les fréquences de régénération des filtres à CAG en fonction de la nature et de la concentration des pesticides présents dans la ressource. 19 Annexes 20 Annexe 1 : Synthèse des coefficients isothermes et cinétiques des matières organiques dans les deux eaux naturelles étudiées Synthèse des coefficients isothermes et cinétiques d’adsorption des matières organiquesen eau de Seine clarifiée 08/06/05 29/06/05 Paramètres [COD]mod Eau Brute (mg/L) 07/07/05 13/07/05 Corrélation COD/UV 2,33 2,39 2,24 2,09 2,82 3,07 3,13 2,77 a 0,66 0,63 0,61 0,51 b 0,47 0,46 0,34 0,68 UV254nm Eau Brute (m-1) COD = aUV + b Paramètres Co mod Eau Brute Isothermes (mg/L) 2,33 2,39 2,24 2,09 K1 (mg/g)(l/mg)1/n 38,38 52,34 47,98 46,81 K2 (µg/mg)(l/µg)1/n 1,44E-04 1,66E-03 8,53E-03 5,01E-04 1,81 1,50 1,25 1,66 1/n Paramètres Cinétiques CO µg/l 2,45 2,64 2,10 2,23 mc mg/l 10,00 10,00 10,00 10,00 Ceq µg/l 1,66 1,93 1,45 1,61 K1 (mg/g)(l/mg)1/n 38,38 52,34 47,98 46,81 K2 (µg/mg)(l/µg)1/n 1,44E-04 1,66E-03 8,53E-03 5,01E-04 Ds cm2min-1 3,00E-09 8,00E-10 5,00E-09 1,10E-10 Ds cm2sec-1 5,00E-11 1,33E-11 8,33E-11 1,83E-12 Etude imprimée à partir du cédérom « Recueil des résultats d’études financées par l’Agence de l’eau Seine-Normandie » 21 Synthèse des coefficients isothermes et cinétiques d’adsorption des matières organiques en eau de forage 16/06/05 05/07/05 Paramètres [COD]mod Eau Brute (mg/L) UV254nm Eau Brute (m-1) COD = a Ln(UV) + b a b Corrélation COD / UV 0,57 0,69 0,67 0,81 0,61 0,86 0,16 0,64 0,23 0,72 0,15 0,64 Paramètres Co mod Eau Brute K1 K2 1/n (mg/L) (mg/g)(l/mg)1/n (µg/mg)(l/µg)1/n Isothermes 0,58 289,41 3,86E-06 2,63 0,67 127,95 2,74E-04 1,89 Paramètres CO mc Ceq K1 K2 Ds Ds µg/l mg/l µg/l (mg/g)(l/mg)1/n (µg/mg)(l/µg)1/n cm2min-1 cm2sec-1 19/07/05 0,61 234,40 6,61E-10 3,85 Cinétiques 0,57 5,00 0,26 289,41 3,86E-06 4,00E-10 6,67E-12 0,68 5,00 0,48 127,95 2,74E-04 5,00E-09 8,33E-11 Etude imprimée à partir du cédérom « Recueil des résultats d’études financées par l’Agence de l’eau Seine-Normandie » 22 0,66 5,00 0,11 234,40 6,61E-10 7,00E-13 1,17E-14 Annexe 2 : Synthèse des coefficients isothermes et cinétiques des pesticides dans les deux eaux naturelles étudiées Synthèse des coefficients isothermes et cinétiques d’adsorption de pesticides en eau de Seine clarifiée NAPH TRICHLO DIEL ETHO Paramètres METAZ OXAD MCPA BENT METAM 1,74 1,21 1,34 3,38 Isothermes C0 µg/l 0,62 0,47 0,33 1,95 2,15 1,10 K1 (mg/g)(l/mg)1/n 93,35 311,31 58,18 14,67 6,67 5,23 K2 1/n (µg/mg)(l/µg)1/n 2,51 0,52 3,74 0,64 1,49 0,53 1,40 0,34 0,84 0,90 0,30 0,25 Cinétiques Paramètres C0 mc Ceq µg/l mg/l µg/l 2,27 10,00 0,01 0,12 10,00 <0,02 0,89 10,00 0,04 2,30 10,00 0,14 2,20 10,00 0,31 1,60 10,00 0,09 K1 (mg/g)(l/mg)1/n 169,92 190,47 92,59 16,34 6,75 6,69 K2 Ds Ds (µg/mg)(l/µg)1/n 4,68 1,10E-10 1,83E-10 2,29 5,00E-11 8,33E-13 2,38 5,30E-11 8,83E-13 4,40 159,75 6,30 524,01 3,48 135,39 1,42 14,87 0,80 6,35 1,41 7,93 cm2min-1 cm2sec-1 Paramètres K MECO (µg/mg)(l/µg)1/n (mg/g)(l/mg)1/n NAPH Naphtalène OXAD Oxadiazon DIEL Dieldrine MECO Mécoprop TRICHLO Trichlorobenzène MCPA MCPA ETHO Ethofumésate BENT Bentazone METAZ Métazachlore METAM Métamitrone Non Non Non exploitable exploitable exploitable 1,25 10,00 0,16 0,75 10,00 0,06 0,92 10,00 0,17 20,02 4,09 0,23 4,98 10,00 <0,04 26,99 Non Non Non 1,56 0,85 1,19 5,51 exploitable exploitable exploitable 1,50E-10 2,30E-10 1,00E-10 Non exploitable 2,50E-12 3,80E-12 1,66E-12 Valeurs de K pour Co = 2 µg/l Etude imprimée à partir du cédérom « Recueil des résultats d’études financées par l’Agence de l’eau Seine-Normandie » 23 Non Non Non exploitable exploitable exploitable 2,73 13,37 Synthèse des coefficients isothermes et cinétiques d’adsorption de pesticides en eau de forage NAPH TRICHLO DIEL ETHO Paramètres µg/l K1 (mg/g)(l/mg)1/n 3065,00 K2 1/n (µg/mg)(l/µg)1/n 14,00 0,78 0,70 1,40 MCPA BENT METAM 0,91 1,27 3,29 Non exploitable 2,35 2,45 1,40 1,83 7,40 21,93 1,09 3,90 5,48 0,39 0,43 4,03 0,25 0,22 0,23 0,88 0,22 1,58 0,18 Non Non exploitable exploitable 43,65 5,50 0,30 Cinétiques C0 mc Ceq µg/l mg/l µg/l K1 (mg/g)(l/mg)1/n 2765,33 K2 Ds Ds (µg/mg)(l/µg)1/n Non 12,64 0,33 exploitable 1,20E-11 1,00E-08 2,00E-13 1,67E-10 K MECO 1,85 Paramètres cm2sec-1 Paramètres OXAD Isothermes C0 cm2min-1 METAZ 0,44 5,00 0,02 <0,02 5,00 <0,02 (µg/mg)(l/µg)1/n 17,64 Non exploitable (mg/g)(l/mg)1/n 4135,22 NAPH Naphtalène OXAD Oxadiazon DIEL Dieldrine MECO Mécoprop TRICHLO Trichlorobenzène MCPA MCPA ETHO Ethofumésate BENT Bentazone METAZ Métazachlore METAM Métamitrone 1,40 5,00 <0,02 2,40 5,00 <0,02 2,50 5,00 0,02 1,30 5,00 <0,02 1,30 5,00 <0,02 6,43 23,00 1,09 16,82 4,13 0,41 8,00 0,66 5,00 <0,05 0,96 5,00 0,04 3,78 5,00 <0,04 18,43 Non Non 4,09 0,22 3,68 1,19 2,32 exploitable exploitable 5,00E-10 1,00E-09 2,00E-10 Non Non exploitable exploitable 8,33E-12 1,67E-11 3,33E-12 Valeurs de K pour Co = 2 µg/l 3,57 20,08 2,12 10,38 5,15 23,54 Etude imprimée à partir du cédérom « Recueil des résultats d’études financées par l’Agence de l’eau Seine-Normandie » 24 1,70 5,89 Non Non exploitable exploitable 3,88 30,82 Annexe 3 : Graphes des pourcentages de pesticides résiduels dans l’eau à l’équilibre en fonction de la dose de CAP NAPHTALENE TRICHLOROBENZENE EAU DE SEINE CLARIFIEE EAU DE SEINE CLARIFIEE 100,0 (Ceq/Co)*100 (%) Ceq / C0 * 100 (%) 100,0 10,0 1,0 10,0 1,0 0,1 0,1 0,1 1,0 10,0 0,1 1,0 Dose de CAP (m g/L) Dose de CAP (m g/L) EAU DE FORAGE EAU DE FORAGE Ceq / C0 * 100 (%) 100,0 Résultats inexploitables (problème analytique) 10,0 1,0 0,1 0,10 1,00 10,00 Dose de CAP (mg/L) EAU ULTRAPURE EAU ULTRAPURE (Ceq / Co)*100 (%) 100,0 Résultats inexploitables (problème analytique) 10,0 1,0 0,1 0,1 1,0 10,0 Dose de CAP (m g/L) Etude imprimée à partir du cédérom « Recueil des résultats d’études financées par l’Agence de l’eau Seine-Normandie » 25 10,0 DIELDRINE ETHOFUMESATE EAU DE SEINE CLARIFIEE EAU DE SEINE CLARIFIEE 100,0 (Ceq/Co)*100 (%) Ceq / C0 * 100 (%) 100 10 1 0 10,0 1,0 0,1 0 1 10 0,1 Dose de CAP (m g/L) EAU DE FORAGE 10,0 EAU DE FORAGE 100,0 100,0 (Ceq/Co)*100 (%) (Ceq/Co)*100 (%) 1,0 Dose de CAP (m g/L) 10,0 1,0 0,1 0,1 1,0 10,0 10,0 1,0 0,1 0,10 1,00 10,00 Dose de CAP (m g/L) Dose de CAP (m g/L) EAU ULTRAPURE EAU ULTRAPURE 100,0 (Ceq / C0) * 100 (%) Résultats inexploitables (problème analytique) 10,0 1,0 0,1 0,10 1,00 10,00 Dose de CAP (m g/L) Etude imprimée à partir du cédérom « Recueil des résultats d’études financées par l’Agence de l’eau Seine-Normandie » 26 METAZACHLORE OXADIAZON EAU DE SEINE CLARIFIEE EAU DE SEINE CLARIFIEE 100,0 (Ceq/Co)*100 (%) (Ceq/Co)*100 (%) 100,0 10,0 1,0 10,0 1,0 0,1 0,1 0,1 1,0 0,1 10,0 10,0 EAU DE FORAGE EAU DE FORAGE 100,0 100,00 10,00 (Ceq/Co)*100 (%) (Ceq/Co)*100 (%) 1,0 Dose de CAP (m g/L) Dose de CAP (m g/L) 10,0 1,0 1,00 0,10 0,1 0,10 1,00 0,01 0,01 10,00 1,00 10,00 EAU ULTRAPURE EAU ULTRAPURE 100,0 100,0 (Ceq/Co)*100 (%) (Ceq / C0) * 100 (%) 0,10 Dose de CAP (mg/L) Dose de CAP (m g/L) 10,0 1,0 10,0 1,0 0,1 0,1 0,1 1,0 10,0 Dose de CAP (mg/L) 0,1 1,0 10,0 Dose de CAP (mg/L) Etude imprimée à partir du cédérom « Recueil des résultats d’études financées par l’Agence de l’eau Seine-Normandie » 27 MECOPROP MCPA EAU DE SEINE CLARIFIEE EAU DE SEINE CLARIFIEE 100,0 (Ceq/Co)*100 (%) (Ceq/Co)*100 (%) 100,0 10,0 1,0 10,0 1,0 0,1 0,1 0,1 1,0 0,1 10,0 EAU DE FORAGE EAU DE FORAGE 100,00 (Ceq/Co)*100 (%) (Ceq/Co)*100 (%) 100,0 10,0 1,0 10,00 1,00 0,10 0,1 0,10 1,00 0,1 10,00 1,0 10,0 Dose de CAP (m g/) Dose de CAP (m g/L) EAU ULTRAPURE EAU ULTRAPURE 100,0 (Ceq/Co)*100 (%) 100 (Ceq/Co)*100 (%) 10,0 Dose de CAP (m g/L) Dose de CAP (m g/L) 10 1 0 0,10 1,0 10,0 1,0 0,1 1,00 10,00 Dose de CAP (mg/L) 0,1 1,0 Dose de CAP (mg/L) Etude imprimée à partir du cédérom « Recueil des résultats d’études financées par l’Agence de l’eau Seine-Normandie » 28 10,0 BENTAZONE METAMITRONE EAU DE SEINE CLARIFIEE EAU DE SEINE CLARIFIEE 100,0 (Ceq/Co)*100 (%) (Ceq/Co)*100 (%) 100,0 10,0 10,0 1,0 0,1 1,0 0,1 1,0 0,1 10,0 EAU DE FORAGE 100,0 (Ceq/Co)*100 (%) (Ceq/Co)*100 (%) 10,0 EAU DE FORAGE 100,0 10,0 1,0 0,1 10,0 1,0 0,1 0,1 1,0 10,0 0,1 1,0 10,0 Dose de CAP (m g/L) Dose de CAP (m g/L) EAU ULTRAPURE EAU ULTRAPURE 100,0 100,0 (Ceq/Co)*100 (%) (Ceq/Co)*100 (%) 1,0 Dose de CAP (m g/L) Dose de CAP (m g/L) 10,0 1,0 10,0 1,0 0,1 0,1 0,1 1,0 10,0 0,1 1,0 10,0 Dose de CAP (m g/L) Dose de CAP (m g/L) Etude imprimée à partir du cédérom « Recueil des résultats d’études financées par l’Agence de l’eau Seine-Normandie » 29