Élimination des hormones et perturbateurs endocriniens dans l’eau par ozonation
La présence de perturbateurs endocriniens dans les eaux usées constitue un enjeu important pour les exploitants de stations d’épuration, les industriels et les projets de réutilisation des eaux usées traitées (REUT). Parmi ces micropolluants, les hormones œstrogéniques telles que le 17β-estradiol, l’estrone et le 17α-éthinylestradiol sont particulièrement étudiées en raison de leur activité biologique à de très faibles concentrations.
L’ozonation constitue une solution performante pour transformer plusieurs hormones œstrogéniques présentes dans l’eau. Leur structure chimique comporte un groupement phénolique particulièrement réactif avec l’ozone moléculaire.
Les applications courantes montrent que cette oxydation peut également réduire fortement l’activité œstrogénique associée aux molécules initiales.
Il convient toutefois de distinguer la transformation des hormones, la diminution de leur activité biologique et l’élimination complète des produits de réaction. Tous les perturbateurs endocriniens ne présentent pas la même sensibilité à l’ozone.
1. Que sont les perturbateurs endocriniens présents dans l’eau ?
Les perturbateurs endocriniens sont des substances ou mélanges susceptibles d’altérer le fonctionnement du système endocrinien et d’entraîner des effets indésirables chez un organisme ou sa descendance.
Dans les eaux usées, différentes familles de substances peuvent présenter des propriétés perturbatrices endocriniennes :
- les hormones œstrogéniques naturelles ;
- les hormones synthétiques utilisées dans certains médicaments ;
- certains bisphénols ;
- certains alkylphénols ;
- certains pesticides ;
- divers composés industriels ou issus de produits de consommation.
Ces molécules possèdent des structures chimiques et des comportements très différents. L’efficacité de l’ozonation doit donc être étudiée individuellement ou par groupe de molécules présentant des propriétés comparables.
Pour une présentation générale, consultez notre article sur le traitement des micropolluants dans l’eau par ozone.
2. Quelles hormones œstrogéniques peut-on traiter par ozone ?
17β-estradiol (E2)
Le 17β-estradiol est une hormone œstrogénique naturelle. Il peut rejoindre les réseaux d’assainissement après excrétion et transformation métabolique.
Sa structure comprend un groupement phénolique favorisant une réaction rapide avec l’ozone.
Estrone (E1)
L’estrone est une autre hormone œstrogénique naturelle. Elle peut être présente dans les eaux usées et résulter de transformations biologiques d’autres œstrogènes.
Elle comporte également une structure phénolique favorable à l’oxydation par l’ozone.
17α-éthinylestradiol (EE2)
L’éthinylestradiol est une hormone synthétique notamment utilisée dans certaines formulations contraceptives.
En raison de son activité œstrogénique et de sa présence possible dans les eaux usées, cette molécule a fait l’objet de nombreux travaux sur les traitements avancés de l’eau.
Elle possède un groupement phénolique très réactif avec l’ozone.
Estriol (E3)
L’estriol est une hormone œstrogénique naturelle qui peut également être rencontrée dans les eaux usées.
Comme les autres œstrogènes phénoliques, il présente des caractéristiques favorables à l’oxydation par l’ozone, mais son comportement réel dépend des conditions de traitement.
3. Pourquoi l’ozone est-il performant sur les hormones œstrogéniques ?
L’ozone moléculaire agit principalement comme un oxydant électrophile. Il réagit préférentiellement avec les sites chimiques riches en électrons.
Les hormones œstrogéniques possèdent un cycle aromatique portant un groupement hydroxyle, appelé groupement phénolique. Cette structure constitue un site particulièrement favorable à l’attaque par l’ozone.
La réaction peut provoquer une modification de la structure aromatique et entraîner une diminution de la capacité de la molécule à interagir avec les récepteurs œstrogéniques.
Il existe ainsi deux conséquences distinctes :
- la diminution de la concentration de l’hormone initiale ;
- la diminution de son activité œstrogénique.
Dans des conditions adaptées, ces deux effets peuvent être très importants. Cette caractéristique distingue les hormones œstrogéniques de nombreux autres contaminants qui réagissent beaucoup plus lentement avec l’ozone moléculaire.
4. Transformation chimique et activité œstrogénique : deux indicateurs différents
Le traitement des perturbateurs endocriniens nécessite de distinguer plusieurs objectifs analytiques.
Disparition de la molécule initiale
Les méthodes chromatographiques permettent de mesurer la concentration d’une substance avant et après traitement.
Un abattement important du 17β-estradiol ou de l’éthinylestradiol traduit une transformation de la molécule initiale.
Réduction de l’activité œstrogénique
Des essais biologiques permettent d’évaluer la capacité d’un échantillon à provoquer une réponse associée à l’activation de récepteurs œstrogéniques.
Ces tests sont particulièrement intéressants lorsque plusieurs substances actives sont présentes simultanément.
Évaluation des produits de transformation
L’oxydation peut générer des produits de transformation dont le comportement environnemental et les propriétés biologiques doivent être examinés.
La diminution d’une hormone initiale ne constitue donc pas, à elle seule, une preuve de disparition de tous les risques associés à l’eau traitée.
5. Quels produits de transformation peuvent apparaître ?
Lors de la réaction avec l’ozone, les hormones œstrogéniques peuvent subir des modifications de leurs structures chimiques.
Ces transformations concernent notamment :
- l’oxydation du groupement phénolique ;
- la modification du cycle aromatique ;
- la formation de composés oxygénés ;
- des réactions successives affectant la structure stéroïdienne.
Les travaux scientifiques montrent que plusieurs produits de transformation présentent une activité œstrogénique nettement diminuée par rapport à la molécule initiale.
Cela ne garantit toutefois pas l’absence d’autres effets biologiques. Selon la composition de l’eau, des sous-produits provenant d’autres constituants de la matrice peuvent également apparaître.
Une évaluation pertinente doit donc intégrer les polluants ciblés, la qualité globale de l’eau et, lorsque nécessaire, des tests écotoxicologiques.
6. L’ozone élimine-t-il tous les perturbateurs endocriniens ?
Non. L’ozone ne présente pas la même efficacité sur toutes les familles de perturbateurs endocriniens.
La réactivité dépend de la structure moléculaire, du pH et des mécanismes d’oxydation possibles.
Les substances comprenant des groupements phénoliques réactifs peuvent être particulièrement sensibles à l’ozone.
À l’inverse, certains pesticides ou autres composés perturbateurs endocriniens réagissent beaucoup plus lentement. La pertinence du procédé doit être évaluée à partir d’une liste de molécules cibles et d’objectifs mesurables.
7. Applications en stations d’épuration
Les stations d’épuration biologiques peuvent réduire une partie des concentrations en hormones présentes dans les eaux usées, mais l’abattement dépend des molécules et des conditions d’exploitation.
Une étape d’ozonation tertiaire peut être étudiée pour compléter les traitements existants et réduire les concentrations résiduelles de certains micropolluants.
Une filière peut comprendre :
- un traitement biologique conventionnel ;
- une clarification ou une filtration adaptée ;
- un réacteur d’ozonation ;
- un post-traitement biologique ou adsorbant ;
- un contrôle analytique et, si nécessaire, écotoxicologique.
Le traitement doit être dimensionné pour l’ensemble des micropolluants ciblés et non uniquement pour les hormones œstrogéniques.
Pour approfondir ce type de configuration, découvrez notre article sur l’ozone en traitement tertiaire des eaux usées.
8. Ozonation et réutilisation des eaux usées traitées
Dans les projets de réutilisation des eaux usées traitées, la qualité de l’eau doit être adaptée à l’usage prévu et aux exigences réglementaires applicables.
La présence de micropolluants hormonaux peut constituer un paramètre à étudier selon l’origine de l’eau et les objectifs du projet.
L’ozonation peut être intégrée comme traitement complémentaire afin de transformer certains résidus pharmaceutiques et hormonaux.
Elle ne remplace cependant pas les autres étapes nécessaires pour satisfaire les critères microbiologiques, physicochimiques et réglementaires.
Pour ces applications, consultez notre présentation des applications de l’ozone en REUT ainsi que notre analyse du couplage MBR et ozone pour la réutilisation de l’eau.
9. Faut-il associer l’ozone au charbon actif ?
L’ozonation et le charbon actif possèdent des mécanismes d’action différents.
L’ozone transforme chimiquement les molécules réactives, tandis que le charbon actif permet d’adsorber certaines substances organiques dissoutes.
Une association des deux procédés peut présenter plusieurs intérêts :
- traiter des polluants présentant des comportements différents ;
- réduire certains composés résiduels ;
- compléter l’élimination de produits de transformation adsorbables ;
- améliorer la qualité globale de l’eau lorsque les essais confirment l’intérêt du couplage.
Un post-traitement biologique peut également favoriser la réduction de certains produits d’oxydation biodégradables.
Le choix dépend de la composition de l’eau et des performances recherchées.
10. Comment dimensionner une installation d’ozonation ?
Le dimensionnement d’une installation destinée à traiter les hormones œstrogéniques doit reposer sur la qualité réelle de l’eau et sur des objectifs clairement définis.
Les principales données nécessaires comprennent :
- le débit moyen et maximal en m³/h ;
- les concentrations initiales en hormones ciblées ;
- les concentrations finales recherchées ;
- le carbone organique dissous (COD) ;
- la DCO et les autres constituants de la matrice ;
- le pH et la température ;
- les nitrites et autres espèces susceptibles de consommer l’ozone ;
- les bromures et le risque de formation de bromates ;
- les objectifs éventuels de réduction d’activité œstrogénique ;
- les conditions d’exploitation.
La dose d’ozone nécessaire n’est pas proportionnelle à la seule masse d’hormones présentes.
En effet, les concentrations en hormones peuvent être très faibles, tandis que la matière organique naturelle et les autres composants de l’eau représentent une demande beaucoup plus importante en oxydant.
Le dimensionnement doit donc intégrer la demande réelle en ozone, le rendement de transfert gaz-liquide et le temps de contact.
11. Quels contrôles réaliser lors d’un essai pilote ?
Un essai pilote permet de déterminer les performances de l’ozonation sur l’eau réelle.
Un programme d’essais peut comporter :
- une mesure des concentrations initiales en E1, E2 et EE2 ;
- l’application de plusieurs doses d’ozone ;
- la mesure des concentrations résiduelles ;
- une caractérisation de la consommation d’ozone ;
- un suivi du carbone organique dissous et des paramètres de qualité d’eau ;
- une recherche des sous-produits pertinents ;
- des tests d’activité œstrogénique si l’objectif du projet le justifie ;
- une évaluation de l’intérêt d’un post-traitement.
Les analyses de traces hormonales nécessitent généralement des méthodes chromatographiques sensibles, notamment la LC-MS/MS.
Les essais biologiques permettent de compléter l’analyse chimique en évaluant l’activité globale de mélanges de substances.
Les résultats doivent être interprétés en tenant compte des limites de quantification, de la variabilité de l’effluent et de l’objectif final de traitement.
12. OXYTRADING : étude de traitement des perturbateurs endocriniens par ozone
OXYTRADING accompagne les exploitants de stations d’épuration, les industriels et les bureaux d’études dans l’évaluation de solutions d’ozonation pour le traitement des micropolluants.
Notre approche comprend notamment :
- l’identification des polluants cibles ;
- l’analyse de la qualité de l’eau ;
- l’évaluation de l’intérêt technique de l’ozonation ;
- la définition d’essais de faisabilité ;
- le dimensionnement des équipements de production d’ozone ;
- le choix du système d’injection et de contact ;
- l’intégration dans la filière existante ;
- la définition des équipements de contrôle et de sécurité.
Votre projet concerne les hormones ou les micropolluants dans l’eau ?
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