Sections
- Introduction
- Qu’est-ce que les PFAS ?
- Comment les PFAS affectent-ils l’environnement et la santé humaine?
- Traitement des effluents contenant des PFAS
- L’évaporation sous vide : une solution pour le traitement des PFAS
- Résumé
Introduction
Les substances appelées PFAS sont constituées d’un large groupe de produits chimiques extrêmement stables. Ces produits ont été fabriqués et utilisés dans une grande variété d’industries à travers le monde depuis les années 1940.
Les PFAS se trouvent dans une large gamme de produits que les consommateurs utilisent quotidiennement, tels que les batteries de cuisine, les boîtes à pizza et les répulsifs anti-taches. La plupart des consommateurs ont été exposés à ces composés pendant de nombreuses années.
Certaines PFAS peuvent s’accumuler et rester dans le corps humain pendant longtemps. Il existe des preuves que l’exposition aux PFAS peut causer des effets néfastes sur la santé.
Les agents chimiques PFAS les plus étudiés sont le PFOA et le PFOS ; les études sur les animaux de laboratoire indiquent que ces agents chimiques peuvent causer des effets indésirables sur les systèmes reproductifs et immunitaires, ainsi que sur le développement, et sur des organes tels que le foie et les reins.
Les deux agents chimiques ont causé des tumeurs chez les animaux. Les constatations les plus évidentes chez les personnes exposées sont des niveaux de cholestérol plus élevés.
Dans de nombreuses industries de chromage aux États-Unis, les PFAS ont d’abord été introduits comme une solution préventive environnementale pour le chrome dans les fumées ; mais par la suite, il a été déterminé que les PFAS étaient nuisibles, tant pour l’environnement que pour la santé humaine.
Des études récentes ont montré des conséquences alarmantes de l’exposition aux PFAS, y compris un impact néfaste sur la croissance et l’apprentissage chez les enfants, et un risque accru de cancer.
De nombreuses entreprises ont volontairement renoncé à l’utilisation des PFAS en 2002, et cela a été suivi mondialement par de nombreuses entreprises en 2015 ; depuis lors, les usines de protection de surface n’utilisent plus de PFAS et de PFOS, mais le problème réside dans les eaux de surface et souterraines contaminées qui devront être pompées et traitées.
Pour ces entreprises, il est nécessaire de respecter des limites strictes de décharge des eaux pluviales et souterraines pour les PFAS. Celles-ci s’appliquent dans tous les domaines, au niveau national aux États-Unis, ainsi que dans différents États qui ont des limites qui, dans de nombreux cas, sont encore plus strictes.
Qu’est-ce que les PFAS ?
Les substances perfluoroalkyles (PFAS) sont des composés chimiquement synthétisés qui consistent en une chaîne alkyle hydrophobe fluorée de longueur variable, avec un groupe terminal hydrophile.
En raison de cette nature amphiphile, ces substances présentent une grande stabilité chimique et thermique, ainsi qu’une activité de surface élevée.
Pour toutes ces raisons, les PFAS ont un large usage dans des applications industrielles et de consommation qui incluent des revêtements anti-taches pour tissus et moquettes, des peintures et des vernis, des meubles, des chaussures, des revêtements lipophobes destinés à des produits en papier aptes au contact alimentaire, des mousses extinctrices, des tensioactifs pour des puits d’extraction minière ou pétrolière, des agents de polissage, des cires, des peintures, des produits de nettoyage et des mousses pour lutter contre les incendies (une source importante de contamination des eaux souterraines dans les aéroports et les bases militaires où se déroule l’entraînement à la lutte contre les incendies).
Un sous-groupe important est constitué par les agents tensioactifs organiques perfluorés, dont font partie les sulfonates de perfluorooctane (PFOS) et l’acide perfluorooctanoïque (PFOA).
Structure chimique :
Il existe de nombreuses autres PFAS en usage dans notre économie, comme les agents chimiques GenX et les PFBS.
GenX est la marque commerciale d’une technologie utilisée pour fabriquer des fluoropolymères de haute performance (par exemple, certains revêtements antiadhésifs) sans utiliser d’acide perfluorooctanoïque (PFOA).
L’acide dimère d’oxyde d’hexafluoropropylène (HFPO) et son sel d’ammonium sont les agents chimiques principaux associés à la technologie GenX.
Les agents chimiques GenX ont été trouvés dans l’eau de surface, l’eau souterraine, l’eau potable, l’eau de pluie et les émissions dans l’air dans certaines zones.
Comment les PFAS affectent-ils l’environnement et la santé humaine ?
Les PFAS ont été fabriqués et utilisés dans une grande variété d’industries à travers le monde. Les États-Unis les utilisent depuis les années 1940.
Parmi ces agents chimiques, le PFOA et le PFOS ont été les plus produits et étudiés. Tous deux sont extrêmement persistants dans l’environnement et dans le corps humain ; c’est-à-dire qu’ils ne se dégradent pas et peuvent s’accumuler avec le temps.
Il existe des preuves que l’exposition aux PFAS peut causer des effets néfastes sur la santé humaine. Les PFAS peuvent se trouver dans :
- Aliments emballés dans des matériaux contenant des PFAS, traités avec des équipements ayant utilisé des PFAS, ou cultivés dans des sols ou avec de l’eau contaminés par des PFAS.
- Produits domestiques commerciaux, tels que des tissus anti-taches et de l’eau, des produits antiadhésifs (comme le Téflon), des composés de polissage, des cires, des peintures, des produits de nettoyage et des mousses pour lutter contre les incendies (une source importante de contamination des eaux souterraines dans les aéroports et les bases militaires où se déroule l’entraînement à la lutte contre les incendies).
- Lieux de travail, tels que des usines de production ou des industries utilisant des PFAS, comme par exemple : le chromage, la fabrication de produits électroniques ou la récupération de pétrole.
- Eau potable, communément localisée et associée à une usine spécifique (par exemple : fabricants, décharges, stations de traitement des eaux usées, centres d’entraînement pour pompiers).
- Organismes vivants, tels que des poissons, des animaux et des êtres humains, où les PFAS peuvent s’accumuler et persister avec le temps.
En raison d’une utilisation si répandue, les PFOS et le PFOA, leurs sels et précurseurs, ont été détectés dans l’environnement, les poissons, les oiseaux et les mammifères.
Les PFAS ont été fabriqués pendant plus de 50 ans dans une grande variété de produits de consommation, ainsi que dans des applications agricoles, ce qui a conduit à leur dispersion dans l’environnement, entrant dans la chaîne alimentaire jusqu’à ce qu’ils soient inclus dans l’Annexe B de la Convention de Stockholm en 2010, restreignant leur utilisation conformément à une liste définie d’applications.
Bien que leur production ait été limitée au niveau mondial, leur libération dans l’environnement se produit principalement par l’apport de produits traités avec des PFAS, ou par l’élimination inappropriée de produits qui les contiennent.
Les PFAS représentent un risque pour la santé. L’inquiétude concernant leurs effets néfastes sur la santé publique est apparue après plusieurs études expérimentales sur des animaux indiquant que ces substances avaient des indices toxicologiques : hépatotoxicité, effets négatifs sur le développement et le comportement, immunotoxicité, atteinte à la reproduction et aux poumons, effets hormonaux, ainsi qu’un potentiel génotoxique et cancérogène, bien qu’il ne soit pas prouvé que ces résultats aient des implications pour la santé humaine.
Selon l’EFSA (Autorité européenne de sécurité des aliments), l’alimentation est la principale source d’exposition humaine aux PFAS, en particulier le poisson et les produits de la pêche ainsi que les produits carnés (foie principalement) ; mais il existe d’autres sources d’exposition non alimentaires, comme la pollution de l’air, qui contribuent également à l’exposition totale, comme c’est le cas pour les PFOA.
Il existe d’autres voies d’exposition moins importantes, comme l’eau de processus pour les PFOS et PFOA ou les ustensiles de cuisine antiadhésifs et les matériaux d’emballage des aliments (les sacs de pop-corn pour micro-ondes, par exemple) pour le cas du PFOA.
L’EFSA a conclu en 2008 qu’il est peu probable que la population moyenne en Europe puisse subir des effets négatifs pour la santé dus à l’exposition par l’alimentation à ces contaminants et que seuls quelques consommateurs élevés de poisson pourraient légèrement dépasser la valeur de référence toxicologique pour le PFOS.
Certaines des PFAS ont été considérées en 2010 dans la Convention de Stockholm, l’instrument le plus ambitieux au niveau international pour réglementer et contrôler les COP (Polluants Organiques Persistants), dont l’objectif est de protéger la santé humaine et l’environnement, signé en 2001.
L’Union européenne et tous ses États membres ont signé la Convention et, pour garantir l’application cohérente et efficace des obligations contractées en vertu de celle-ci, le Règlement 850/2004, du 29 avril 2004, sur les polluants organiques persistants a été établi au niveau européen.
L’EFSA, dans son avis scientifique sur les PFAS de 2008, recommandait de recueillir davantage de données sur ces substances dans les aliments afin d’améliorer la précision du calcul de l’exposition par l’alimentation à l’avenir.
Dans ce sens, la Commission européenne a publié la Recommandation 2010/161/UE afin de surveiller la présence de certaines de ces substances dans une large variété d’aliments.
Dans le dernier rapport de l’EFSA sur les PFAS, en 2012, plus de 54 000 résultats analytiques de PFAS provenant de 13 pays européens (dont l’Espagne) ont été recueillis pendant la période de 2006 à 2012.
Parmi les 27 substances incluses dans l’évaluation de l’exposition, la proportion de résultats quantifiés était très faible, c’est-à-dire que les niveaux de ces contaminants trouvés dans les aliments étaient très réduits.
L’EFSA, comme mentionné précédemment, a confirmé le faible risque pour la santé dû à l’exposition de la population à la présence de ces substances dans l’alimentation.
Par la suite, et en raison du grand nombre de substances perfluoroalkyles, de leurs précurseurs et des substances qui en dérivent, l’EFSA a publié en 2014 un rapport scientifique relatif à la toxicité orale de ces composés chez les animaux et les humains, sous la forme d’une revue systématique de la littérature scientifique actuelle, qui aiderait sans aucun doute les organismes évaluateurs du risque de ces composés au niveau mondial, comme la Sous-direction générale de la promotion de la sécurité alimentaire.
L’EFSA a établi une dose journalière tolérable (DJT) de 150 ng/kg de poids corporel pour les PFOS et une DJT de 1500 ng/kg de poids corporel pour le PFOA, qui est la quantité maximale qu’une personne peut ingérer quotidiennement tout au long de sa vie sans provoquer d’effets indésirables sur la santé.
La Commission européenne recommande d’utiliser les méthodes d’échantillonnage et d’analyse harmonisées dans l’UE pour les dioxines et les PCB comme référence pour le contrôle des PFAS, établies dans le Règlement (UE) 589/2014 de la Commission. Les critères de performance pour la méthode d’analyse de ces substances sont spécifiquement énoncés dans la Recommandation 2010/161/UE.
Traitement des effluents contenant des PFAS
Les processus conventionnels de traitement des eaux usées sont efficaces pour de nombreux produits chimiques PFAS en les séparant dans les boues, ce qui représente un défi, car ces agents apparaissent dans une large variété de produits chimiques, avec plus de 3 000 composés individuels.
Parmi ceux-ci, seuls 24 sont mesurés de manière routinière. Il n’est pas inhabituel qu’un ou plusieurs de ces composés aient des concentrations plus élevées dans un effluent traité contenant plus de PFAS que dans l’influent à traiter.
Le processus de traitement permet à certains des milliers de PFAS potentiellement présents de se transformer ou de se dégrader en l’un de ceux qui sont quantifiés parmi les habituels.
Une stratégie pour aborder ce problème de traitement est de minimiser la quantité de PFAS qui accède au processus de traitement de la station d’épuration. Des recherches ont été menées dans certains États pour identifier et traiter les sources de PFAS.
Une fois identifiées, la procédure peut être appliquée par le biais du programme de permis de prétraitement industriel (IPP) pour exiger aux industries de réduire ou d’éliminer ces PFAS avant de les décharger dans le système d’égouts.
Ces exigences supplémentaires de prétraitement pour les sources industrielles pourraient avoir des conséquences économiques pour la communauté et des implications opérationnelles pour la station d’épuration, ce qui signifie que cette stratégie doit être soigneusement considérée et soutenue par des données d’échantillonnage. Une autre stratégie potentielle consiste à employer une technologie de traitement supplémentaire pour éliminer les PFAS avant l’accès.
À ce jour, les fournisseurs d’eau potable ont utilisé le charbon actif granulaire (CAG) et l’osmose inverse (OI) comme les stratégies de traitement les plus efficaces, mais les deux technologies sont coûteuses à mettre en œuvre. Ces solutions ou certaines de leurs variantes ont également été testées dans le traitement des eaux usées.
Il est évident que ces techniques laisseront encore à l’entreprise de services publics le problème de l’élimination de matériel contaminé, car elles ne constituent que des techniques séparatives. Il existe également des techniques destructives, telles que l’oxydation électrochimique et l’incinération, qui décomposent la structure chimique des PFAS ; cependant, la plupart de ces méthodes sont encore au stade de recherche et développement, en phase de test pilote à petite échelle, et dans le cas de l’incinération, elles ont un coût prohibitif.
Présence dans les boues des eaux usées
Des PFAS ont été trouvés dans des boues biologiques d’eaux usées et une grande partie de ces boues est traitée et appliquée sur des terres à des fins agricoles. L’application sur le sol est mutuellement bénéfique : la station d’épuration a un moyen rentable d’éliminer les boues, tandis que l’agriculteur enrichit son sol en nutriments ; cependant, l’application de boues municipales sur le sol peut être une source potentielle de contamination par les PFAS dans les aquifères par le biais de la percolation de ces champs, selon certaines recherches menées.
Bien qu’il n’existe actuellement aucune norme réglementant les niveaux de PFAS dans les boues biologiques. La plupart des pays adoptent des contrôles sur les boues provenant des stations d’épuration, en commençant par la collecte de données sur les PFAS dans les biosolides (Michigan et Maine, par exemple).
Comme mentionné précédemment, le Plan d’Action de l’USEPA et le projet de loi de la Chambre des Représentants incluent des plans pour classer les PFAS comme substances dangereuses.
Cette action pourrait grandement affecter la capacité à éliminer de manière rentable les biosolides contenant des PFAS par application sur le sol.
Tant l’Association Nationale des Agences de l’Eau Propre (NACWA), que la Water Environment Federation (WEF) et la Water Research Foundation (WRF) enquêtent activement sur le traitement des PFAS dans les eaux usées et caractérisent le risque potentiel pour la santé humaine de ces boues utilisées comme engrais pour l’agriculture.
Protection des approvisionnements en eau potable
Les eaux naturelles de surface sont souvent utilisées comme sources d’approvisionnement public en eau. L’effluent de la station d’épuration contenant des niveaux élevés de PFAS déversé en amont d’une prise d’eau potable peut représenter une menace pour les consommateurs en aval.
L’élimination efficace des PFAS dans l’eau potable nécessite les mêmes technologies coûteuses utilisées pour les éliminer des eaux usées, en utilisant la même stratégie de limitation des décharges à la station d’épuration par le contrôle à l’entrée. Une mesure de protection supplémentaire pour les approvisionnements publics en eau potable peut également être mise en œuvre en limitant les PFAS dans les décharges en amont.
Dans le même ordre d’idées, un mécanisme similaire peut être employé, à travers un programme de protection à la bouche du puits, pour fournir une meilleure protection des approvisionnements publics en eau souterraine.
Options de traitement existantes pour les eaux contaminées par les PFAS
Le traitement de l’eau contaminée par les PFAS avant le déversement dans les sources réceptrices réduira leur accumulation dans les systèmes d’eau. Les méthodes d’élimination des PFAS industrialisées actuellement pour les eaux contaminées reposent sur des technologies d’adsorption physique, telles que le charbon actif granulaire (CAG) et les résines d’échange ionique (IX) ; et sur des filtrations avec des membranes semi-perméables à haute pression, telles que nanofiltration (NF) ou osmose inverse (OI).
Bien que des techniques avancées d’oxydation soient en cours de développement, celles-ci ne sont pas encore commercialisées et pourraient avoir un coût énergétique très élevé. Le choix d’une méthode de traitement appropriée nécessite des considérations minutieuses basées sur la chimie spécifique de l’eau, l’élimination des contaminants et la qualité requise de l’eau traitée.
Dans le traitement des eaux usées industrielles, la composition des eaux usées est plus complexe que celle de l’eau potable et inclut d’autres contaminants en plus des PFAS. Les caractéristiques de ces contaminants affecteront le choix de la méthode à utiliser, la taille du système de traitement et les coûts d’exploitation. Par exemple, le lixiviat des décharges contient des contaminants organiques, inorganiques et volatils, en plus des PFAS, qui nécessitent une élimination.
Chacune de ces technologies de traitement a ses avantages et inconvénients, parmi lesquels nous mentionnons :
Charbon actif granulaire (CAG)
Avantages
- Réduit le niveau de PFAS à ng / L dans l’eau potable.
- Est efficace pour l’élimination des PFAS à chaîne longue.
Inconvénients
- Fuites de PFAS à chaîne courte, en particulier et remplacement fréquent des charges de CAG des filtres.
- Non rentable pour les eaux contenant d’autres composés organiques car le CAG n’est pas sélectif et sera partiellement saturé avec eux.
- Ne supprime pas les composés inorganiques.
- Le CAG est un consommable très coûteux en raison du coût du matériau, de la main-d’œuvre pour son chargement et déchargement et du coût énergétique pour sa régénération thermique.
Résines d’échange ionique
Avantages
- Efficaces pour l’élimination des PFAS anioniques et à chaîne longue à des niveaux ng / L.
- Capacité d’adsorption plus élevée et cinétique de réaction significativement plus rapide par rapport au CAG.
Inconvénients
- Non efficaces pour les eaux usées contenant des niveaux élevés de TDS et / ou de matière organique naturelle.
- Moins d’affinité pour les PFAS à chaîne courte.
- Une incinération ou une régénération de résine d’échange ionique est requise.
Nanofiltration et osmose inverse
Avantages
- Efficaces tant pour les PFAS à chaîne courte que pour les PFAS à chaîne longue.
- Capables de traiter tout type d’eau contaminée par les PFAS.
- Débit de charge élevé.
- Peut être associé à un puits d’élimination (commun en Amérique du Nord) pour éliminer définitivement les saumures de PFAS.
Inconvénients
- Encrassement possible de la membrane lors du traitement de composés inorganiques.
- Gestion de saumure concentrée, qui peut être obtenue par un rendement de récupération élevé pour minimiser le volume de la saumure séparée, en contrôlant qu’aucune précipitation et incrustation ne se produise.
Un processus d’élimination des PFAS peut intégrer plusieurs technologies, par exemple, un processus d’osmose inverse en amont avec un débit de charge élevé suivi d’une étape de polissage en aval de CAG ou de résine IX pour répondre aux exigences strictes de qualité de l’eau.
Autres technologies pour le traitement des eaux usées contenant des PFAS
Les technologies de séparation physique (CAG, résine IX, NF ou OI) ne détruisent pas les PFAS, mais les séparent simplement de l’eau contaminée dans les matériaux adsorbants ou dans une saumure concentrée. L’élimination des adsorbants contaminés par les PFAS ou de la saumure concentrée contenant des PFAS peut poser un problème de contamination secondaire.
Les technologies pour la dégradation permanente des PFAS reposent sur l’incinération à haute énergie ou des oxydations avancées, y compris l’oxydation électrochimique, le traitement thermique par micro-ondes, la dégradation photolytique, la pyrolyse et la sonochimie. Ces voies de dégradation extrêmes des PFAS sont très coûteuses, surtout lorsque le volume et le débit des eaux usées contenant des PFAS sont importants.
L’idéal est d’utiliser d’autres technologies relativement rentables pour réduire d’abord le volume des eaux usées contenant des PFAS, puis de concentrer les PFAS jusqu’à leur concentration la plus élevée autorisée tout en éliminant les contaminants. Les eaux usées hautement concentrées en PFAS peuvent être transportées vers un puits pour un stockage souterrain, ou soumises à leur destruction finale par dégradation spécialisée des PFAS.
Les nouvelles avancées dans les technologies de désalinisation (osmose inverse à pression ultra-élevée, décharge minimale de liquide (MLD) et décharge zéro de liquide (ZLD) avec un système évapo-cristalliseur proposé par Condorchem Envitech.
Le processus d’osmose inverse extrême peut aider à réduire économiquement le volume des eaux usées contenant des PFAS et à les concentrer à un niveau qui était auparavant inaccessibile.
L’évaporation sous vide : une solution pour le traitement des PFAS
Une entreprise de revêtement industriel basée au Michigan (États-Unis) a rencontré un problème avec les PFAS dans son processus d’eaux usées et les eaux souterraines non traitées. Cette usine a utilisé la technologie DCP de chromage diamant depuis les années 50.
Dans son processus, les tensioactifs contenant des PFAS formaient une couche flottante dans les cuves de chromage et étaient utilisés pour supprimer les émissions gazeuses de chrome hexavalent, de composés organiques volatils et d’autres contaminants, qui étaient ensuite entraînés dans les bains de rinçage et dans les systèmes d’égouts sanitaires et pluviaux, et de là filtrés dans les aquifères souterrains.
Le débit de l’effluent à traiter était de 6000 gallons par jour, et l’objectif du traitement consistait à atteindre un déversement à zéro, tout en obtenant un condensat de qualité suffisante pour être réutilisé dans le processus industriel. Condorchem Envitech a recommandé un processus basé sur l’évaporation sous vide, utilisant un équipement évaporateur Envidest MVBR FF à film descendant et circulation forcée, par compression mécanique de vapeur.
Cette technologie optimise l’échange de chaleur, permettant ainsi d’importantes économies d’énergie. Le processus permet également le déversement automatique et le système de vide de l’évaporateur avec nettoyage automatique à l’intérieur de l’évaporateur lui-même.
Les systèmes d’évaporation peuvent être intégrés comme partie d’une solution complète pour éliminer ces contaminants et concentrés, tout en récupérant de l’eau propre à réutiliser et en garantissant que les entreprises respectent ces réglementations environnementales strictes.
Condorchem Envitech est une entreprise d’ingénierie environnementale avec plus de 25 ans d’expérience dans l’industrie de l’eau, spécialisée en particulier dans les technologies de concentration pour traiter les flux d’eaux usées les plus difficiles.
Un des principaux avantages des équipements de Condorchem est le fait que, comme chaque application est différente, CE a une flexibilité totale dans son étude et son design. L’idée est de fournir une solution complète pour chaque problème d’effluents.
Pour les conceptions de Condorchem, des questions telles que l’espace interne pour l’application, les jours de fonctionnement, le débit et la variété des déversements à traiter sont prises en compte.
Condorchem Envitech a plus de 400 projets dans le monde entier, plus de 200 atteignent le déversement zéro de liquides. L’objectif est toujours de fournir la meilleure solution technique au prix le plus ajusté, avec la meilleure qualité de ses équipements.
Résumé
Les PFAS sont utilisés depuis les années 50. La production de PFOS a commencé en 1948, et jusqu’en 2000, ce composé a été utilisé en grandes quantités, tant pour générer des liquides inertes à faible tension superficielle que pour des surfaces solides avec des propriétés spécifiques.
Ces substances sont très résistantes à la dégradation et sont donc utiles dans des processus utilisant des températures élevées ou étant en contact avec des bases ou des acides forts. Mais c’est en raison de cette résistance qu’elles se sont accumulées au fil du temps et sont la cause d’une grande dangerosité tant au niveau environnemental que pour les êtres humains.
Des études sur des animaux ont montré qu’il s’agit d’un contaminant mondial, persistant et cumulatif, dont les niveaux peuvent être préoccupants dans un avenir proche. Cela a généré une grande alerte dans la communauté.
Aux solutions traditionnelles économiquement viables de séparation des PFAS avec des membranes d’osmose inverse (RO), adsorption sur charbon actif granulaire (GAC) et séparation avec des résines d’échange ionique (IX), se sont ajoutées d’autres comme l’évaporation sous vide, qui permettent de concentrer davantage les déchets de ces contaminants, à des coûts d’implémentation et d’exploitation compétitifs.
Références bibliographiques et informations sur Internet
https://espanol.epa.gov/espanol/informacion-basica-sobre-pfas
http://www.newmoa.org/events/docs/241_213/CrimiPFASWebinarDec2106.pdf
https://www.tekcrispy.com/2018/10/10/solucion-tratar-aguas-pfas/
https://es.wikipedia.org/wiki/Sustancias_perfluoroalquiladas
