(Résidus de) Nanoparticules et Stations d'épuration

Par l'équipe Avicenn - Dernier ajout novembre 2019

Cette fiche fait partie de nos dossiers Nano et Eau et Nano et environnement. Elle a vocation à être progressivement complétée et mise à jour avec l'aide des adhérents et veilleurs de l'Avicenn. Vous pouvez vous aussi contribuer à l'améliorer en nous envoyant vos remarques à l'adresse redaction(at)veillenanos.fr.

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Sommaire :

• Quel impact sur le fonctionnement des stations d'épuration ?
  
• Quel devenir des nanomatériaux qui arrivent dans les stations d'épuration ?
  
• Quel impact sur la qualité des eaux, la faune et la flore aquatiques ?
  
• Quel impact sur les sols agricoles où sont épandues les boues des stations d'épuration ?
  
• Comment faire pour ne pas renouveler les erreurs du passé ?
  
  • Initiatives en France
    
  • Initiatives à l'international
    
• En savoir plus
  

Des nanomatériaux - ou leurs résidus - présents dans de nombreux produits de consommation, produits phytosanitaires ou effluents industriels arrivent jusqu'aux stations d'épuration. En 2013, des chercheurs ont estimé qu'entre 0,4 à 7% des 300 000 tonnes de nanomatériaux manufacturés produits dans le monde en 2010 ont été relargués dans l'eau¹.

Quel impact sur le fonctionnement des stations d'épuration ?

On redoute que des nanomatériaux détruisent les bactéries utilisées pour dégrader les matières organiques, ce qui remettrait en cause le bon fonctionnement des stations d'épuration : en cause notamment, le nanoargent² ou des nanoparticules d'oxyde de cuivre³.

En 2009 des gestionnaires de l'eau aux Etats-Unis ont alerté l'agence environnementale fédérale américaine (EPA) sur les effets néfastes du nanoargent sur le fonctionnement des stations d'épuration et l'environnement, références scientifiques à l'appui⁴.

D'autres études sont depuis venues étayer ces craintes : des études ont établi que certains nanomatériaux manufacturés peuvent avoir des effets préjudiciables sur les processus de traitement des eaux usées, en inhibant les processus anaérobies ou de dénitrification dans les stations d'épuration des eaux usées⁵. Mais les rares études sur la question ne sont pas toutes concordantes, et les effets ne sont pas les mêmes selon les types de nanomatériaux et les revêtements de surface⁶.

Quel devenir des nanomatériaux qui arrivent dans les stations d'épuration ?

Les stations d'épuration ne sont pas bien équipées pour filtrer les nanomatériaux dont une partie se retrouve dans nos rivières et dans l'eau potable.
Les estimations varient selon les recherches⁷, mais une grande majorité des nanomatériaux (en masse) serait captée et concentrée dans les boues des stations d'épuration.

Les estimations de concentrations des boues en nanomatériaux varient selon les études :

• des mesures auraient montré que les boues contiennent 10 à 30 mg d'argent par kg de boue sèche (dont des nanoparticules d'argent et des ions argent)⁸.

• d'autres estimations ont établi les concentrations suivantes de nanomatériaux au sein des boues de STEP à 10 mg/kg d'oxydes de cérium (CeO2), 2 mg/kg d'argent (Ag), 370 mg/kg à 2000 mg/kg de dioxyde de titane (TiO2), 65 mg/kg d'oxydes de zinc (ZnO)⁹.

• selon une autre étude, dans les sols sur lesquels ont été épandues des boues de station d'épuration, ce seraient les nanoparticules de CeO2 et de TiO2 qui seraient en tête de liste ; les traitements des eaux conduiraient à des concentrations extrêmement faibles de nanoparticules de ZnO et de nanoparticules d'argent (Ag) dans l'environnement¹⁰.

Un groupe de chercheurs de l’Eawag et de l’EPF de Zurich ont démontré que les nanoparticules de plastique sont presque toutes retenues dans les boues des stations d’épuration¹¹.

Quel impact sur la qualité des eaux, la faune et la flore aquatiques ?

Quelle que soit la performance des stations, en l'absence de mesure de restrictions de l'émission de nanomatériaux, les quantités de nanoparticules non filtrées relarguées dans les eaux de surface seront amenées à croître en même temps que ces produits qui envahissent le marché à une vitesse bien plus grande que le rythme de modernisation des stations d'épuration de par le monde.

> Récolte d'échantillon dans une canalisation à Glattstollen (ZH) © Christoph Ort/Eawag



Quelles sont (et seront) les conséquences sur la faune et la flore aquatiques ? Les études se développent et les résultats préoccupants se multiplient¹².

Quel impact sur les sols agricoles où sont épandues les boues des stations d'épuration ?

Entre 70 et 80% des boues des stations d'épuration sont épandues sur les terres agricoles pour achever l'épuration tout en servant d'engrais (le reste est incinéré ou mis en décharge)¹³. Si certains contaminants métalliques sont contrôlés, il n'y a pas d'obligation de suivi des formes nanométriques de ces contaminants. Et l'argent, même sous forme non nanométrique, n'est actuellement ni systématiquement recherché, ni règlementé.
En 2012, des chercheurs suédois ont constaté que le nanoargent des textiles qui se retrouvait dans les boues d'épuration produisait des effets toxiques sur les vers de terre qui y étaient exposés¹⁴.
En Allemagne, une recherche a confirmé en 2013 que des nanoparticules d'argent peuvent être toxiques pour les microorganismes du sol essentiels au cycle naturel de l'azote : des effets néfastes peuvent apparaître à partir de 30 mg de nanoparticules d'argent par kilogramme de boues épandues (sur la base des taux d'application typiques en Allemagne de cinq tonnes par hectare de terres agricoles tous les trois ans)¹⁵.
Depuis 2014, des chercheurs français de l'ISTERRE étudient le devenir des nanoparticules d'argent dans les sols cultivés après épandage de boues de stations d'épuration contaminées : ils ont constaté des modifications de l'activité enzymatique du sol, même à faible dose.

Fin 2015, l'OCDE a publié un rapport qui juge "alarmant" l'épandage agricole des boues d'épuration des eaux usées, eu égard aux risques liés à la présence des nanomatériaux dans ces boues¹⁶ !

Comment faire pour ne pas renouveler les erreurs du passé ?

Comment tirer les leçons du passé ?
En France, dans les années 70-80, des expérimentations ont été focalisées sur le transfert des métaux lourds des boues d'épuration aux sols et aux cultures jusque dans la chaîne alimentaire¹⁷. Le dialogue entre "villes et campagne" a été tantôt un discours urbain sur les bienfaits d'un recyclage complémentaire et biologique par les sols, avec une dilution d'éléments indésirables, tantôt au refus par les agriculteurs du transfert de pollution des zones urbaines vers les zones rurales, sans garanties en cas d'impacts négatifs¹⁸.
Les premiers suivis de traçabilité centrés sur les métaux lourds ou éléments-traces métalliques (ETM : chrome, nickel, cadmium, cuivre, zinc, plomb, mercure, voire sélénium...) dans les années 80 ont ensuite été élargis à 10 micro-polluants organiques dans les années 90, et des études ont été menées sur l'impact des oestrogènes (provenant d'urines humaines et de contraceptifs) concentrés dans les eaux résiduaires et leur effet de perturbateur endocrinien sur la faune aquatique¹⁹.
En 2013, l'ADEME utilise toujours les termes de « valorisation » par épandage agricole des déchets, réglementé par le décret n° 97-1133 du 8 décembre 1997 et l'arrêté du 8 janvier 1998 ainsi que des arrêtés préfectoraux²⁰. Et un fonds de garantie a été instauré pour indemniser les préjudices éventuellement subis par les exploitants et les propriétaires agricoles suite à un épandage de boues d'épuration urbaines ou industrielles sur leurs parcelles²¹.

⇒ Le même cycle de questionnements et de jeux d'acteurs reprend à chaque vague de prise de conscience de polluants émergents, provoquant une hausse des obligations de performances de traitement dans les stations d'épuration et de la vigilance tout au long de la chaîne de recyclage. La vague nanoargent est à l'étude ; combien d'années seront nécessaires avant une réaction à la hauteur des enjeux ? Faut-il laisser faire le développement des usages de masse ou bien tirer les enseignements d'expériences similaires ? Encore faut-il pouvoir identifier les principales sources de relargage de nanomatériaux dans les eaux usées - travail qui n'en est qu'à son balbutiement via notamment le registre R-Nano en France.

La transformation potentielle des nanomatériaux manufacturés dans le sol, leurs interactions avec les plantes et les bactéries dans la rhizosphère et leur transfert dans les eaux superficielles commencent tout juste à être étudiés :

• Initiatives en France

En France, les laboratoires M2P2, LEMIRE et CEREGE étudient l'effet de nanomatériaux sur l'efficacité des procédés de traitement des eaux usées par boue activée depuis 2012 (projet SLUDGE).
L'ISTERRE, également, étudie le devenir des nanoparticules d'argent dans les sols cultivés après épandage de boues de stations d'épuration contaminées.

• Initiatives à l'international

• - En Suisse, un projet de recherche de 36 mois, piloté par l'Eawag (l'Institut de Recherche de l'Eau du Domaine des EPF), étudie le Comportement des nanoparticules d'argent dans une station d'épuration des eaux usées dans le cadre du Programme national de recherche (PNR 64).

• - Au Canada, un programme de l’Université McGill s’intéresse à la présence de nanoparticules de métal dans les eaux usées

• - A l'OCDE, le Groupe de travail sur la productivité des ressources et les déchets (GTPRD) s'est penché sur le devenir et les impacts des nanomatériaux contenus dans les produits et libérés lors du traitement de ces produits en fin de vie. En novembre 2015, il a publié deux rapports Les nanomatériaux dans les flux de déchets et Devenir des nanomatériaux manufacturés dans les stations d'épuration et l'épandage agricole.

En savoir plus

Sur notre site :

• Notre dossier Nanomatériaux et Environnement et les fiches associées :
  • Quel relargage des nanomatériaux dans l'environnement ?
  • Quel devenir des nanomatériaux manufacturés dans l'environnement ?
  • Détecter et mesurer les nanomatériaux ?
  • Risques associés au nanoargent
  • Comment financer les études de risques ?
• Notre dossier Nano et Eaux
• Notre article : ENVIRONNEMENT : Les nanoparticules d'argent dans les boues des stations dépuration nocives pour les micro-organismes du sol, veillenanos.fr, 25 nov. 2013
• Notre fiche : Nanos et Risques : Ne pas renouveler les erreurs du passé

Ailleurs sur le web :
- En français :

• Les boues d’épuration scrutées à la loupe, La Terre de chez nous (Canada), octobre 2019
• Comportement des nanoparticules en filière de potabilisation, Aqua & Gas, novembre 2018
• Les nanomatériaux dans les flux de déchets et Devenir des nanomatériaux manufacturés dans les stations d'épuration et l'épandage agricole, OCDE, novembre 2015
• Devenir des nanoparticules d'argent dans les sols cultivés après épandage de boues de stations d'épuration contaminées, interview de Géraldine Sarret, EnvitéRA, 2015
• Les nanoparticules, à la fois remède et pollution pour les stations d'épuration, Actu Environnement, 24 août 2015
• Les usages du nanoargent et Compte rendu de la séance du 6 mai sur le nanoargent, ForumNanoResp, mai 2015 (paragraphe sur les risques toxiques et la résistance bactérienne)
• Séquestration, quantification et devenir des nanoparticules d'argent dans les eaux usées, Gagnon J, UQAR (Université du Québec à Rimouski), intervention au 83e du Congrès de l'Acfas, Colloque 210 - Présence, persistance, devenir et effets des nanomatériaux dans l'environnement, mai 2015
• Valorisation des matières fertilisantes d'origine résiduaire sur les sols à usage agricole ou forestier - Impacts agronomiques, environnementaux, socio-economiques, Resumé de l'expertise scientifique collective, CNRS, INRA, IRSTEA, juillet 2014
• NANOSEP (Procédés d'agrégation et de Séparation des nanoparticules), projet ANR, 2009-2012

- En anglais :

• Occurrence, characterisation and fate of (nano)particulate Ti and Ag in two Norwegian wastewater treatment plants, Polesel F et al., Water Research, 141:19-31, avril 2018
• Accumulating over time, even low concentrations of silver can foil wastewater treatment, Oregon State University, 14 mai 2018
• Fates and Impacts of Nanomaterial Contaminants in Biological Wastewater Treatment System: a Review, Wu J et al., Water, Air, & Soil Pollution, 229:9, janvier 2018
• Fate of Ag-NPs in sewage sludge after application on agricultural soils, Pradas del Real A et al., ES&T, 2016
• Toxicity of TiO2 nanoparticle to denitrifying strain CFY1 and the impact on microbial community structures in activated sludge, Li D et al., Chemosphere, 2015
• Potential exposure and treatment efficiency of nanoparticles in water supplies based on wastewater reclamation, Kirkegaard P et al., Environ. Sci.: Nano, 2, 191-202, 2015
• Monte Carlo simulations of the transformation and removal of Ag, TiO2, and ZnO nanoparticles in wastewater treatment and land application of biosolids, Science of The Total Environment, 511 : 535-543, avril 2015
• Are Current Water Treatment Methods Sufficient to Remove Potentially Harmful Engineered Nanoparticles?, Liebert Pub., 10 mars 2015
• Potential exposure and treatment efficiency of nanoparticles in water supplies based on wastewater reclamation, Kirkegaard P et al., ES&T, 2015
• Transformation of AgCl nanoparticles in a sewer system - A field study, Science of The Total Environment, Kaegi R et al., 2015
• Simultaneous removal of nanosilver and fullerene in sequencing batch reactors for biological wastewater treatment, Yang Y et al., Chemosphere, 2015
• Sources, Distribution, Environmental Fate, and Ecological Effects of Nanomaterials in Wastewater Streams, Kunhikrishnan A et al., Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 45(4), janvier 2015
• Controlled Evaluation of Silver Nanoparticle Sulfidation in a Full-Scale Wastewater Treatment Plant, Environmental Science & Technology, 2014
• Transport and fate of silver as polymer-stabilised nanoparticles and ions in a pilot wastewater treatment plant, followed by sludge digestion and disposal of sludge/soil mixtures: A case study, Journal of Environmental Science and Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 49(12) : 1416-1424, 2014
• Nano-silver in drinking water and drinking water sources: stability and influences on disinfection by-product formation, Environmental Science and Pollution Research, 21(20) : 11823-11831, octobre 2014
• How does the entering of copper nanoparticles into biological wastewater treatment system affect sludge treatment for VFA production, Water Research, 63: 125-134, octobre 2014
• Removal of TiO2 nanoparticles during primary water treatment: Role of coagulant type, dose, and nanoparticle concentration, Honda R, University of California Riverside, PhD dissertation, août 2014
• Monitoring silver nanoparticles in a wastewater treatment plant, Ron Kent, Virginia Tech sustainable nanotechnology, 15 juillet 2014
• Fate of Zinc Oxide and Silver Nanoparticles in a Pilot Wastewater Treatment Plant and in Processed Biosolids, Ma R et al., Environ. Sci. Technol., 48 (1) : 104-112, janvier 2014
• A review of the detection, fate and effects of engineered nanomaterials in wastewater treatment plants, Water Sci Technol., 68(7):1440-53, 2013
• The toxicity of silver nanoparticles to zebrafish embryos increases through sewage treatment processes, Ecotoxicology, 22(8), 1264-1277, octobre 2013
• Fate and transformation of silver nanoparticles in urban wastewater systems, Kaegi R et al., Water Research, 47(12), Août 2013
• Engineered nanoparticles in wastewater and wastewater sludge - Evidence and impacts, Waste Management, 30(3) : 504-520, mars 2010

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NOTES et REFERENCES

1 - Global life cycle releases of engineered nanomaterials, Keller AA et al., Journal of Nanoparticle Research, 15:1692, Mai 2013
Plus généralement, voir notre Bibliographie sur le relargage des nanoparticules dans l'eau.
Voir aussi :

• Discovery and Characterization of Silver Sulfide Nanoparticles in Final Sewage Sludge Products, Kim B. et al., Environmental Science & Technology, 44 (19), 7509-7514, septembre 2010 : des particules de sulfure d'argent nanométrique ont été détectées dans des boues d'épuration
• Characterization of Nanomaterials in Metal Colloid-Containing Dietary Supplement Drinks and Assessment of Their Potential Interactions after Ingestion, Reed RB et al., ACS Sustainable Chem. Eng, juin 2014

2 - Voir notre fiche Risques associés au nanoargent et :

• Review: Issues of Silver Nanoparticles in Engineered Environmental Treatment Systems, Water, Air, & Soil Pollution, avril 2014
• Different susceptibilities of bacterial community to silver nanoparticles in wastewater treatment systems, Journal of Environmental Science and Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 49(6), février 2014

3 - Voir par exemple Inhibition of anaerobic wastewater treatment after long-term exposure to low levels of CuO nanoparticles, Water Research, 2014

4 - Silver and Compounds Registration Review, Tri-TAC, septembre 2009

5 - Selon l'OCDE (in Les nanomatériaux dans les flux de déchets, novembre 2015), à fortes concentrations, les nanomatériaux manufacturés ayant des propriétés métalliques pourraient inhiber le processus anaérobie ou de dénitrification, ce qui aurait un impact sur les communautés bactériennes et risquerait, à terme, de porter atteinte à la capacité de l'installation de réduire la toxicité des boues :

• Impacts of Silver Nanoparticle Coating on the Nitrification Potential of Nitrosomonas europaea, Arnaout CL et al., Environ. Sci. Technol., 2012
• Five reasons to use bacteria when assessing manufactured nanomaterial environmental hazards and fates, Holden P. et al., Current Opinion in Biotechnology, 27: 73-78, 2014
• Biosorption if Nanoparticles to Heterotrophic Wastewater Biomass, Kiser et al., Water Research, 44(14) : 4105-4114, 2010
• Effects of CeO2 and ZnO nanoparticles on Anaerobic Digestion and Toxicity of Digested Sludge, Nguyen, MD, mémoire de master - Université de Dalat, Viet Nam]], 2013
• Nanosilver impact on methanogenesis and biogas production from municipal solid waste, Yang et al., Waste Management, 32 : 816-825, 2013

Voir aussi : of total oxygen uptake by silica nanoparticles in activated sludge, Journal of Hazardous Materials, 283(11) : 841-846, février 2015

6 - Cf. Devenir des nanomatériaux manufacturés dans les stations d'épuration et l'épandage agricole, Bottero JY, OCDE, novembre 2015

7 - Selon une étude publiée en mars 2015, les stations d'épuration étasuniennes ne sont pas équipées pour filtrer correctement les nanoparticules de dioxyde de titane ; voir le communiqué de presse : Are Current Water Treatment Methods Sufficient to Remove Potentially Harmful Engineered Nanoparticles?, Liebert Pub., 10 mars 2015
Voir aussi :

• un exemple de faibles taux de filtration mis en évidence par des chercheurs aux USA : Evaluating nanoparticle breakthrough during drinking water treatment, Environmental Health Perspectives, Abbott Chalew TE et al., 121(10):1161-1166, juillet 2013
• des estimations plus optimistes réalisées par des chercheurs suisses :
  • Transformation of AgCl nanoparticles in a sewer system — A field study, Kaegi R et al., Science of The Total Environment, 535 : 20-27, décembre 2015 (95% des nanoparticules seraient filtrées)
  • Les eaux ne contiennent qu'une faible proportion des nanoparticules d'argent issues des produits de consommation, Eawag, avril 2013 → Fate and transformation of silver nanoparticles in urban wastewater systems, Kaegi R et al., Water Research, 47(12), 3866-3877, août 2013

8 - Ces chiffres ont été cités par Franck Vanderbulcke, professeur à l'université de Lille lors de la séance du 6 mai sur le nanoargent du ForumNanoResp, mai 2015

9 - Voir notamment :

• Estimating Potential Life Cycle Releases of Engineered Nanomaterials from Wastewater Treatment Plants, Lazareva A, Keller AA, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2: 1656-1665, 2014
• Toxicity of Engineered Nanoparticles in the Environment, Maurer-Jones MA et al., Analytical Chemistry, 85: 3036-3049, 2013

10 - Modeling Flows and Concentrations of Nine Engineered Nanomaterials in the Danish Environment, Gottschalk F et al., Int. J. Environ. Res. Public Health, 12(5), 5581-5602, 2015

11 - Les STEP efficaces avec les nanoplastiques, Le Matin, 5 février 2019 ; Synthesis of metal-doped nanoplastics and their utility to investigate fate and behaviour in complex environmental systems, Mitrano DM et al., Nature Nanotechnology, 4 février 2019

12 - Plus de détails sur notre fiche Quels effets des nanomatériaux sur la faune et la flore aquatiques ?. Voir aussi :

• Effect of Ozone Treatment on Nano-Sized Silver Sulfide in Wastewater Effluent, Thalmann B et al., Environ. Sci. Technol., 49(18) : 10911-10919, 2015

13 - Voir notamment :

• Bilan de dix années d'application de la réglementation relative à l'épandage des boues issues du traitement des eaux usées, Ministère de l'alimentation, de l'agriculture et de la pêche /CGAAER : Jean-Paul Legroux/ CGEDD : Claude Truchot /Rapport n° 1771
• L'épandage des boues de stations d'épuration urbaines et industrielles sur les sols agricoles, Ministère de l'écologie

14 - Assessing the Environmental Risks of Silver from Clothes in an Urban Area, Arvidsson R et al., Human and Ecological Risk Assessment, 20(4), juin 2012

15 - Hazard assessment of a silver nanoparticle in soil applied via sewage sludge, Environmental Sciences Europe, 25(17), 2013 (voir le résumé Silver nanoparticles in sewage sludge harmful to soil microorganisms, "Science for Environment Policy", 351, novembre 2013)

16 - Cf. Les nanomatériaux dans les flux de déchets, OCDE, novembre 2015

17 - Danielle Lanquetuit, 1979-1986, avec l'Agence de l'Eau Seine Normandie

18 - Pour en savoir plus sur les transactions entre différents acteurs en France et en Europe sur la période 1986-2000, cf. L'épandage agricole des boues de stations d'épuration d'eaux usées urbaines, Alexandre Dudkowski, INRA-ME&S, Le Courrier de l'environnement de l'Inra, août 2000

19 - Cf. Devenir des oestrogènes dans les stations d'épuration, INRA, 2009 et Ecodynamique et écotoxicologie des oestrogènes au cours du traitement des eaux résiduaires et des boues urbaine, thèse de M. Muller publiée en 2008

20 - Un exemple dans le Haut Rhin : http://www.smra68.net/les-regles-epandage/reglementation-boues.html

21 - Cf. article L425-1 du code des assurances et le décret n°2009-550 du 18/05/2009

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Fiche créée en septembre 2012