La gestion des polluants de l’eau et de l’air

Introduction

Lorsque l’on évoque la pollution de l’air ou de l’eau, on pense aux marées noires (une pollution de la mer par le pétrole, formant une nappe à la surface qui détruit la faune, la flore et menace les activités humaines), aux rejets d’usines ou encore aux pesticides agricoles.

Pourtant, bien d’autres polluants circulent chaque jour de façon invisible dans notre environnement : résidus médicamenteux dans l’eau potable, particules et gaz irritants dans l’air des grandes villes, microplastiques dans les océans. Ces substances, qu’elles soient présentes en grande ou en infime quantité, perturbent les écosystèmes et menacent directement la santé humaine. Comment les identifier ? Quelles en sont les principales sources ? Et surtout, comment peut-on les éliminer ?

Types de polluants et origines

Les scientifiques distinguent d’abord les polluants selon leur concentration.

Les macropolluants regroupent les substances présentes en quantités importantes, comme les nitrates issus des engrais, les phosphates des lessives ou les hydrocarbures liés au transport et à l’industrie.

Les micropolluants, eux, sont détectés à des concentrations infimes, allant du microgramme par litre jusqu’au nanogramme par litre (ng·L⁻¹). Cette catégorie inclut notamment les résidus de médicaments, certaines hormones ou encore les pesticides, dont les effets sur la faune aquatique et l’organisme humain sont préoccupants.

Il faut préciser que les microplastiques, bien que souvent regroupés par abus de langage avec les micropolluants, ne relèvent pas de la même échelle : ils sont visibles à l’échelle micrométrique, voire millimétrique, et non nanométrique comme les résidus médicamenteux.

Une autre distinction repose sur le mode de formation. Les polluants primaires sont directement émis par les activités humaines : par exemple, le dioxyde de soufre rejeté par une centrale thermique. Les polluants secondaires, en revanche, se forment dans l’air ou dans l’eau par réactions chimiques. L’ozone troposphérique en est un cas classique, issu des oxydes d’azote et des composés organiques volatils. Les particules fines (PM₂,₅ et PM₁₀) constituent un autre exemple, mais leur origine est mixte : elles peuvent être secondaires, formées par réactions photochimiques, ou primaires, directement émises par les moteurs diesel ou la combustion domestique.

Ces polluants ont des impacts physiopathologiques concrets. Les nitrates présents dans l’eau de boisson peuvent provoquer chez le nourrisson une méthémoglobinémie (« syndrome du bébé bleu »), limitant le transport d’oxygène par l’hémoglobine. L’exposition chronique aux particules fines est liée à des maladies respiratoires (asthme, bronchite chronique) et cardiovasculaires (infarctus, accidents vasculaires cérébraux). Quant aux perturbateurs endocriniens présents dans certains pesticides ou résidus pharmaceutiques, ils sont associés à des troubles de la reproduction et à des anomalies du développement.

Pour protéger les populations, des normes sanitaires encadrent la qualité de l’air et de l’eau. L’Organisation mondiale de la santé (OMS) recommande par exemple que la concentration en nitrates de l’eau potable n’excède pas $50~mg·L⁻¹$, tandis que les particules fines PM₂,₅ dans l’air ambiant devraient rester sous $5~µg·m⁻³$ en moyenne annuelle. L’Union européenne fixe également des valeurs réglementaires (par exemple 25 µg·m⁻³ pour les PM₂,₅) qui servent de référence pour la surveillance et la gestion des risques.

Quant aux origines des pollutions, elles sont multiples : les rejets domestiques incluent détergents, solvants ou plastiques ; les activités industrielles émettent métaux lourds, solvants ou gaz à effet de serre ; l’agriculture diffuse engrais et pesticides qui contaminent nappes phréatiques et rivières ; enfin, le secteur médical contribue à travers les déchets hospitaliers ou les résidus de médicaments qui franchissent les stations d’épuration.

À retenir

Les polluants peuvent être classés en macro ou micro, primaires ou secondaires. Ils trouvent leur origine dans les activités domestiques, industrielles, agricoles ou médicales, et sont directement liés à des pathologies humaines. Des normes (OMS, directives européennes) fixent les seuils à ne pas dépasser pour limiter les risques sanitaires.

Procédés de dépollution

Pour réduire ces contaminations, la chimie et les sciences de l’environnement mettent à profit plusieurs procédés complémentaires.

L’adsorption sur charbon actif utilise un matériau poreux dont la surface spécifique est extrêmement élevée. Ce charbon fixe de nombreux polluants par adsorption, en particulier les substances organiques (pesticides, solvants) et certains micropolluants médicamenteux. L’image de « l’éponge moléculaire » permet d’illustrer ce phénomène, mais il s’agit bien d’un processus d’adsorption. On le retrouve dans le traitement de l’eau potable, l’assainissement des eaux usées ou encore l’épuration des gaz industriels.

L’oxydation par l’ozone repose sur le pouvoir oxydant de la molécule d’ozone ($O₃$), qui dégrade les composés organiques en molécules plus simples comme le dioxyde de carbone et l’eau. Elle est efficace pour désinfecter, éliminer des micro-organismes ou réduire la teneur en polluants organiques résistants. Cette méthode est largement utilisée dans les usines de traitement d’eau et dans la désodorisation de l’air.

Les procédés biologiques s’appuient sur l’action de micro-organismes capables de dégrader la matière organique. On distingue le traitement aérobie, qui utilise des bactéries consommant du dioxygène, et le traitement anaérobie, qui fonctionne en absence d’oxygène et produit du biogaz valorisable comme source d’énergie.

La filtration membranaire sépare les polluants selon leur taille grâce à des membranes de porosité variable : la microfiltration retient les particules et les micro-organismes, l’ultrafiltration bloque les macromolécules, la nanofiltration élimine certaines petites molécules dissoutes, et l’osmose inverse permet même de retenir les sels minéraux et d’obtenir une eau quasi pure.

Enfin, la précipitation chimique permet d’éliminer des ions métalliques dissous en les transformant en composés insolubles qui précipitent et peuvent être retirés.

À retenir

Le charbon actif retient les polluants par adsorption, l’ozone les détruit par oxydation. Ces méthodes s’accompagnent de procédés biologiques (aérobies ou anaérobies), de filtration membranaire ou de précipitation chimique selon la nature du polluant.

Analyse de l’efficacité des procédés

L’efficacité des procédés de dépollution varie selon plusieurs facteurs. La nature des polluants est essentielle : le charbon actif est très performant pour les molécules organiques, mais inefficace contre les microplastiques ; l’ozone décompose de nombreux polluants organiques, mais pas les ions métalliques ou les nitrates.

La concentration initiale influe aussi sur la performance, mais de façon variable selon les procédés. Par exemple, certains procédés comme l’adsorption peuvent être plus performants à faible concentration, tandis que d’autres nécessitent une certaine charge polluante pour être efficaces. La cinétique d’adsorption ou de dégradation dépend donc du procédé, du milieu et du polluant concerné. Enfin, les conditions d’utilisation – pH, température, débit de l’eau ou de l’air – influencent directement la performance.

Dans la pratique, les stations de traitement de l’eau combinent souvent plusieurs techniques. Le charbon actif doit être régulièrement régénéré ou remplacé, ce qui en augmente le coût. L’ozonation, quant à elle, permet une désinfection rapide, mais elle peut générer des sous-produits indésirables, comme les bromates, formés en présence d’ions bromure et considérés comme toxiques.

Ces sous-produits doivent faire l’objet de contrôles analytiques réguliers pour garantir la potabilité de l’eau et la sécurité sanitaire, compétence explicitement attendue dans le programme de Terminale ST2S.

À retenir

L’efficacité d’un procédé dépend de la nature et de la concentration des polluants, ainsi que des conditions d’utilisation. Les procédés de dépollution sont complémentaires, mais certains peuvent générer des sous-produits qui nécessitent une surveillance rigoureuse pour protéger la santé humaine.

Conclusion

La lutte contre la pollution de l’air et de l’eau ne repose pas sur une technique unique mais sur une combinaison raisonnée de solutions. Identifier les polluants, comprendre leurs origines et choisir les procédés adaptés – adsorption, oxydation, traitement biologique, filtration ou précipitation – permet de préserver la santé publique et les écosystèmes.

Mais il faut aussi rester vigilant face aux limites de ces procédés et à la formation possible de sous-produits. Dans un contexte de changement climatique et de pressions croissantes sur les ressources, la dépollution devient un enjeu mondial.

Il faut comprendre que derrière chaque réaction chimique ou choix technologique se joue un enjeu de santé : qualité de l’air et maladies cardiovasculaires, qualité de l’eau et risques pour le nourrisson, pollution chimique et perturbation des fonctions reproductrices. Les normes internationales (OMS, directives européennes) rappellent que la dépollution n’est pas seulement une question technique, mais aussi une exigence de santé publique.