Les terres rares de l'industrie et des hôpitaux finissent dans les eaux usées

Aujourd'hui, presque rien ne fonctionne sans les métaux des terres rares. Il n'y aurait pas de smartphones, d'écrans plats, d'ampoules LED, de batteries, de moteurs électriques et bien d'autres appareils électroniques. Dans l'industrie high-tech, par exemple dans les secteurs de l'automobile, de l'électronique et de l'énergie, ainsi que dans la médecine, ces précieuses matières premières sont devenues indispensables. Il est donc de plus en plus intéressant de savoir où disparaissent les terres rares après leur utilisation.

Sur mandat de l'Office fédéral de l'environnement (OFEV), l'Institut de recherche sur l'eau Eawag a pour la première fois examiné de plus près les terres rares dans les eaux usées suisses. Une équipe de chercheurs des deux départements Technique des procédés ainsi que Ressources en eau et eau potable a analysé à cet effet les boues d'épuration de 63 stations d'épuration (STEP) suisses. Le plus important d'emblée : il n'est pas rare que des terres rares utilisées dans l'industrie et les hôpitaux se retrouvent dans les eaux usées.

Défi : distinguer les sources naturelles des sources d'origine humaine

L'équipe de chercheurs a d'abord évalué les quantités de terres rares provenant de sources naturelles. C'est en effet la seule façon d'évaluer la part ajoutée par l'homme. Pour ce faire, les chercheurs ont analysé des échantillons de sol en Suisse en tenant compte des valeurs PAAS (post-Archaean Australian shales), qui reflètent la composition moyenne des terres rares dans la croûte terrestre. Ils ont ainsi obtenu la composition naturelle des terres rares en Suisse - le modèle de fond. En outre, l'équipe de chercheurs a développé deux nouvelles méthodes permettant de déduire la part provenant de sources industrielles à partir des concentrations mesurées dans les eaux usées et du modèle naturel.

Le résultat : Dans les boues d'épuration de la plupart des STEP, les concentrations de terres rares trouvées correspondent au modèle de fond naturel. Cependant, dans quelques STEP, notamment celles d'Yverdon, Bioggio, Hofen et Thal, les concentrations de certaines terres rares étaient nettement plus élevées. L'équipe de recherche en conclut que les terres rares ne sont pas utilisées à grande échelle, mais qu'elles proviennent d'applications hautement spécialisées dans l'industrie.

Les concentrations les plus élevées ont été mesurées pour Cer (également appelé cérium) a été détecté. Le dioxyde de cérium est souvent utilisé comme abrasif dans l'industrie. Extrapolé à la Suisse, plus de 4000 kilogrammes de cérium arrivent chaque année dans les STEP, dont près de la moitié provient d'applications industrielles. Les boues d'épuration en retiennent une très grande partie, environ 95 pour cent. Le reste est rejeté dans l'environnement. Les chercheurs partent donc du principe que des concentrations élevées de cérium seront prochainement trouvées dans les lacs, les rivières ou les eaux souterraines.

Les terres rares comme le cérium (Ce) et les Gadolinium (Gd) se trouvent dans la nature, mais sont également de plus en plus utilisées dans l'industrie et les hôpitaux. Les terres rares arrivent dans les stations d'épuration des eaux usées via les eaux usées. Une grande partie du cérium y est séparée dans les boues d'épuration. Le gadolinium n'est cependant guère retenu dans les STEP et s'écoule dans les eaux avec les eaux usées épurées. 

Produits de contraste médicaux suspectés d'être la source

Le gadolinium est un cas particulier : il y a 20 ans déjà, des concentrations élevées ont été détectées dans les eaux en Europe. La source supposée était les eaux usées des hôpitaux. Dans l'étude actuelle de l'Eawag, les chercheurs ont trouvé environ 80% du gadolinium provenant de sources industrielles dans la STEP de Ramsen, près du lac de Constance, à la frontière germano-suisse. La STEP traite les eaux usées de la ville de Singen en Allemagne, où se trouve un centre de cancérologie avec des installations d'IRM. La région produit en outre des produits de contraste à base de gadolinium. Les résultats confirment donc l'hypothèse précédente selon laquelle le gadolinium trouvé dans les boues d'épuration est dû à la production ou à l'utilisation de produits de contraste. Des mesures correspondantes visant à réduire l'apport de gadolinium industriel dans les eaux usées ont déjà été prises par l'industrie et permettront de réduire considérablement la charge de gadolinium.

Contrairement aux autres terres rares, la concentration de lanthane dans les boues d'épuration est élevée dans pratiquement toutes les STEP étudiées. Une cause possible pourrait être des processus biologiques qui modifient la rétention du lanthane dans les boues d'épuration. Une autre explication serait l'utilisation d'engrais enrichis en lanthane dans l'agriculture. Il reste cependant à étudier plus précisément dans quelle mesure les processus biologiques ou les engrais sont responsables de ces valeurs élevées.

Publication originale : Ralf Kaegi, Alexander Gogos, Andreas Voegelin, Stephan J. Hug, Lenny H.E. Winkel, Andreas M. Buser, Michael Berg : Quantification of individual Rare Earth Elements from industrial sources in sewage sludge. Water Research X. https://doi.org/10.1016/j.wroa.2021.100092

Fiche d'information de l'Eawag et du Centre Ecotox : Écotoxicité des terres rares

Informations de l'OFEV : métaux techniques rares