L'échange d'ions pour le traitement des PFAS : fonctionnement et mise en œuvre

Les substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS) forment une famille de milliers de produits chimiques de synthèse utilisés depuis des décennies dans des produits allant des mousses anti-incendie aux ustensiles de cuisine antiadhésifs. Du fait de la stabilité de leurs liaisons carbone-fluor, elles sont très persistantes dans l'environnement, au point de se retrouver même dans notre eau potable. La gestion de ces polluants est donc l'un des enjeux majeurs de la crise mondiale de l'eau.

Une étude réalisée par le Conseil de défense des ressources naturelles (Natural Resources Defense Council, NRDC) montre que plus de 73 millions d'Américains sont exposés à des concentrations de PFAS supérieures aux seuils fixés par l'EPA, ce qui pousse les municipalités à relever le défi alors que la réglementation se durcit. L'EPA maintient des concentrations maximales de contaminants de 4 parties par trillion (ppt) pour certains composés, et les délais de mise en conformité approchent pour les réseaux publics d'approvisionnement en eau. En septembre 2025, l'agence a annoncé qu'elle maintiendrait ces normes tout en réexaminant la réglementation applicable à quatre autres composés PFAS.

Pour les réseaux d'eau dont les analyses dépassent ces limites, trois principales technologies de traitement se dégagent : le charbon actif en grains, les résines échangeuses d'ions et les membranes d'osmose inverse. Chacune présente des avantages en fonction de la composition chimique de l'eau, mais l'échange d'ions offre une option convaincante dans les applications adéquates. Examinons chaque méthode plus en détail.

Choisir la technologie convenant à votre eau
Le charbon actif en grains (CAG) offre une solution éprouvée et polyvalente pour éliminer les PFAS par adsorption, les composés se liant à sa vaste surface poreuse. L'un des principaux atouts du CAG est son adaptabilité : ses performances sont fiables pour différentes qualités d'eau et il présente en outre l'avantage d'éliminer simultanément un large spectre de polluants organiques, ce qui en fait une excellente approche de traitement multi-barrière. Bien que le CAG nécessite un renouvellement du média plus fréquent que l'échange d'ions – généralement trois à cinq fois plus de volume de réacteur pour des débits équivalents – et montre une efficacité réduite sur les composés PFAS à chaine courte, la robustesse de ses performances, sa simplicité d'exploitation, et sa capacité à traiter plusieurs contaminants en font une technologie précieuse et largement reconnue dans les applications de traitement de l'eau.

L’osmose inverse assure la séparation des PFAS grâce à une barrière physique, les membranes éliminant plus de 99 % de la plupart des composés PFAS, selon les Instituts nationaux de la santé américains (National Institutes of Health, NIH). Cette technologie traite la plus large variété de polluants et tolère les compositions chimiques de l'eau problématiques qui encrasseraient les résines échangeuses d'ions. Les contreparties concernent un coût d'investissement d’environ le double de celui des systèmes à média adsorbant, une consommation d'énergie supérieure pour le pompage, et un flux de concentrat contenant 10 à 15 % du volume d'eau d'alimentation à des concentrations élevées de PFAS.

Les systèmes d’échange d’ions utilisent des résines dont les propriétés reposent à la fois sur la charge électrostatique des sites et les forces de van der Waals pour ce qui est d’attirer et de lier des molécules PFAS. Ce double mécanisme, combinant attraction électrostatique et forces de van der Waals, augmente considérablement la force d'attraction, donc la capacité, et accélère la cinétique par rapport au charbon. Pour les sulfonates et les carboxylates, l'échange d'ions peut offrir une capacité d'élimination des PFAS trois à cinq fois supérieure par mètre cube de média, comparée à celle du charbon actif. La cinétique plus rapide autorise des temps de contact de deux à trois minutes par réacteur, contre 10 minutes pour le charbon, ce qui permet d'utiliser des réacteurs plus petits et de réduire l'encombrement du système. Malgré un coût de média plus élevé que celui du charbon, cette capacité supérieure associée à des systèmes plus petits peut se traduire par des coûts de cycle de vie inférieurs dans les applications adéquates. Enfin, l'échange d'ions peut aussi s'avérer plus performant que le charbon pour éliminer certains PFAS à chaîne courte, comme l'acide perfluorobutanoïque (PFBA).

Quand mettre en œuvre l'échange d'ions
L'échange d'ions donne les meilleurs résultats pour les eaux souterraines propres caractérisées par de faibles teneurs en carbone organique total (COT), en matières en suspension totales (MST) et en anions concurrents, tels que les nitrates et les sulfates. Lorsque le COT dépasse 2 parties par million (ppm), les composés organiques encrassent la surface de la résine. Une teneur en nitrates supérieure à 10 ppm concurrence fortement les PFAS vis-à-vis des sites de liaison, réduisant ainsi la capacité. Une teneur en manganèse supérieure à 20 parties par milliard peut encrasser et bloquer les sites actifs, formant une croûte qui empêche l'élimination des PFAS alors que le média dispose encore d'une capacité théorique. Toute présence d'oxydants, tel que le chlore, endommage la structure de la résine, et les huiles ou graisses encrassent la surface de manière irréversible. Par conséquent, les systèmes de traitement des PFAS comprennent souvent plusieurs étapes de prétraitement visant à éliminer ces contaminants juste avant d'utiliser la résine échangeuse d'ions pour un piégeage efficace des PFAS.

Alors que le charbon est quasi unanimement approuvé en traitement de l'eau potable, l'échange d'ions pour éliminer les PFAS n'a gagné l'approbation que d'une poignée d'États, principalement la Californie, le New Jersey et d'autres États côtiers. 

La décision dépend souvent du type d'eau source et des objectifs de traitement. Les eaux souterraines propres tirées de puits placent l'échange d'ions en bonne position. Les eaux de surface de qualité variable font pencher en faveur du charbon pour sa tolérance aux co-contaminants. Le traitement d'eaux usées complexes, ou l'élimination des PFAS à chaîne courte, peuvent nécessiter l'osmose inverse, en dépit de coûts plus élevés.

Fonctionnement de l'échange d'ions à Bellmawr, dans le New Jersey
En 2018, la municipalité de Bellmawr fut confrontée à un défi urgent lorsque des tests révélèrent la présence d'acide perfluorooctanoïque (PFOA), à hauteur de 25 ppt, de sulfonate de perfluorooctane (PFOS), à hauteur de 15 ppt, et d'acide perfluorononanoïque (PFNA), à hauteur de 10 ppt, dans l'eau de puits fournissant 900 gallons par minute (200 m3/h). La contamination totale s'élevant à 50 ppt, la municipalité avait besoin d'un traitement pour répondre aux normes strictes du New Jersey et a fait appel à Veolia pour l'aider à évaluer les options possibles.

D'après les études comparant la charge d'un lit de charbon actif en grains et celle d'un lit échangeur d'ions, la résine était capable d'atteindre jusqu'à 480 000 fois le volume de lit avant une percée de 2 ppt de PFNA, contre une capacité nettement inférieure, estimée à environ 50 000 fois le volume de lit, pour le charbon actif en grains. La source d'eau souterraine, exempte de co-contaminants, présentant une faible teneur en matières organiques et un minimum de matières en suspension, offrait des conditions idéales pour l'échange d'ions. Et la capacité supérieure, se traduisant par des coûts de cycle de vie inférieurs malgré le coût plus élevé du média, en faisait un choix économique évident.

Veolia a installé un système permanent de réacteurs en configuration lead/lag, de 10 pieds (3 mètres) de diamètre, utilisant une résine sélective aux PFAS. Depuis mars 2023, le système traite l'eau jusqu'à des teneurs indétectables, sans nécessiter un remplacement du média. Ce projet démontre comment le choix d'une technologie adaptée à la chimie de l'eau permet de créer des solutions efficaces et durables pour le traitement des PFAS.

Contrairement aux applications traditionnelles d'échange d'ions qui nécessitent une régénération périodique à l'aide de solutions chimiques, les résines sélectives aux PFAS fonctionnent comme des médias à usage unique afin d'éviter les risques de recontamination. Une fois que la résine atteint sa capacité utile, l'ensemble du lit est retiré et remplacé par de la résine neuve, ce qui affranchit d'une manipulation complexe des régénérants et d'une gestion délicate des solutions hautement concentrées en PFAS. La résine épuisée est incinérée à haute température dans des installations agréées pour déchets dangereux. Cette approche à usage unique simplifie l’exploitation pour les compagnies d'eau tout en garantissant l'élimination effective des polluants piégés plutôt que leur transfert vers des flux de déchets secondaires qui nécessiteraient un traitement supplémentaire ou une élimination.

Gestion des déchets PFAS après traitement
Toutes les technologies d'élimination des PFAS génèrent des déchets concentrés qui requièrent une élimination appropriée. Les résines échangeuses d'ions épuisées, tout comme le charbon actif, les concentrats d'osmose inverse et autres matériaux chargés en PFAS, nécessitent des méthodes de gestion qui protègent la santé publique.

Les orientations provisoires de l’EPA d’avril 2024 recommandent deux approches principales : l'incinération à haute température dans des installations agréées pour déchets dangereux, et la mise en décharges pour déchets dangereux réglementés au sous-titre C du RCRA (Resource Conservation and Recovery Act). L'incinération détruit les composés PFAS sous l'effet d’un temps de séjour, d’une température et d’une turbulence adéquats, avec une efficacité de destruction et d'élimination atteignant jusqu’à 99,9999 % pour certains composés PFAS. La mise en décharge permet un confinement des PFAS dans des installations conçues spécialement, équipées de revêtements protecteurs et de systèmes de surveillance, bien que cette approche consiste à stocker les composés plutôt qu'à les détruire.

Avec l'évolution de la réglementation, il est devenu plus difficile de trouver des installations disposées à accepter les déchets PFAS. Selon les données de l’EPA, la quantité de déchets PFAS gérés a augmenté de 354 000 livres (160 tonnes) entre 2020 et 2022, et la capacité d'élimination n'a pas suivi le rythme. Travailler avec des sociétés de services qui disposent de points de collecte audités et agréés permet de minimiser la responsabilité civile éventuelle prévue dans la loi CERCLA. 

Progresser dans le traitement des PFAS
Veolia propose des solutions complètes qui permettent aux municipalités de faire face au défi que posent les PFAS. Notre technologie LEAPfas^TM assure un traitement sélectif des PFAS grâce à des résines à usage unique, dans le cadre de notre programme complet BeyondPFAS qui couvre toutes les étapes, de la détection à l'élimination. Cette approche innovante s'inscrit en droite ligne de GreenUp, le programme stratégique de Veolia visant à accélérer la transformation écologique et à promouvoir des solutions durables de traitement de l'eau.

En choisissant Veolia, vous avez accès à la technologie qui répond aux caractéristiques de votre eau. L'échange d'ions offre aux municipalités un outil efficace pour éliminer les PFAS lorsque la composition chimique de l'eau correspond aux spécifications de la technologie et aux réglementations applicables en matière de traitement. Dans le cas des sources d'eaux souterraines propres, contenant un minimum de matières organiques et d'ions concurrents, les avantages tiennent à une capacité supérieure, à un encombrement réduit et à des coûts de cycle de vie potentiellement inférieurs à ceux du charbon actif.

Contactez nos experts pour évaluer si l'échange d'ions est un choix judicieux pour votre système d'eau et élaborer une stratégie sur mesure de gestion des PFAS qui réponde aux exigences réglementaires applicables tout en minimisant les coûts. Pour en savoir plus sur les essais réalisés sur le site de Veolia à Port Arthur, au Texas, cliquez ici.