Une nouvelle approche pour éliminer le manganèse des eaux souterraines
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|Publication|
Li, B., Li, Q., Levin, K., Hausladen, D. M. (2026). New Strategy for Enhanced Mn(II)aq Removal from Drinking Water by MnOx(s)-Coated/Natural Ore Media Activation of Peroxymonosulfate. Environmental Science & Technology, 60, 15323–15335. https://doi.org/10.1021/acs.est.5c16545
Contexte et objectif de l’étude
Le manganèse (Mn) est un contaminant fréquemment présent dans les eaux souterraines, provenant à la fois de sources naturelles et d’activités humaines. Sa présence dans l’eau potable représente un enjeu important de santé publique, puisqu’une exposition prolongée à des concentrations élevées peut entraîner des troubles neurologiques et cognitifs. De plus, des concentrations élevées de manganèse peuvent perturber les réseaux de distribution d’eau, notamment en causant des dépôts, la formation de biofilms et une instabilité chimique. Les systèmes domestiques de traitement de l’eau utilisent couramment des médias filtrants à base d’oxydes de manganèse (MnOx), comme les filtres au greensand. Toutefois, ces systèmes peuvent être inefficaces dans certaines conditions, notamment dans les eaux souterraines pauvres en oxygène (conditions anaérobies), où l’oxydation du manganèse est limitée. Dans ce contexte, cette étude vise à évaluer une nouvelle stratégie reposant sur l’activation d’un oxydant, le peroxymonosulfate (PMS), par des médias MnOx afin d’améliorer l’élimination du manganèse dissous (Mn²⁺) dans l’eau potable.
Méthodologie
L’étude repose sur des expériences réalisées en laboratoire à l’aide de tests en batch, permettant de contrôler précisément les conditions expérimentales. Deux types de médias filtrants commerciaux ont été comparés : un sable recouvert d’oxydes de manganèse (MCS) et un minerai naturel de manganèse (NMO). Les essais ont été effectués en conditions anaérobies afin de reproduire les conditions typiques des eaux souterraines problématiques. Les chercheurs ont fait varier plusieurs paramètres, notamment la concentration de PMS, le type et la quantité de média filtrant, ainsi que le pH initial de l’eau. Des analyses physicochimiques, incluant des techniques comme la spectroscopie et la diffraction des rayons X, ont été utilisées pour mesurer l’efficacité d’élimination du manganèse et caractériser les produits formés. Des expériences complémentaires ont également permis d’identifier les mécanismes réactionnels en jeu, notamment le rôle des espèces réactives de l’oxygène générées lors de l’activation du PMS.
Faits saillants des résultats et interprétation
Les résultats démontrent que l’activation du peroxymonosulfate par les médias MnOx améliore fortement l’élimination du manganèse par rapport aux approches conventionnelles. Par exemple, le système utilisant du sable enrobé (MCS) activé au PMS a permis d’atteindre jusqu’à 96,8 % d’élimination du manganèse, comparativement à des taux très faibles en absence de PMS. Le manganèse dissous (Mn²⁺) est principalement éliminé par oxydation, conduisant à la formation de dioxyde de manganèse (MnO₂), une forme solide stable facilement séparable. L’étude montre également que la performance dépend fortement du type de média utilisé : le sable enrobé (MCS) est nettement plus efficace que le minerai naturel (NMO), même si ce dernier contient une plus grande quantité de manganèse total. Cela indique que l’efficacité est contrôlée par les propriétés des sites actifs à la surface du média plutôt que par sa composition globale. Les mécanismes réactionnels impliquent des espèces réactives de l’oxygène (ROS), incluant des radicaux très réactifs (•OH et SO₄•⁻) ainsi que des voies non radicalaires, notamment l’oxygène singulet (¹O₂). Le système MCS combine ces deux types de mécanismes, ce qui explique sa performance supérieure, tandis que le système NMO repose principalement sur des mécanismes non radicalaires, moins efficaces. Les résultats montrent aussi que le système MCS est relativement stable sur une large plage de pH (3 à 9), mais que des conditions fortement alcalines peuvent réduire l’efficacité, en particulier pour le minerai naturel.
Portée pour la compréhension, la protection et la gestion des eaux souterraines du Québec
Cette étude propose une approche novatrice qui pourrait améliorer significativement le traitement du manganèse dans les eaux souterraines, un enjeu bien documenté dans plusieurs régions du Québec, notamment pour les puits privés. La méthode basée sur l’activation du PMS par des médias MnOx est particulièrement intéressante dans les conditions anaérobies où les systèmes conventionnels sont moins performants. Elle permet de traiter efficacement des concentrations élevées de manganèse et pourrait être adaptée à des systèmes domestiques ou municipaux. De plus, les procédés d’oxydation avancée utilisés dans cette approche sont également reconnus pour leur capacité à dégrader d’autres contaminants, ce qui ouvre la porte à des traitements multi-contaminants. L’étude met également en évidence l’importance du choix du média filtrant, en montrant que ses propriétés de surface jouent un rôle déterminant dans l’efficacité du traitement. Ces résultats contribuent ainsi à mieux comprendre les mécanismes d’élimination du manganèse et à orienter le développement de solutions plus performantes pour la gestion de la qualité de l’eau souterraine.
Limites de l’étude
Certaines limites doivent toutefois être prises en compte dans l’interprétation des résultats. Les expériences ont été réalisées en laboratoire dans des conditions contrôlées, ce qui ne permet pas de reproduire entièrement la complexité des conditions réelles des aquifères et des systèmes de traitement en continu. Par exemple, la présence de matière organique dissoute, de fer ou de sulfures, fréquente dans les eaux souterraines, n’a pas été considérée et pourrait influencer l’efficacité du procédé. De plus, l’optimisation du dosage de PMS et le contrôle du pH devront être adaptés pour une application à plus grande échelle. L’introduction de sulfate dans l’eau traitée constitue également un aspect à surveiller, bien que les concentrations prévues demeurent inférieures aux normes usuelles. Enfin, des essais en conditions réelles et à l’échelle pilote seront nécessaires pour valider la performance du procédé et en évaluer la viabilité opérationnelle et économique.