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Vincent Rocher - CEREVE

INTRODUCTION ET STOCKAGE DES HYDROCARBURES ET DES ELEMENTS METALLIQUES DANS LE RESEAU D’ASSAINISSEMENT UNITAIRE PARISIEN. Vincent Rocher - CEREVE. Sous la direction de Régis Moilleron et Ghassan Chebbo. Pourquoi s’intéresser à la pollution stockée dans le réseau ?. Contexte environnemental.

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  1. INTRODUCTION ET STOCKAGE DES HYDROCARBURES ET DES ELEMENTS METALLIQUES DANS LE RESEAU D’ASSAINISSEMENT UNITAIRE PARISIEN Vincent Rocher - CEREVE Sous la direction de Régis Moilleron et Ghassan Chebbo

  2. Pourquoi s’intéresser à la pollution stockée dans le réseau ? Contexte environnemental Gestion des boues d’assainissement - Curage du réseau parisien génère plus de 8000 tonnes/an de sédiment - Devenir du déchet dépend de son degré de contamination

  3. Pourquoi s’intéresser à la pollution stockée dans le réseau ? Lutte contre les Rejets Urbains de Temps de Pluie (RUTP) Station d’épuration Eaux usées Eaux usées Effluent traité Zone urbaine Réseau unitaire Milieu naturel Contexte environnemental Gestion des boues d’assainissement

  4. Pourquoi s’intéresser à la pollution stockée dans le réseau ? Eaux pluviales Eaux pluviales Eaux usées Eaux usées RUTP Desoxygénation du milieu Pollution microbiologique Pollution chimique Contexte environnemental Gestion des boues d’assainissement Lutte contre les Rejets Urbains de Temps de Pluie (RUTP) Station d’épuration Effluent traité Zone urbaine Réseau unitaire Milieu naturel

  5. Pourquoi s’intéresser à la pollution stockée dans le réseau ? Eaux pluviales Eaux pluviales Eaux usées Eaux usées Forte contribution des dépôts à la pollution des RUTP (30 à 80%) Contexte environnemental Gestion des boues d’assainissement Lutte contre les Rejets Urbains de Temps de Pluie (RUTP) Station d’épuration RUTP Effluent traité Zone urbaine Réseau unitaire Milieu naturel

  6. Pourquoi les hydrocarbures et les métaux ? Pourquoi s’intéresser à la pollution stockée dans le réseau ? N Acen Acyl F  Impact environnemental  Impact environnemental P A Fluo Pyr  Impact sanitaire  Impact sanitaire - HAP : Mutagène et cancérigène - Métaux : Toxiques à faible dose Persistants Bio-accumulation B[a]A Chry B[a]P B[k]F D[ah]A BPer IP B[b]F Formation de films d’hydrocarbures Liste des 16 HAP de l ’US-EPA Contexte environnemental

  7. Activités de surface 1) Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Activités de surface 1 2 2) Les voies d’introduction dans le réseau d’assainissement (VIRA) 3 3 Réseau d’assainissement Réseau d’assainissement Objectifs de ce doctorat 1) Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Stocks  Distributions  Origines 2) Les voies d’introduction dans le réseau d’assainissement (VIRA)  Ruissellements de toitures  Ruissellements de chaussées  Apports directs

  8. Le Marais (42 ha) Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Etude à des échelles spatiales différentes Bassin versant de petite taille Objectif Etude de la pollution associée aux différents dépôts

  9. 3 types de dépôts dans les collecteurs Eaux usées Le Marais (42 ha) Dépôt grossier : 5-40 cm Couche organique : 2-15 cm Biofilm : 1-5 mm Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Etude à des échelles spatiales différentes Bassin versant de petite taille Objectif Etude de la pollution associée aux différents dépôts

  10. La totalité du réseau parisien 40 sites de prélèvements répartis sur l’ensemble du réseau Le Marais (42 ha) Objectif Etude de la variabilité spatiale de la pollution associée au dépôt grossier Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Etude à des échelles spatiales différentes Bassin versant de petite taille Objectif Etude de la pollution associée aux différents dépôts

  11. Description du site Vieille de Temple St Gilles Rivoli Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Etude de la pollution associée aux différents dépôts  Le bassin versant - Centre de Paris - 295 hab.ha-1 - Imperméabilisé à 90%  Le réseau d’assainissement Le Marais (42 ha) - 3 collecteurs principaux - Tailles moyennes

  12. Description du site Vieille de Temple Types d’échantillons St Gilles  Le dépôt grossier  La couche organique  Le biofilm Rivoli Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Etude de la pollution associée aux différents dépôts Le Marais (42 ha)

  13. Film cellulaire Matrice organique Paroi 1 2 200 µm 100 µm Matrice organique Couche cellulaire Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Structure du biofilm en réseau d’assainissement (MEB) 1 100 µm 2 1: Matrice organique de plusieurs mm d’épaisseur fixée à la paroi 2 : Film cellulaire cohésif et dense couvre cette matrice organique

  14. Etude quantitative de la pollution µg.g-1 Dépôts dans les collecteurs 30 23 200 20 10 Eaux usées 60 5 30 2 0 Dépôt grossier (DG) HC ali HAP (/10) Couche organique (CO) Biofilm (Bio) Hydrocarbures aliphatiques : Bio >> CO > DG Hydrocarbures aromatiques : DG >> CO  Bio Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Les teneurs dans les dépôts : les hydrocarbures

  15. Etude quantitative de la pollution mg.g-1 Dépôts dans les collecteurs 2 1 Eaux usées 0 Fe /10 Zn Pb Cu Cd x10 Dépôt grossier (DG) Couche organique (CO) Biofilm (Bio) Pour l’ensemble des métaux : dépôts de lit > Bio Pour la plupart des métaux : DG > CO Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Les teneurs dans les dépôts : les métaux

  16. Stocks sur le Marais (Ahyerre / Oms) Etude quantitative de la pollution 22 kg Eaux usées  Les stocks dans les dépôts 1200 kg Dépôts dans les collecteurs 16500 kg % 100 Eaux usées 50 Dépôt grossier (DG) 0 HC ali HAP Fe Zn Pb Cu Cd Couche organique (CO) Biofilm (Bio) DG : 87 à 98 % de la pollution CO : 2 à 13 % de la pollution Bio : < 1 % de la pollution Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Les teneurs dans les dépôts

  17. Etude quantitative de la pollution  Contribution des stocks à la pollution de temps de pluie -Hypothèses de calcul - Contribution des différents dépôts 1 :  remise en suspension du DG 2 : CO totalement remise en suspension 3 : Bio totalement érodé Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Les teneurs dans les dépôts  Les stocks dans les dépôts

  18. Etude quantitative de la pollution 1 :  remise en suspension du DG 2 : CO totalement remise en suspension 3 : Bio totalement érodé Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Les teneurs dans les dépôts  Les stocks dans les dépôts  Contribution des stocks à la pollution de temps de pluie -Hypothèses de calcul - Contribution des différents dépôts 1 :  remise en suspension du DG 2 : CO totalement remise en suspension 3 : Bio totalement érodé

  19. Etude quantitative de la pollution Biofilm < 2 % Contribution négligeable du Bio à la pollution de temps de pluie Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Les teneurs dans les dépôts  Les stocks dans les dépôts  Contribution des stocks à la pollution de temps de pluie - Hypothèses de calcul - Contribution des différents dépôts HC ali HAP Métaux 6 % 1 % 94 % 99 % > 98 % Couche organique

  20. Etude qualitative de la pollution en hydrocarbures Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Signatures aromatiques - Homogénéité des distributions entre les différents dépôts - Prédominance du P, Fluo et Pyr (89-100 % des HAP)  origine pyrolytique

  21. Etude qualitative de la pollution en hydrocarbures C29 C27 Origine biologique Origine pétrolière 15 CO C17 10 Bio 5 0 C8 C9 prist phyt C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20 C21 C22 C23 C24 C25 C26 C27 C28 C29 C30 C31 C32 C33 C17-18 15 DG C27 10 5 0 C8 C9 prist phyt C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20 C21 C22 C23 C24 C25 C26 C27 C28 C29 C30 C31 C32 C33 Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Signatures aliphatiques % % Profil CO = profil Bio  témoin d’une contamination biologique Profil DG  témoin d’une contamination pétrolière

  22. Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Elargissement de l’échelle spatiale Bassin versant de petite taille La totalité du réseau parisien Le Marais (42 ha) Objectif Etude de la variabilité spatiale de la pollution associée au dépôt grossier

  23. Description des sites Eaux usées Eaux usées Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Etude de la pollution associée aux dépôts sur l’ensemble du réseau  99 bassins de dessablement(BD)  Rôle : limiter l’accumulation de dépôts au fond des collecteurs  Principe de fonctionnement Tronçon avec section d’écoulement + profonde piégeage des solides transitant dans le collecteur

  24. Description des sites Procédures d’échantillonnage  40 sites répartis sur le réseau  Prélèvement de 6 échantillons Surface (10-15 cm) Profondeur (1 m) Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Etude de la pollution associée aux dépôts sur l’ensemble du réseau

  25. Caractérisation physico-chimique des sédiments de BD > 0,5 mm  76 %< 0,5 mm 24 %  Teneur en matière organique (MO) Teneur médiane = 7,2 % Caractéristiques des 3 types dépôts du réseau (Ahyerre / Chebbo) - Granulométrie du DG - MO (%) Biofilm CO DG 58 / 71 68 / 58 9.6 / 4 23% > 0.4 mm DG 9.6 / 4  0.4 mm 77% BD remplis par du DG  résultats obtenus pour les sédiments de BD extrapolables au DG Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Distribution granulométrique

  26. Etude de la pollution en hydrocarbures : les teneurs Max Valeur adjacenteQ75 + 1,5 x EIQ - fluctuation spatiale importante - fluctuation au sein de chaque bassin de dessablement Q75 3500 médiane EIQ 3000 Q25 2500 Valeur adjacenteQ25 - 1,5 x EIQ 2000 1500 1150 1000 d90 = 980 d50 = 530 500 d10 = 200 0 120 Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Hydrocarbures totaux (indice CH2 en IR) - fluctuation spatiale importante - fluctuation au sein de chaque bassin de dessablement µg.g-1

  27. Etude de la pollution en hydrocarbures : les teneurs Max Valeur adjacenteQ75 + 1,5 x EIQ Q75 3500 Max > valeurs adjacentes dans 20 % des BD médiane EIQ 3000 Q25 2500 Valeur adjacenteQ25 - 1,5 x EIQ 2000 1500 1000 500 0 Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Hydrocarbures totaux (indice CH2 en IR) - fluctuation spatiale importante -fluctuation au sein de chaque bassin de dessablement - fluctuation spatiale importante - fluctuation au sein de chaque bassin de dessablement µg.g-1 30 < EIQ < 1080 µg.g-1EIQ médian = 240 µg.g-1

  28. Etude de la pollution en hydrocarbures : les teneurs Max Valeur adjacenteQ75 + 1,5 x EIQ - fluctuation spatiale importante - fluctuation au sein de chaque bassin de dessablement µg.g-1 Q75 200 médiane EIQ Q25 150 Valeur adjacenteQ25 - 1,5 x EIQ 100 79 d90 = 49 50 d50 = 18 d10 = 3 0 0,6 Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  HAP totaux - fluctuation spatiale importante - fluctuation au sein de chaque bassin de dessablement

  29. Etude de la pollution en hydrocarbures : les teneurs Max Valeur adjacenteQ75 + 1,5 x EIQ µg.g-1 Q75 0,2 < EIQ < 76 µg.g-1EIQ médian = 13 µg.g-1 Max > valeurs adjacentes dans 35 % des BD 200 médiane EIQ Q25 150 Valeur adjacenteQ25 - 1,5 x EIQ 100 50 0 Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  HAP totaux - fluctuation spatiale importante -fluctuation au sein de chaque bassin de dessablement - fluctuation spatiale importante - fluctuation au sein de chaque bassin de dessablement

  30. Etude de la pollution en hydrocarbures : la signature HAP BperDahAIPBaPBbFBkFChryBaAPyrFluoAPFAcenAcylN BperDahAIPBaPBbFBkFChryBaAPyrFluoAPFAcenAcylN 0-2,5 % 2,5-5 % 5-7,5 % 7,5-10 % 10-12,5 % > 17,5 % Distribution homogène  prédominance P, Fluo, Pyr (37 % HAP totaux)  présence de BaA, BaP, BbF, Chry (25 % HAP totaux) Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Sites

  31. Etude de la pollution en hydrocarbures : la signature HAP 3 2 1 0 0 1 10 100 1000 Impact pyrolytique marqué dans les sédiments de bassins de dessablement Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Majorité des points : Fluo/Pyr > 1 et P/A < 10 Origine pyrolytique Absence de points : Fluo/Pyr < 1 et P/A > 10 Fluo/Pyr Origine pétrolière P/A

  32. Etude de la pollution métallique : Fe, Ni,Cd, Pb, Zn, Cu, Cr, Hg Les micropolluants dans le réseau d’assainissement Eléments contrôlés par les centres de traitement des boues d’assainissement

  33. Etude de la pollution métallique : Fe, Ni, Cd, Pb, Zn, Cu, Cr, Hg Faibles variations spatiales des teneurs  2,2 < d90/d10 < 2,4 Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Fluctuation spatiale Teneurs métalliques (µg.g-1) Fe Ni d50 d90/d10 16000 2,2 16 2,4

  34. Etude de la pollution métallique : Fe, Ni, Cd, Pb, Zn, Cu, Cr, Hg Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Fluctuation spatiale Teneurs métalliques (µg.g-1) Cd Pb Zn 1,6 4,4 370 7,0 880 5,9 d50 d90/d10 Variations spatiales assez prononcées des teneurs  4 < d90/d10 < 7

  35. Etude de la pollution métallique : Fe, Ni,Cd, Pb, Zn, Cu, Cr, Hg Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Fluctuation spatiale Teneurs métalliques (µg.g-1) Cu Cr Hg 36 16 77 12 1,8 12,5 d50 d90/d10 Fortes variations spatiales des teneurs  12 < d90/d10 < 16

  36. Etude de la pollution métallique : Fe, Ni,Cd, Pb, Zn, Cu, Cr, Hg Pourquoi ces différences de comportement ? Impact de sources de pollution locales Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Fluctuation spatiale Voies périphériques Cas du CuivreTeneurs mesurées à proximité des axes routiers 3 à 6 fois supérieures à celles des sites situés plus à l’écart Voies sur berges Emission locale de résidus de plaquettes de frein

  37. Etude de la pollution métallique : Fe, Ni,Cd, Pb, Zn, Cu, Cr, Hg Pourquoi ces différences de comportement ? Impact de sources de pollution locales Cas du ZnFortes teneurs observées dans les quartiers présentant de nombreuses toitures métalliques Apport important par les eaux de ruissellement de toitures Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Fluctuation spatiale Le Marais (42 ha)

  38. Etude de la pollution métallique : Fe, Ni,Cd, Pb, Zn, Cu, Cr, Hg Pourquoi ces différences de comportement ? Impact de sources de pollution locales Nécessité de prendre en compte la nature des activités et des structures implantées en surface Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Fluctuation spatiale Le Marais (42 ha)

  39. Etude de la pollution métallique : Fe, Ni,Cd, Pb, Zn, Cu, Cr, Hg Max Valeur adjacenteQ75 + 1,5 x EIQ  Fluctuation intra-bassin : cas du Hg Max > valeurs adjacentes dans 40 % des BD µg.g-1 Q75 EIQ important 70 médiane EIQ 60 Q25 50 Valeur adjacenteQ25 - 1,5 x EIQ 40 30 20 10 0 Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Fluctuation spatiale

  40. Apport atmosphérique 1 3 3  Ruissellements de toitures  Ruissellements de chaussées  Apports directs Réseau d’assainissement Objectifs de ce doctorat 1) Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Stocks  Distributions  Origines 2 2) Les voies d’introduction dans le réseau d’assainissement (VIRA)  Ruissellements de toitures  Ruissellements de chaussées  Apports directs

  41. Etude des ruissellements de toitures 77 % de la surface des toitures sur le quartier du Marais Typiques de l’architecture des grandes villes européennes Les VIRA : les ruissellements de toitures  Collecte des eaux de ruissellements de toitures - Toitures considérés : tuiles en ardoise / tôles en zinc / combinaison ardoise +zinc

  42. Etude des ruissellements de toitures -Systèmes de piquage placés au niveau des gouttières Prélèvement en continu jusqu’au remplissage total du bidon Durée de collecte = f(pluviométrie) 5 à 42 jours Estimation des flux journaliers (mg.ha.j-1) pour chaque période Suivi de la pluviométrie Pluviométrie journalière moyenne pour chaque période Bidon de 30 l Les VIRA : les ruissellements de toitures  Collecte des eaux de ruissellements de toitures - Toitures considérés : tuiles en ardoise / tôles en zinc / combinaison ardoise +zinc

  43. Etude des ruissellements de toitures mg.ha-1.j-1 mg.ha-1.j-1 24 2000 1500 R = 0,94 R = 0,89 16 1000 8 500 0 0 1 1 2 2 3 3 Pluvio journalière (mm.j-1) Pluvio journalière (mm.j-1) HC ali HAP Les VIRA : les ruissellements de toitures  Collecte des eaux de ruissellements de toitures  Flux journaliers mesurés : les hydrocarbures Corrélation positive entre flux et pluviométrie journalière Processus de lessivage dépend de la hauteur d’eau précipitée  Dépôt de temps sec contribue peu à la pollution des eaux ruisselées  Processus de lessivage ne dépend pas de la nature de la toiture

  44. Etude des ruissellements de toitures mg.ha-1.j-1 mg.ha-1.j-1 Ardoise avec accessoires Pb 12000 3000 9000 R = 0,94 R = 0,99 2000 6000 Zinc et Zinc + ardoise 1000 3000 R = 0,92 0 0 1 1 2 2 3 3 Pluvio journalière (mm.j-1) Pluvio journalière (mm.j-1) Les VIRA : les ruissellements de toitures  Collecte des eaux de ruissellements de toitures Mg  Flux journaliers mesurés : les métaux Pb Corrélation positive entre flux et pluviométrie journalière Processus de lessivage dépend de la hauteur d’eau précipitée  Dépôt de temps sec contribue peu à la pollution des eaux ruisselées  Pour métaux constitutifs des toitures : corrélation dépend de la nature de la toiture

  45. Comparaison apports atmosphériques / ruissellements toitures RA RT RT Les VIRA : les ruissellements de toitures Flux obtenus pour l’hiver 2002 Comparaison possible Flux calculés en utilisant la pluviométrie moyenne de l’hiver 2002 : 1,7 mm.j-1 Toit. métallique Toit. ardoise Rôle de la toiture dans le transfert des micropolluants de l’atmosphère au réseau

  46. Comparaison apports atmosphériques / ruissellements toitures Cas des hydrocarbures : les HC ali - Pas d’enrichissement en HC ali dans les eaux ruisselées - Signatures aliphatiques voisines Apport exclusivement atmosphérique Les VIRA : les ruissellements de toitures 1800 mg.ha-1.j-1 Toit. métallique Toit. ardoise 900 mg.ha-1.j-1

  47. Comparaison apports atmosphériques / ruissellements toitures Cas des hydrocarbures : les HAP - Pas d’enrichissement en HAP dans les eaux ruisselées - Signatures aromatiques voisines Apport exclusivement atmosphérique Les VIRA : les ruissellements de toitures 8,6 mg.ha-1.j-1 Toit. métallique Toit. ardoise 5,9 mg.ha-1.j-1

  48. Comparaison apports atmosphériques / ruissellements toitures 6000 4000 2000 Apport exclusivement atmosphérique 0 P K Mg S /10 Ca /10 Na /10 Zinc et ardoise Ardoise RA Les VIRA : les ruissellements de toitures mg.ha-1.j-1 Cas des éléments majeurs - Pas d’enrichissement en éléments majeurs dans les eaux ruisselées

  49. Comparaison apports atmosphériques / ruissellements toitures mg.ha-1.j-1 2500 2000 1500 1000 500 0 V Ti Ni Sr Sb Ba Cu Mn Pb /5 Zn /50 Cr *10 Co *10 Cd *100 Zinc et ardoise Ardoise RA Les VIRA : les ruissellements de toitures Cas des métaux lourds Groupe 1Ba, Cd, Co, Cr, Mn, Sb, Sr Apport atmosphérique Groupe 2Ti, Ni, V Emis par toutes les toitures Groupe 3Cu, Pb Zn Ardoise Zinc

  50. 1 3 3 Réseau d’assainissement Objectifs de ce doctorat 1) Les micropolluants dans le réseau d’assainissement  Stocks  Distributions  Origines 2 2) Les voies d’introduction dans le réseau d’assainissement (VIRA)  Ruissellements de toitures  Ruissellements de chaussées - de temps de pluie - le lavage de la voirie  Apports directs  Ruissellements de toitures  Ruissellements de chaussées  Apports directs

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