[PDF] Vincent ROCHER INTRODUCTION ET STOCKAGE DES HYDROCARBURES

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UNIVERSITE PARIS XII - VAL DE MARNE

THESE présentée pour obtenir le grade de

DOCTEUR de l'Université Paris XII Val de Marne

Spécialité : Sciences et Techniques de l'Environnement par

Vincent ROCHER

I NTRODUCTION ET STOCKAGE DES HYDROCARBURES ET DES ELEMENTS

METALLIQUES DANS LE RESEAU D

'ASSAINISSEMENT UNITAIRE PARISIEN

Soutenue le 18 décembre 2003

Composition du jury :

M Régis MOILLERON

Directeur de thèseUniversité Paris XII

M Ghassan CHEBBO

Directeur de thèseEcole Nationale des Ponts et Chaussées

M Bernard CHOCAT

RapporteurINSA Lyon

M Philippe GARRIGUES

RapporteurUniversité Bordeaux I

M Mathieu AHYERRE

ExaminateurAgence de l'Eau Seine Normandie

M Stéphane GARNAUD

ExaminateurVille de Paris - Section de l'Assainissement

REMERCIEMENTS

Les travaux présentés dans cette thèse ont été réalisés au laboratoire Cereve à l'Université

Paris XII-Val de Marne.

Je tiens à remercier vivement Régis Moilleron, mon directeur de thèse, pour l'aide scientifique et morale qu'il a su m'apporter tout au long de ce doctorat. J'exprime ma reconnaissance à Ghassan Chebbo, co-directeur de thèse, pour m'avoir fait confiance au cours de ces trois années. Je le remercie pour ses conseils réguliers et pour m'avoir fait partager son expérience dans le domaine de l'hydrologie urbaine. Je remercie également M. Bernard Chocat, Professeur à l'INSA de Lyon, et M. Philippe Garrigues, Professeur à l'Université de Bordeaux I, qui m'ont fait l'honneur de bien vouloir participer à mon jury de thèse en tant que rapporteurs. Je remercie Mathieu Ahyerre, chargé d'études à l'Agence de l'Eau Seine Normandie, et Stéphane Garnaud, ingénieur hydrologue à la Section de l'Assainissement de Paris, pour

m'avoir aidé et conseillé durant ce travail et d'avoir accepté de participer à ce jury comme

examinateurs. Un remerciement particulier à Jean-Marie Mouchel, directeur du Cereve, qui, à travers son rôle d'enseignant-superviseur des stages de DEA dont j'ai eu la responsabilité, a suivi le déroulement de ma thèse et m'a prodigué de nombreux conseils. Mille mercis à Claire Oms, doctorante au Cereve, Mathieu Muller et Johnny Gaspéri, stagiaires de DEA, pour leur grande contribution à ce travail de recherche.

Je tiens à exprimer toute ma gratitude à M. Thierry Célaudon, de la Direction de la Voirie et

des Déplacements, pour sa participation active à l'étude de la pollution des ruissellements de

chaussées. Je remercie aussi M. Patrick Ausset, enseignant-chercheur au Laboratoire Inter-disciplinaire des Systèmes Atmosphériques, qui nous a permis d'utiliser son microscope électronique à balayage. Merci aussi à Catherine Lorgeoux, alias madame chromato, pour son aide et sa bonne humeur. Mesdames Catherine Charleux, Annick Piazza et Christelle Taybi, je vous remercie pour les multiples services que vous m'avez rendus durant mon séjour au Cereve. Je n'oublie pas Sam Azimi, mon complice de bureau, de terrain (même sous la pluie), de

laboratoire et de rugby. Je le remercie pour avoir rendu ces trois années de thèse inoubliables.

Je remercie également Bernard Lécuyer, enseignant-chercheur au Cereve, et Gilles Varrault, le petit nouveau, pour tous les services qu'ils m'ont rendus ainsi que pour leur éternelle bonne humeur.

Merci aussi à Daniel Thévenot, Professeur à l'Université Paris XII, pour m'avoir accueilli et

supporté pendant tous ces longs mois dans son laboratoire.

Je n'oublie pas les " anciens » du Cereve avec lesquels j'ai partagé et partage encore de très

bons moments : Sonia, Gonzo, Loïc et mon Rodoudou ; mais également la fameuse " troupe »

du LBSE, sans laquelle les journées auraient été plus monotones : Véronique, Marc, Céline,

Arnaud, Alexandre, Lauriane et Virginie.

Enfin, je remercie toute ma famille pour m'avoir encadré et soutenu durant ces trois années. Je remercie particulièrement mes parents qui m'ont accompagné tout au long de mon parcours et sans lesquels je n'aurais probablement pas fait ce doctorat. Je tiens à remercier de tout coeur ma petite femme, Audrey, ainsi que mes deux petits bouts de choux, Lise et Clément, pour leur soutien de tous les instants...

RESUME

Dans les réseaux d'assainissement unitaires, les volumes d'effluents transportés par temps de pluie

vers les stations d'épuration sont très importants et ne peuvent être totalement traités. Des

déversements, appelés Rejets Urbains de Temps de Pluie (RUTP), ont alors lieu dans le milieu naturel

(rivières, lacs, etc.). Ces derniers introduisent dans les milieux récepteurs de grandes quantités de

matière organique, d'agents pathogènes et de micropolluants organiques et minéraux. De nombreux

travaux ont souligné l'importance de la contribution des dépôts, accumulés dans le réseau

d'assainissement par temps sec, à la pollution de ces RUTP. La diminution de la pollution apportée par

les RUTP suppose donc que l'on dispose d'informations précises sur la pollution stockée au sein des

réseaux d'assainissement. Ce travail a amélioré les connaissances sur le stockage des hydrocarbures et

des métaux dans le réseau d'assainissement parisien. Il a été montré que la majorité des micropolluants

(87-98 %) est stockée dans le dépôt grossier, une faible proportion dans la couche organique (2-13 %)

et une part négligeable dans le biofilm (< 1 %). Ces informations nous ont permis de conclure sur la

très faible contribution du biofilm à la pollution de temps de pluie. L'étude qualitative de la pollution a

apporté des éléments sur l'origine des contaminations et sur la dynamique des dépôts en réseau. Ainsi,

les signatures aliphatiques indiquent une pollution d'origine pétrolière dans le dépôt grossier (huiles et

graisses automobiles) et une combinaison des apports biologiques (végétaux, résidus alimentaires) et

pétroliers dans la couche organique. Les distributions aromatiques soulignent, quant à elles,

l'importance de la contamination pyrolytique (trafic automobile, chauffage résidentiel, etc.) dans

l'ensemble des dépôts. Enfin, l'étude des signatures a montré que la couche organique et le biofilm

sont majoritairement constitués des matières en suspension transitant dans les collecteurs et que leurs

temps de résidence dans le réseau d'assainissement sont inférieurs à celui du dépôt grossier. De plus, il

a été montré que les teneurs en métaux fluctuent sur l'ensemble du réseau et qu'il n'existe pas de

signatures métalliques typiques du dépôt de réseau. Une variabilité spatiale des teneurs fut également

observée pour les hydrocarbures mais, contrairement aux métaux, il existe une pollution de fond en

HAP qualitativement homogène sur l'ensemble du réseau d'assainissement. Cette distribution,

caractérisée par la prédominance de phénanthrène, fluoranthène et pyrène témoigne de l'impact des

sources pyrolytiques. La seconde partie de ce doctorat a été consacrée à la caractérisation des 3 voies

d'introduction de polluants dans le réseau d'assainissement (VIRA) : les ruissellements de toitures, de

chaussées et les apports directs (effluents domestiques, de restauration, etc.). La comparaison de la

pollution véhiculée par les eaux de toitures avec celle des retombées atmosphériques a montré que les

hydrocarbures proviennent exclusivement du compartiment atmosphérique alors que certains métaux

lourds (Cu, Pb, Ti et Zn) sont largement émis par les toitures (couvertures et accessoires). La seconde

VIRA considérée est le ruissellement de chaussées qui comprend le ruissellement de temps de pluie et

le lavage de la voirie. La caractérisation des sédiments extraits de stations de relevage, situées le long

d'axes routiers majeurs, a permis d'estimer les niveaux de contamination des ruissellements de chaussées à 80 et 24 µg.g-1 , pour les hydrocarbures aliphatiques et aromatiques, et à 27800, 1630, 770,

790 et 2,7 µg.g

-1 respectivement pour le Fe, Zn, Pb, Cu et Cd. Notre étude des eaux de lavage a, quant

à elle, souligné l'importance des quantités de micropolluants générées par le lavage quotidien de la

voirie. Le bilan massique, réalisé à l'échelle du bassin versant du Marais (Paris, 4ème

arrondissement),

a permis de constater que, pour la plupart des micropolluants, la contribution des eaux de lavage à la

pollution du réseau est supérieure à celle des eaux de toitures. Enfin, la pollution en hydrocarbures

associée aux effluents domestiques, de restauration et de garages a été étudiée. A l'échelle du bassin

versant du Marais, les flux d'hydrocarbures aliphatiques résolus et non résolus apportés par ces

effluents, respectivement estimés à 840 et 1230 g.j -1 , sont largement supérieurs à ceux apportés par les

ruissellements de toitures et les eaux de lavage de la voirie et soulignent donc la contribution majeure

de ces effluents à la pollution aliphatique du réseau d'assainissement.

Mots Clés

: Dépôts, Effluents, HAP, Hydrocarbures, Métaux, Réseau d'assainissement,

Ruissellements.

ABSTRACT

The importance of the combined sewer overflow (CSO) pollution and its acute impact on receiving waters have been largely demonstrated. The development of CSO management strategies requires an improved knowledge on the pollutant loads in sewer deposits since many authors have underlined their significant role as source of pollution in CSO discharges. This work has improved the knowledge on the storage of hydrocarbon and metallic pollutants in the Paris combined sewer system. Results have

shown that the major part of micropollutants is stored in the gross bed sediment (87 to 98 %), a lesser

part in the organic layer (2 to 13 %) and an insignificant part in the biofilm (below 1 %). According to

these results, the potential contribution of the biofilm to wet weather pollution can be considered as

negligible compared to the organic layer contribution. Hydrocarbon fingerprints have been investigated in each deposit in order to provide information about the contamination origins and the deposit dynamic in sewer system. Thus, aliphatic hydrocarbon distributions are indicative of prominent petroleum inputs in the gross bed sediment (engine oil) and reflect a mixture of biogenic (vegetal) and petroleum inputs in the organic layer and the biofilm. Aromatic hydrocarbon

distributions, characterised by the predominance of phenanthrene, pyrene and fluoranthene, suggest an

important pyrolytic contamination (road traffic, residential heating, etc.) in all deposits. Finally, the

deposit dynamic study has shown that suspended solids, going through the collectors, are the major components of organic layer and biofilm and that the residence times in the combined sewer for both deposits are quite short compared to time for the gross bed sediment. Moreover, results have shown

that there is a spatial fluctuation of metallic contents at the whole sewer network scale and that there is

no typical metallic fingerprint for sewer deposits. Spatial fluctuation has been also observed for hydrocarbon contents, but, contrary to metals, there is an homogeneous PAH fingerprint at the whole combined sewer scale. This distribution, characterised by the predominance of phenanthrene, pyrene

and fluoranthene, highlights the impact of pyrolytic sources. The second part of this work concerns the

pollutant loads conveyed by the different introductory source pathways to the sewer i.e. roof runoff,

road runoff, including road runoff during rain events and street cleaning, and sewer effluents

(domestic waste waters, restaurant effluents, etc.). Results highlight that both metallic and slate roofs

do not act as sources of hydrocarbons and metals - exclusively originating from atmospheric

depositions - while they act as sources of some heavy metals (Cu, Pb, Ti and Zn). Characterisation of

sediments extracted from lift stations, located near the major road ways of Paris, has shown that contamination levels of road runoff are of 80 and 24 µg.g-1 for aliphatic and aromatic hydrocarbons, and of 27800, 1630, 770, 790, 2.7 µg.g -1 for Fe, Zn, Pb, Cu and Cd, respectively. Study of street cleaning waters has underlined the great quantities of micropollutants produced by the daily street cleaning. Results have shown that, at the "Le Marais" catchment scale (Paris, 4th district), the

contribution of street cleaning waters to the sewer pollution is greater than that for roof runoff. Finally,

hydrocarbon pollution from domestic, restaurant and garage effluents has been studied. At the "Le Marais" catchment scale, aliphatic hydrocarbon fluxes conveyed by these effluents, estimated at 840 and 1230 g.d -1 for resolved and unresolved compounds respectively, are strongly superior to those conveyed by roof runoff and street cleaning waters. This result underlines the major contribution of sewer effluents to the aliphatic hydrocarbon pollution of sewer network.

Keywords

: Combined sewer system, Deposits, Effluent, Hydrocarbons, Metals, PAHs, Runoff. 1

SOMMAIRE

3

SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE

6

I. PRESENTATION DES MICROPOLLUANTS MESURES

10

II. LE RESEAU D'ASSAINISSEMENT

28
III. TRANSPORT : DE L'ATMOSPHERE AU RESEAU D'ASSAINISSEMENT 41

IV. CONCLUSIONS

52
LES MICROPOLLUANTS DANS LE RESEAU D'ASSAINISSEMENT 64

I. INTRODUCTION

65
II. ETUDE A L'ECHELLE D'UN BASSIN VERSANT DE PETITE TAILLE 66

ARTICLE 1

Biofilm in combined sewers: wet weather pollution source and/or dry weather pollution indicator? V. Rocher, S. Azimi, R. Moilleron and G. Chebbo, Water Science and Technology, vol 47 (4), p35-43.68

ARTICLE 2

Hydrocarbons and heavy metals in the different sewer deposits in the "Le Marais" catchment (Paris,

France): stocks, distributions and origins. V. Rocher, S. Azimi, R. Moilleron and G. Chebbo, the Science

of the Total Environment, in press.79 III. ETUDE A L'ECHELLE DU RESEAU D'ASSAINISSEMENT PARISIEN 99

ARTICLE 1

Hydrocarbon pollution fixed to combined sewer sediment: a case study in Paris. V. Rocher, S. Garnaud,

R. Moilleron and G. Chebbo, Chemosphere, vol 54, p795-804.100

ARTICLE 2

Pollution métallique associée au dépôt du réseau d'assainissement de la ville de Paris. V. Rocher, S.

Azimi, S. Garnaud, R. Moilleron et G. Chebbo, Techniques Sciences et Méthodes, n°10 (octobre 2003).114

IV. SYNTHESE DES PRINCIPALES CONCLUSIONS

129
2 LES VOIES D'INTRODUCTION DES MICROPOLLUANTS DANS LE

RESEAU D'ASSAINISSEMENT

131

I. INTRODUCTION

132

II. ETUDE DU COMPARTIMENT ATMOSPHERIQUE

134

ARTICLE

Sources, distribution and variability of hydrocarbons and metals in atmospheric depositions of an urban

area (Paris, France). S. Azimi, V. Rocher, M. Muller, R. Moilleron and D. Thevenot, the Science of the

Total Environment, submitted.136

III. ETUDE DU RUISSELLEMENT DE TOITURES

157

ARTICLE

Hydrocarbons and metals in atmospheric depositions: comparison with roof runoff. V. Rocher, S. Azimi,

J. Gaspéri, L. Beuvin, M. Muller, R. Moilleron and G. Chebbo, Water, Air and Soil Pollution, submitted.158

IV. ETUDE DU RUISSELLEMENT DE CHAUSSEES

176
IV.1. Etude des sédiments de stations de relevage 176

IV.2. Etude des eaux de lavage de la voirie

177

ARTICLE

Hydrocarbures et métaux lourds associés aux sédiments de stations de relevage du réseau d'assainissement

parisien. V. Rocher, J. Gaspéri, S. Azimi, T. Célaudon, R. Moilleron et G. Chebbo, La Houille Blanche,

sous presse.179

ARTICLE

Hydrocarbures et métaux associés aux eaux de lavage de la voirie : cas de la ville de Paris. V. Rocher, S.

Azimi, R. Moilleron, G. Chebbo, La Revue des Sciences de l'Eau, en préparation.195

V. ETUDE DES APPORTS DIRECTS

211

VI. SYNTHESE DES PRINCIPALES CONCLUSIONS

218

CONCLUSION GENERALE

222

Introduction générale

3

INTRODUCTION GENERALE

Le rôle des réseaux d'assainissement est d'évacuer les eaux usées et les eaux pluviales des

centres urbains. Ces réseaux peuvent être séparatifs (eaux usées et pluviales circulant dans des

canalisations séparées) ou unitaires (eaux usées et pluviales circulant dans les mêmes canalisations). Dans les réseaux unitaires (cas de la ville de Paris), les volumes d'effluents transportés

1 par temps de pluie vers les stations d'épuration sont très importants et ne peuvent

être totalement traités. Des déversements ont alors lieu dans le milieu naturel (rivières, lacs,

mer). Ces déversements, communément appelés Rejets Urbains de Temps de Pluie (RUTP),

ont un impact très négatif sur les milieux récepteurs : désoxygénation du milieu due aux

apports de matière organique fortement biodégradable, pollution microbiologique liée à l'apport d'agents pathogènes et pollution chimique par les micropolluants organiques, tels que les hydrocarbures aliphatiques et aromatiques, et les micropolluants minéraux tels que les métaux lourds.

Depuis 1970, de nombreuses études consacrées à la pollution de temps de pluie ont souligné

l'importance de la contribution des dépôts, accumulés dans le réseau d'assainissement par

temps sec, à la pollution des RUTP (Bachoc et al., 1993 ; Chebbo, 1992 ; Gromaire, 1998 ;

Krejci et al., 1987). Les récents travaux menés sur le bassin versant du Marais (Paris, 4ème

arrondissement) ont même montré que la pollution des RUTP provient en grande partie de

l'érosion de la couche organique située à l'interface entre la colonne d'eau et un dépôt plus

minéral (Ahyerre, 1999 ; Gromaire, 1998 ; Oms, 2003).quotesdbs_dbs23.pdfusesText_29

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