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GEOLOGI

École Nationale

Supérieure de

Géologie

Institut National Polytechnique de Lorraine

École Doctorale Sciences et Ingénierie des

Ressources, Procédés, Produits et Environnement rtem

Laboratoire

Environnement et

[\j}2oo3 (LS.t\1\ \\ "-J 1) \?) J MinÈralurgie UMR-CNRS 7569

Thèse

PrÈsentÈe ‡

L'Institut National Polytechnique de Lonaine

Pour l'obtention du titre de

Docteur de l'I.N.P.L

GÈosciences de l'Environnement

Par

Antoine ELSAMRANI

TRAITEMENT DES EAUX PLUVIALES PAR COAGULATION≠ FLOCULATION: SP...CIATION DES ...L...MENTS TRACES,

INFLUENCE DES ANIONS COMPLEXANTS,

ET RECHERCHE SUR LE DEVENIR DES BOUES ¿ PARTIR

DU SYST»ME DE SILICE-PHOSPHATE-FeCl

3 Soutenue publiquement le 15 Mai 2003 devant la commission d'examen

Jean Maurice CASES

Martine MEIRELES

Didier

PERRET

JÈrÙme ROSE

FrÈdÈric VILLI...RAS

Bruno LARTIGES

Patrice ROBAINE PrÈsident

Rapporteur

Rapporteur

Examinateur

Directeur de ThËse

Co-directeur de ThËse

InvitÈ

Ce travail a dÈbutÈ en 1999 au Laboratoire Environnement et MinÈralurgie, Groupe

de Recherche sur l'Eau et les Solides DivisÈs (...cole Nationale SupÈrieure de GÈologie≠

Institut National Polytechnique de Lorraine).

Tout d'abord,

je souhaite rem,ercier Monsieur Jacques Yvon, Directeur du Laboratoire pour son accueil chaleureux et je mesure la chance que j'ai eu d'avoir pu profiter de ses connaissances encyclopÈdiques en minÈralogie. Mes remerciements s'adressent Ègalement à Frédéric Villiéras, Directeur de recherche au CNRS, pour avoir acceptÈ, avec enthousiasme, la direction de ce travail.

Mes plus vifs remerciements vont aussi

à mon co-directeur de thèse, Bruno Lartiges,

Enseignant-Chercheur

à l'ENSG, pour avoir suivi de prËs l'avancement du travail. Des campagnes de prÈlËvement sous la pluie ‡ Boudonville aux rÈunions prÈcieuses, son aide, ses conseils et ses corrections me restent le tÈmoignage de ses qualitÈs scientifiques et humaines.

Qu'il reÁoive ma sincËre gratitude.

Je tiens

‡ remercier respectueusement Monsieur Jean Maurice Cases, Directeur de recherche ÈmÈrite au CNRS, d'avoir acceptÈ de prÈsider le jury de la thËse.

J'exprime

nús sincËres remerciements à Madame Martine Meireles, ChargÈe de recherche au CNRS, et à Monsieur Didier Perret, Professeur à l'EPF de Lausanne, pour avoir acceptÈ la lourde charge d'Ítre rapporteurs de cette thËse. Je suis Ègalement reconnaissant à Monsieur Jérôme Rose, ChargÈ de recherche au CNRS, et à Monsieur Patrice Ra baine, IngÈnieur à la CUGN, qui ont acceptÈ de faire partie de ce jury. La rÈalisation de ce travail a ÈtÈ rendue possible gr'ce au financement de la

CommunautÈ

Urbaine de Grand Nancy (CUGN). Je remercie particuliËrement la direction du service ´Hydraulique Urbaine, Traitement-Epurationª ainsi que la direction et le personnel de la station d'Èpuration des eaux usÈes de MaxÈville.

Je remercie Ègalement Elfatochem, Floerger et

SPCI qui ont fourni gracieusement les

coagulants, les floculants et les particules modËles de Ludox. Mes remerciements vont aussi ‡ l'Èquipe du Service d'Analyse des Roches et des MinÈraux (SARM-CRPG) du Nancy et particuliËrem,ent à Jacques Morel. Je n'oublie pas de remercier Jaafar Ghanbaja (Service

Commun

de Microscopie Electronique à Transmission, UniversitÈ Henri PoincarÈ-Nancy),

Alain Kahler (Service

Commun de Microscopie Electronique à Balayage, UniversitÈ Henri Poincaré-Nancy), Valérie Briois et Fayçale Bouamrane (Laboratoire pour l'Utilisation de Rayonnement Électromagnétique-Orsay) pour leur aide précieuse. Un grand merci à tous ceux qui ont contribué d'une manière symbolique ou significative, aux résultats expérimentaux de cette thèse. Je pense en particulier à Emmanuelle Montargès-Pelletier pour son aide précieuse dans l'interprétation des spectres

EXAFS,

à Odile Barrès pour son aide en spectroscopie infrarouge et à Laurent Michot pour ses conseils scientifiques enrichissants. Je remercie Edith Bouquet, Solange Maddi et Marie

Claude Rouillier

pour avoir assuré la gestion des différentes salles de chimie et ainsi avoir contribué au bon déroulement de la partie expérimentale de ce travail. Je remercie Jean

Claude Woùnbée

pour avoir construit le lest qui facilite le prélèvement en temps de pluie. Je

remercie Guillaume De fontaine qui n'a jamais hésité à venir m'aider prélever même pendant

les ÈvËnenúnts les plus orageux et Karine Devineau, ma collËgue de bureau pour ses discussions enrichissantes et ses encouragements.

Je remercie Ègalement Fabie1i Thomas, le

directeur-adjoint du laboratoire et Nicole Magnabosco, notre secrÈtaire, pour leur disponibilitÈ et leur dynamisme. Je remercie enfin certains stagiaires avec qui j'ai pris plaisir

‡ travailler. Je pense en particulier ‡ Vincent, Dominique, Quentin, Christophe et Nicolas.

Un grand merci à tous les membres du laboratoire, sans lesquels ces quatre dernières années n'auraient pas été aussi agréables et plus particulièrement, Philippe Lambert,

Philippe

de Donato, Philippe Marion, François Lhote, Isabelle Bihannic, Aude-Valérie Jung, Maria do Carma Santos, Elisabeth Schouller, Laurence Balavoine, Jean Luc Bersillon, Raphael Christancho, Yann Duval, Christophe Garnier, Gilles Gérard, Martine Gomez,

Tatiana Garner, El

Aïd Jdid, Mukendi Congolo, Jérôme Labille, Yann Duval, Ela et lerzy Mielczarski, Manuel Pelletier, Dorothée Proffit, Bénédicte PrÈlat, Edesio Barbosa, Malak

Sayed, Robert Joussemet et Gonzalo Montes Atenas.

Je tiens

à remercier les amis qui m'ont toujours témoigné bienveillance et attention, particulièrement Elie et Ahmad.

Enfin,

je terminerai mes remerciements en dédiant ce mémoire à ma famille et à ma fiancée Véronique Kazpard qui m'a toujours dit que dans une situation désespérée, l'initiative et le calme sont les seuls espoirs pour s'en sortir et que les qualités humaines sont souvent évaluées dans les conditions les plus difficiles.

TABLE DES MATI»RES

CHA P 1 T RE 1----------------------------------------------------------------------7

1.1 LE PROBLÈME DES EAUX PLUVIALES EN MILIEU URBAIN---∑

1.2 NA TURE DE LA POLLUTION DES EAUX PLUVIALES----------10

1.2-1 Pollution et toxicitÈ-------------------∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑

∑-10

1.2-2 Nature et spéciation des polluants-------------------------------11

1.2-2-1 La pollution organique------------------------------------------11

1.2-2-2

La pollution inorganique---------------------------------------13

1.2-3 Évaluation de la pollution------------------------------------------16

1.2-3-1 Paramètres globaux---------------------------------------------16

1.2-3-2

Fractionnement granulométrique de la charge polluante-----17

1.2-3-2-1 Suivi de la pollution organique dans différentes

Fractions

19

1.2-3-2-2 Suivi des mÈtaux dans les fractions dissoutes et particulaires---21

1.2-3-3 SpÈciation des mÈtaux lourds----------------------------------22

1.2-3-3-1 MÈtaux stables et labiles dans la phase dissoute------------------22

1.2-3-3-2 Les diffÈrentes formes physico-chimiques des mÈtaux

en Phase patticulaire------------------------------------------------------------ ----23

1.2-4 Origine de la pollution----------------------------------------------25

1.2-4-1 Lessivage de l'atmosphËre-------------------------------------25

1.2-4-2 Lessivages des dÈpÙts urbains---------------------------------26

1.2-4-3 Remise en suspension des dÈpÙts des

rÈseaux d'assainissement--------------------------------------.---------2 7

1.2-5 Répartition des polluants entre les différentes sources----29

1.3 D...POLLUTION DES EAUX PLUVIALES-----------------------------32

1.3-1 Dépollution avant collecte-----------------------------------------32

1.3-2 Dépollution après collecte-----------------------------------------33

1.3-2-1 Infiltration-------------------------------------------------------33

1.3-2-2

Sépara te urs solide-liquide--------------------------------------35

1.3-2-3 Bassins de

stockage et de dépollution-------------------------36

1.3-2-4

Décantation améliorée par traitement physico-chimique------37

1.3-3 Traitement physico-chimique des eaux pluviales------------39

1.3-3-1 Petit bilan des acquis-------------------------------------------39

1.3-3-2

Déstabilisation des suspensions colloïdales par coagulation-flocula ti on--------------------------------------------------41

1. 3-3-2-1 Coagulation-----------------------------------------------------------4 2

1. 3-3-2-3 FI oculati on------------------------------------------------------------46

1.4 OBJECTIFS DE L'...TUDE--------------------------------------------------48

CHAPITRE II-------------------------------------------------------------------5o Il.1 SITE DE PR...L»VEMENT------------------------------------------------51

11.1-1 Localisation et environnement du site------------∑------------51

11.1-2 ModalitÈs du prÈlËvement----------------------------------------54

11.1-3

CaractÈrisation globale des ÈËhantillons------------------------56 Matières en suspension (MS) et matières volatiles (MV) ----------------56 Potentiel d'hydrogène (pH) et conductivitÈ---------------------------------57 Turbidité du surnageant et volume de sédiment ----------------------------53 Titre alcalimétrique complet (T l---------------------------------------------58 . cl..(

11.2 SP...CIA TION DES POLLUANTS-----------------------------------------59

11.2-1

Identification des phases porteuses-----------------------------59

11.2-1-1 PrÈparation des Èchantillons-------------------------------∑---59

11.2-1-2

MÈthodes de spÈciation des ÈlÈments traces------------------61

11.2-1-2-1 Microscopie Èlectronique à transmission------------------------61

11.2-1-2-2 Microscopie électronique

à balayage------:-----:------------------64

II 2 2 S ,

. t" , h" . 66 . -pec1a IOn geoc Imique--------------------------------------------

11.2-2-1 Protocole de l'extraction parallËle---------------------------67

11.2-2-2

Techniques d'analyse-----------------------------------------69

11.3 TRAITEMENT PHYSICO-CHIMIQUE DES

EAUX US...ES ET DES EAUX PLUVIALES--------------------------------71

11.3-1

TraitabilitÈ des eaux par Jar-Test------------------------------71

11.3-1-1 Les agents coagulants----------------------------------------71

11.3-1-2

Les agents floculan ts-----------------------------------------72

11.3-1-3

Le rÈacteur de mÈlange---------------------------------------73

11.3-2 ...tude des suspensions coagulÈes--------------------------------74

2

11.3-2-1 Description d'un ----7 4

11.3-2-2

Caractérisation des flocs formés-----------------------------75

11.3-2-2-1 Mobilité électrophorétique ---------------------------------------7 5

11.3-2-2-2 Etude de la taille des agrÈgats------------------------------------75

11.3-2-3 CaractÈrisation des sÈdiments coagulÈs----------------------79

11.3-2-3-1 La spectroscopie infrarouge---------------------------------------79

1!.3-2-3-2 DÈtermination de l'environnement local des atomes de fer

par spectromÈtrie d'absorption X CHA P 1 T RE 111-------------------------------------------------------------------81

111.1 IDENTIFICATION DES PORTEURS DES ...L...MENTS

TRACES DANS LES EFFLUENTS UNITAIRES EN TEMPS

SEC ET EN TEMPS DE PLUIE ------------------------------------------------82quotesdbs_dbs22.pdfusesText_28

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