Cette étude de cas réalisée au complexe sportif de Ste-Foy avait pour objectif principal d'évaluer les performances hydrauliques et épuratoires des pratiques de gestion optimales (PGOs), en l'occurrence des systèmes de bio-rétention, dans un climat nordique comme au Québec. À partir de cet objectif général, plusieurs objectifs spécifiques ont été ressortis. Sur le plan qualitatif, il s'agissait d'effectuer la caractérisation du ruissellement urbain, la mesure de l'impact d'une fosse de décantation et enfin l'étude de l'homogénéité des polluants sur un stationnement. Les concentrations en polluants obtenues sont de façon générale, 22 à 317 mg /L pour les matières en suspension (MeS), < 0,3 à 2,6 mg/L pour l'azote total (NT), < 0,03 à 1,74 mg/L pour le phosphore total (PT) et 36 à 419 mg/L pour la demande chimique en oxygène (DCO). Ces différentes concentrations ont été obtenues à l'entrée ayant la plus grande aire tributaire. En effet, les concentrations en polluants ne sont pas homogènes sur tout le stationnement et dépendent des facteurs tels que le trafic et l'aire de drainage. Par ailleurs, la fosse de décantation n'a pas eu d'impact sur la concentration en MeS. L'efficacité épuratoire de la bio-rétention n'a pu être démontrée en raison des conditions du site. / The main objective of this case study at the Ste-Foy sports complex was to evaluate the hydraulic and purification performance of best management practices, in this case bio-retention systems in a northern climate such as Quebec. From this general objective, several specific objectives have emerged. Qualitatively, the objective was to characterize urban runoff, measuring the impact of a settling pit and finally studying the homogeneity of pollutants on a parking lot. The pollutant concentrations obtained are from 22 to 317 mg /L for suspended matter (SS), < 0.3 to 2.6 mg /L for total nitrogen (TN), < 0.03 to 1.74 mg /L for total phosphorus (TP) and 36 to 419 mg /L for chemical oxygen demand(COD). These different concentrations were obtained at the entrance with the largest tributary area. Indeed, pollutant concentrations are not homogeneous throughout the parking lot and depend on factors such as traffic and drainage area. In addition, the settling pit had no impact on the SS concentration. The performance of the bio-retention could not be demonstrated due to site conditions.

Cette étude de cas réalisée au complexe sportif de Ste-Foy avait pour objectif principal d'évaluer les performances hydrauliques et épuratoires des pratiques de gestion optimales (PGOs), en l'occurrence des systèmes de bio-rétention, dans un climat nordique comme au Québec. À partir de cet objectif général, plusieurs objectifs spécifiques ont été ressortis. Sur le plan qualitatif, il s'agissait d'effectuer la caractérisation du ruissellement urbain, la mesure de l'impact d'une fosse de décantation et enfin l'étude de l'homogénéité des polluants sur un stationnement. Les concentrations en polluants obtenues sont de façon générale, 22 à 317 mg /L pour les matières en suspension (MeS), < 0,3 à 2,6 mg/L pour l'azote total (NT), < 0,03 à 1,74 mg/L pour le phosphore total (PT) et 36 à 419 mg/L pour la demande chimique en oxygène (DCO). Ces différentes concentrations ont été obtenues à l'entrée ayant la plus grande aire tributaire. En effet, les concentrations en polluants ne sont pas homogènes sur tout le stationnement et dépendent des facteurs tels que le trafic et l'aire de drainage. Par ailleurs, la fosse de décantation n'a pas eu d'impact sur la concentration en MeS. L'efficacité épuratoire de la bio-rétention n'a pu être démontrée en raison des conditions du site. / The main objective of this case study at the Ste-Foy sports complex was to evaluate the hydraulic and purification performance of best management practices, in this case bio-retention systems in a northern climate such as Quebec. From this general objective, several specific objectives have emerged. Qualitatively, the objective was to characterize urban runoff, measuring the impact of a settling pit and finally studying the homogeneity of pollutants on a parking lot. The pollutant concentrations obtained are from 22 to 317 mg /L for suspended matter (SS), < 0.3 to 2.6 mg /L for total nitrogen (TN), < 0.03 to 1.74 mg /L for total phosphorus (TP) and 36 to 419 mg /L for chemical oxygen demand(COD). These different concentrations were obtained at the entrance with the largest tributary area. Indeed, pollutant concentrations are not homogeneous throughout the parking lot and depend on factors such as traffic and drainage area. In addition, the settling pit had no impact on the SS concentration. The performance of the bio-retention could not be demonstrated due to site conditions.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / La sédimentation des particules contenues dans les eaux de ruissellement est reconnue comme étant le phénomène le plus important pour l'amélioration de la qualité de l'eau en bassin de rétention avant son rejet au milieu récepteur. Ce projet de maîtrise vise à apporter des éléments clés dans sa compréhension. L'objectif est de mettre en place un protocole de mesure de vitesses de chute adapté aux besoins du projet. La combinaison de ces vitesses à l'évaluation de la distribution de la taille des particules fournira des informations sur l'influence des temps de rétention en bassin autant du point de vue qualité de l'eau que sur le gain en termes de décantation physique des particules. L'objectif est donc d'obtenir des résultats décrivant les vitesses de chute des particules contenues dans les eaux de ruissellement et les diamètres de ces particules. Un protocole devra aussi être élaboré afin de mesurer cette dernière caractéristique. D'un point de vue gestion du bassin, il y a aussi un objectif visant à mettre en lumière l'existence ou non de relations entre le type d'événement pluvieux et les vitesses de chute enregistrées. À l'été 2008 et 2009, des campagnes de mesures ont été menées afin de récolter des données sur la qualité des eaux de ruissellement dans une zone résidentielle typique de Québec et des eaux à l'intérieur du bassin. L'évaluation des différents protocoles existants permettant de mesurer la vitesse de sédimentation a mené à l'emploi du protocole ViCAs élaboré à Lyon en France. Les résultats obtenus à partir du ViCAs ont permis de fractionner sous différentes classes de vitesse de chute les échantillons composites récupérés à l'entrée et à la sortie du bassin de rétention étudié. Les proportions de chaque classe varient grandement d'un événement à l'autre. Leur mise en relation avec les caractéristiques des événements pluvieux ayant généré ces eaux de ruissellement a permis de conclure que les vitesses de chute sont proportionnelles à l'intensité de pluie maximale, à la hauteur de précipitation et au volume ruisselé. La durée de l'événement a aussi un effet notable, mais non linéaire. Les essais sur le terrain combinés à ceux du laboratoire permettent de croire qu'une période de décantation de deux jours et demi entraîne l'enlèvement maximal atteignable des matières en suspension. Par contre, la comparaison des mesures de distribution de taille de particules, effectuées sur les échantillons composites des eaux de ruissellement, avec les distributions de vitesses de chute n'a pu mener à des conclusions. Il ne semble pas possible de faire un lien direct entre ces deux variables.

Pour permettre l’amélioration de l’écohydraulique des rivières en temps de pluie, le développement de règles de contrôle en temps réel de vannes placées à la sortie de bassins d’orage demande une analyse à long terme de différentes options, intégrant la prévision météorologique, la qualité de l’eau de la rivière à l’amont du rejet, le débit de la rivière et la qualité de l’eau dans le bassin d’orage, pour permettre l’amélioration de l’écohydraulique des rivières. Pour cela, l’idéal est de tester ces règles à l’aide d’un modèle intégré du système « bassin versant – bassin d’orage – rivière ». Pour pouvoir faire des simulations à long terme, il faut un modèle de bassin d’orage rapide, qui permette de simuler la qualité de l’eau dans le bassin de façon précise quelles que soient les conditions d’exploitation. L’objet de cette thèse de doctorat a été de développer ce modèle de bassin d’orage. Ce modèle se base sur le principe de couches complètement mélangées superposées permettant de créer un gradient de concentrations pour représenter des phénomènes locaux tel que la pénétration de la lumière influençant la mortalité des pathogènes. Il se base également sur la définition de plusieurs classes de particules caractérisées par leurs vitesses de sédimentation, ces dernières étant déterminées expérimentalement à l’aide de tests ViCAs. Il incorpore également des polluants associés aux particules. L’élément de base, nommé cellule, est défini par une surface et une hauteur maximale au-delà de laquelle il y a débordement. Chaque cellule possède un volume d’eau variable dans le temps, divisé en plusieurs couches superposées, et d’une couche de sédiment de volume constant dans le temps. Pour reproduire le volume d’un bassin d’étude, il est nécessaire de connecter plusieurs cellules les unes avec les autres. Ces connexions se font alors couche à couche ayant comme conditions que les niveaux d’eau de toutes les cellules soient à la même hauteur. Un modèle théorique d’évolution des concentrations en pathogènes incluant des processus complexes comme la croissance, l’adsorption sur les particules et la désinfection par la lumière a également été développé. Le calage du modèle a nécessité la collecte de données expérimentales; des campagnes de mesure ont été effectuées lors des étés 2008, 2009 et 2010 sur le bassin Chauveau de l’arrondissement des Rivières de la ville de Québec. Dans un premier temps, l’efficacité du bassin dans son fonctionnement actuel a été déterminée. Une efficacité moyenne d’épuration de 39% sur les matières en suspension (MeS), de 10% sur l’azote ammoniacal et de 20 % sur le zinc a été mise en évidence. Dans un deuxième temps, la sortie du bassin a été fermée à l’aide d’une structure de bois avec une porte guillotine permettant la rétention de l’eau pendant des durées variables. Cette deuxième configuration du bassin a permis d’améliorer l’efficacité du bassin de façon très importante pour les MeS (90%), l’azote ammoniacal (84%) et le zinc (42%). Des prélèvements ponctuels ont également été faits à l’intérieur du bassin, révélant une hétérogénéité des mesures en MeS entre la zone proche de l’entrée et la zone proche de la sortie, durant les 20 premières heures d’emmagasinement. Le modèle a montré sa capacité à reproduire le comportement de la concentration en matières en suspension à l’aide de 3 classes de particules associées à des vitesses de sédimentation de 80, 2 et 0.1 m/d. La représentation hydraulique du modèle a nécessité l’emploi de 5 cellules pour recréer l’hétérogénéité spatiale révélée par les campagnes d’échantillonnage. Finalement, une fonction de débit de resuspension a permis de modéliser les concentrations à la sortie du bassin d’orage. La validation a confirmé les bonnes performances du modèle pour l’hydraulique et la prédiction des matières en suspension en sortie de bassin. Elle a néanmoins révélé plusieurs points qui nécessiteraient des recherches plus approfondies : la définition du débit de resuspension des sédiments, la détermination de la masse initiale de sédiments dans le bassin, la possibilité d’utiliser plus de cellules pour mieux représenter le comportement hydraulique et l’intérêt de collecter des analyses ViCAs associés à chaque phase du pollutogramme de la pluie (début, pic de débit et fin). Avec ce modèle, les stratégies de gestion en temps réel de la vanne de sortie des bassins d’orage peuvent maintenant être déterminées. / The development of real-time control rules of sluice gates located at a stormwater basin outlet requires testing various options, taking in account weather forecasts, water quality of the upstream river, river flow and water quality in the stormwater basin, by using long-term simulations to allow improved ecohydraulics of rivers. To do so, these rules have to be tested by using an integrated “watershed - storm basin – river” system. In order to perform long-term simulations, a stormwater basin model with small computation time is needed, which simulates the water quality in the basin accurately in function of imposed operating conditions. The purpose of this thesis was to develop such stormwater basin model. The developed model is based on superimposed homogeneous layers creating a concentration gradient to represent local phenomena such as light penetration affecting the mortality of pathogens. It is also based on the definition of several particle classes characterized by their settling velocities; the latter being determined experimentally using ViCAs tests. It also includes pollutants associated with particles. The basic unit, called cell, is defined by a surface and a maximum height above which water overflows. Each cell has a time-variable water volume, divided into several layers and a constant volume sediment layer. To reproduce spatial heterogeneity of an experimental stormwater basin, it is necessary to connect several cells. Connections are then done layer by layer with the condition that the water levels of all cells are at the same water height. A theoretical model describing the concentrations of pathogens, including complex processes such as growth, adsorption on particles and light disinfection has also been developed The calibration of the model required experimental data which were collected by sampling in the summers of 2008, 2009 and 2010 on the basin Chauveau in the “des Rivières” district of Quebec City. First, the efficiency of the basin in its current operation was determined. An average removal efficiency of 39% for total suspended solids (TSS), 10% for ammonia and 20% for zinc was revealed. In a second step, the stormwater basin outlet was closed with a wooden structure equipped with a guillotine door to retain the water for varying periods of time. The second configuration of the basin significantly improved the efficiency of the basin for TSS (90%), ammonia (84%) and zinc (42%). Samples were also collected within the basin, revealing heterogeneity in TSS measurements between the area near the inlet and the area near the outlet for the first 20 hours of storage. The model showed its ability to adequately reproduce the behavior of the TSS concentrations using three particle classes defined by settling velocities of 80, 2 and 0.1 m/d. For the hydraulics, five cells were required to recreate the spatial heterogeneity revealed by the sampling campaigns. Finally, the addition of a resuspension flowrate was needed to model the increased outlet TSS concentrations at the end of emptying. The validation confirmed the good performance of the model for the hydraulics and the prediction of outlet TSS concentration. It has also revealed several points that require further research: the definition of the sediment resuspension flowrate, determination of the initial mass of sediments in the stormwater basin, the possibility of using more cells to better represent the hydraulics and the interest of running ViCAs tests associated with each phase of the runoff (the beginning, the flow peak and the end). With this model, real-time control strategies for the outlet valve can now be tested.

En France, face aux problèmes liés au réseau d’assainissement hérité du XIXème siècle, une solution consiste à gérer les eaux pluviales par des techniques « alternatives » au réseau. Le « tout tuyau » fait place à un ensemble d’objets techniques hybrides, composés d’éléments naturels et de matériaux synthétisés. Ces « objets de nature » présentent une apparence mixte (naturelle/artificielle) et assurent des fonctions multiples qui peuvent rendre leur intégration difficile. Dans quelles mesures l’appropriation des objets de nature par les publics est-elle difficile? Comment s’établit la place des objets de nature dans la ville? Cette thèse vise plusieurs objectifs. Il s’agit de renseigner les relations entre publics et objets de nature, d’obtenir des éléments sur les pratiques et usages des publics et d’apporter une réflexion sur la manière d’étudier les comportements humains. Pour se faire, trois enquêtes basées sur de l’observation directe doublée par une prise d’images systématisée ont été menées au cours de quatre saisons et à travers 12 études de cas réparties au sein de la métropole lyonnaise. Ces enquêtes ont tout d’abord permis de préciser la construction de l’objet de nature en tant qu’instrument à travers le concept de genèse instrumentale de Rabardel. Ensuite, les pratiques, usages ainsi que les conditions d’utilisation des dispositifs ont pu être définis grâce aux comportements observés chez les publics. Enfin, les avantages et limites de l’observation directe et des conditions d’analyse des données ont été discutés dans le but d’apporter des pistes d’amélioration à cette méthodologie pour de futures études. / To better manage storm water and to respond to problems related to the sanitation networks conceived in the 19th Century, some alternative techniques, other than networks, are being put forward. The “all tubes” concept is giving way to various technical objects of a hybrid nature made up of natural components and synthesized material. The physical appearance of these “natural objects” is double (both natural and artificial) and they fulfil various purposes. Thus, their insertion in the landscape can be delicate. How are these natural objects seized by society? In this process are any difficulties encountered? How is the place for natural objects defined in a city? The purpose of this dissertation is triple: (1) gather information on the relationship between societies and natural objects, (2) collect data on the public's use and practices, (3) discuss a methodology to study human behavior. Three inquiries were carried out during the four seasons of the year and in twelve sites; they were based on direct observation and systematized photography. Based on the fieldwork and the concept of “genèse instrumentale” developed by Rabardel, a discussion was developed on the building of a natural object as a tool. Subsequently, based on the observation of the public, practices, uses and the conditions in which these natural objects are used were defined. The dissertation concludes by highlighting the advantages and the limits of direct observation, and by developing the biases such as the context in which the data was analyzed, in order to suggest some possible methodological enhancements which could help future studies.

Ce travail de thèse a évalué les niveaux et les voies d'introduction de la contamination en micropolluants des eaux pluviales d'un petit bassin versant urbain, et mis en évidence les impacts de l'utilisation de techniques alternatives (TA) sur les flux d'eau et de contaminants. Quatre bassins versants à Noisy-le-Grand, homogènes par leur taille et leur occupation du sol (1 à 2 ha, résidentiel dense), et présentant une diversité de gestion des eaux pluviales (séparatif classique et différentes combinaisons de TA) ont été étudiés. La présence d'un certain nombre de substances prioritaires de la directive cadre européenne sur l'eau (HAP, alkylphénols, phtalates, diuron, isoproturon, atrazine, plomb) a été mise en évidence dans les eaux pluviales d'un bassin versant amont, à des niveaux de contamination globalement plus faibles qu'à l'aval des réseaux séparatifs. Cette contamination est tout de même significative pour certains paramètres qui ont été mesurés au dessus des normes de qualité. Pour le zinc, la contamination à l'amont est même plus élevée qu'à l'aval du fait de l'émission par des matériaux de couverture.Ce travail a montré que les TA diminuent les volumes d'eau rejetés vers l'aval d'environ 50% et réduisent les masses de contaminants émises de 20 à 80% (MES, DCO, PCB, HAP, alkylphénols, métaux traces). Cette réduction de masse est essentiellement liée à la diminution de volume, l'effet épuratoire sur les concentrations n'étant pas systématiquement mis en évidence. L'amplitude de ces effets varie suivant l'importance de la pluie, mais surtout en fonction du type d'ouvrage mis en place.La gestion à l'amont des eaux pluviales est donc à favoriser car elle évite la sur-contamination liée aux processus en réseau (mauvais branchements, érosion...). Elle permet de séparer les eaux peu chargées (infiltration ou rejet au milieu) des effluents contaminés qui pourront être traités localement ou à l'aval. Dans un objectif de réduction des flux polluants la conception des TA devra prendre en compte les pluies courantes et non pas seulement les événements exceptionnels

Ce travail de thèse a évalué les niveaux et les voies d'introduction de la contamination en micropolluants des eaux pluviales d'un petit bassin versant urbain, et mis en évidence les impacts de l'utilisation de techniques alternatives (TA) sur les flux d'eau et de contaminants. Quatre bassins versants à Noisy-le-Grand, homogènes par leur taille et leur occupation du sol (1 à 2 ha, résidentiel dense), et présentant une diversité de gestion des eaux pluviales (séparatif classique et différentes combinaisons de TA) ont été étudiés. La présence d'un certain nombre de substances prioritaires de la directive cadre européenne sur l'eau (HAP, alkylphénols, phtalates, diuron, isoproturon, atrazine, plomb) a été mise en évidence dans les eaux pluviales d'un bassin versant amont, à des niveaux de contamination globalement plus faibles qu'à l'aval des réseaux séparatifs. Cette contamination est tout de même significative pour certains paramètres qui ont été mesurés au dessus des normes de qualité. Pour le zinc, la contamination à l'amont est même plus élevée qu'à l'aval du fait de l'émission par des matériaux de couverture.Ce travail a montré que les TA diminuent les volumes d'eau rejetés vers l'aval d'environ 50% et réduisent les masses de contaminants émises de 20 à 80% (MES, DCO, PCB, HAP, alkylphénols, métaux traces). Cette réduction de masse est essentiellement liée à la diminution de volume, l'effet épuratoire sur les concentrations n'étant pas systématiquement mis en évidence. L'amplitude de ces effets varie suivant l'importance de la pluie, mais surtout en fonction du type d'ouvrage mis en place.La gestion à l'amont des eaux pluviales est donc à favoriser car elle évite la sur-contamination liée aux processus en réseau (mauvais branchements, érosion...). Elle permet de séparer les eaux peu chargées (infiltration ou rejet au milieu) des effluents contaminés qui pourront être traités localement ou à l'aval. Dans un objectif de réduction des flux polluants la conception des TA devra prendre en compte les pluies courantes et non pas seulement les événements exceptionnels / This thesis aimed at evaluating the contamination of urban stormwater from an upstream watershed by micropollutants and their introduction pathways, and estimating the hydrological effects and the pollutant removal performances of Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS). Four watersheds located in Noisy-le-Grand were studied. They had comparable sizes (1 to 2 ha) and land use patterns (dense residential), but one was drained by a classical separate sewers system, and the other was managed by SUDS.We showed that stormwater from an upstream watershed is contaminated by some priority substances of the Water Framework Directive (PAHs, alkylphenols, phtalates, diuron, isoproturon, atrazine, lead), but at lower levels than the downstream. The concentrations of some parameters still excede the quality standards. Zinc concentrations are even higher than downstream, as a result of emissions from metallic materials from roong.SUDS reduce the volume of surface water discharged by 50 %. The mass of contaminants also decreases by 20 to 80 % (SS, COS, PCB, PAH, alkylphenol, metals). The discharge reduction is mainly due to water losses, whereas removal performances on concentrations are not systematically highlighted. These effects vary with rainfall and particularly with the type of SUDS.The upstream management of stormwater should be encouraged to avoid over contamination due to processes in sewer systems (erosion, bad connections...). Lightly contaminated effluents (infiltration or discharge to middle) can be separated from strongly contaminated ones that can be treated locally or downstream. In order to integrate depollution goals, the design of SUDS, currently based on exceptional events, should also rely on frequent events

Les phtalates et les alkylphénols sont des composés organiques générés par l'industrie chimique, qui entrent dans la composition des matières plastiques, pour les phtalates, et des détergents, pour les alkylphénols. Leurs productions mondiales avoisinent les 6 millions de tonnes pour les phtalates et 500 000 tonnes pour les alkylphénols. Ces composés sont considérés comme ubiquitaires dans l'environnement, c'est-à-dire qu'ils sont retrouvés dans tous les compartiments environnementaux (de l'atmosphère au milieu naturel). Par ailleurs, ils sont considérés comme des perturbateurs endocriniens et peuvent donc causer des dommages aux faunes et flores présentes dans le milieu naturel. Ce travail de thèse a permis de déterminer les niveaux de contamination des eaux usées en phtalates et alkylphénols dans plusieurs compartiments environnementaux situés en zone urbaine. Ainsi, des prélèvements effectués, par temps sec, ont permis de déterminer la qualité des eaux brutes vis-à-vis des paramètres globaux, des phtalates et des alkylphénols dans les rejets industriels, domestiques, les émissaires parisiens ainsi que dans les eaux usées transitant au sein d'une station d'épuration majeure d'Ile-de-France (Seine Centre, Colombes, 92). Ces résultats reflètent certaines spécificités et disparités du réseau d'assainissement, notamment marqués par la forte variabilité qui entoure, à la fois, le prélèvement et les niveaux de contamination par ces micropolluants. Au niveau des rejets industriels, de forts contrastes ont été observés entre les différents secteurs répertoriés (traitement des textiles, traitement de surface, métallurgie, industries pharmaceutiques, etc.). Globalement, les résultats des flux par équivalent-habitant soulignent que les apports domestiques sont la première source de contamination pour ces polluants en région parisienne. En effet, la contribution des apports industriels est inférieure à 5 %, pour tous les composés, quelque soit le secteur industriel considéré. L'étude des émissaires parisiens a permis de montrer une certaine stabilité temporelle de la qualité des effluents dans la partie avale du réseau d'assainissement. En revanche, cette étude a également mis en exergue des divergences et des similitudes entre les sous-bassins versants drainés par les différents émissaires. Ainsi, une étude statistique a montré que les émissaires Saint Denis Achères et Clichy Achères Argenteuil apparaissent significativement plus contaminés que les émissaires Sèvres Achères Reuil et Clichy Achères Bezons. Au niveau de l'efficacité des ouvrages de traitement, les résultats obtenus pour la station d'épuration de Seine Centre ont confirmé son efficacité pour les paramètres globaux communément utilisés pour déterminer la qualité des eaux usées. D'autre part, les résultats obtenus sur l'abattement des phtalates et des alkylphénols (rendements supérieurs à 83 % pour tous les composés) soulignent que même si les stations d'épuration ne sont, initialement, pas construites pour réduire et/ou éliminer les micropolluants, elles y parviennent de façon significative. A l'échelle des ouvrages, le traitement primaire par décantation physico-chimique lamellaire a permis de mettre en évidence l'élimination des polluants hydrophobes tels que le DEHP, le NP, le DnBP et le BBP. Le traitement secondaire par biofiltration a mis en exergue son efficacité à abattre significativement tous les polluants, aussi bien les composés légers (DEP) que les autres composés / Phthalates and alkylphenols are organic molecules generated by the chemical industry, entering the composition of plastics, for phthalates, and detergents for alkylphenols. Their worldwide productions are around 6 million tons and 500,000 tons, respectively. It is now obvious from the concentrations and contents measured in the various environmental compartments that phthalates and alkylphenols are ubiquitous environmental contaminants. Indeed, they are found in all environmental compartments (from the atmosphere to the natural environment) at significant levels. These contaminants are also recognized as endocrine disrupting compounds and can cause damages to fauna and flora present in the natural environment. This work has identified levels of wastewater contamination of phthalates and alkylphenols in various environmental compartments in urban areas. Thus, samples taken, during dry weather periods, were used to determine the quality of raw water for global parameters, phthalates and alkylphenols within industrial and domestical discharges as well as the sewer network and a major Parisian sewage treatment plant (Seine Centre, Colombes, 92). These results reflect certain characteristics and disparities of the sewer network, including both high variability of the sampling and the contamination levels by these micropollutants. For industrial discharges, significant disparities have been observed between the different sectors listed (textile manufacturing, surface treatment, metallurgy, pharmaceutical industries, etc.). Overall, the results confirm that household inputs correspond to the first source of contamination in Parisian conurbation. Indeed, the contribution of industrial inputs is less than 5%, for all compounds, whatever the industrial sector. The study of the Parisian sewer network showed some temporal stability of wastewaters in the downstream part. This work however also highlighted disparities and similarities between the sub-watersheds drained by the sewer network. Thus, the northern part of the Parisian network (SDA and CAA) appears to be more contaminated than the Southern part (CAB and SAR).The results obtained for Seine Centre wastewater treatment plant (WWTP) confirms the effectiveness of the treatment processes on the removal on the routine water quality parameters. Additionally, the results on the elimination of phthalates and alkylphenols in sewage treatment plant (yields above 83% for all compounds) confirm that even if WWTP are initially not designed for reducing and/or eliminating micropollutants, they proceed significantly. During primary treatment, physicochemical lamellar clarification underlined the removal of hydrophobic pollutants such as DEHP, NP, DnBP and BBP. During the secondary treatment, biofiltration highlighted its effectiveness in eliminating all pollutants, as well as volatile compounds (DEP) and other contaminants

Les ouvrages de biofiltration, systèmes végétalisés conçus pour le stockage, la filtration et éventuellement l’infiltration de l’eau, peuvent contribuer à une meilleure maîtrise du flux polluant associé au ruissellement de voirie. La capacité de ce type de système à réduire les flux de macropolluants, tels que les matières en suspension (MES) et les nutriments, via une amélioration de la qualité de l’eau combinée à une réduction de son volume, est avérée. Cependant, le comportement de micropolluants dans ces systèmes reste relativement peu documenté. Ce travail de thèse s’intéresse donc à la rétention et le devenir de micropolluants dans un système de biofiltration des eaux de voirie. Il s’articule principalement autour du suivi in situ d’un panel diversifié de micropolluants caractéristiques des eaux de voirie (éléments traces métalliques ou ETM, hydrocarbures totaux, hydrocarbures aromatiques polycycliques ou HAP, BPA, alkylphénols, phatalates) et d’indicateurs globaux dans un accotement filtrant et une noue filtrante, situés en bordure d’une route départementale. Ce suivi comporte des mesures débit métriques et de qualité d’eau en continu, un travail d’échantillonnage et d’analyse du ruissellement brut et des eaux traitées par les deux ouvrages (dix-neuf événements pluvieux étudiés au cours d’un an et demi) et un travail d’échantillonnage et d’analyse du sol. Cette démarche est couplée à une caractérisation du substrat filtrant et des matériaux de construction en laboratoire et à une approche de modélisation stochastique pour évaluer le bilan de masse annuel de polluants dans la noue filtrante. Ce suivi démontre la capacité de la biofiltration à réduire de façon significative les concentrations totales en micropolluants à l’échelle de l’événement pluvial. Le traitement est particulièrement efficace pour les contaminants associés majoritairement aux MES, tels que le Zn, le Pb et les HAP pour lesquels la réduction médiane des concentrations événementielles (EC50) est supérieure à 90% dans les deux ouvrages. Pour le Cu, le Cr, le Ni et l’OP, les EC50 sont bonnes, supérieures à 70%. L’efficacité est moindre et plus variable pour les autres micropolluants organiques. Trois événements, caractérisés par une performance dégradée vis-à-vis des MES et des polluants particulaires, ont néanmoins été observés lors de l’application du sel de déverglaçage en hiver. La nature des particules indique que ce comportement soit dû à une mauvaise filtration de particules issues de la route, probablement liée à l’abondance exceptionnelle de particules fines (<10 µm) dans les eaux de voirie pendant cette période, combiné à une fissuration du substrat filtrant, menant à des écoulements préférentiels. La rétention de la phase dissoute des micropolluants est généralement moins efficace que celle de la phase particulaire ; des concentrations élevées ont notamment été observées pour certains micropolluants dissous (BPA, alkylphénols, phtalates) en sortie de la noue filtrante pendant les premiers mois de fonctionnement. Le transport des ETM dissous semble être facilité par leur association avec le carbone organique dissous ; ils sont aussi susceptibles d’être lixiviés à partir du sol contaminé ou des particules issues de la route. La rétention des micropolluants organiques dissous est limitée essentiellement par la contamination du substrat filtrant, dont l’origine est soit antérieure à son installation dans le biofiltre (cas des HAP), soit liée à des émissions de polluants depuis les matériaux de construction (cas probable pour BPA, OP, NP, DEHP).L’établissement du bilan de masse à l’échelle annuelle montre que l’abattement du flux polluant annuel est plus faible que l’EC50, du fait d’une surverse fréquente de l’ouvrage. Il met aussi en évidence l’ampleur des émissions de certains micropolluants organiques depuis les matériaux de construction de l’ouvrage, qui dépassent largement le flux polluant intercepté au cours de la première année / Biofiltration is a technique based on vegetated systems for the temporary storage, filtration and possible infiltration of runoff water close to the source, which may be used to manage pollutant loads associated with road runoff. The ability of this type of system to reduce loads of macropollutants, such as suspended solids and nutrients, both through the improvement of water quality and the reduction of its volume, has been established previously. However, the behavior of micropollutants in these systems remains relatively uncharacterized. The objective of the present work is to evaluate the retention and fate of micropollutants in a biofiltration system treating road runoff. It is principally focused on the in situ monitoring of a wide range of micropolltuants typical of road runoff (trace metals or TMs, total petroleum hydrocarbons, polycyclic aromatic hydrocarbons or PAHs, alkylphenols, BPA, phtalates) and global water quality parameters in two biofiltration systems located beside a highway: a vegetative filter strip and a biofiltration swale. This work involves continuous flow and water quality measurements, the sampling and analysis of runoff and infiltrated water drained from both systems (nineteen rain events over a year-and-a-half period) as well as the sampling and analysis of soil. These results are combined with a laboratory characterization of the filter media and biofilter construction materials and a stochastic modeling approach used to evaluate the annual mass balance of pollutants in the biofiltration swale. Field results highlight the ability of biofiltration to significantly reduce total concentrations of micropollutants at the event scale. Treatment is particularly effective for contaminants mainly associated with suspended solids, such as Zn, Pb and PAHs, for which median concentration reductions (EC50) exceeded 90% in both systems. EC50 observed for Cu, Cr, Ni and OP are also quite good, exceeding 70%. Treatment efficiency is lower and more variable for the other organic micropollutants. Three events, characterized by a degraded performance with respect to suspended solids and particulate pollutants, were, however, observed during a winter period when deicing salt was applied to road surfaces. Particle characteristics indicate that this behavior was due to the poor filtration of road-originated particles, probably due to an exceptional abundance of fine particles (<10 µm) in the road runoff during this period, in combination with the formation of preferential flows in the filter media due to cracking. The retention of dissolved-phase micropollutants is generally less effective than that of the particulate phase; in particular, elevated dissolved concentrations of several micropollutants (BPA, alkylphenols, phthalates) were observed during the first months of operation of the biofiltration swale. The transport of dissolved TMs appears to be facilitated by their association with dissolved organic carbon. These contaminants may also be leached from contaminated soil and road sediments. The retention of dissolved organic micropollutants is essentially limited by filter media contamination, which predates installation in the biofilter for PAHs and is attributed to pollutant emissions from construction materials for BPA, OP, NP and DEHP.In order to evaluate the systems’s ability to reduce pollutant loads and characterize the fate of pollutants in the filter media, a mass balance is evaluated at the annual scale for a selection of micropollutants. This work reveals that the reduction of pollutant loads is generally lower than the EC50 observed at the event scale due to the frequent overflow of water from the device. It also shows the significance of organic micropollutant emissions from biofiltration swale construction materials, which were much greater than the pollutant loads intercepted over the first year of operation

Ce document synthétise l'ensemble des mes activités de recherche depuis mon doctorat, obtenu en 2006, jusqu'à mes travaux les plus récents et en cours effectués au Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbains (LEESU) où je suis maître de conférences depuis 2007. Le LEESU est un laboratoire commun à l'Université Paris-Est Créteil Val de Marne (UPEC), l'Ecole des Ponts ParisTech, l'Université Paris-Est Marne-la-Vallée (UPEMLV) et AgroParisTech. L'objectif de mes travaux est d'obtenir une vision intégrée des micropolluants organiques en milieu urbain, de leur émission au milieu récepteur. Ils sont orientés vers les polluants prioritaires de la Directive cadre sur l'eau (DCE, Directive 2000/60/CE), les hydrocarbures aromatiques polycycliques, les polybromodiphényléthers, les alkylphénols, le bisphénol A et les phtalates. Ils s'intéressent d'une part à la production de polluants sur les surfaces urbaines, à leur transfert à différentes échelles, à leur comportement au sein des filières de traitement et finalement à leur devenir dans les milieux récepteurs. Après une introduction dédiée au contexte scientifique, j'ai opté pour une présentation de ce manuscrit selon 4 blocs regroupant la quasi-totalité de mes activités. Bien que perméables, ces blocs se structurent selon le devenir des micropolluants dans les eaux urbaines : * De l'atmosphère aux eaux de ruissellement ; * Dans les réseaux d'assainissement ; * Dans les filières de traitement ; * Dans les milieux récepteurs.