Thèse de doctorat : Géosciences : INPL : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Les préoccupations croissantes concernant les micropolluants présents dans les biosolides et les options d'élimination limitées ont entraîné un défi de plus en plus important en matière d'élimination des biosolides. La pyrolyse semble être une solution prometteuse, convertissant les biosolides en gaz de synthèse, en deux phases liquides et en biochar. Le biochar, en particulier, suscite un intérêt croissant en tant qu'amendement de sol en raison de ses propriétés bénéfiques pour les cultures et de son potentiel en tant que méthode d'élimination du carbone. Cependant, son application dans l'agriculture est entravée par des incertitudes concernant la possibilité de contenir des micropolluants, qui sont influencés par les paramètres du processus de pyrolyse. Ce projet de doctorat relève ce défi en se concentrant sur deux objectifs principaux : premièrement, déterminer les paramètres du processus pour générer un biochar sans micropolluants et deuxièmement, évaluer la distribution des micropolluants dans les produits finaux pour déterminer leurs applications idéales et contribuer ainsi à un processus de pyrolyse plus durable. Pour ce faire, 75 polluants différents, dont les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs), les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS), les polychlorobiphényles (PCBs), les polychlorodibenzo-p-dioxines et dibenzofuranes (PCDD/Fs) et les métaux lourds (HMs), ont été pris en compte simultanément tout en adaptant les conditions du procédé. Le passage du biochar par la première étape de pyrolyse à 350°C est insuffisant pour réduire les micropolluants et satisfaire aux directives du European Biochar Certificate (EBC). En revanche, le passage du biochar par une deuxième étape de pyrolyse à 650°C permet d'obtenir une efficacité d'élimination de 96,4 à 96,5% pour tous les micropolluants organiques. L'utilisation d'un gaz porteur pendant la pyrolyse améliore l'efficacité de l'élimination des HAPs et des PFAS, en particulier lorsqu'on utilise du CO₂ au lieu de N₂. Le contrôle du processus de refroidissement avec du CO₂ comme gaz vecteur réduit de manière significative la teneur en micropolluants, atteignant des efficacités d'élimination de plus de 99,5% pour les PCDD/Fs, 94,9% pour les HAPs et 76,2% pour les HMs, les HMs étant principalement réduits en raison de la réduction du cuivre. Dans l'ensemble, l'apport de CO₂ pendant les processus de pyrolyse et de refroidissement, ainsi que le passage du biochar par la deuxième étape de pyrolyse (650°C), permettent d'obtenir l'efficacité d'élimination la plus élevée pour tous les micropolluants organiques et de respecter les directives EBC, à l'exception du cuivre, du cadmium et du zinc. L'évaluation de la répartition des micropolluants entre les différents produits finis à 350°C a montré que les PFAS étaient répartis dans tous les produits finis, avec 12-13% détectés dans le biochar, 6-7% dans l'APL et 2-5% dans la phase huileuse. Une proportion considérable de 63 à 74% n'a pas été détectée, ce qui laisse supposer qu'ils ont été transférés dans la phase gazeuse ou décomposés. Les HMs ont été principalement trouvés dans le biochar, tandis que les HAPs ont été principalement trouvés dans la phase huileuse. Les PCDD/Fs ont été détectés à la fois dans l'huile et dans le biochar, 67,9 à 71,2% restant indéterminés. L'ajout de CO₂ pendant la pyrolyse a entraîné une réduction des HAPs de 4,9 et 1,7 fois par rapport à l'absence d'ajout de gaz porteur et à l'ajout de N₂, respectivement. En outre, les résultats indiquent la formation de HAPs et de PCDD/Fs au cours du processus de pyrolyse. Compte tenu de la teneur en micropolluants et des propriétés des produits finis, des applications stratégiques sont proposées pour tous les produits finis. En raison de la teneur élevée en HMs, le biochar dérivé des biosolides utilisés dans cette étude n'est pas recommandé à des fins agricoles, mais pour la construction, l'adsorption ou les produits d'asphalte afin d'éviter la contamination du sol. Un post-traitement pour enlever les HMs est toutefois possible. Les tests de BMP réalisés avec succès avec la fraction APL suggèrent son utilisation comme co-substrat pour la digestion anaérobie, bien que des recherches soient nécessaires pour minimiser la phase de latence qui en résulte. L'huile de pyrolyse à haute teneur en micropolluants, bénéficiant de l'apport de CO₂ pendant la pyrolyse, a atteint un pouvoir calorifique comparable à celui de l'éthanol, ce qui indique son potentiel en tant que source d'énergie. Sur la base de ces résultats, une intégration de la digestion anaérobie et de la pyrolyse est suggérée pour améliorer la valeur globale du processus en développant des synergies entre les produits finaux de chaque processus. Ainsi, le présent travail a permis de développer des stratégies pour convertir les déchets supposés en produits finaux de valeur, aidant les opérateurs à générer du biochar sans micropolluants. En outre, il met en évidence les possibilités d'utilisation des autres produits finis générés, améliorant ainsi la valeur globale du processus de pyrolyse. Il aide les décideurs en offrant une alternative durable à l'élimination des biosolides, en convertissant un déchet supposé en produits finis de valeur, en libérant tout le potentiel du biochar et en encourageant le développement de nouveaux marchés pour le biochar. / The increasing concerns about micropollutants in biosolids and the limited disposal options have resulted in an increasing challenge for biosolids management. Pyrolysis seems a promising solution, converting biosolids into syngas, two liquid phases (aqueous pyrolysis liquid and pyrolysis oil), and biochar. Biochar, in particular, has gained increasing interest as soil amendment due to its beneficial properties for crop production and its potential as a carbon removal method. However, its application in agriculture is hindered by uncertainties regarding the possibility of containing micropollutants, which are influenced by the pyrolysis process parameters. This PhD project addresses this challenge by focusing on two main objectives: firstly, determining process parameters to generate a micropollutant-free biochar and secondly, evaluating the distribution of micropollutants across the end-products to determine their ideal applications and thus contributing to a more sustainable pyrolysis process. To achieve this, 75 different pollutants, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs), polychlorinated biphenyls (PCBs), and polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PCDD/Fs) and heavy metals (HMs), are considered simultaneously while adapting the process conditions. Passing the biochar through the first pyrolysis stage at 350°C is insufficient to reduce the micropollutants in order to fulfil the guidelines of the European Biochar Certificate (EBC). However, passing the biochar through a second pyrolysis stage at 650°C results in a removal efficiency of 96.4-96.5% for all organic micropollutants. Using a carrier gas during pyrolysis enhances the removal efficiency for PAHs and PFAS, particularly when employing CO₂ instead of N₂. Controlling the cooling process with CO₂ as a carrier gas significantly reduces the micropollutant content, achieving removal efficiencies of over 99.5% for PCDD/Fs, 94.9% for PAHs and 76.2% for HMs, whereby HMs are primarily reduced due to the copper reduction. Overall, supplying CO₂ during both the pyrolysis and cooling processes, along with passing the biochar through the second pyrolysis stage (650°C), results in the highest removal efficiency for all organic micropollutants and leads to compliance with the EBC guidelines, except for copper, cadmium and zinc. Evaluating the distribution of micropollutants among the different end-products at 350°C demonstrates that PFAS are distributed in all end-products, with 12-13% detected in biochar, 6-7% in the APL and 2-5% in the oil phase. A considerable proportion of 63-74% remains undetected assuming that they are transferred to the gas phase or decomposed. HMs are predominantly found in biochar, while PAHs are mainly found in the oil phase. PCDD/Fs are detected in both oil and biochar, with 67.9-71.2% remaining undetermined. The addition of CO₂ during pyrolysis results in a 4.9- and 1.7-fold reduction in PAHs in the pyrolysis oil compared to no carrier gas addition and N₂ addition, respectively. The CO₂ supply at 350°C resulted in an 11 and 5% increase in HMs retention in the biochar compared to the absence of a carrier gas and N₂ supply, respectively. The impact of the carrier gas on the distribution of the other micropollutants is negligible. Furthermore, the results indicate the formation of PAHs and PCDD/Fs during the pyrolysis process. Considering the micropollutant content and the properties of the end-products, strategic applications are proposed for all end-products. Due to the high HM content, biochar derived from the biosolids used in this study is not recommended for agricultural purposes, but it may be used for construction, adsorption or asphalt products to prevent soil contamination. Post-treatment of biochar to remove HMs is however possible, but will increase the product costs. The successful BMP tests performed with the APL fraction suggest its use as a co-substrate for anaerobic digestion, although research is needed to minimise the resulting lag phase. The pyrolysis oil, with its high micropollutant content, benefits from the CO2 supply during pyrolysis, as it achieves the highest calorific value, which is comparable to that of ethanol, indicating its potential as an energy source. Based on the results, an integration of anaerobic digestion with pyrolysis is suggested to enhance overall process value by developing synergies between the end-products of each process. As such, the present work developed strategies for converting supposed waste into valuable end-products, aiding operators in generating micropollutant-free biochar. Additionally, it highlights opportunities for using the other end-products generated, enhancing the overall value of the pyrolysis process. It supports decision-makers by providing a sustainable alternative for biosolids disposal by converting a supposed waste product into valuable end-products, unlocking the full potential of biochar and encouraging the development of new biochar markets.

Th. doct.-ing.--ENSA--Rennes, 1997. / Bibliogr. p. 289-296. Résumés en français et en anglais.

De nombreux déchets organiques urbains, industriels et agricoles sont considérés comme des produits résiduaires organiques (PRO). Ils sont potentiellement recyclables en agriculture comme amendement ou fertilisant pour le sol avec selon le type de déchet la mise en œuvre de traitements biologiques (digestion anaérobie, compostage). Du fait de l'utilisation de produits chimiques, les PRO contiennent des micropolluants organiques (µPO) particulièrement quantifiés dans les boues d'épuration. Ces µPO peuvent être toxiques pour les humains et les écosystèmes bien que les concentrations dans les milieux aquatiques soient très faibles (ng-µg.L-1). La plupart de ces µPO ont un fort impact sur l'environnement. Lors des traitements biologiques des boues d'épuration, l'élimination des µPO dépend de deux processus (sorption et biodégradation) eux-mêmes contrôlés par les propriétés physicochimiques de la matière organique et des µPO et les microorganismes présents. La forte sorption et le piégeage des µPO ou leur biodégradation dans la matrice boue lors des traitements minimisent le risque de transfert à l'eau ou à la faune/flore après l'épandage des boues. Cette thèse se propose d'étudier le devenir de différents µPO (hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), nonylphénols (NP) et produits pharmaceutiques) lors du traitement de boues par digestion anaérobie et compostage en lien avec le devenir de la matière organique et l'affinité des µPO pour certaines fractions de cette matière organique. L'objectif est de mieux comprendre les mécanismes qui régissent l'élimination des µPO et in fine d'estimer comment améliorer le procédé pour limiter les transferts au continuum sol/eau/biote. Dans un premier temps, un protocole de caractérisation de la matière organique a été couplé avec un dosage de µPO au cours d'une incubation anaérobie, sur une matrice modèle (boue) et sur des composés modèles (HAP, NP). Les résultats ont montré que les µPO dissipés se situent dans les compartiments les plus accessibles et les plus dégradables de la matière organique et que cette dissipation est pilotée par la dégradation de la matière ; de plus, un phénomène de vieillissement a été observé pour des molécules dopées. Les résultats démontrent que les µPO étudiés ici ont une affinité pour les matières organiques complexes de type humiques. Lors des incubations, seule la moitié de la matière organique est caractérisée. Le protocole de caractérisation de la matière organique a été modifié pour aller plus loin dans la caractérisation « matière » mais aussi en vue d'une application sur la localisation des µPO tout au long d'un système de traitement comprenant digestion et compostage. Ce protocole a donc été revu afin de pouvoir caractériser des matrices de type lignocellulose. Ce protocole a été appliqué à des échantillons issus de la digestion anaérobie et du compostage de boues en laboratoire. Ces procédés sont capables d'éliminer une partie des µPO ; le couplage des deux augmentant le taux d'élimination. L'évolution des fractions matière reflètent la dégradation de la matière organique lors des traitements. De plus, le devenir des µPO étudiés est piloté par le devenir de la matière organique nous permettant de proposer des stratégies d'optimisation de leur dissipation.Les résultats acquis permettent de déterminer des taux d'abattement des µPO lors des traitements des boues mais aucune information n'est donnée quant aux mécanismes précis d'élimination. Les mêmes traitements ont été menés en utilisant des molécules marquées au 14C. Les résultats obtenus sur trois molécules (fluoranthène, NP et sulfaméthoxazole) montrent que les µPO ne sont pas minéralisés lors de la digestion anaérobie. Lors du compostage des boues digérées, une minéralisation du NP apparaît lors de la phase de maturation. Diverses hypothèses peuvent alors expliquer l'élimination constatée au cours des traitements sans molécule marquée : métabolites ou résidus non extractibles sont formés. / Animal manures, urban organic wastes including sewage sludge, food processing and other industrial wastes are considered as organic wastes that are potentially recycled in agriculture as soil amendment or fertilizer after biological treatment like anaerobic digestion and composting.Due to the use of chemicals and industrial activities, these organic wastes contain organic micropollutants, particularly quantified in sewage sludge. These micropollutants are a family of organic compounds which may be toxic for humans or ecosystems even though their concentrations in aquatic environments are usually low (µg to ng.L-1). Most of them have huge impacts on environment (e.g. some of them are endocrine disruptors that can feminize fishes in rivers with concentrations of few ng.L-1).During biological treatments of sewage sludge, micropollutants elimination depends on two processes (sorption and biodegradation) that are driven by physicochemical properties of organic matter and micropollutants and microorganisms. Strong sorption and trapping of organic micropollutants or their biodegradation in sludge matric during anaerobic digestion and composting can minimize their transfer into water or biota after spreading.This thesis aims at studying the fate of organic micropollutants (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), nonylphenols (NPs) and pharmaceuticals compounds) during sludge treatment by anaerobic digestion and composting in link with the fate of organic matter and the micropollutants affinity for some organic matter fractions. The objective is to better understand the mechanisms which control the micropollutants elimination and estimate how to improve the process to minimize environmental impact.First, a method for sludge organic matter characterization is coupled to organic micropollutants quantification during a model batch process (anaerobic incubation), on a model matrix (sludge) and model compounds (PAHs, NPs). Results show that dissipated micropollutants are located in more accessible and degradable fraction of organic matter and that dissipation is driven by organic matter degradation; furthermore, ageing phenomenon is observed for spiked compounds. Results show that micropollutants have strong affinity for complex organic matter (humic-like substances).During incubations, the quantity of characterized organic matter corresponds only to 50 % of chemical oxygen demand. A modified protocol for characterizing organic matter is set up to go further on organic matter characterization but also to apply it to localization of organic micropollutants. This protocol is also modified in order to characterize other organic matrices (compost).The new protocol is applied to samples from anaerobic digestion and composting of sludge at lab-scale. Anaerobic digestion and composting are able to eliminate organic micropollutants. Coupling both processes increases micropollutants removal. The fate of organic matter pools during processes mimics the fate of organic matter. A link between the fate of organic matter and the fate of organic micropollutants is determined during anaerobic digestion and composting.The results allow determining organic micropollutants removal during anaerobic digestion and composting of sludge but no information is given about the removal mechanisms. Anaerobic digestion with composting is set up at lab-scale with the use of organic 14C labelled micropollutants. The results with three molecules (fluoranthene, sulfamethoxazole, nonylphenols) show that organic micropollutants are not mineralized during anaerobic digestion. During composting, only nonylphenols are mineralized during the maturation phase. Hypothesis about micropollutants removal are the production of metabolites or the formation of non-extractable residues.

Les usines de traitement des eaux usées ne sont pas prévues pour traiter les polluants émergeants, substances organiques, tels des résidus de médicament, des produits phytosanitaires ou des hormones. Par conséquent, elles sont la source principale d’émission de micropolluants récalcitrants dans l’environnement. La Directive DCE 2000/60/CE demande un "bon statu chimique et biologique” de tous les plans d'eau d'ici 2015. L’objectif principal de cette thèse de doctorat a été d’adopter une méthode respectueuse de l’environnement pour traiter ces polluants. La méthode choisie est basée sur le processus d’oxydation avancée (POA). Elle se base sur la génération par voie solaire, et in situ, d’espèces radicalisées hautement réactives (HO● et/ou SO4-), en se focalisant sur la photocatalyse hétérogène et homogène. Les performances de l'POA ont été évaluées en comparant les taux de dégradation et/ou reminéralisassions des micropolluants. Ce critère a été complété par l'identification des sous-produits, de ses transformations associés et de mesures de toxicité. A cet effet, des tests standards d'écotoxicité ainsi que d'activité oestrogénique ont été réalisés, par la méthode toxicologique ISO ou par le test spécifique inhérent au contrôle de l’activité oestrogénique des eaux usées. Les technologies basées sur les processus d’oxydation avancée par voie solaire peuvent être des méthodes prometteuses de traitement des eaux usées. Toutes les molécules testées sont systématiquement dégradées, même celles présentes à de basses concentrations. La compatibilité environnementale a systématiquement été améliorée. L’irrigation des cultures en réutilisant des eaux usées devient possible. / Wastewater effluents are the major source of micropollutants in the environment. These recalcitrant compounds that can be escape from wastewater treatment plant (WWTP) are called emerging contaminants. It is necessary to improve the efficiency of wastewater treatment plants. In fact, Water Framework Directive required a “good chemical and biological status” of all water bodies until 2015. The major aim of the dissertation was to contribute to improve the evaluation of solar advanced oxidation processes, and more specifically heterogeneous and homogeneous photocatalysis, for removing emerging contaminants from wastewater effluents. In this objective, the efficiency of AOPS was not only evaluated with the degradation and/or mineralization rates of the micropollutants. This necessary criterion was completed with the identification of the by-products and the associated transformation pathways, but also with toxicity measurements. This last point was explored with standard ecotoxicity tests and also estrogenic activity that represent a specific test relevant to characterize an identified risk associated to the discharge of effluents into the environment.All the experimental results obtained during this dissertation tends to demonstrate that solar advanced oxidation processes has the potential to open new feasible remediation strategies for WWTPs effluent tertiary treatment before wastewater reuse in irrigation for instance. All the tested molecules have systematically been degraded, high number of micro-organic pollutants initially presented in a mixture were removed even at very low concentration, environmental compatibility is systematically improved.

Préserver les ressources en eau est l’une des problématiques environnementales majeures du 21è siècle. Pour faire face à cette nécessité, il est essentiel de mettre en place une surveillance réglementée de la qualité des eaux et des rejets se déversant dans le milieu aquatique et de développer de nouveaux outils d’échantillonnage. L’échantillonnage ponctuel est la technique la plus facile à mettre en œuvre. Toutefois, elle n’est pas toujours représentative d’un milieu hétérogène parfois soumis à des variabilités spatiales et temporelles importantes. L’échantillonnage passif, notamment avec l’outil POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler), est une approche complémentaire aux techniques traditionnelles, qui permet de concentrer des molécules organiques semi-polaires directement sur site. La pertinence du résultat obtenu (la concentration moyennée sur la durée d’exposition), couplée à la simplicité de sa mise en œuvre en font a priori un outil de choix pour suivre des hydrosystèmes complexes.Dans ce contexte, des familles des composés diversifiées ont été sélectionnées : pesticides, composés pharmaceutiques, hormones stéroïdiennes et composés perfluorés. Au sein de chaque famille, plusieurs composés traceurs, présents dans l’environnement, comportant des propriétés physico-chimiques variées et aux statuts règlementaires différents (Directive Cadre sur l’Eau notamment), ont été choisis.Des essais d’optimisation de design du POCIS (quantité et nature de phase réceptrice, nature de la membrane) ont été conduits, menant à la validation de la configuration classique dans le cas général. L’influence de différents paramètres environnementaux pertinents : débit, température, matrice, présence de biofilm et dispositif de déploiement a été évaluée lors de calibrations de l’outil réalisées dans des systèmes de complexité croissante : au laboratoire, sur pilote et sur site.Les différents déploiements sur site (effluent de STEP et rivière) ont permis de valider l’utilisation de cet outil de prélèvement passif dans le cadre d’un suivi environnemental. Le potentiel du POCIS a été pleinement confirmé, tant en termes de logistique que de résultats (justesse par rapport aux concentrations mesurées par des techniques classiques, intégration d’événements ponctuels, limite de quantification…). / The protection of water resources is one of the major environmental stakes of 21st century. Regulation concerning water quality and effluents is therefore definitely needed, as well as new approaches regarding water sampling. Spot sampling is the easiest strategy. However, it may not be representative of a heterogeneous matrix, with sometimes important spatial and temporal variability. Passive sampling, including POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler) is a complementary approach, which enables an on-site pre-concentration of semi-polar organic compounds. The relevance of the result (time-weighted average concentrations) and the ease to implement POCIS make it an appropriate tool to monitor complex hydrosystems.Within this work, various compound classes were selected: pesticides, pharmaceuticals, steroid hormones and perfluorinated compounds. Among each family, several tracer molecules, widely encountered in the environment, with different physic-chemical properties and regulatory status (particularly in the Water Framework Directive), were chosen.POCIS design optimization (amount and nature of sorbent, nature of membrane) was carried out, leading to the validation of the standard configuration for general purposes. The impact of different relevant environmental parameters (flow-rate, temperature, matrix, biofouling and deployment device), was assessed during calibrations of POCIS conducted in systems of increasing complexity: in the laboratory, at pilot-scale and on-site.All on-site deployments (WWTP effluent and river) enabled to validate the use of this passive sampling tool in the framework of an environmental monitoring. The potential of this tool was fully confirmed, both logistically and in terms of results (trueness compared to concentrations measured with traditional techniques, integration of punctual events, quantification limit…).

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

La pratique du dragage d'entretien déplace chaque année dans le bassin de la Seine des volumes moyens de 150 000 m3. Ces sédiments accumulent des polluants et c'est pourquoi leur devenir soulève des questions environnementales que nous avons souhaité éclaircir au cours de ce travail. Un bilan des réglementations internationales concernant la gestion de ces matériaux de dragage (MD) nous a permis de noter que cette question au niveau Européen et surtout Français restait posée. Nous avons ensuite décrit les différentes étapes subies par le sédiment depuis l'opération de dragage jusqu'à sa destination finale. Nous avons, grâce à des échantillonnages de sédiments dans le bassin de la Seine, déterminé la qualité des sédiments avant dragage. L'étude de distributions géographiques (SIG) a montré que les fortes concentrations en micropolluants étaient majoritairement retrouvées à l'aval direct des sources de pollution. Après une description des sites d'échantillonnage et des méthodes d'analyse utilisées, nous avons présenté les résultats concernant le suivi de la mise en dépôt de matériaux de dragage provenant du bassin de la Seine dans l'étang du Rouillard. Ce site de dépôt en eau est situé au sein d'une base de loisirs (Verneuil-sur-Seine, 78). Il a reçu de juin 1999 à septembre 2001 200 000 m3 de MD provenant de la Seine à l'aval de Vitry (94) jusqu'à Vernon (27) et de l'Oise à l'aval de Compiègne (60). Le mode de mise en dépôt utilisé remet en suspension les MD avec de l'eau de Seine pour faciliter leur pompage et remblaiement dans l'étang. Cependant, cette remise en suspension modifie les conditions physico-chimiques au sein des MD et est susceptible d'entraîner des relargages de polluants présents dans les sédiments dragués. Nous avons donc suivi l'évolution temporelle de différents paramètres (paramètres in situ, matière organique, nutriments et micropolluants) dans les eaux superficielles de l'étang remblayé, dans les sédiments et leurs eaux interstitielles, ainsi que dans les eaux de la nappe phréatique en contact avec le dépôt. Le suivi de la qualité des eaux superficielles de l'étang a permis de montrer que l'impact majeur de la pratique est l'apport de nutriments et, en particulier, l'apport d'ammonium, et de carbone organique. Ces apports entraînent une eutrophisation de l'étang confirmée par les mesures de chlorophylle a. Il est également apparu clairement que les micropolluants présents dans les MD introduits dans l'étang n'ont pas été relargués vers les eaux superficielles pendant la période étudiée. Cependant, les effets à plus long terme restent à étudier. Les dépôts de l'étang ont joué un rôle important dans la mobilisation ou non des polluants qu'ils contiennent. En effet, ils sont le siège de la diagenèse qui englobe des procédés biologiques et/ou physico-chimiques qui tendent à minéraliser le dépôt. Nous avons mis en évidence l'activité ammonifiante et dénitrifiante du dépôt. Nous avons également constaté la dégradation de la matière organique de ce dépôt entraînant le relargage de carbone organique et de phosphore. Le dépôt a également joué le rôle de puits de micropolluants : à court terme, nous avons effectivement constaté une accumulation des ces polluants à la surface du dépôt. Grâce à l'observation de la qualité des eaux de la nappe située à proximité de l'étang du Rouillard au moyen des piézomètres, nous avons pu noter que la qualité de cette nappe était très peu modifiée. Des calculs de flux de polluants au cours des trois années de mise en dépôt ont permis, d'une part de vérifier nos hypothèses concernant les déplacements d'eau : les infiltrations ont lieu majoritairement depuis la nappe ou la Seine vers l'étang. D'autre part, nous avons pu confirmer les tendances déduites des observations de l'évolution des concentrations en polluants mesurées. Dans une perspective de gestion durable, ce travail a permis de proposer des alternatives de gestion des MD dans le bassin de la Seine et enfin, propose des travaux ultérieurs destinés à approfondir la connaissance des mécanismes observés sur le terrain par des recherches en réacteurs et/ou en site pilote expérimental.

Afin de caractériser la physico-chimie des matières en suspension de la Moselle et de ses affluents, ce travail s’est appuyé sur une approche géochimique et minéralogique. Notre étude s’est concentrée sur l’analyse des polluants dans les compartiments dissous et particulaire. Ces études ont notamment permis de déterminer (i) la composition des constituants inorganiques dans les particules et colloïdes du milieu aquatique de la Moselle et d’un de ses affluents : la Fensch, (ii) l’évolution des contributions inorganiques le long de la Moselle et de la Fensch ainsi que leur transfert à la confluence Fensch-Moselle, tout en déterminant les sources principales de contamination, (iii) les associations organo-minérales et l’organisation des agrégats présents et (iv) d’étudier la spéciation de certains éléments par des microanalyses. Ce travail a ainsi permis de mettre en évidence l’importance des matières en suspension, souvent négligées par rapport aux autres compartiments Eau et Sédiments / This work uses geochemical and mineralogical approaches to characterize physical and chemical properties of suspended solids in the Moselle and its tributaries. The study focused on analyzing the pollutants in dissolved and particulate compartments. This allowed (i) the identification of inorganic components composition in particles and colloids in the aquatic environment of the Moselle and one of its tributaries: the Fensch, (ii) the determination of the evolution of inorganic contributions along Moselle and the Fensch and their transfer to the confluence Fensch-Moselle in addition to the determination of main contamination sources, (iii) the identification of organo-mineral associations and the determination of the organization of aggregates, (iv) the analysis of the speciation of some elements by microanalysis. This work highlighted the importance of studying suspended solids that are often neglected compared to water and sediments compartments

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