Introduction and storage of hydrocarbons and metals in Paris combined sewer system
Introduction et stockage des hydrocarbures et des éléments métalliques au sein du réseau d'assainissement unitaire parisien
Résumé
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.
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.