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Theses Year : 2023

Occurrence and fate of microplastics in the sewage system and different pathways into the environment : case of Greater Paris area

Présence et devenir des microplastiques dans le système d'égouts et les différentes voies de pénétration dans l'environnement : Le cas de l'agglomération parisienne

Abstract

Plastics have become an integral part of modern human life. Alongside urbanization, metropolitan areas have become hotspots of plastic consumption and disposal. The abundance of microplastics (MPs) in urban wastewater reflects plastic pollution issue in these regions. Since the potential impacts of MPs on humans and ecosystems are of great concern, understanding their pathway in the environment is crucial to support the implementation for mitigation measures. In this context, this PhD project focused on the occurrence and fate of MPs in the Parisian wastewater management system, aiming to investigate and assess potential ways in which MPs from urban areas are released into the surrounding environments.In wastewater treatment plants (WWTPs), MPs separated from water phase are transferred into sewage sludge, making this byproduct a plausible source of MPs when disposed of in the environment. Knowledge of MPs in sewage sludge is essential for gaining a comprehensive understanding of this pollutant within WWTPs and its potential emission from these facilities. By investigating MPs at different sludge treatment stages, the study found that current technologies were inefficient in completely removing MPs. There was no significant reduction in MP abundance observed after all treatment processes, with 8.6×104 to 4.5×105 particles/kg of MPs remaining in the final treated sludge. Some sludge-based MPs were returned back to the system via reject water. Thermal treatment at high temperatures induced the fragmentation of plastic particles. These findings imply sludge disposal as an input of MPs into the environment, for example, via soil application in agricultural land.While MPs in WWTPs have been intensively investigated in the last decade, little attention has been paid for their fate and occurrence during transport within the sewer network before reaching treatment facilities. To address this knowledge gap, an investigation into MPs in sewer sediments, which act as pollutant reserve inside the sewer system, were carried out. The findings indicated that a portion of MPs was temporarily stored in sewer sediments instead of being transported to WWTPs. High concentrations of MPs, ranging from 5×103 to 178×103 particles/kg, were found in these sediments. This highlights a major stock of MPs inside the sewer network and the associated risk of downstream transfer during wet weather events due to the resuspension of in-sewer sediments.Receiving pollutants, including MPs, from various sources such as households, runoff and also the remobilization of in-sewer deposits, combined sewer overflows (CSOs) are expected to release a large amount of MPs into receiving waters. However, research on this emission pathway is still limited. Therefore, a study to evaluate the quality of CSOs in terms of MP contamination and their potential to emit MPs into the environment was carried out. High MP levels were detected in CSOs during different storm events, ranging from 6.7×104 to 3.9×105 particles/m3. At an annual scale, the amount of MPs released with CSOs was equivalent to the massive load from treated wastewater, despite much lower discharge volumes. Thus, these findings confirmed the significant role of CSOs as a land-based source of MPs into the surrounding environment during intense wet weather events.In conclusion, this PhD project has provided data on MP contamination levels in various compartments of the wastewater management system. It has also contributed to the understanding of the different pathways in which MPs are released from the system into the environment. This study emphasizes inadequacy of existing management systems in addressing plastic pollution. Therefore, it calls for urgent actions to mitigate the impact of urban wastewater on nearby water bodies in terms of plastic pollution.
Ce projet de thèse s'est concentré sur l'occurrence et le devenir des MP dans le système de gestion des eaux usées parisiennes, dans le but d'investiguer et d'évaluer les moyens potentiels par lesquels les MP des zones urbaines sont libérés dans les environnements environnants. Dans les stations d'épuration des eaux usées (STEP), les MP séparés de la phase aqueuse sont transférés dans les boues, faisant de ce sous-produit une source plausible de MP lors de son élimination dans l'environnement. La connaissance des MP dans les boues est essentielle pour obtenir une compréhension globale de ce polluant dans les STEP et de son potentiel d'émission depuis ces installations. En étudiant les MP à différentes étapes du traitement des boues, l'étude a révélé que les technologies actuelles étaient inefficaces pour éliminer complètement les MP. Aucune réduction significative de l'abondance des MP n'a été observée après l'ensemble des processus de traitement. Certains MP issus des boues étaient réintroduits dans le système via l'eau de rejet. Le traitement thermique à haute température induisait la fragmentation des particules plastiques. Ces conclusions impliquent que l'élimination des boues constitue une source de MP dans l'environnement, par exemple, via l'application au sol en terre agricole. Alors que les MP dans les STEP ont fait l'objet de recherches intensives au cours de la dernière décennie, peu d'attention a été accordée à leur devenir et à leur occurrence pendant le transport à l'intérieur du réseau d'égouts avant d'atteindre les installations de traitement. Pour combler cette lacune de connaissance, une enquête sur les MP dans les sédiments des égouts, qui agissent comme une réserve de polluants à l'intérieur du système d'égouts, a été menée. Les résultats ont indiqué qu'une partie des MP était temporairement stockée dans les sédiments des réseaux d’eaux usées au lieu d'être transportée vers les STEP. Des concentrations élevées de MP ont été trouvées dans ces sédiments. Cela met en évidence une importante réserve de MP à l'intérieur du réseau d'égouts et le risque associé de transfert en aval lors d'événements de pluie en raison de la remise en suspension des sédiments dans les égouts. Recevant des polluants, y compris des MP, de diverses sources telles que les ménages, les ruissellements et la remobilisation des dépôts dans les égouts, les déversoirs d’orage (DO) sont censés relarguer une grande quantité de MP dans les eaux réceptrices. Les connaissances sur cette voie d'émission sont encore limitées. Par conséquent, une étude visant à évaluer la qualité des DO en termes de contamination par les MP et leur potentiel à émettre des MP dans l'environnement a été réalisée. Des niveaux élevés de MP ont été détectés dans les DO lors de différents événements pluvieux. À l'échelle annuelle, la quantité de MP libérée avec les CSO était équivalente à la charge massive provenant des eaux usées traitées, malgré des volumes de rejet beaucoup plus faibles. Ainsi, ces résultats confirment le rôle significatif des DO en tant que source terrestre de MP dans l'environnement environnant lors d'événements de pluie intense. En conclusion, ce projet de thèse a fourni des données sur les niveaux de contamination en MP dans divers compartiments du système de gestion des eaux usées. Il a également contribué à la compréhension des différentes voies par lesquelles les MP sont libérés du système dans l'environnement. Cette étude met en évidence l'inadéquation des systèmes de gestion existants pour lutter contre la pollution plastique. Par conséquent, elle appelle à des actions urgentes pour atténuer l'impact des eaux usées urbaines sur les milieux récepteurs.
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tel-04526447 , version 1 (29-03-2024)

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  • HAL Id : tel-04526447 , version 1

Cite

Minh Trang Nguyen. Occurrence and fate of microplastics in the sewage system and different pathways into the environment : case of Greater Paris area. Environmental Engineering. École des Ponts ParisTech, 2023. English. ⟨NNT : 2023ENPC0049⟩. ⟨tel-04526447⟩
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