Le suivi au cours d’une année du procédé à boues activées en aération prolongée installé sur la STEP de Dommartin a permis de décrire la variabilité temporelle des concentrations en micropolluants (eau usées brutes, traitées, boues) et de consolider la détermination des rendements d’élimination de ces micropolluants grâce à la réalisation de 8 bilans matières.
Les concentrations mesurées dans les eaux usées brutes correspondent aux gammes de concentrations relevées dans la littérature. Au cours de l’année d’étude, la variabilité de ces concentrations est plus importante pour les micropolluants organiques que pour les métaux.
Elle varie par exemple de 40 à 70 % pour les AKP. Pour la majorité des micropolluants organiques, l’évolution des concentrations au cours des 8 campagnes semble aléatoire. Pour IBP et DCF, les concentrations mesurées en été étaient plus élevées qu'en hiver. L’étude de la variabilité des concentrations dans les eaux usées brutes est nécessaire à la bonne caractérisation des micropolluants entrant dans une STEP, notamment pour une approche de
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modélisation dynamique. Cependant, cette variabilité des concentrations est peu extrapolable à d’autres STEP.
Nous avons mesuré des concentrations dans les eaux usées traitées plus faibles que dans les eaux usées brutes ; leur variabilité dans le temps est moins forte que celle associée aux eaux usées brutes. L’élimination par le procédé à boues activées est ainsi effective et tend à lisser les variations observées à l’entrée du système de traitement.
Les concentrations dans les boues se sont avérées peu variables au cours des 8 campagnes.
Les teneurs en micropolluants (en ng/g) sont donc peu influencées par les variations de conditions de fonctionnement de la STEP.
Les performances d’élimination du procédé à boues activées étudié sont bonnes puisque 32 micropolluants sur les 53 étudiés sont éliminés des eaux usées à plus de 70 %. Malgré les variations de concentrations dans les eaux usées brutes et les modifications des conditions de fonctionnement (température, concentration en MES dans le bassin d’aération), les performances d’élimination sont constantes au cours de l’étude pour la majorité des micropolluants (CV < 10 %). Les rendements varient pour 11 micropolluants : Ti, Cr, BIS, MET, PROP, AMITR, DCF, BZP, FLX, Acy et NP2EO. Nous avons pu montrer que lorsque la concentration dans les eaux usées brutes augmente, le rendement RW augmente pour MET, BIS, PROP, AMITR, DCF, Acy et NP2EO. L’étude de l’influence des conditions de fonctionnement a mis en évidence une influence de la température sur l’élimination du DCF et une influence de la concentration en MES dans le bassin d’aération sur l’élimination du PROP. Il semble que les données mesurées à l’échelle de la STEP ne soient pas suffisantes pour expliquer les variations des rendements d’élimination dues aux conditions de fonctionnement. L’étude spécifique de l’influence de ces conditions de fonctionnement fait l’objet du travail du chapitre D.
Nous avons caractérisé la partition des micropolluants dans les eaux usées brutes. Ainsi, PARA, ATE, IBP, DCF, MET, ACE, BIS, BET, BZP et l’alkylphénol NP1EC sont présents à plus de 90 % dans la phase dissoute alors que les métaux (sauf B, Ni) et les HAP (sauf N, Acé, Acy, Phe, DacA+DahA, An) sont en majorité (fdiss,EB < 30 %) dans la phase particulaire.
Pour les autres micropolluants, la partition dissous/particulaire est intermédiaire (fdiss,EB entre 30 et 90 %) et variable au cours des 8 campagnes de mesure. Cette variation n’a pas pu être
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expliquée par les variations de concentrations en macropolluants. La valeur de log Kow ne prédit pas assurément la partition dissous/particulaire. Pour certains micropolluants avec le même log Kow la partition dissous/particulaire est très différente. Ce constat suggère que des interactions autres que les interactions hydrophobes gouvernent cette distribution. fdiss,EB
permet de prédire les rendements d’élimination des micropolluants sensibles à la sorption uniquement : si fdiss,EB < 60 %, alors RW > 70 % et RT < 60 %. Cela concerne les métaux sauf B, les HAP, AMITR, FLX. De plus, les micropolluants qui sont éliminés uniquement par biodégradation avec RT > 90 % sont présents à plus de 95 % en phase dissoute dans les eaux usées brutes (PARA, IBP, ATE, ACE). Cela tend à montrer que la phase dissoute est la phase biodisponible.
Au cours du passage au travers du procédé à boues activées, la fraction dissoute de chaque micropolluant diminue (fdiss,BA < fdiss,EB), en raison de la concentration en MES plus élevée dans le bassin d’aération. La comparaison des teneurs (ng/g) en micropolluants dans les MES des eaux usées brutes et des boues a montré que cela semble être dû à la capacité de sorption de la biomasse dans le bassin d’aération pour certains micropolluants : métaux (sauf B, Ni, Se et Cd, les HAP (sauf N et Fluorène), BET et DCF. Pour d’autres micropolluants en revanche, la part de dissous diminue car c’est la phase qui est biodégradée au cours du passage dans le procédé (ACE, ATE, IBP, PARA, 4-NP, 4-t-OP, NP1EO et NP2EO).
Nous avons aussi exprimé la partition dissous/particulaire dans le bassin d’aération avec le coefficient de partition KdBA. Les métaux (sauf B), les HAP (sauf N, DBT, Acy, Acé, Fluorène) et les AKP NP1EO et NP2EO sont les micropolluants dont les valeurs du KdBA sont les plus élevées (> 10 L/gMES). Les composés pharmaceutiques et pesticides ont des valeurs du KdBA comprises entre 0,1 et 10 L/gMES. Les valeurs de KdBA mesurées lors des 8 campagnes sont très variables (CV > 50 %) sauf pour les métaux. Les variations de KdBA sont très difficiles à expliquer avec les données à l’échelle de la STEP. L’influence des conditions de fonctionnement de la STEP sur la sorption est un objectif de l’étude à l’échelle pilote qui sera présentée au chapitre D. Nous avons ensuite montré que KdBA est un bon descripteur de l’élimination par sorption : si KdBA > 2 L/gMES, RW > 70 %. Plus KdBA est élevé, plus la sorption est prépondérante. Seuls NP1EO et NP2EO ne suivent pas cette règle.
Enfin, les bilans matières réalisés, intégrant files eau et boues, ont permis de déterminer la contribution des mécanismes de sorption et de biodégradation à l’élimination des
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micropolluants. Cette approche est assez peu retrouvée dans la littérature. Nous avons ainsi déterminé 4 groupes de micropolluants : (i) les micropolluants transférés dans les boues (les métaux (sauf B) et les HAP comportant au moins 4 cycles aromatiques (sauf Fluo et 2,1-BNT)), (ii) les micropolluants partiellement éliminés par biodégradation et sorption (SMX, MET, BIS, BZP, Fluorène, 4-NP, 4-t-OP, NP1EO, PROP, Acé, AMITR, FLX, Acy, An, NP2EO, Phe, 2,1-BNT), (iii) les micropolluants peu éliminés des eaux usées (NP1EC, B, DCF) et (iv) les micropolluants majoritairement biodégradés (PARA, ACE, IBP, ATE et DBT).
Chapitre D : Détermination des coefficients de
partition et de biodégradation en réacteur fermé,
une première étape à la modélisation
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D. Résultats – Essais en réacteur fermé
1. Introduction
Dans cette seconde partie, nous abordons l’étude des mécanismes d’élimination des micropolluants à l’échelle pilote. L’objectif est de déterminer, dans des conditions contrôlées, les constantes réactionnelles associées aux processus de sorption et de biodégradation. Quatre campagnes de mesures en réacteur fermé avec dopage en micropolluants ont été mises en œuvre dans différentes conditions (rédox, température, concentration en MES, Tableau D-1).
La concentration de chacun des micropolluants ciblés a été suivie dans les phases dissoute et particulaire au cours des essais.
Dans la première partie de ce chapitre, présentée sous la forme d’un article scientifique, nous exposons la démarche et la méthodologie d’exploitation des résultats en prenant l’exemple de trois micropolluants. L’évolution des concentrations lors des 4 essais pour les 23 micropolluants dopés est proposée en Annexe X. Puis, nous exposons l’ensemble des valeurs obtenues pour les coefficients de partition (Kd) et de biodégradation (kS et kX). L’influence des conditions de fonctionnement de la STEP sur ces paramètres est étudiée. Ces résultats permettent de quantifier l’intensité des mécanismes d’élimination et de simplifier ainsi le modèle global mis en place pour chaque micropolluant.
Tableau D-1 : Conditions de fonctionnement lors des 4 essais en réacteurs fermés
Code campagne Date
T bassin d’aération
(°C)
MES dans les réacteurs à t = 0h
(g/L)
ACA1-P1 mars-11 12 5
ACA1-P2 juin-11 23 7
ACA1-P3 nov-11 13 4
ACA1-P4 févr-12 6 4
D Résultats – Essais en réacteur fermé
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2. Stratégie de mesure des coefficients de partition et de biodégradation de