CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE
3.3 Modélisation de l’influence du devenir de l’huile sur celui du 2,3,7,8-TCDD
Les études ont montré entre autres que les PCDD/Fs ont une plus grande affinité pour l’huile que pour le sol ou pour l’eau et qu’ils ont tendance à suivre sa migration verticale dans le sol (voir Chapitre 1). Le but est donc de déterminer la nouvelle matrice FF’ du 2,3,7,8-TCDD afin de représenter cette influence de l’huile sur le devenir des PCDD/Fs, en déterminant la matrice D’TCDD de fraction totale d’élimination du 2,3,7,8-TCDD après que l’huile ait modifié son devenir. Le modèle proposé ici permet donc de calculer cette nouvelle matrice D’TCDD. Il se base ainsi sur deux
étapes : 1) les PCDD/Fs vont d’abord suivre exactement les mêmes transferts que ceux de l’huile (à partir d’un poteau en bois) jusqu’à son élimination où une partie des PCDD/Fs se sera également dégradé, 2) puis l’autre partie des PCDD/Fs non dégradée se redistribue une seconde fois dans l’environnement mais cette fois sans la présence de l’huile. Le rôle du PCP n’est pas pris en compte. 3.3.1.1 Définition du concept de fraction totale d’élimination Dpolluant
Pour tout polluant, Dpolluant,i,j est la fraction totale de la quantité de polluant émise dans i qui arrive dans j et s’élimine ultimement dans j en tenant compte de tous les chemins de transferts de i à j. Elle est définie à l’aide du pourcentage de dégradation et d’enlèvement du polluant quand il est dans le compartiment j (calculé à partir de la constante d’enlèvement kpolluant,enl,j (s-1), de la constante de dégradation kpolluant,deg,j (s-1) dans j et de la constante de disparition totale kpolluant,tot,j (s-1)), de la fraction totale Fpolluant,i,j du polluant transféré au total de i à j et du feedback correction factor γj,j pour tout retour dans j (éq 3-1). Chacun de ces termes est défini à la sous-partie 1.3.2.3.1. La somme des Dpolluant,i,j pour une élimination dans tous les compartiments récepteurs j fait 100%.
𝐷𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑖,𝑗 = 𝑘𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑒𝑛𝑙,𝑗+𝑘𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑑𝑒𝑔,𝑗
−𝑘𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑡𝑜𝑡,𝑗 × 𝐹𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑖,𝑗 × 𝛾𝑗,𝑗 (éq 3-1)
Le feedback correction factor γj,j est un facteur correctif informant sur la quantité de polluant partant de j et arrivant dans j en passant par tout chemin possible (Margni et al., 2004). Il se calcule à partir de la constante de disparition totale de j et du facteur de devenir FFpolluant,i,j (éq 3-2).
𝛾𝑗,𝑗 = (−𝑘𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑡𝑜𝑡,𝑗) × 𝐹𝐹𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑗,𝑗 (éq 3-2)
Par définition de Fpolluant,i,j (voir Chapitre 1) et de γj,j (éq 3-2), Dpolluant,i,j vaut également : 𝐷𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑖,𝑗 = (𝑘𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑒𝑛𝑙,𝑗+ 𝑘𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑑𝑒𝑔,𝑗) × 𝐹𝐹𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑖,𝑗 (éq 3-3)
Elle peut ainsi se diviser en deux fractions : une fraction totale d’enlèvement Dpolluant,enl,i,j et une fraction totale de dégradation Dpolluant,deg,i,j du polluant pour une émission dans i et une réception dans j en tenant compte de tous les chemins de transferts de i à j.
𝐷𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑒𝑛𝑙,𝑖,𝑗 = 𝑘𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑒𝑛𝑙,𝑗 × 𝐹𝐹𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑖,𝑗 (éq 3-4) 𝐷𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑑𝑒𝑔,𝑖,𝑗= 𝑘𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑑𝑒𝑔,𝑗× 𝐹𝐹𝑝𝑜𝑙𝑙𝑢𝑎𝑛𝑡,𝑖,𝑗 (éq 3-5)
Comme expliqué précédemment, la modélisation du devenir du 2,3,7,8-TCDD influencé par l’huile se base sur deux étapes. À chaque étape, il est possible de déterminer les fractions totales d’élimination du 2,3,7,8-TCDD, P1 et P2, pour obtenir la fraction totale d’élimination du 2,3,7,8- TCDD en globalité (éq 3-6). Pour une émission dans i et une réception dans j :
𝐷′𝑇𝐶𝐷𝐷,𝑖,𝑗 = 𝑃1,𝑖,𝑗 + 𝑃2,𝑖,𝑗 (éq 3-6)
Les deux sections suivantes expliquent comment sont calculés P1 et P2. La Figure 4-1 au Chapitre 4 schématise l’approche adoptée avec deux compartiments A et B.
3.3.1.2 1ère étape : le 2,3,7,8-TCDD suit la distribution environnementale de l’huile jusqu’à
son élimination
P1,i,j représente le pourcentage de 2,3,7,8-TCDD qui a suivi l’huile de i à j et qui s’est éliminé dans j (éq 3-7). Il est supposé que lorsque l’huile se répartit dans l’environnement à partir d’un poteau en bois traité au PCP, elle transporte le 2,3,7,8-TCDD avec elle jusqu’à son élimination.
𝑃1,𝑖,𝑗 = (𝐷ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒,𝑒𝑛𝑙,𝑖,𝑗+ 𝐷ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒,𝑑𝑒𝑔,𝑖,𝑗× 𝑋𝑇𝐶𝐷𝐷,𝑗) (éq 3-7)
Dhuile,enl,i,j est la fraction totale d’enlèvement de l’huile dans j pour une émission dans i (éq 3-4). Ainsi la fraction totale de 2,3,7,8-TCDD ayant suivi l’huile de i à j et ayant été enlevée avec l’huile est égale à Dhuile,enl,i,j. Dhuile,deg,i,j est la fraction totale de dégradation de l’huile dans j pour une émission dans i (éq 3-5) et XTCDD,j est le pourcentage de 2,3,7,8-TCDD qui s’est dégradé dans j au moment où l’huile s’est dégradé à 99%. Ce chiffre a été choisi arbitrairement pour représenter une dégradation totale de l’huile car sa cinétique de dégradation est supposée être d’ordre 1 ce qui veut dire que la masse ou la concentration d’huile suit une asymptote décroissante n’atteignant jamais une valeur nulle (100% de dégradation). Ainsi le deuxième terme de P1,i,j (𝐷ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒,𝑑𝑒𝑔,𝑖,𝑗× 𝑋𝑇𝐶𝐷𝐷,𝑗) représente la fraction totale de 2,3,7,8-TCDD qui a suivi l’huile de i à j et qui s’est dégradée dans j. Le pourcentage de 2,3,7,8-TCDD qui ne s’est pas encore dégradé dans j du fait d’un temps de demi-vie plus long que l’huile se retrouve à l’étape 2 de la démarche.
Dhuile,enl et Dhuile,deg se calculent à partir des constantes de dégradation et d’enlèvement et de la modélisation du devenir des 18 fractions organiques déterminées par Bamard et al. (2011) (voir éq 3-4 et 3-5). XTCDD se calcule à partir des constantes de dégradation dans l’air, le sol et l’eau du 2,3,7,8-TCDD et des fractions organiques de Bamard et al. (2011) en supposant des cinétiques de
dégradation d’ordre 1 dans chaque compartiment environnemental. Il est supposé que les cinétiques de dégradation du 2,3,7,8-TCDD ne changent pas en présence d’huile. Le paragraphe 3.6 revient sur cette hypothèse. La section 4.8.1 détaille le calcul de XTCDD et donnent la valeur des X par compartiment et par fraction organique influente. Les Annexes 3 à 5 représentent l’évolution de la concentration de chacune des fractions organiques en comparaison avec celle de la concentration du 2,3,7,8-TCDD sans huile dans l’air, l’eau et le sol à partir des constantes de dégradation.
3.3.1.3 2ème étape : la proportion de 2,3,7,8-TCDD non dégradé se redistribue dans
l’environnement
P2,i,j représente toutes les proportions de 2,3,7,8-TCDD qui ont suivi l’huile de i à tout compartiment récepteur n, qui n’ont pas été dégradés dans n et qui se sont redistribuées sans l’huile avant d’arriver dans le compartiment j.
𝑃2,𝑖,𝑗 = ∑ (𝐷𝑛 ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒,𝑑𝑒𝑔,𝑖,𝑛× (1 − 𝑋𝑇𝐶𝐷𝐷,𝑛) × 𝐷𝑇𝐶𝐷𝐷,𝑛,𝑗) (éq 3-7)
Dhuile,deg,i,n représente le pourcentage d’huile qui s’est dégradé dans n pour une émission dans i. Ce pourcentage donne le pourcentage de 2,3,7,8-TCDD arrivé dans n pour une émission dans i comme vu à l’étape 1. (1-XTCDD,n) est le pourcentage de 2,3,7,8-TCDD qui ne s’est pas dégradée après la dégradation de l’huile dans n. Le produit de Dhuile,deg,i,n et de (1-XTCDD,n) donne donc le pourcentage de 2,3,7,8-TCDD non-dégradé dans n après une émission dans i. Enfin la redistribution du 2,3,7,8-TCDD se faisant sans huile, elle est représentée par la fraction totale d’élimination DTCDD,n,j du 2,3,7,8-TCDD sans huile pour une émission dans le compartiment récepteur n de l’huile et pour une réception et élimination du 2,3,7,8-TCDD dans j.
DTCDD se calcule à partir des constantes de dégradation et d’enlèvement du 2,3,7,8-TCDD sans huile et de la modélisation de son devenir via le modèle USEtox.
Finalement : 𝐷′𝑇𝐶𝐷𝐷,𝑖,𝑗 = (𝐷ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒,𝑒𝑛𝑙,𝑖,𝑗 + 𝐷ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒,𝑑𝑒𝑔,𝑖,𝑗× 𝑋𝑇𝐶𝐷𝐷,𝑗) + ∑ (𝐷𝑛 ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒,𝑑𝑒𝑔,𝑖,𝑛× (1 − 𝑋𝑇𝐶𝐷𝐷,𝑛) × 𝐷𝑇𝐶𝐷𝐷,𝑛,𝑗) (éq 3-8)
Le bilan de masse impose que la somme des D’TCDD,i,j pour une émission dans i et une élimination dans tous les compartiments récepteurs j fait 100% (tout ce qui rentre dans le système doit en ressortir par élimination, il n’y a pas d’accumulation ni de production de 2,3,7,8-TCDD) :
Cette vérification permet de s’assurer que le modèle est viable et qu’aucune fraction massique de 2,3,7,8-TCDD n’a été « oubliée ».