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Submitted on 16 May 2020

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Etude et modélisation dynamique de l’élimination de micropolluants prioritaires et émergents au sein du

procédé à boues activées

Maxime Pomies

To cite this version:

Maxime Pomies. Etude et modélisation dynamique de l’élimination de micropolluants prioritaires et émergents au sein du procédé à boues activées. Sciences de l’environnement. Doctorat en génie des procédés, Université Montpellier I, 2013. Français. �tel-02598712�

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UNIVERSITE MONTPELLIER I

UFR Sciences Pharmaceutiques et Biologiques

ETUDE ET MODELISATION DYNAMIQUE DE L’ELIMINATION DE MICROPOLLUANTS PRIORITAIRES ET EMERGENTS AU SEIN DU

PROCEDE A BOUES ACTIVEES

Thèse présentée pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE MONTPELLIER I

Spécialité : Génie des procédés

Ecole Doctorale : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments ED306

Soutenue publiquement le 16 mai 2013 à Irstea centre de Lyon par

Maxime POMIES

JURY

M. PLOSZ Benedek, Professeur, Université technique du Danemark (DTU) Rapporteur M. MOILLERON Régis, Professeur, LEESU-UPEC Rapporteur Mme PATUREAU Dominique, Directrice de recherche, INRA-LBE Narbonne Examinateur Mme WISNIEWSKI Christelle, Professeur, Université de Montpellier I Directrice Mme COQUERY Marina, Directrice de recherche, Irstea Lyon Co-directrice M. CHOUBERT Jean-Marc, Ingénieur de recherche, Irstea Lyon Co-directeur M. MARTIN RUEL Samuel, Responsable pôle assainissement CIRSEE Invité M. GARNAUD Stéphane, Responsable eau assainissement ville de Saint-Maur Invité

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UNIVERSITE MONTPELLIER I

UFR Sciences Pharmaceutiques et Biologiques

ETUDE ET MODELISATION DYNAMIQUE DE L’ELIMINATION DE MICROPOLLUANTS PRIORITAIRES ET EMERGENTS AU SEIN DU

PROCEDE A BOUES ACTIVEES

Thèse présentée pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE MONTPELLIER I

Spécialité : Génie des procédés

Ecole Doctorale : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments ED306

Soutenue publiquement le 16 mai 2013 à Irstea centre de Lyon par

Maxime POMIES

JURY

M. PLOSZ Benedek, Professeur, Université technique du Danemark (DTU) Rapporteur M. MOILLERON Régis, Professeur, LEESU-UPEC Rapporteur Mme PATUREAU Dominique, Directrice de recherche, INRA-LBE Narbonne Examinateur Mme WISNIEWSKI Christelle, Professeur, Université de Montpellier I Directrice Mme COQUERY Marina, Directrice de recherche, Irstea Lyon Co-directrice M. CHOUBERT Jean-Marc, Ingénieur de recherche, Irstea Lyon Co-directeur M. MARTIN RUEL Samuel, Responsable pôle assainissement CIRSEE Invité M. GARNAUD Stéphane, Responsable eau assainissement ville de Saint-Maur Invité

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Remerciements

Mon arrivée à Irstea date de plus de 5 ans déjà. Poursuivre mes études par une thèse n’était alors pas du tout dans mes plans. Mais l’intérêt du sujet, l’encadrement, les moyens mis à disposition et l’ambiance de travail m’ont convaincu de me lancer dans cette aventure. Une thèse est une expérience scientifique de 3 ans mais aussi et surtout une expérience de vie. Une expérience qui forge le caractère.

Une expérience qui apprend la gestion du temps, du travail, du stress. Une expérience qui nécessite de la patience (parfois beaucoup) face à Excel et Word. Une expérience de temps en temps dure à vivre (plutôt vers la fin) mais qui procure le sentiment du devoir accompli (tout à la fin). Une expérience au cours de laquelle il faut mettre les mains dans les eaux usées par - 15 °C mais qui ouvre les portes des conférences à l’étranger. Une expérience qui, surtout, offre la possibilité de faire de nombreuses rencontres enrichissantes. Ce manuscrit de thèse est l’aboutissement de toutes ces expériences, et il en sera finalement une des seules traces écrites. Afin que cette trace écrite soit complète, je souhaite remercier ici toutes les personnes ayant contribué à ce travail.

Les travaux présentés dans cette thèse ont été réalisés au sein de l’unité de recherche Milieux Aquatiques et Pollution (MALY) d’Irstea Lyon dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire de chimie des milieux aquatiques (LAMA) et l’équipe épuration, et en intéraction avec l’UMR QUALISUD (Université Montpellier I). Je remercie Pascal Boistard, responsable de MALY, et nouveau directeur du Centre Irstea de Lyon, pour m’avoir accueilli au sein de l’unité.

Tout d’abord, je souhaite remercier mes directrices de thèse Christelle Wisniewski et Marina Coquery.

Merci pour leurs conseils et pour m’avoir consacré du temps. J’ai eu la chance d’avoir un encadrement efficace et attentif, j’en suis conscient. Merci à mon encadrant « au jour le jour » Jean-Marc Choubert pour m’avoir fait partagé ses connaissances aussi bien en modélisation qu’en génie des procédés. Je le remercie aussi pour son aide lors des campagnes de terrain.

Je remercie Benedek Plosz, professeur au DTU, et Régis Moilleron, professeur à l’Université Paris Créteil Est, d’avoir accepté de juger ce travail en qualité de rapporteur. Je remercie également Dominique Patureau, directrice recherche à l’INRA-LBE de Narbonne, Samuel Martin Ruel, responsable du pole assainissement et environnement du CIRSEE Suez Environnement, et Stéphane Garnaud, responsable technique eau et assainissement à la mairie de Saint Maur, de participer au jury de thèse.

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Je remercie Céline Lagarrigue (AE RM&C), Johnny Gasperi (LEESU), Christophe Dagot (ENSIL), Cécile Miège et Aymeric Dabrin (Irstea/LAMA) pour avoir pris part au comité de suivi de ce travail de thèse.

Un remerciement particulier pour Clément Crétollier, pour son aide et ses idées lumineuses lors des campagnes de mesure.

Je remercie le GrandLyon et la Nantaise des eaux pour m’avoir permis d’accéder à la station d’épuration de Dommartin.

Je remercie le personnel du LAMA pour les nombreuses analyses et leur disponibilité pour discuter des résultats, notamment Paul, Dominique, Loïc, Séverine, Eloïse, Lysiane, Caroline, Cécile, Marion- Justine. Je remercie également les laboratoires partenaires du projet ARMISTIQ pour les analyses et surtout les réunions de discussion portant sur l’exploitation des résultats. Ces échanges génie des procédés/chimie sont une réelle plus value dans la compréhension des résultats et dans la réflexion scientifique. Merci donc à Hélène Budzinski et Karyn le Menach pour le laboratoire EPOC LPTC de l’université de Bordeaux I et à Mar Esperanza et Naïke Noyon du laboratoire CIRSEE Suez Environnement.

Une partie de ce travail de thèse est issue du travail de stage de Khaled Brimo. Je le remercie pour son travail minutieux de programmation et de modélisation.

Au cours de ces quelques années au Cemagref devenu Irstea, j’ai pu côtoyer bon nombre de collègues, qui sont d’ailleurs pour la plupart devenus des amis. J’ai pu partager presque tous les bureaux du quai Chauveau avec les membres de l’équipe Epuration. Un merci particulier, au risque d’en oublier certains, à tous ceux avec qui j’ai passé des bons moments au travail ou en dehors : Patrice, Ania, Luis, Alex, Ugo, Alain, Stéphanie, Claudia, Claire, Julie, Léa, Nico, Olivier, Paul, Najatte, Clémence.

Merci à ceux qui m’ont donné un coup de main (ou un coup d’œil) pour la relecture du manuscrit.

Merci aussi à Jean Pierre, Jean Marc, Pascal, Vivien, Catherine, Colin, Noëlle, Antoine, Jean Pierre, Anne Laure, Marcelle pour leur disponibilité et leurs conseils quand j’en ai eu besoin.

Pour finir, je tiens à remercier mon frère et à mes parents pour leur soutien malgré la distance. Vivre loin de l’Aveyron et de ma famille est difficile pour moi mais je vous ai toujours senti proches. Et bien évidemment, merci à Alicia pour ton réconfort et ton soutien.

A mon grand-père.

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« Ce n’est pas parce que les choses sont difficiles que nous n’osons pas, c’est parce que nous n’osons pas qu’elles sont difficiles. » Sénèque

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Résumé

Ce travail vise à décrire les mécanismes d’élimination de micropolluants par un procédé à boues activées en aération prolongée afin de proposer un modèle descriptif permettant une optimisation de leur traitement. Les mécanismes de sorption et de biodégradation sont spécifiquement étudiés.

La démarche expérimentale permettant de répondre à cet objectif repose sur le suivi des performances d’une station d’épuration (STEP) des eaux usées urbaines (2900 EH) et sur des expérimentations à l’échelle pilote. Cinq familles de substances aux propriétés physico-chimiques différentes sont étudiées : 11 métaux, 14 composés pharmaceutiques, 19 hydrocarbures aromatiques polycycliques, 5 alkylphénols et 4 pesticides. Le suivi sur une année des eaux usées brutes de la STEP montre que les concentrations en métaux, relativement stables, peuvent atteindre plusieurs centaines de µg/L, alors que les concentrations des micropolluants organiques, ont une variabilité plus importante et restent inférieures à 10 µg/L (sauf pour 2 composés pharmaceutiques). Trente deux des 53 micropolluants recherchés sont éliminés de la file eau de la STEP à plus de 70 %, uniquement par biodégradation pour 10 d’entre eux. Les rendements d’élimination sont relativement peu influencés par les conditions de fonctionnement de la STEP.

Cependant, pour 7 micropolluants, les rendements d’élimination augmentent avec les concentrations dans les eaux usées brutes. Les essais à l’échelle pilote permettent de déterminer les coefficients de partition et les constantes cinétiques de biodégradation en conditions contrôlées. Nous observons la biodégradation de 12 micropolluants en réacteur fermé dopé. La biodégradation semble être réalisée par cométabolisme lors de la dégradation simultanée des substrats carboné et azoté. Des conditions aérobies, une élévation de température et une concentration en matières en suspension plus élevée favorisent l’élimination de 9 micropolluants.

Un modèle dynamique, calé à partir des données obtenues aux deux échelles d’étude, est ensuite proposé. Ce modèle parvient à simuler les concentrations en micropolluants dans les eaux usées traitées et les boues, en fonction des conditions de fonctionnement (température, concentration en matières en suspension, durée de présence d’oxygène). Cet outil permet de mener des simulations prédictives démontrant qu’une réduction supplémentaire des concentrations dans les eaux usées traitées est envisageable pour plusieurs composés pharmaceutiques sous des conditions préalablement définies.

Mots clés

Traitement des eaux usées domestiques, boues activées aération prolongée, micropolluants, sorption, biodégradation, modélisation, conditions de fonctionnement.

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II

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Abstract

This work proposes to describe the fate of micropollutants through an activated sludge process operated under extended aeration in order to propose a model to optimize their removal. Sorption and biodegradation mechanisms are specifically studied. The experimental strategy associated to this objective combines a study of a full-scale plant (2,900 PE) and pilot-scale experiments. Five families of substances with different physicochemical properties are studied: 11 metals, 14 pharmaceutical compounds, 19 polycyclic aromatic hydrocarbons, 5 alkylphenols and 4 pesticides. The monitoring over a year of raw wastewater characteristics shows that metal concentrations, relatively stable, can reach several hundreds of µg/L while concentrations of organic micropollutants are more variable and remain below 10 µg/L (except for 2 pharmaceutical compounds). Thirty two of the 53 investigated micropollutants are removed from wastewater at more than 70 %, only by biodegradation for 10 of them. The influence of operating conditions on removal efficiencies is small. For 7 micropollutants, removal efficiency seems to increase with increasing raw wastewater concentrations. Pilot scale tests are used to determine partitioning coefficient and kinetic biodegradation constants in monitored conditions. These tests highlight biodegradation for 12 micropollutants. Cometabolism, with the biodegradation of carbonaceous and nitrogen substrates, seems to be the main biodegradation mechanism. An increased aerobic time, an increased temperature, or an increased suspended solids concentration enhance the biodegradation of 9 micropollutants. A dynamic model is proposed, that is calibrated thanks to data from both experimentation scales. The model succeeds in simulating micropollutant concentrations in treated wastewaters and in sludge according to the operating conditions (temperature, suspended solids concentration, aerobic time). Predictive simulations show that a decrease of concentrations in treated wastewaters is possible for many pharmaceutical compounds under defined conditions.

Keywords

Domestic wastewater treatment plant, micropollutants, activated sludge process, removal efficiency, sorption, biodegradation, modelling, operating conditions.

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Table des matières

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VI

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Table des matières

RESUME...I ABSTRACT ... III TABLE DES MATIERES ... V LISTE DES FIGURES...XI LISTE DES TABLEAUX ... XVII LISTE DES ABREVIATIONS ... XXI LISTE DES PUBLICATIONS ... XXVII

INTRODUCTION GENERALE ... 1

CHAPITRE A : ETAT DE L’ART DE LA MODELISATION DE L’ELIMINATION DES MICROPOLLUANTS EN STATION D’EPURATION... 11

1. Introduction ... 13

2. Contexte réglementaire sur les micropolluants ... 14

3. Les micropolluants : sources et familles d’intérêt ... 15

4. Les STEP domestiques : lieu de transfert et de biodégradation des micropolluants 19 4.1. Les mécanismes d’élimination... 20

4.1.1. Volatilisation... 20

4.1.2. Sorption... 20

4.1.3. Biodégradation ... 21

4.1.4. Photodégradation... 22

4.2. Rendements d’élimination des procédés d’épuration... 22

4.2.1. Traitements primaires ... 23

4.2.2. Traitements secondaires ... 23

4.2.3. Traitements tertiaires ... 26

4.3. L’influence des conditions de fonctionnement sur les rendements du procédé à boues activées en aération prolongée ... 26

4.3.1. L’âge de boues (SRT) ... 26

4.3.2. Le temps de séjour hydraulique (HRT) ... 27

4.3.3. Le pH... 27

4.3.4. La température... 27

4.3.5. L’activité nitrifiante et le potentiel rédox... 28

5. Les outils de simulation numériques dédiés aux micropolluants... 29

5.1. Introduction... 29

5.2. Modélisation de l’élimination des micropolluants dans les traitements biologiques d’épuration : revue de la littérature ... 30

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VIII

CHAPITRE B : METHODOLOGIE D’EVALUATION DE LA SORPTION ET DE LA BIODEGRADATION DES MICROPOLLUANTS : MESURES A L’ECHELLE DE LA

STATION D’EPURATION ET A L’ECHELLE PILOTE ... 47

2. Choix des micropolluants ... 49

3. Description du modèle proposé ... 53

3.1. Sorption... 54

3.2. Biodégradation ... 54

4. Démarche expérimentale ... 57

4.1. Présentation de la STEP... 59

4.2. Expérimentation à l’échelle de la STEP (réacteur ouvert)... 61

4.2.1. Stratégie d’échantillonnage ... 62

4.2.2. Liste des paramètres analysés... 63

4.3. Expérimentations à l’échelle pilote (réacteur fermé) ... 64

4.3.1. Démarche expérimentale ... 65

4.3.2. Description des différentes phases... 66

5. Méthodes de prélèvement et d’analyse des micropolluants... 68

5.1. Description des outils et méthodes spécifiques aux prélèvements d’échantillons en STEP 68 5.1.1. Chaine de prélèvement... 68

5.1.2. Modules de filtration ... 70

5.2. Assurance qualité ... 72

5.2.1. Blancs de prélèvement ... 72

5.2.2. Blancs des cuves des réacteurs fermés... 72

5.2.3. Blancs des modules de filtration ... 73

5.3. Méthodes d’analyses chimiques... 73

6. Méthodologies de détermination des flux, des rendements et des paramètres de modélisation ... 76

6.1. Détermination des flux en micropolluants ... 76

6.2. Evaluation de la fraction dissoute dans les eaux usées brutes et dans le bassin d’aération . 78 6.3. Rendements d’élimination de la STEP ... 79

6.4. Détermination du paramétrage du modèle à l’aide des données en réacteurs fermés ... 80

6.4.1. Coefficient de partition en réacteur fermé (Kd)... 80

6.4.2. Constantes cinétiques de biodégradation ... 81

CHAPITRE C : PERFORMANCE D’ELIMINATION DE MICROPOLLUANTS PAR LE PROCEDE A BOUES ACTIVEES EN AERATION PROLONGEE (STATION D’EPURATION TAILLE REELLE) ... 83

2. Devenir de micropolluants dans le procédé à boues activées : variabilité des concentrations dans les eaux usées et facteurs influençant les rendements d’élimination ... 86

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3. Performances d’élimination du procédé à boues activées : comparaison avec les

résultats du projet AMPERES ... 122

3.1. Rendements de la file eau (R_W)... 122

3.2. Rendements de la file globale (R_T) ... 125

4. Etude de la partition dissous/particulaire des micropolluants dans les eaux usées brutes ... 127

4.1. Fraction dissoute observée lors des 8 campagnes de mesures ... 128

4.2. Relation entre log Kow et fdiss,EB... 130

4.3. Relation entre les rendements R_W et R_T et f_diss,EB... 132

5. Etude de la partition dissous/particulaire des micropolluants dans le bassin d’aération ... 133

5.1. Fraction dissoute et coefficient de partition mesurés dans le bassin d’aération... 134

5.2. Comparaison des teneurs en micropolluants dans les particules des eaux usées brutes et du bassin d’aération ... 137

5.3. Relation entre les rendements et le coefficient de partition dans le bassin d’aération ... 139

6. Détermination de la contribution des mécanismes de sorption et biodégradation . 140 6.1. Cas des micropolluants bien éliminés des eaux usées et retrouvés dans les boues (R_W>70% et R_T<30%)... 141

6.2. Les micropolluants partiellement éliminés des eaux usées (R_T entre 30 et 70%) ... 141

6.3. Cas des micropolluants peu éliminés des eaux usées (R_W < 30%) ... 142

6.4. Les micropolluants majoritairement biodégradés (R_W et R_T > 70 %)... 142

7. Conclusions ... 145

CHAPITRE D : DETERMINATION DES COEFFICIENTS DE PARTITION ET DE BIODEGRADATION EN REACTEUR FERME, UNE PREMIERE ETAPE A LA MODELISATION ... 149

2. Stratégie de mesure des coefficients de partition et de biodégradation de micropolluants pour un modèle biocinétique appliqué au procédé à boues activées.. 152

3. Efficacités d’élimination de micropolluants en réacteur fermé ... 175

4. Détermination des coefficients de partition ... 176

4.1. Mesure des coefficients de partition Kd... 176

4.2. Influence des conditions de mesure ... 179

4.2.1. Potentiel rédox ... 179

4.2.2. Température et concentration en MES ... 179

4.3. Comparaison des valeurs Kd avec KdBA... 179

5. Détermination des constantes de biodégradation... 181

5.1. Mesures des constantes cinétiques de biodégradation ... 181

5.1.1. Les micropolluants biodégradés en réacteur fermé... 183

5.1.2. Les micropolluants non biodégradés en réacteur fermé ... 186

5.2. Influence des conditions de fonctionnement... 187

6. Bilan sur les mécanismes et conclusions... 190

(19)

X

CHAPITRE E : MODELISATION DE L’ELIMINATION DES MICROPOLLUANTS

DANS LE PROCEDE A BOUES ACTIVEES ... 193

2. Démarche de calage du modèle ... 195

2.1. Régime stationnaire ou pseudo-permanent ... 195

2.2. Régime dynamique ... 196

2.3. Critères d’appréciation de la qualité des résultats de simulation ... 197

3. Simulation des concentrations en sortie de STEP ... 198

4. Paramétrage de la biodégradation... 201

4.1. Influence des variables d’état SO2, SB, SNOx, SNHx sur les cinétiques de biodégradation des micropolluants, et détermination des paramètres sensibles ... 201

4.1.1. Présence d’oxygène (SO2)... 202

4.1.2. Présence de substrat carboné et azoté (SB, SNOx, SNHx)... 202

4.1.3. Présence de substrat azoté seul (SNOx, SNHx)... 203

4.1.4. Absence de substrat carboné biodégradable (SB) ... 203

4.1.5. Synthèse... 203

4.2. Paramétrage obtenu après calage ... 204

4.3. Confrontation des résultats aux deux échelles ... 208

5. Simulations prédictives ... 211

5.1. Influence de la température... 211

5.2. Influence de la concentration en MES ... 212

5.3. Influence de la durée de présence d’oxygène... 214

6. Conclusion ... 216

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES... 219

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES... 231

LISTE DES ANNEXES ... 247

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Liste des figures

(21)

XII

(22)

Liste des figures

Figure A-1 : Liste des substances réglementées par la DCE pour l’évaluation de l’état chimique des masses d’eaux ... 15 Figure A-2 : Schéma de la biodégradation des APEO (Soulier, 2012) ... 19 Figure B-1 : Schéma des deux types de campagne de mesures prévues ... 58 Figure B-2: Synoptique avec photographies des éléments de la STEP d’étude et localisation des points de prélèvement ... 59 Figure B-3 : Photographie du bassin d’aération de la STEP étudiée, avec clarificateur secondaire au centre .. 60 Figure B-4 : Photographie des deux réacteurs fermés (à gauche le réacteur aérobie : agité et aéré ; à droite le réacteur anoxie : agité et non aéré) ... 65 Figure B-5 : Représentation du déroulement type d’une expérimentation en réacteur fermé (cas condition aérobie) ... 66 Figure B-6 : Photos des éléments de la chaine de prélèvement/conditionnement des échantillons lors des campagnes à l’échelle STEP : (a) tuyauterie téflon et préleveur réfrigéré; (b) 24 flacons verre de 2L pour échantillons horaires ; (c) bonbonne de 34 L en verre avec l’échantillon moyen reconstitué et flacons pour les laboratoires ; (d) glacière en phase de préparation pour l’envoi des échantillons vers un des laboratoires... 69 Figure B-7 : Photographie du montage de filtration sous vide avec module de filtration ... 71 Figure B-8 : Schéma du bilan matière sur le procédé à boues activées ... 76 Figure B-9 : Représentation schématique des règles de calculs des rendements (adaptée de Choubert et al., 2011) (NC : non calculable) ... 80 Figure C-1: Rendements R_W moyens (avec écart-type) calculés pour le procédé à boues activées de Dommartin et sur les 6 STEP à boues activées du projet AMPERES (le nombre n de R_W calculés est donné en abscisse ; la barre verte représente R_W = 70 % et la barre orange R_W = 30 %) ... 124 Figure C-2 : Rendements R_Tmoyens (avec écart type) calculés sur la STEP de Dommartin et sur les 6 STEP à boues activées du projet AMPERES (le nombre n de R_T calculés est donné en abscisse ; la barre verte représente R_T = 70 % et la barre orange R_T = 30 %)... 126 Figure C-3 : Valeurs moyennes de la fraction dissoute (%) des micropolluants dans les eaux usées brutes ... 129 Figure C-4 : Relation entre f_diss,EBmoyen et log Kow pour les 42 micropolluants organiques (les barres verticales représentent les écarts types) ... 131 Figure C-5 : Relation entre la fraction dissoute (f_diss,EB) moyenne des micropolluants dans les eaux usées brutes et les rendements moyens R_W et R_T ... 132 Figure C-6 : Relation entre le coefficient de partition mesuré dans le bassin d’aération (Kd_BA) et les rendements R_W et R_T ... 140 Figure C-7 : Devenir du flux de micropolluants entrant (eaux usées brutes F_mp,EB) au sein du procédé à boues activées, entre l’émission par les eaux usées traitées (Fmp,ET), le transfert vers les boues (Fmp,B) et la proportion estimée biodégradée ... 144 Figure D-1: Relation entre le coefficient de partition moyen mesuré en réacteur fermé (Kd) et le coefficient log Kow pour les 23 micropolluants étudiés ... 178 Figure E-1 : Evolution des concentrations dissoutes Smp et particulaires Xmp expérimentales et après calage lors des 4 campagnes de mesures à l’échelle pilote ACA1-P1, ACA1-P2, ACA1-P3 et ACA1-P4 ... 199

(23)

Liste des figures

XIV

Figure E-2 : Comparaison des valeurs des constantes cinétiques de biodégradation mesurées en réacteur fermé (kS,C-N,Ox expé) et calées (kS,C-N,Ox calé). Pour 4-NP, la constante kS,C-N,Ax est utilisée. Les barres indiquent

l’intervalle mini-maxi des valeurs individuelles. ... 209 Figure E-3 : Comparaison des valeurs des vitesses de biodégradation (ng/gMES/j) mesurées en réacteur fermé (Smp,réacteur fermé* kS,max expé) et calées (Smp,STEP * kS,Max calé) ... 209 Figure E-4 : Evolution des concentrations dissoute Smp et particulaire Xmp en IBP et en MET avec deux paramétrages différents : (A) paramétrage correspondant au calage de la campagne ACA1-P2 et (B)

paramétrage tenant compte de l’influence de la température... 211 Figure E-5 : Evolution des concentrations dissoute Smp et particulaire Xmp en IBP, MET et FLX avec deux scénarios différents : (A) simulation dans les conditions de la campagne ACA1-P2 et (C) simulation de ACA1-P2 avec une concentration en MES divisée par deux ... 213 Figure E-6 : Evolution des concentrations dissoute Smp et particulaire Xmp en IBP, MET et FLX avec deux scénarios différents : (A) simulation dans les conditions de la campagne ACA1-P2 et (D) simulation de ACA1- P2 avec une durée de présence d’oxygène supérieure de 15 %... 214 Figure I-1 : Fractionnement de la DCO totale (Rieger et al., 2012) ... 252 Figure I-2 : Fractionnement de l’azote total (Rieger et al., 2012) ... 253 Figure I-3 : Evolution de l’oxygène dissous dans le bassin d’aération : comparaison entre les données

expérimentales et simulées (ACA1-P1) ... 260 Figure I-4 : Evolution des formes azotées dans les eaux usées traitées : comparaison entre les données

expérimentales et simulées (ACA1-P1) ... 260 Figure I-5 : Evolution des variables d’état dans le bassin d’aération (données simulées) (ACA1-P1)... 261 Figure I-6 : Evolution de l’oxygène dissous dans le bassin d’aération : comparaison entre les données

expérimentales et simulées (ACA1-P2) ... 262 Figure I-7 : Evolution des formes azotées dans les eaux usées traitées : comparaison entre les données

expérimentales et simulées (ACA1-P2) ... 262 Figure I-8 : Evolution des variables d’état dans le bassin d’aération (données simulées) (ACA1-P2)... 263 Figure I-9 : Evolution de l’oxygène dissous dans le bassin d’aération : comparaison entre les données

expérimentales et simulées (ACA1-P3) ... 264 Figure I-10 : Evolution des formes azotées dans les eaux usées traitées : comparaison entre les données expérimentales et simulées (ACA1-P3) ... 264 Figure I-11 : Evolution des variables d’état dans le bassin d’aération (données simulées) (ACA1-P3)... 265 Figure I-12 : Evolution de l’oxygène dissous dans le bassin d’aération : comparaison entre les données

expérimentales et simulées (ACA1-P4) ... 266 Figure I-13 : Evolution des formes azotées dans les eaux usées traitées : comparaison entre les données expérimentales et simulées (ACA1-P4) ... 266 Figure I-14 : Evolution des variables d’état dans le bassin d’aération (données simulées) (ACA1-P4)... 267 Figure II-1 : Photos du test de l’essai de traçage sur le procédé à boues activées : (a) injection du traceur dans le bassin d’aération (phase d’aération) ; (b) boue du bassin d’aération (phase de non-aération) après injection du traceur ; (c) clarificateur après injection du traceur... 269

(24)

Liste des figures

Figure II-2 : Courbe d’étalonnage du fluorimètre pour le traçage réalisé sur la STEP de Dommartin (janvier 2012) ... 270 Figure II-3 : Courbes de distribution des temps de séjour expérimentale et simulées ... 271 Figure III-1 : Photos des étapes de prétraitement de la STEP (a) Vue du canal d’entrée et préleveur de la STEP, (b) dégrilleur et (c) dessableur/dégraisseur... 273 Figure III-2 : Photos du traitement secondaire. (a) Bassin d’aération et clarificateur secondaire, (b) vue de l’aérateur de surface et (c) de la recirculation ... 274 Figure III-3 : Photos du (a) Canal de comptage en sortie de la STEP et (b) du rejet dans le milieu superficiel 274 Figure III-4 : Cycles de fonctionnement journalier de l’aérateur (exemple du 17/10/2011)... 275 Figure III-5 : Evolution de la température dans le bassin d’aération le 28 juin 2011 (ACA1-P2) ; pas de temps de mesure : 1 min ... 277 Figure III-6 : Evolution de la température dans le bassin d’aération durant la période février 2011 - février 2012 ... 277 Figure III-7 : Evolution des MES dans le bassin d’aération durant la période novembre 2010 - février 2012 . 278 Figure III-8 : Evolution de la concentration en oxygène dissous dans le bassin d’aération durant la campagne ACA1-S3... 279 Figure IV-1 : Evolution des concentrations en DCO filtrée, DCO biodégradable, NH4, NO3 et du potentiel redox dans le réacteur aérobie (données de la campagne ACA1-P2) (zone rose = nitrification, correspondant à la phase aérobie N) ... 284 Figure IV-2 : Evolution des concentrations en DCO filtrée, DCO biodégradable, NH4, NO3 et du potentiel redox dans le réacteur anoxie (données de la campagne ACA1-P2) (zone rose = dénitrification, correspondant à la phase anoxie N)... 285 Figure V-1 : Eléments de la chaine de prélèvement/conditionnement des échantillons lors des campagnes en échelle réelle : (a) tuyauterie téflon et préleveur réfrigéré Bülher 5010); (b) 24 flacons verre pour échantillons horaire ; (c) constitution de l’échantillon moyen ; (d) bonbonne de 34L en verre et flaconnage pour les

laboratoires... 288 Figure V-2 : Protocoles d’un essai de blanc de la chaine de prélèvements/conditionnement (d’après Eymery et al. 2011) ... 289 Figure V-3 : Filtration d’eau Evian avec le module de filtration lors des essais de blanc du module de filtration

... 291 Figure VII-1 : Concentrations dans les eaux usées brutes, traitées et boues et rendements calculés lors des 8 campagnes de mesures pour les 53 micropolluants étudiés... 320 Figure VIII-1 : Evolution des flux horaires en micropolluants dans les eaux usées brutes lors des campagnes ACA1-P2 et ACA1-P4 ... 323 Figure X-1 : Evolution de la DCO, des MES, du NH4 du NO3 au cours des phases des chacun des essais en réacteur fermé... 328 Figure X-2 : Evolution des concentrations dissoute Smp et particulaire Xmp (en ng/L) en réacteur fermé au cours des 4 campagnes de mesure ... 336 Figure XI-1 : Schéma de la démarche de calage pour les macropolluants ... 338

(25)

Liste des figures

XVI

Figure XII-1: Comparaison des concentrations dissoute Smp et particulaire Xmp simulées et expérimentales pour les micropolluants étudiés en réacteur fermé (simulation des 4 campagnes de mesure) ... 349

(26)

Liste des tableaux

(27)

XVIII

(28)

Liste des tableaux

Tableau B-1 : Liste des micropolluants étudiés et principales caractéristiques physicochimiques... 50 Tableau B-2 : Représentation matricielle du modèle choisi pour représenter la biodégradation des

micropolluants en STEP... 56 Tableau B-3 : Dates et conditions de fonctionnement des 8 campagnes de mesures... 59 Tableau B-4 : Caractéristiques des eaux usées brutes reçues par la STEP (moyennes et écarts-types calculés à partir d’échantillons moyens 24h issus des 8 campagnes de mesures)... 61 Tableau B-5 : Méthodes d’analyse des micropolluants et LQ associées ... 75 Tableau C-1 : Concentrations dans les eaux usées brutes, les eaux usées traitée et dans les boues et rendements d’élimination (RW et RT) des 53 micropolluants étudiés pour le procédé à boues activées de la STEP de

Dommartin ... 120 Tableau C-2 : Valeurs de fdiss,BA et de KdBA mesurées lors des 8 campagnes de mesure dans le bassin à boues activées de la STEP... 135 Tableau C-3: Classification des micropolluants étudiés par classe de KdBA croissant ... 136 Tableau C-4 : Comparaison des teneurs (en ng/g) en micropolluants dans les phases particulaires des eaux usées brutes (Xmp,EB)et des boues (Xmp)... 138 Tableau D-1 : Conditions de fonctionnement lors des 4 essais en réacteurs fermés ... 151 Tableau D-2 : Comparaison entre les rendements d’élimination RW et RT moyens mesurés lors des essais en réacteur fermé (aérobie et anoxie, n=3 à 4) et ceux mesurés sur la STEP (n=3 à 8)... 175 Tableau D-3 : Coefficients de partition Kd déterminés lors des 4 campagnes en réacteur fermé (en conditions aérobie et anoxie) et coefficients KdBA déterminés dans le bassin d’aération ... 177 Tableau D-4 : Classification des micropolluants étudiés en réacteur fermé par classe de Kd croissant ... 177 Tableau D-5 : Comparaison des valeurs des coefficients de partition Kd et KdBA... 180 Tableau D-6 : Constantes cinétiques de biodégradation obtenues en réacteur fermé dans les phases dissoute et particulaire en fonction du substrat biodégradable présent et de la condition rédox ... 182 Tableau D-7 : Etude de l’influence de la température et de la concentration en MES sur les valeurs de la constante cinétique de biodégradation kS,C-N,Ox... 188 Tableau E-1: Critères d’appréciation de la qualité des résultats de simulation utilisés pour le calage du modèle

... 198 Tableau E-2 : Synthèse de l’influence des variables d’état sur l’expression des processus de biodégradation . 204 Tableau E-3: Constantes cinétiques de biodégradation en phase dissoute (Smp) obtenues par calage... 205 Tableau E-4 : Constantes cinétiques de biodégradation en phase particulaire (Xmp) obtenues par calage ... 206 Tableau E-5 : Bilan des ordres des cinétiques de biodégradation mis en évidence ... 210 Tableau E-6 : Concentrations Smp moyennes 24h mesurées et simulées suivant les scénarios A et B ... 212 Tableau E-7 : Comparaison des concentrations Smp moyennes 24h expérimentales et simulées suivant les scénarios A et C ... 213 Tableau E-8 : Comparaison des concentrations Smp moyennes 24h expérimentales et simulées suivant les scénarios A et D ... 215 Tableau I-1 : Correspondances entre les différentes notations des variables d’ASM1 ... 252 Tableau I-2 : Concentrations des fractions de DCO et d’azote dans les eaux usées brutes de la STEP de

Dommartin, pour chaque échantillon moyen 6h ... 254

(29)

Liste des tableaux

XX

Tableau I-3 : Concentrations des différentes fractions (DCO et N) dans le bassin d’aération ... 254 Tableau I-4 : Valeurs par défaut des paramètres du modèle ASM1 à 20°C (Rieger et al., 2012) et valeurs utilisées pour les simulations ... 255 Tableau I-5 : Equations de vitesse des processus au sein d’un réacteur biologique ... 259 Tableau III-1 : Suivi des concentrations en DCObrute et NK dans les eaux usées brutes et traitées lors des 8 campagnes de mesures et calcul des rendements de la file eau (R) ... 276 Tableau III-2 : Durée de présence journalière effective d’oxygène dans le bassin et concentration maximale relevée ... 279 Tableau III-3 : Tableau des valeurs calculées de SRT avec les différentes méthodes ... 281 Tableau III-4 : Tableau des valeurs calculées de Cm et CV,N au cours des 8 campagnes de mesure... 282 Tableau VI-1 : Type de flaconnage utilisé pour prélever les échantillons... 296 Tableau VI-2 : Limites de quantification (LQ) associées à l’analyse des macropolluants dans les eaux... 296 Tableau VI-3 : Métaux recherchés et LQ associées dans les eaux et dans les boues ... 297 Tableau VI-4 : Bêtabloquants recherchés et LQ associées pour chaque matrice... 300 Tableau VI-5 : Composés pharmaceutiques recherchés et LQ associées pour chaque matrice ... 303 Tableau VI-6 : HAP recherchés et LQ associées pour chaque matrice ... 305 Tableau VI-7 : AKP recherchés et LQ associées pour chaque matrice ... 307 Tableau VI-8 : Pesticides recherchés dans le cadre de la thèse et LQ associées pour chaque matrice ... 310 Tableau IX- 1: Valeurs de Kd mesurées en réacteur fermé (condition aérobie et anoxie) ... 325 Tableau XI-1 : Paramètres de fonctionnement de la STEP utilisés pour le calage du modèle ... 339

(30)

Liste des abréviations

(31)

XXII

(32)

Liste des abréviations

Liste des noms de micropolluants et familles de micropolluants 2,1 BNT 2,1 benzonaphtothiophène

4-NP 4-nonylphénol

4-t-OP 4-ter-octylphénol

Acé Acénaphtène

ACE Acébutolol

Acy Acénaphtylène

AKP Alkylphénols

Al Aluminium AMITR Amitriptyline

An Anthracène

APEO Alkylphénols polyéthoxylés

ATE Aténolol

ATR Atrazine

B Bore

BaA Benzo(a)anthracène

BaP Benzo(a)pyrène

BbF+BkF+BjF Benzo(b+j+k)fluoranthène

BeP Benzo(e)pyrène

BET Bétaxolol

BIS Bisoprolol

BP Benzo(g,h,i)pérylène

BZP Bromazépam

Chrys+Triph Chrysène + triphénylène

Cd Cadmium

Cr Chrome

Cu Cuivre

COV Composés organiques volatils DacA+DahA Dibenzo(a,h+a,c)antracène

DBT Dibenzothiophène

DCF Diclofénac

DDT Dichlorodiphényltrichloroéthane (pesticide organochloré) DEHP Phtalate de di-2-éthylhexyle

DIU Diuron

Fe Fer

Fluoren Fluorène

Fluo Fluoranthène

FLX Fluoxétine

HAP Hydrocarbure aromatique polycyclique

IBP Ibuprofène

IP Indéno(c,d)pyrène

ISO Isoproturon

MET Métoprolol

N Naphtalène

Ni Nickel

NP1EC Acide nonylphénoxyacétique

NP1EO Nonylphénolmonoéthoxylate NP2EO Nonylphénoldiéthoxylate

PARA Paracétamol

(33)

XXIV

Pb Plomb

PCB Polychlorobiphényls

PER Pérylène

Phe Phénanthrène

PROP Propranolol

Pyr Pyrène

ROX Roxithromycine

Se Sélénium

SIM Simazine

SMX Sulfaméthoxazole

Ti Titane

Zn Zinc

Liste des paramètres et variables utilisés dans les équations COD, COT Concentration en carbone organique dissous et total DBO5 Demande biochimique en oxygène

DCO Demande chimique en oxygène

fdiss,EB Fraction dissoute en micropolluants dans les eaux usées brutes fdiss,BA Fraction dissoute en micropolluants dans le bassin d’aération

Fmp,EB, Fmp,ET, Fmp,RET, Fmp,B Flux en micropolluants dans les eaux usées brutes, traitées, le retour en tête et les boues

K1, K2 Constantes de demi-saturation pour la biomasse hétérotrophe kbiol,mp Constante cinétique de biodégradation du micropolluant

Kd Coefficient de partition entre la phase dissoute et la phase particulaire mesuré en réacteur fermé après dopage

KdBA Coefficient de partition entre la phase dissoute et la phase particulaire dans le bassin d’aération

KO2,OHO Constante de demi-saturation en oxygène pour la biomasse hétérotrophe

KNHx,ANO Constante de demi-saturation en ammonium pour la biomasse

autotrophe

KNOx,OHO Constante de demi-saturation en nitrates et nitrites pour la biomasse kS,C-N,Ox,

kS,C-N,Ox, kS,C-N,Ax Constantes cinétiques de biodégradation du micropolluant dissous en présence de substrat biodégradable (carbone et azote) en conditions aérobie et anoxie

kS,endo,Ox, kS,endo,Ax Constantes cinétiques de biodégradation du micropolluant dissous en absence de substrat biodégradable en conditions aérobie et anoxie

kS,N,Ox, kS,N,Ax Constantes cinétiques de biodégradation du micropolluant dissous en présence de substrat azoté uniquement en conditions aérobie et anoxie kX,C-N,Ox, kX,C-N,Ax Constantes cinétiques de biodégradation du micropolluant particulaire

en présence de substrat biodégradable (carbone et azote) en conditions aérobie et anoxie

kX,endo,Ox, kX,endo,Ax Constantes cinétiques de biodégradation du micropolluant particulaire en absence de substrat biodégradable en conditions aérobie et anoxie kX,N,Ox , kX,N,Ax Constantes cinétiques de biodégradation du micropolluant particulaire

en présence de substrat azoté uniquement en conditions aérobie et anoxie

MES Concentration en matières en suspension

MVS Concentration en matières volatiles en suspension

(34)

NH4 Concentration en ammonium

NO3, NO2 Concentration en nitrates et nitrites NK Concentration en azote kjeldahl

PO4, Ptot Concentration ions phosphates et en phosphore total QEB,QET, QRET Débit des eaux usées brutes, traitées et de retour en tête Qextr Débit d’extraction des boues

rbiodeg Vitesse de biodégradation du micropolluant dissous

RW, RT Rendements associés à la file eau et à la STEP globale (file eau et boues)

SB Concentration en DCO soluble biodégradable

Smp Concentration micropolluant en phase dissoute de manière générale (dans les eaux usées traitées pour le modèle)

SNHx Concentration en ammonium

SNOx Concentration en nitrates et nitrites SO2 Concentration en oxygène dissous T Température

V Volume du bassin d’aération

Xmp Concentration en micropolluant en phase particulaire de manière générale (dans les boues pour le modèle)

Liste des autres abréviations

AMPERES Projet : Analyse de micropolluants prioritaires et émergents dans les rejets et les eaux superficielles (ANR PRECODD 2006-2009)

ASE Accelerated solvent extraction ASM Activated Sludge Model

C Carbone

CV Coefficient de variation (ou écart type relatif, équivalent RSD) DCE Directive cadre sur l’eau

EH Equivalent habitant

ET Ecart-type (équivalent SD)

GC-MS Spectromètre de masse couplé à une chromatographie gaz

H Constante de Henry

HRT Temps de séjour hydraulique

ICP-MS Spectromètre de masse couplé à un plasma inductif Kow Coefficient de partage octanol-eau

LC-MS/MS Spectromètres de masse en tandem couplés à une chromatographie liquide

LQ Limite de quantification

MAE, MARE Moyenne de la valeur absolue des écarts et moyenne de la valeur absolue des écarts relatifs

N Azote

NEPTUNE Projet : New Sustainable Concepts and Processes for Optimization and Upgrading Municipal Wastewater and Sludge Treatment

pKa Constante d’acidité

OPUR Observatoire des polluants urbains en Ile-de-France

(35)

XXVI

POSEIDON Assessment of Technologies for the Removal of Pharmaceuticals and Personal Care Products in Sewage and Drinking Water Facilities to Improve the Indirect Potable Water Reuse

QMNA5 Débit mensuel minimal de chaque année civile (pour un cours d’eau) ayant la probabilité 1/5 de ne pas être dépassé une année donnée

REACH Règlement européen sur l’enregistrement, l’évaluation, l’autorisation et les restrictions des substances chimiques (juin 2007)

RSDE Action nationale de recherche et de réduction des rejets de substances dangereuses dans les eaux

Score-PP Projet : Source Control Options for Reducing Emissions of Priority Pollutants

SD, RSD Ecart-type et écart-type relatif (équivalent ET et CV) SPE Extraction sur phase solide

SPME Microextraction sur phase solide

STEP Station d’épuration

SRT Temps de séjour de boues

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Liste des publications

(37)

XXVIII

(38)

Liste des publications

Publications dans des revues scientifiques internationales avec comité de lecture

Pomiès, M., Choubert, J.M., Wisniewski, C., Coquery, M. (2013). Modelling of micropollutant removal in biological wastewater treatments: a review. Science of the total Environment. 443, 733-748.

Pomiès, M., Choubert, J.M., Wisniewski, C., Miège, C., Budzinski H., Coquery M. A comprehensive strategy to calibrate sorption and biodegradation of micropollutant in a biokinetic model. (Soumis à Bioresource Technology.)

Pomiès, M., Choubert, J.M., Wisniewski, C., Miège, C., Budzinski, H., Le Menach, K., Crétollier, C., Coquery, M. Studying the removal of micropollutants by activated sludge:

variability of raw wastewater concentration and influence of operating conditions. (En préparation, soumission prévue dans Environmental Science and Pollution research.)

Publications dans des revues scientifiques nationales avec comité de lecture

Choubert J.M., Pomiès M., Martin Ruel M., Budzinski H., Miège M., Wisniewski C., Coquery, M. (2012). Élimination des micropolluants par les stations d’épuration domestiques.

Science, Eaux et Ttechnologies 9, 6-15

Coquery, M., Pomiès, M., Martin Ruel, S., Budzinski, H., Miège, C., Esperanza, M., Soulier, C., Choubert, J.M. (2011). Mesurer les micropolluants dans les eaux usées brutes et traitées.

Protocoles et résultats pour l'analyse des concentrations et des flux. Techniques Sciences Méthodes, vol. 1-2, p. 25-43

Communications avec actes dans des congrès internationaux

Pomiès, M., Choubert, J.M., Wisniewski, C., Coquery, M. (2012). How do we currently model micropollutant removal? Workshop micropolluant. Conférence internationale WWTMod, 26-28, February. Mont Saint Anne (Canada).

Pomiès, M., Choubert, J.M., Wisniewski, C., Miège, C., Esperanza, M., Le Menach, K., Budzinski, H., Coquery, M. (2012). A comprehensive strategy to calibrate sorption and biodegradation of micropollutant in a biokinetic model. Conférence international WWTMod, 26-28, February Mont Saint Anne (Canada). Communication par affiche.

Pomiès, M., Choubert, J.M., Miège, C., Esperanza, M., Le Menach, K., Budzinski, H., Wisniewski, C., Coquery, M. (2012). A new insight for micropollutants in activated sludge:

variability of influent concentrations and effects of operating parameters on removal performances. Conférence internationale IWA, 16-21, September. Busan (Corée du Sud).

(39)

Liste des publications

XXX

Communications avec actes dans des congrès nationaux

Pomiès, M., Choubert, J.M., Wisniewski, C., Miège, C., Esperanza, M., Le Menach, K., Budzinski, H., Coquery, M. (2012). Calage de la sorption et de la biodégradation des micropolluants dans un modèle biocinétique : nouveau protocole expérimental et premiers résultats. Conférence nationale SFGP (Société française du génie des procédés), 1^er février 2012, Nantes (France). Communication par affiche.

Pomiès, M., Choubert, J.M., Wisniewski, C., Coquery, M. (2012). Calage de la sorption et de la biodégradation de micropolluants dans un modèle biocinétique : nouveau protocole expérimental et premiers résultats sur les composés pharmaceutiques. ASTEE – réunion du groupe Modélisation, 3 juillet 2012. Montpellier (France).

Choubert, J.M., Pomiès, M., Patureau, D., Wisniewski, C., Delalonde, M., Héran, M., Albasi, C., Mozo, I., Spérandio, M., Boisson, P., Steyer, J.P., Coquery, M., Gillot, S. (2013).

Modélisation du devenir des micropolluants dans les stations d’épuration – Etat de l’art et évolutions futures. Congrès ASTEE, 4-7 juin. Nantes (France).

Rapports

Pomiès, M., Coquery, M., Choubert, J.M. (2010). Etat de l’art des processus, des protocoles de quantification des vitesses d’adsorption et de dégradation, des outils de simulations existants pour l’élimination des micropolluants dans les procédés biologiques de traitement des eaux usées, Rapport bibliographique. Cemagref - Onema, 36p.

(40)

(41)

XXXII

(42)

Introduction générale

(43)

2

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Introduction générale

La présence de micropolluants dans les milieux aquatiques et plus généralement dans les différents compartiments de l’environnement est aujourd’hui avérée (Kummerer, 2001). Les premières études qui ont fait état de la présence dans l’environnement de micropolluants, comme certains composés pharmaceutiques, datent des années 1970 (Hignite et Azarnoff, 1977). Le terme micropolluant désigne une substance chimique (organique ou inorganique) qui peut potentiellement provoquer des nuisances sur un écosystème bien qu’étant présente à de faibles concentrations (de l’ordre du ng/L au µg/L). Certains micropolluants sont d’origine naturelle mais leurs concentrations dans l’environnement peuvent aussi être modifiées par l’activité anthropique. On parle aussi de contaminants, de composés traces ou de xénobiotiques. L’effet perturbateur endocrinien de certains micropolluants est souvent mis en cause car il implique un dérèglement du système hormonal des êtres vivants (Daughton et Ternes, 1999). Certains micropolluants, comme les hormones estrogéniques (issues des pilules contraceptives), peuvent ainsi conduire à une féminisation de certaines populations de poissons (Jobling et al., 1998; Hashimoto et al., 2000). Le nonylphénol et le DEHP (phtalate de di-2-éthylhexyle) sont aussi des perturbateurs endocriniens reconnus (Purdom et al., 1994;

Lund, 2000). D’autres micropolluants ont des effets nocifs dans les milieux aquatiques.

Certains antibiotiques peuvent rendre plus résistantes des bactéries fécales issues des rejets de station d’épuration (STEP) dans les eaux de rivière (Tamtam et al., 2008). Cependant, les effets toxiques de nombreux micropolluants sont aujourd’hui encore insuffisamment documentés. Le nombre de substances chimiques utilisées et introduites dans l’environnement est énorme (plusieurs centaines de milliers) et ne cesse de croître chaque année. La communauté scientifique se pose notamment la question de l’effet des composés pharmaceutiques sur les écosystèmes (Daughton et Ternes, 1999). La difficulté repose sur le fait que ces effets peuvent s’exprimer à court ou long terme et être cumulatifs ou synergiques du fait de la présence de micropolluants en cocktails (Pomati et al., 2006). Une des appréhensions majeures concerne aussi le potentiel transfert de ces substances vers les ressources en eaux utilisées pour la potabilisation de l’eau (Bruchet et al., 2005; Kumar et Xagoraraki, 2010) ou dans les sols, les cultures et aussi les eaux souterraines via l’épandage de boues, largement développé en France (Lapen et al., 2008).

Les sources de micropolluants sont très variées : origine domestique (composés pharmaceutiques, détergents), origine industrielle (ex. : produits chimiques utilisés dans la fabrication de produits manufacturés ou pour le nettoyage), origine hospitalière (ex. : composés pharmaceutiques), origine urbaine lors du ruissellement sur les sols ou sur les

(45)

4

toitures (ex. : HAP et métaux issus des émissions du trafic routier ou des retombées atmosphériques provenant du chauffage des bâtiments), origine agricole (pesticides). Les rejets provenant de chacune de ces sources peuvent être diffus ou ponctuels. Les micropolluants atteignent les STEP via les réseaux de collecte des eaux usées séparatifs ou unitaires. Les performances d’élimination des micropolluants par les STEP sont loin d’être négligeables bien qu’elles ne soient pas dimensionnées avec l’objectif de traiter ce type de substances. Cependant certaines substances sont quantifiées dans les eaux usées traitées à des concentrations significatives (>100 ng.L^-1) (Miège et al., 2009; Coquery et al., 2011) soit à cause de concentrations élevées dans les eaux usées brutes, soit à cause d’une élimination faible due à leurs propriétés physicochimiques (hydrophobicité, peu de sensibilité à la biodégradation). Les rejets de STEP représentent ainsi un des vecteurs d’entrée des micropolluants dans l’environnement (Stumpf et al., 1999; Heberer, 2002).

La législation française a intégré la problématique des micropolluants en s’appuyant sur la législation européenne avec par exemple la directive cadre sur l’eau (DCE, 2000/60/CE ; CE, 2000) et les directives filles 2455/2001/CE (CE, 2001) et 2008/105/CE (CE, 2008). L’objectif majeur de la DCE est d’atteindre le bon état chimique et écologique des masses d’eau d’ici 2015. Pour l’évaluation du bon état chimique des masses d’eau, une liste de 41 micropolluants (33 substances prioritaires et 8 supplémentaires) a été définie. Les concentrations de ces substances dans le milieu récepteur doivent respecter des normes de qualité environnementale (NQE) et les rejets de ces substances vers le milieu sont à réduire (pour les substances prioritaires) voire à supprimer (pour les substances dangereuses prioritaires). La liste de substances prioritaires (CE, 2008) est régulièrement soumise à révision. Ainsi, une proposition du parlement européen pour une nouvelle directive fille 2011/0429/CE (CE, 2012) liste 15 nouvelles substances prioritaires (dont 6 dangereuses prioritaires), notamment des composés pharmaceutiques. Cependant, de nombreux micropolluants restent toujours en dehors du champ de la réglementation. La prise en compte de cette problématique des micropolluants par les acteurs de l’assainissement s’est effectuée progressivement par la publication à partir de 2009 de plans d’action nationaux (ex. : plans médicaments, micropolluants), d’obligation de suivis des rejets (Circulaires ICPE (2009) et STEU (2010)), et des schémas directeurs d’aménagement et de gestion des eaux.

Une solution pour réduire les rejets de micropolluants dans l’environnement est d’agir à la source. Les acteurs concernés sont les industriels, les artisans ainsi que les particuliers. Pour

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les industriels, les leviers d’actions envisageables sont la réduction des émissions par les eaux de rejets des procédés de fabrication et la diminution de l’utilisation de substances chimiques dans les produits manufacturés. La réglementation REACH¹ renforce les exigences vis-à-vis des industriels : une étude de la biodégradabilité de toute nouvelle substance utilisée est désormais obligatoire pour obtenir une autorisation de mise sur le marché. Le tonnage minimum au-delà duquel des investigations doivent être menées a récemment été abaissé (dossier à déposer à partir de 1 t/an). Un travail important est réalisé depuis quelques années pour réduire les émissions de substances chimiques issues des activités d’artisanat² (eaux assimilées domestiques) et la mise en place systématique de conventions de rejet sur les réseaux de collecte. Au niveau des particuliers, les actions consistent en des encouragements aux comportements éco-citoyens (ex : collecte des produits chimiques à usage domestiques en déchèterie).

Une autre approche consiste à améliorer les performances d’élimination des micropolluants au niveau des STEP. De nombreuses études ont permis d’évaluer les capacités d’élimination de micropolluants par différents procédés d’épuration (AMPERES³, POSEIDON⁴, NEPTUNE⁵, Score-PP⁶, OPUR⁷). Les traitements primaires (procédés de décantation) permettent d’éliminer partiellement les micropolluants adsorbés sur les matières en suspension (MES) des eaux usées brutes du fait de la décantation de ces MES. Cela concerne notamment un grand nombre de métaux (ex : Hg, Al, Ti, Cr), des HAP (ex : benzo(b)fluoranthène, fluoranthène) et quelques composés pharmaceutiques (amitriptyline, fluoxétine, imipramine, propranolol) qui peuvent être éliminés jusqu’à 50 % (Choubert et al., 2011). Les traitements secondaires (procédés biologiques) permettent d’éliminer un nombre plus important de

1 REACH : règlement européen sur l’enregistrement, l’évaluation, l’autorisation et les restrictions des substances chimique (juin 2007).

2 Arrêté du 21 décembre 2007 relatif aux modalités d’établissement des redevances pour pollution de l’eau et pour la modernisation des réseaux de collecte, Journal officiel, 142 p.

3 AMPERES : Analyse de micropolluants prioritaires et émergents dans les rejets et les eaux superficielles (ANR PRECODD 2006-2009) ; https://projetamperes.cemagref.fr.

4 POSEIDON : Assessment of Technologies for the Removal of Pharmaceuticals and Personal Care Products in Sewage and Drinking Water Facilities to Improve the Indirect Potable Water Reuse;

http://poseidon.bafg.de/servlet/is/2884/.

5 NEPTUNE : New Sustainable Concepts and Processes for Optimization and Upgrading Municipal Wastewater and Sludge Treatment; http://www.eu-neptune.org.

6 Score-PP : Source Control Options for Reducing Emissions of Priority Pollutants;

http://www.scorepp.eu/.

7 OPUR : Observatoire des polluants urbains en Ile-de-France ; http://leesu.univ-paris-est.fr/opur/.