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Thèse Année : 1992

Toxic metals in urban runoff: physico-chemical characteristics

LES METAUX TOXIQUES DANS LES EAUX PLUVIALES EN MILIEU URBAIN: CARACTÉRISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES

Résumé

Urban Runoff waters carry high concentrations of a wide range of pollutants : heavy metals beeing considered as especially toxic, their mobility has been assessed using soluble and particulate speciation scheme. During this study a physico-chemical characterization of lead, zinc and cadmium has been carried out in 6 sets of samples issued from both separative and combined sewers. Dissolved and particulate total metal levels have been determined and both fractions further separated into two dissolved (bioavailable and stable) and five particulate (ion-exchangeable, acid-soluble, reducible, oxidizable and residual) metal fractions, using previously described speciation schemes. Six sampling sites have been choosen : Courcelles storage tank of the Paris ring highway (separative sewer), the wet detention pond "La Ferme de Savigny" (separative sewer), "La Morée" sewer (separative sewer), the dry and coated detention pond "La Molette" (combined sewer), the sewer outlet in Créteil Lake (separative sewer) and a dry and coated detention pond "Béquigneaux" in Bordeaux (combined sewer). For all sites total dissolved lead concentrations were below the Européen Directive limits for drinking water. This limit was exceeded for dissolved zinc in the "La Morée" sewer and Béquigneaux pond. The dissolved cadmium values exceeded these standards on all sites. Whatever the site, particulate metal concentrations were higher than natural levels found in Seine-Normandie bassin, higher than measured levels in Seine sediments and higher than French maximum values of residual metals in muds used for agricultural recycling. In Béquigneaux and La Molette ponds, 90 % of the three heavy metals were carried under particulate forms. The épuration efficacity for this detention ponds reached as about 90 % for the three metals. Dissolved metal speciation schemes have shown that zinc and cadmium are mainly under bioavailable forms, whereas lead was less toxic. The particulate metal speciation schemes has demonstrated the high dependance of heavy metal distributions on the sampling site. Upstream separate sewer networks (Courcelles storage tank), lead, zinc and cadmium were found in exchangeable, acid-soluble and reducible fractions and very few in residual fraction. On the contrary, within large detention ponds (Béquigneaux and La Molette ponds), most of the lead was extracted within the residual fraction, whereas zinc was extracted within acid-soluble and reducible fractions, cadmium within reducible fraction and copper within oxidizable fraction. This shows that particulate zinc and cadmium are potentially more releasable than copper and lead. Moreover, particulate metal mobility, especially for lead, appears to decrease significantly from upstream to downstream sewers: solids undergo structural modifications during their transport within the sewer system. Finally lead, zinc and cadmium were almost absent from ion-exchangeable fractions and usually acid-soluble ones conteined less than 20 % of particulate metal: thus their risk of mobility and dissolution was generally limited.
Les eaux pluviales urbaines peuvent véhiculer de nombreux polluants à des niveaux de concentration élevés. Les métaux toxiques représentent une part non négligeable de ces polluants. Lors de ce travail, nous avons effectué une caractérisation physico-chimique du plomb, du zinc et du cadmium dans les eaux transitant en réseau séparatif et unitaire par temps de pluie. Dans ce but, la teneur totale et la répartition des métaux dans les échantillons dissous et particulaires ont été déterminées. Le schéma de spéciation utilisé comprend deux fractions pour les métaux dissous: (biodisponible et stable) et cinq fractions pour les métaux particulaires (échangeable, acido-soluble, réductible, oxydable et résiduelle). Six sites d'étude ont été retenus: le poste de relevage de Courcelles sur le boulevard périphérique de Paris (réseaux séparatif), le bassin de retenue en eaux de la Ferme de Savigny (réseau séparatif), le collecteur de la Morée (réseau séparatif) et le bassin de retenue, sec et revêtu, de la Molette (réseau unitaire) dans le Département de la Seine-Saint-Denis, le pré-bassin de l'exutoire d'un réseau séparatif dans le lac de Créteil (Département du Val-de-Marne) et le bassin de retenue, sec et revêtu, de Béquigneaux (réseau séparatif) à Bordeaux. Dans tous les sites considérés, la concentration totale du plomb dissous est inférieure aux concentrations maximales établies par la Directive Européenne pour les eaux de surface destinées à la fabrication de l'eau potable. Pour le zinc dissous, cette limite est dépassée dans le collecteur de la Morée et dans le bassin de Béquigneaux. En ce qui concerne le cadmium, les mesures effectuées sur tous les sites excèdent cette norme. La spéciation des métaux dissous a montré que le zinc et le cadmium se trouvent principalement sous des formes biodisponibles. Par contre le plomb se trouve généralement sous des formes stables. Quel que soit le site, les concentrations métalliques des sédiments ont été supérieures aux teneurs naturelles du Bassin Seine-Normandie, aux teneurs trouvées dans les sédiments de la Seine ainsi qu'aux limites établies en France pour une utilisation agricole des boues de station d'épuration. Dans les bassins de Béquigneaux et de la Molette les trois métaux toxiques (plomb, zinc et cadmium) sont transportés à plus de 90 pourcent sous des formes particulaires. Les efficacités calculées pour l'épuration des eaux dans ces bassin ont été d'environ 90 pourcent pour les trois métaux. La spéciation des métaux associés aux sédiments démontre que la distribution des métaux dépend essentiellement du site. Au poste de relevage de Courcelles, les trois métaux se trouvent principalement dans les fractions échangeable, acido-soluble et réductible. Dans la fraction résiduelle, des quantités minimes des métaux ont été trouvées . Par contre dans les bassins de Béquigneaux et de la Molette, le plomb se trouve en quantité importante dans la fraction résiduelle, le zinc dans la fraction acidosoluble et réductible, le cadmium dans la fraction réductible et le cuivre dans la fraction oxydable. Ceci signifie que le zinc et le cadmium sont potentiellement plus relargables dans le milieu aqueux que le cuivre et le plomb. Par ailleurs, la mobilité des métaux particulaires, en particulier du plomb, semble proportionnellement diminuer de l'amont vers l'aval dans les réseaux d'assainissement. Ce phénomène indique une modification des caractéristiques des solides transportés par les eaux de ruissellement urbain au cours de leur séjour en réseau.
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tel-01180192 , version 1 (24-07-2015)

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  • HAL Id : tel-01180192 , version 1

Citer

Julio Flores-Rodriguez. LES METAUX TOXIQUES DANS LES EAUX PLUVIALES EN MILIEU URBAIN: CARACTÉRISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES. Chimie. UNIVERSITE PARIS XII-VAL DE MARNE, 1992. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01180192⟩
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