Comportement des substances prioritaires sur les … · Direction du développement et de la prospective. 3 Méthodologie – Site d’étude BIOFOR 2 Égout Décantation physico-chimique

Comportement des substances prioritaires surles ouvrages de traitement des eaux usées :

Décantation lamellaire et biofiltrationAnimateurs : Françoise LUCAS et Johnny GASPERI

Séminaire thématique - Observatoire des Polluants UrbainsThème 4, le 9 octobre 2009 (Cité de l’Eau, Colombes)

2

Contexte environnementalContexte environnemental

Directive Cadre sur l’Eau 2000/60/CE bon état écologique pour 2015 des différentes masses d’eau.

RRééglementation et problglementation et probléématiquematique

Bon état Connaissance du comportement des micropolluants dans les filières de traitement des eaux résiduaires urbaines

Observatoire des Polluants Urbains (OPUR) Améliorer les connaissances sur le comportement des polluants sur les filières de traitement des eaux usées

Seine-Centre (Colombes, 92)

Décantation physico-chimique lamellaireUnité de biofiltration

Procédés considérés en 2008

Collaboration avec SIAAPDirection du développement et de la prospective

3

MMééthodologie thodologie –– Site dSite d’é’étudetude

BIOFOR 2

ÉgoutDécantation physico-chimique

BIOFOR 1

BIOSTYR

Dessableur-Dégraisseur

Dégrillage Tamisage Tamisage

La SEINE

1 Traitement physico-chimique

2 Épuration biologiqueI Pollution carbonée

II Nitrification

III Dénitrification

Eau brute

Eau rejetée

Seine-Centre (SIAAP, Colombes)

Seine Centre, 240 000 m3.j-1 soit environ 800 000 équivalent-habitantsFilière de traitement des eaux usées

4


Filière de traitement des eaux uséesSeine Centre, 240 000 m3.j-1 soit environ 800 000 équivalent-habitants

- 9 décanteurs lamellaires Densadeg® dont 3 en service en temps sec- Surface unitaire : 140 m2

- Vitesse de décantation au miroir : 9,0 m.h-1 en temps sec- Consommation FeCl3 : 29 g.m-3 d’eau traitée en temps sec- Consommation Polymère : 0,35 g.m-3 d’eau traitée en temps sec

Eau prétraitée

Eau décantée

M M M M

Floculation(polymère)

Coagulation(chlorure ferrique) Décantation lamellaire

extraction des bouesvers traitement des bouesrecirculation des

boues

5


BIOFOR 2

BIOFOR 1

BIOSTYR La SEINE

Eau rejetée

Seine Centre, 240 000 m3.j-1 soit environ 800 000 équivalent-habitants

2 Épuration biologique

I. Pollution carbonée II. Nitrification III. Dénitrification

Filière de traitement des eaux usées

- Etage 1 : 24 filtres type Biofor® (104 m2, biolite)- Etage 2 : 29 filtres type Biostyr® (111 m2, biostyrène)- Etage 3 : 12 filtres type Biofor ®

6

MMééthodologie thodologie –– StratStratéégie dgie d’é’échantillonnagechantillonnage

Positionnement des points Cloisonnement des procédés étudiésGrands volumes collectés sur 3 jours consécutifs3 campagnes réalisées en 2008 (mars, septembre et décembre)

Seine-Centre (SIAAP, Colombes)

Eaux prétraitées

Eaux décantées

Eaux rejetées

BIOFOR 2

ÉgoutDécantation physico-chimique

BIOFOR 1

BIOSTYR

Dessableur-Dégraisseur

Dégrillage

La SEINE

I Pollution carbonéeII Nitrification

III Dénitrification

Eau brute

3

21

20 L

20 L

10 L x 3 x 3

x 3

7

MMééthodologie thodologie –– MatMatéériel utilisriel utiliséé

Préleveur automatique réfrigéré (4°C)

Flaconnage verre

Tuyau en téflon®

Pas de crépine mais lest

8

MMééthodologie thodologie -- PrPrééllèèvementsvements

Asservissement des prAsservissement des prééleveursleveurs- Echantillon représentatif échantillon moyen 24 h

- Nécessité d’asservir préleveurs au débits- Seine Centre Débit constant

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

Déb

it (m

3.h-1

)

Temps de pluie

D90 = 10 900 m3.h-1

D50 = 10 068 m3.h-1

D10 = 9230 m3.h-1

D90 / D10 = 1,2

Période de mai à septembre 2008

Débit entrant àSeine Centre

9

5 extractions solides / liquides

Vol dissous≈ 7 L

Masse solide≈ 0.25 - 1 g

MMééthodologie thodologie -- Polluants analysPolluants analysééssRecherche élargie de 88 substances dont 41 DCE ScreeningAnalyses par labo COFRAC sur total ou dissous + particulaire

884741Total1-1Phtalates241212Pesticides88-PCB321PBDE3-3Organo étain844Métaux1688HAP734COHV211Chlorophénols523Chlorobenzènes1-1Chloroalcanes541BTEX532Alkylphénols

TotalSub. en susDCEFamille

10

MMééthodologie thodologie -- Polluants analysPolluants analysééssTo

tal

Molécules rech Molécules - NormesNF EN ISO 11423-15BTEX

NF EN ISO 11885 / EN 14838Métaux

NF ISO 11423-13TrichlorobenzNF EN ISO 10301 / EN ISO 64687COHV

65 54 normalisées / 11 non normalisées

ISO 18857-15Alkylphénols

NF EN ISO 11369 / Méthodes internes25PesticidesNF EN ISO 64688PCBMéthode interne3PBDE

NF EN ISO 173533Organo-étainsISO 1799316HAP

NF EN 12673 / ISO 64681ChlorophénolsEN ISO 64682Chlorobenzènes

Méthode interne1Chloroalcanes

Méthode interne1Phtalates

23 Toutes normalisées

Dis

sous

Polluants et mPolluants et mééthodes normalisthodes normalisééeses

11

MMééthodologie thodologie -- Polluants analysPolluants analysééssPolluants et mPolluants et mééthodes normalisthodes normalisééeses

Tota

lMolécules rech Molécules - Normes

NF EN ISO 11423-15BTEXNF EN ISO 11885 / EN 14838Métaux

NF ISO 11423-13NF EN ISO 10301 / EN ISO 64687COHV

65 30 normalisées / 35 non normalisées

Méthode interne5Alkylphénols

Méthodes internes25PesticidesXP X 33-0128PCBISO 220323PBDE

XP T90-2503Organo-étainsISO 1799316HAP

Méthode interne1ChlorophénolsMéthode interne2ChlorobenzènesMéthode interne1Chloroalcanes

Méthode interne1Phtalates

23 Toutes normalisées

Par

ticul

aire

s

Trichlorobenz

12

Réalisation de blancs de prélèvements : tests de relargage

Comparaison des blancs avant / après prélèvement d’eau potable

Pas de contamination observée sauf pour naphtalène

Séparation des phases dissoute et particulaire pour les éléments concernés par filtration successives (2,7 et 0,7 µm)

Phase dissoute : envoi au laboratoire dans un délai de 24h

Phase particulaire : lyophilisation des filtres (≈ 30h), congélation (-15°C) puis envoi groupé dans un délai de 8 jours.

MMééthodologiethodologie

ProcProcéédure de prdure de prééllèèvementsvements

ProcProcéédure de traitement avant expdure de traitement avant expééditiondition

13

Groupe 2 BTEX, COHV, NP0,5 – 6,0 µg.l-1

Groupe 1 Métaux et DEHP10 - 360 µg.l-1

Groupe 3 HAP, Pesticides, OP et TBT0,002 – 0,3 µg.l-1

RRéésultats sultats –– Polluants et eaux prPolluants et eaux préétraittraitééeses39 polluants fréquemment détectés dont 18 composés de la DCEConcentrations totales fluctuent entre 0,005 et 350 µg.l-1

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Zn Cu PbDEHP

Tétrac

hloroé

thylèn

e

Dichlor

méthan

e

Chlorof

orme

Toluèn

e

Nonylp

héno

ls AMPA

Trichlo

roéthy

lène

Xylène

s

chlor

o-méth

ylphé

nol

4-ter-

butyl

phén

ol

Phena

nthrèn

e

Naphta

lène

Diuron

Pyrène

Fluoran

thène

B(b)Fluo

ranthè

ne

Tributy

l étai

nChry

sène

Octylph

énol

Chlorpy

rifos

B(a)Pyrè

ne

B(a)Anth

racèn

e

B(ghi)P

erylèn

e

I(cd)P

yrène

Acena

phtyl

ène

Fluorèn

e

B(k)Fluo

ranthè

ne*

Déséth

ylatra

zine

Isopro

turon

Métaldé

hyde

Anthrac

ène

D(ah)A

atraz

ine

Acenn

aphtè

nePCB 28

Con

cent

ratio

n (µ

g.l-1

)

Mars Septembre Décembre Limite détection

Polluants non détectés

14

Groupe 2 : dichlorométhane, chloroforme, NP, naphtalène

Groupe 1 : Pb, DEHP

Groupe 3 : Diuron, Pyr, Fluo, B(b)Fluo, TBT, OP, B(a)P, B(ghi)P, I(cd)P, B(k)Fluo, A, atrazine

RRéésultats sultats –– Polluants et eaux prPolluants et eaux préétraittraitééeses39 polluants fréquemment détectés dont 18 composés de la DCEConcentrations totales fluctuent entre 0,005 et 350 µg.l-1

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Zn Cu PbDEHP

Tétrac

hloroé

thylèn

e

Dichlor

méthan

e

Chlorof

orme

Toluèn

e

Nonylp

héno

ls AMPA

Trichlo

roéthy

lène

Xylène

s

chlor

o-méth

ylphé

nol

4-ter-

butyl

phén

ol

Phena

nthrèn

e

Naphta

lène

Diuron

Pyrène

Fluoran

thène

B(b)Fluo

ranthè

ne

Tributy

l étai

nChry

sène

Octylph

énol

Chlorpy

rifos

B(a)Pyrè

ne

B(a)Anth

racèn

e

B(ghi)P

erylèn

e

I(cd)P

yrène

Acena

phtyl

ène

Fluorèn

e

B(k)Fluo

ranthè

ne*

Déséth

ylatra

zine

Isopro

turon

Métaldé

hyde

Anthrac

ène

D(ah)A

atraz

ine

Acenn

aphtè

nePCB 28

Con

cent

ratio

n (µ

g.l-1

)


15

NKDCOsDCOt DBO

RRéésultats sultats –– DDéécantation lamellairecantation lamellaireAbattement des pollutions C / N / P Abattement des pollutions C / N / P ((databasedatabase 2008, SIAAP)2008, SIAAP)

0

20

40

60

80

100

Aba

ttem

ent (

%)

P total PO43-MES

Elimination importante MES et pollution phosphorée (70 - 90 %)Elimination significative pour DCOt et DBO (60 – 70 %)Elimination mineure DCO soluble et NK (80% NH4

+ et 20 % Norg)

70 – 90 %60 – 70 %

< 20 %2015

63 64

7581

87

Lors des campagnes, performances épuratrices équivalentes

16

RRéésultats sultats –– DDéécantation lamellairecantation lamellaireAbattement des polluants prioritairesAbattement des polluants prioritaires

Métaux (Pb, Zn et Cu) Eliminer 50 - 80 %

Gasperi et al. (2008). Wastewater quality and pollutant loads in combined sewers during dry weather periods. Urban Water Journal, 5, 305-314.

40 – 80 % Zn40 – 80 % Zn

75 – 95 % Cu et Pb(Gasperi et al., 2008)

Affinité des métaux avec phase particulaire

PARIS

Sein

e

17

Log Kow < 4Abattements < 20 %

Log Kow > 4,5Abattements > 80 %4 < Log Kow < 4,5

20 - 60 %

RRéésultats sultats –– DDéécantation lamellairecantation lamellaireAbattement des polluants prioritairesAbattement des polluants prioritaires

Métaux (Pb, Zn et Cu) Eliminer 50 - 80 % affinité avec MESPolluants organiques f(hydrophobicité) f(Log Kow)

-40

-20

0

20

40

60

80

100

AMPA

Met

alde

hyde

Dich

loro

met

hane

Dese

thyla

trazin

eCh

loro

form

Trich

loro

ethy

lene

Atra

zine

Diur

onIs

opro

turo

nTo

luen

e

Chlo

rom

ethy

lphe

nol

Tetra

chlo

roet

hyle

neXy

lene

sBu

tylp

heno

lNa

phth

alen

eTB

TAc

enap

hthy

lene

Acen

apht

hale

neFl

uore

nePh

enan

thre

neAn

thra

cene

Chlo

rpyr

ifos

Ocy

lphe

nol

Fluo

rant

hene

Pyre

neNo

nylp

heno

lCh

ryse

nePC

B 28

B(a)

Anth

race

neB(

a)Py

rene

B(b)

Fluo

rant

hene

B(k)

Fluo

rant

hene

B(gh

i)Per

ylene

I(cd)

Pyre

neD(

ah)A

nthr

acen

eDE

HP

Aba

ttem

ent (

%)

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Log

Kow

Mars Septembre Décembre Log Kow

18

Majoritairement dissous

Majoritairement particulaire

RRéésultats sultats –– DDéécantation lamellairecantation lamellaireModModéélisation de llisation de l’é’élimination des polluants organiques ?limination des polluants organiques ?

Facteur cléRépartition diss-part

Capacité d’adsoprtion

Equation de Byrns (2001)%diss = f(Kow, Foc, MES)

%part = 1 – % diss

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Log Kow

Prop

ortio

n di

ssou

te (%

)

%diss théorique %diss expérimental

Modélisation pour les 88 polluants

Calcul abattement théorique% part x Elimination MES

19

Log Kow < 3Abattements < 20 %

3 < Log Kow < 520 - 60 %

Log Kow > 5Abattements ≈ 80 %

RRéésultats sultats –– DDéécantation lamellairecantation lamellaireModModéélisation de llisation de l’é’élimination des polluants organiques ?limination des polluants organiques ?

Calcul abattement théorique% particulaire x Elimination MES

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Aba

ttem

ent

déca

ntat

ion

(%)

Abattement théorique Abattement expérimental

Modélisation pour les 88 polluants

Log Kow

20 Traitement complet azote (biodégradation)

Traitement azoteNitrification

DénitrificationBiodégradationMatière organique

Finition du traitement du carbone (rétention + biodégradation)

RRéésultats sultats –– BiofiltrationBiofiltration

8783 79

92 9599

73

58

MES DCOt DCOs DBO NK Ptot PO43-NH4

+

Abattement des pollutions C / N / P Abattement des pollutions C / N / P ((databasedatabase 2008, SIAAP)2008, SIAAP)

0

20

40

60

80

100

Aba

ttem

ent (

%)

Rétention des particules (87 %)

Rétention MES1er étage

21

Traitement azoteNitrification

DénitrificationBiodégradationMatière organique

RRéésultats sultats –– BiofiltrationBiofiltration

8783 79

92 9599

73

58

MES DCOt DCOs DBO NK Ptot PO43-NH4

+

Abattement des pollutions C / N / P Abattement des pollutions C / N / P ((databasedatabase 2008, SIAAP)2008, SIAAP)

0

20

40

60

80

100

Aba

ttem

ent (

%)

Rétention MES1er étage

Lors des campagnes, performances épuratrices équivalentes

22

RRéésultats sultats –– BiofiltrationBiofiltrationAbattement des polluants prioritairesAbattement des polluants prioritaires

Différences d’abattement entre les polluantsO2

Rétention des particules

Rétention MESImpact sur les composés

hydrophobes (Log Kow > 4)

Biomasse épuratriceTemps court (< 1h00)Composés facilement

biodégradables

BiodégradationAdsorption

Interactions électrostatiquesAdsorption des espèces chargées positivement

Processus impliqués

Volatilisation

Injection air étages 1 & 2Volatilisation composés avec

KH > 10-4 atm.m-3.mol-1(Rogers, 1996)

Rogers (1996). Sources, behaviour and fate of organic contaminants during sewage treatment and in sewage sludges". Science of The Total Environment, 185, 3-26.

23

Comp hydrophobeslog Kow > 3,5

baisse conc part60 – 90 %


diuronatrazine

isoproturonmétaldéhyde

déséthylatrazine


Différences d’abattement entre les polluants

Volatilisation BiodégradationAdsorption

Processus impliquésO2

Zntributyl étain

chloro-méthylphénol4-tert-butylphénol

> 80 %50 – 80 %20 – 50 %< 20 %

chloroformedichlorométhanexylènes, toluènetrichloroéthylene

HAP = b(a)P, Fluo, F, Pyr

DEHPnonylphénols

tétrachloroéthylènenaphtalène

phénanthrène

24

8 Comp Volatils2,7 x 10-4 < KH < 10-2 atm.m-3.mol-1

Différences entre composés volatilsProcessus de biodégradation (?)

diuronatrazine


déséthylatrazine





Zntributyl étain


phénanthrène

> 80 %50 – 80 %20 – 50 %< 20 %



25

Espèces chargéespositivement


diuronatrazine


déséthylatrazine





Zntributyl étain

> 80 %50 – 80 %20 – 50 %< 20 %



phénanthrène


DEHPnonylphénols


26


diuronatrazine


déséthylatrazine





Zntributyl étain

> 80 %50 – 80 %20 – 50 %< 20 %



phénanthrène


DEHPnonylphénols


Difficulté de la visualiser mais peut

expliquer baisse concdissoutes20 – 60 % 10 – 60 %

27



DEHPnonylphénols

diuronatrazine


déséthylatrazine





Zntributyl étain


phénanthrènechloro-méthylphénol4-tert-butylphénol

> 80 %50 – 80 %20 – 50 %< 20 %


Composés hydrophilesNon volatils

Non facilement biodég

28

diuronatrazine


déséthylatrazine

RRéésultats sultats –– Polluants et rejetsPolluants et rejets

Con max Zn 40 – 50 et µg.l-1DEHP 2 -3 µg.l-1

Concentrations totales fluctuent entre 0,005 et 50 µg.l-1


0.001

0.01

0.1

1

10

100

ZnCuPbDEHP

Tétrac

hloroé

thylèn

e

Dichlor

méthan

e

Chlorof

orme

Toluèn

e

Nonylp

héno

ls AMPA

Trichlo

roéthy

lène

Xylène

s

chlor

o-méth

ylphé

nol

4-ter-

butyl

phén

ol

Phena

nthrèn

e

Naphta

lène

Diuron

Pyrène

Fluoran

thène

B(b)Fluo

ranthè

ne

Tributy

l étai

n

Chrysè

ne

Octylph

énol

Chlorpy

rifos

B(a)Pyrè

ne

B(a)Anth

racèn

e

B(ghi)P

erylèn

e

I(cd)P

yrène

Acena

phtyl

ène

Fluorèn

e

B(k)Fluo

ranthè

ne

Déséth

ylatra

zine

Isopro

turon

Métaldé

hyde

Anthrac

ène

D(ah)A

atraz

ine

Acenn

aphtè

nePCB 28

Con

cent

ratio

n (µ

g.l-1

)20 polluants détectés dont 12 composés de la DCE

AMPA ?

29

ConclusionsConclusionsPolluants dans les eaux prPolluants dans les eaux préétraittraitééeses

Polluants et dPolluants et déécantation physicocantation physico--chimique lamellairechimique lamellaire

Polluants et biofiltrationPolluants et biofiltration

39 polluants fréquemment détectés dont 18 composés de la DCEConcentrations totales fluctuent entre 0,005 et 350 µg.l-1

Métaux > DEHP > COV > alkylphénols > HAP ≈ Pesticides

Métaux (Pb, Zn et Cu) éliminés entre 50 et 80 %Abattement polluants organiques = f(hydrophobicité)Possibilité de modéliser les abattements pour polluants organiques

Elimination=f(pluralité des processus)Composés hydrophobes ou volatils de 50 à > 80 %Composés hydrophiles, non volatils et réfractaire < 20 %

30

PerspectivesPerspectives

Autres filiAutres filièères de traitement des eaux usres de traitement des eaux uséées ?es ?

Autres polluants ?Autres polluants ?

Boues activées ?Procédés membranaires (quand opérationnels)

Polluants de la DCE imposés par cadre réglementaireProduits pharmaceutiques ?Médicaments ?

Valorisation de cette Valorisation de cette éétudetudeComportement des substances prioritaires sur les ouvrages de traitement des eaux usées : cas de la décantation lamellaire et de la biofiltration

V. ROCHER, J. GASPERI, S. AZIMI, S. GILBERT et C. PAFFONI (soumise à TSM)

QuQu’’en esten est--il de la filiil de la filièère re «« bouesboues »» ??

31

Merci de votre attentionMerci de votre attention

32

MMééthodologie thodologie -- Polluants analysPolluants analysééssRecherche élargie de 88 substances dont 41 DCE

COHVDichloroéthane

dichlorométhaneHexachlorobutadiène

ChloroformeTétrachlorure de carbTétrachloroéthylène

Trichloroéthylène

Métaux Cadmium

PlombMercureNickelPlatineChromeCuivreZinc Alachlore

AldrineEndrineDieldrine

DDT-2,4’ et 4,4'Isodrine

EndosulfanLindane

HexachlorocyclohexChlorfenvinphos

Chlorpyrifos

TrifluralineAtrazine

DéséthylatrazineDéséthylsimazine

SimazineDiuron

IsoproturonMétaldéhydeAminotriazoleGlyphosate

AMPA

Pesticides

Organo-étainsTributylétain cationDibutylétain cation

Monobutylétain cation

BTEXBenzène

isopropylbenzèneToluène

EthylbenzeneXylènes + DEHP

33

MMééthodologie thodologie -- Polluants analysPolluants analysééssRecherche élargie de 88 substances dont 41 DCE

PCBPCB 28PCB 52

PCB 101PCB 118 PCB 138PCB 153PCB 180PCB 194

HAPBenzo (a) Pyrène

Benzo (b) FluoranthèneBenzo (ghi) Pérylène

Benzo (k) FluoranthèneIndeno (cd) Pyrène

AnthracèneNaphtalène

Fluoranthène

AcénaphtylèneFluorène

PhénanthrènePyrène

Benzo (a) anthracèneChrysène

Dibenzo(a,h) anthracèneAcénaphtène

PBDEPentabromodiphénylétherOctabromodiphénylétherDécabromodiphényléther

+chloroalcanes

ChlorophénolsPentachlorophénol

4-chloro-3-méthylphénol

Chlorobenz

Nonylphénols 4-para-nonylphénol

para-tert-octylphénol4-ter-butyl phénol

Alkylphénols

HexachlorobenzPentachlorobenz

Trichlorobenz

Documents

Comportement des substances prioritaires sur les … · Direction du développement et de la prospective. 3 Méthodologie – Site d’étude BIOFOR 2 Égout Décantation physico-chimique