1,721,359 research outputs found
Comparison of different scenarios of suspended solids production in a combined sewer system using an adapted hydrodynamic model
No full textMalgré leurs mauvaises performances, les modèles de calcul de flux polluants (MCFP) dans les rejets urbains de temps de pluie (RUTP) continuent à susciter de l’intérêt du fait du fort potentiel qu’ils présentent pour prédire et contrôler ces RUTP. La contribution des sédiments à la pollution des RUTP est aujourd’hui largement reconnue comme prépondérante ; en conséquence, une modélisation idoine des processus en réseau apparait comme un élément clé pour améliorer la qualité de ces modèles. Dans ce contexte, plusieurs éléments ont été révélés par des études récentes menées sur les dépôts de réseaux d’assainissement unitaires, notamment sur « Le Marais » : (1) la présence d’une quantité importante de dépôts grossiers quasi-stationnaires qui modifient les caractéristiques du réseau ainsi que les conditions d'écoulement ; (2) l'identification d’un dépôt organique cohésif sur le Marais, la couche organique, capable d’expliquer la contribution du réseau à la pollution de RUTP et qui se constitue dans les parties amonts des collecteurs principaux. L’objectif de cette thèse est d’examiner l’effet de l’intégration de ces observations dans un MCFP de type semi-distribué, en prenant comme cas d’étude le site expérimental du Marais.Dans la première partie, on a travaillé à la prise en compte des dépôts grossiers dans le modèle hydrodynamique, puis on a évalué l’impact de cet ajout sur les processus de transport solide dans les réseaux. Pour y parvenir, un outil de modélisation capable de gérer l’écoulement sur une bathymétrie complexe était nécessaire. Ainsi, un schéma numérique conservatif de type Godounov a été développé et validé par rapport à certains cas de référence, avant de l’appliquer à l'échelle du réseau du Marais. Les résultats ont démontré un effet significatif de ces dépôts grossiers sur l’hydraulique du réseau, qui ensuite influence la production des particules et, dans une moindre mesure, le processus de transfert.Dans la deuxième partie, des données acquises récemment sur plusieurs sites avec des contributions de dépôts aux RUTP comparables et d’états d’encrassement différents (notamment pour la couche organique) ont été analysées dans le but d’identifier le vrai rôle de cette couche organique vis-à-vis de la production en réseau par temps de pluie. Les résultats ont montré que la couche organique ne représente qu’une source mineure vis-à-vis de la production en réseau. Afin d’identifier la source majeure, le modèle hydraulique développé dans la première partie a été couplé avec le modèle d’érosion de Skipworth et le modèle d’advection simple pour tester différents scenarii de localisation de dépôts. Les résultats de ce banc d’essai sont cohérents avec ce qui précède concernant la contribution de la couche organique ; il en ressort par ailleurs que les localisations les plus vraisemblables de la source prépondérante sont, dans l’ordre, le réseau amont et les collecteurs principauxDespite their disappointing performance, urban stormwater quality models are still considered to be a potentially efficient decision making tool to control combined sewer overflows (CSOs) and thus are receiving ongoing investments to improve their quality. In this respect, in-sewer sediments are now widely recognized for their preponderant contribution to the pollution of CSOs assigning therefore a particular importance to mastering sewer processes module when refining these models. Recent studies conducted on in-sewer sediments in one of the extensively investigated urban catchments in Paris, Le Marais, highlighted new elements that could be helpful when addressing this module: (1) the existence of quasi-steady sewer grits deforming sewer characteristics and thus suspected to modify sewer flow conditions; (2) the identification of the potentially eroded sediment type during wet weather that is formed at the upstream parts of the Marais main trunks, the organic layer, that showed a cohesive like characteristic during in-situ flushing experiments. A site specific model for the Marais catchment is developed in this thesis adopting a semi-distributed configuration to examine the effect of integrating these field observations in its structure on the simulation of outfall discharges’ quality.In the first part, an evaluation of the impact of considering the sewer grits in the hydrodynamic module on the solid production and transfer processes in sewer system was carried out. To do so, a special modelling tool was necessary in order to handle sewer flow over a complex bathymetry. So, a well-balanced Godunov numerical scheme was developed and verified against some reference test cases before being extended to the Marais sewer scale. Results showed a significant impact of these coarse deposits on the hydraulic parameters. Solid production was demonstrated to be more sensible to this impact than the transfer processes.In the second place, previous findings obtained on combined sewer systems having no organic layer and high sewer contribution along with those obtained on the Marais were deeply investigated to identify the real role of this organic layer in sewer wet weather production. Results showed that this latter is only a minor source for wet weather erosion. To identify the major source, a quality module based on Skipworth erosion formulation and simple advection equation was used to test several scenarios of sewer sediment localization. The benchmark confirmed that the organic layer is not the major source of sewer production and that another source is preponderant and that can be located at the upstream branches as well as along the principal collectors with more probability of the former cas
Influence of dissolved organic matter from urban origin on trace metalspeciation and bioavailability in river under strong urban pressure
No full textCe doctorat s'intègre dans les programmes OPUR et Piren-Seine et a eu pour vocation d'améliorer les connaissances actuelles sur l'influence des rejets urbains de temps de pluie sur la spéciation et la biodisponibilité des métaux dans les systèmes sous forte pression urbaine tel que la Seine. En effet l’impact des métaux lourds dans le milieu récepteur sur les organismes vivants dépend d'une part de leurs teneurs totales mais aussi et surtout de leur biodisponibilité. Il est généralement admis que la forme biodisponible des métaux lourds pour les organismes vivants est la forme dissoute libre. Les RUTP vont donc pouvoir considérablement modifier la teneur et la biodisponibilité des métaux lourds dans le milieu naturel dans la mesure où ces rejets sont fortement chargés en matière organique dissoute (MOD) qui va influencer considérablement, avec la MOD déjà présente dans le cours d'eau, la spéciation des métaux dans le milieu étant donnée sa capacité à complexer ces derniers et sa tendance à diminuer leur biodisponibilité. La compréhension de l'influence de la MOD sur la spéciation et la biodisponibilité des métaux suppose en outre que l'on connaisse précisément sa composition chimique ou plus exactement ses groupements fonctionnels. C'est pourquoi une partie de ces travaux est consacrée à la caractérisation de la matière organique dissoute d'origine naturelle et urbaine par son fractionnement selon le critère de polarité. Une caractérisation plus fine a été réalisée à l'aide des analyses fonctionnelles permettant ainsi de mieux aborder l'influence de la MOD sur la spéciation et la biodisponibilité du cuivre. Parallèlement à l'étude de caractérisation de la MOD, ce travail s'attache à mieux cerner le rôle de la MOD d'origine urbaine en particulier de la MOD hydrophile sur la spéciation et la biodisponibilité du cuivre. Dans cet objectif, la technique potentiométrique à l'aide d'électrode ionique spécifique ainsi que des biotests de toxicité aiguë (Daphnia magna) ont permis :- d'étudier la complexation du cuivre par les MOD afin notamment de fournir des paramètres de complexations des MOD hydrophiles peu connues jusqu'à présent et ainsi mieux prédire le transport des métaux en milieu urbain.- d'évaluer le rôle protecteur de la MOD d'origine urbaine sur la biodisponibilité du cuivre. Les résultats ont montré que la MOD issue des rejets urbains et rejetée dans le milieu récepteur présente des caractéristiques originales à savoir un fort pourcentage de MOD hydrophile, c'est à dire une faible hydrophobicité et un degré d'aromaticité peu marqué soulignant le caractère peu réfractaire de cette MOD. En revanche une plus grande diversité fonctionnelle de la MOD d'origine urbaine par rapport à la MOD naturelle a été mise en évidence notamment par un taux de structures protéiques très important. Les résultats obtenus vis-à-vis des MOD d'origine urbaine ont montré une réactivité particulière vis-à-vis du cuivre. En effet les rejets urbains ont montré une teneur en sites complexant plus élevée que ce qu'il est observé pour des matières organiques naturelles. Le rôle particulier de groupements amines dans la complexation du cuivre a été mis en évidence. L'approche utilisée pour évaluer la biodisponibilité du cuivre a révélé pour l'ensemble des MOD un effet protecteur vis-à-vis du cuivre sur les organismes vivants. Une corrélation positive de cet effet avec la teneur en eaux usées été mise en évidence, notamment pour les MOD des RUTP et plus particulièrement pour la fraction hydrophile (HPI), signalant ainsi la forte influence de la MOD d'origine urbaine sur la biodisponibilité et la toxicité du cuivreThis thesis was carried out on the framework of the OPUR and Piren-Seine programs. The main objectives were to improve the current knowledge on the influence of combined sewer overflows (CSO) on metal speciation and bioavailability in urban aquatic system. Indeed, the impact of heavy metals in the receiving environment on the life of microorganisms depends on a portion of their total concentrations but also and especially of their bioavailability. It is generally recognized that the bioavailable heavy metals to microorganisms is dissolved free. The CSO's will be able to significantly change the content and bioavailability of heavy metals in the environment in so far as these discharges are heavily loaded with dissolved organic matter (DOM) which will considerably influence with the DOM already present in course of water the speciation of metals in the environment given its ability to complex metals and its tendency to decrease their bioavailability. The understanding of the influence of DOM on trace metal speciation and bioavailability required that the chemical composition of DOM, more exactly its binding sites should be well understood. Therefore, one part of this research focused on the characterization of DOM of natural and urban origin by fractionation according to the criteria of polarity. A finer characterization was performed using functional analyses that were of prime importance to better understand the influence of DOM on copper speciation and bioavailability. Alongside the characterization study of the DOM, this work aims to better understand the role of urban DOM in particular hydrophilic fraction on the speciation and bioavailability of copper. To accomplish these objectives, the technique such as potentiometry with ionic selective electrode and bioassay such as an acute toxicity test (Daphnia magna) were performed in order to: - Study the copper binding by DOM in order to give some binding parameters of hydrophilic DOM and to better predict the fate of the trace metal. - Evaluate the protective role of urban DOM on copper bioavailability. Results showed some particular characteristics of urban DOM such as a high proportion of hydrophilic DOM, i.e. a low hydrophobicity and a low degree of aromaticity underlying the low refractory character of this DOM. Nevertheless a higher content of various functional groups was determined in urban DOM than in natural DOM. A very high content of proteinaceous structures was particularly identified in urban DOM. Binding experiments revealed a higher content of binding sites in urban discharges than in natural DOM and these sites are strongly correlated to amino groups. The approach used to evaluate copper bioavailability depicted a protective role of DOM to the organisms Daphnia magna(...
Analysis of solid transport in combined sewer network during wet weather : exploitation of data acquired by the French observatories in urban hydrology
No full textCette thèse valorise les données de mesure en continu de pluie de débit et de turbidité, ainsi que les bases de donnée de résultat d'analyse et les connaissances acquises dans le cadre des trois observatoires français en hydrologie urbaine, OPUR-Paris, OTHU-Lyon et ONEVU Nantes, pour valider et améliorer les connaissances sur les flux et les sources de particules vectrices de contaminants, en réseaux d'assainissement unitaire. Les données provenant de 6 sites expérimentaux drainés par un réseau d'assainissement unitaire ont été exploitées : Marais, Quais et Clichy à Paris, Cordon Bleu et Saint-Mihiel à Nantes et Écully à Lyon, avec sur chaque site des bases de données de longue durée qui ont permis des études statistiques sur des échantillons de plusieurs dizaines d'événements pluvieux et de journées de temps sec. Cette thèse a permis : 1- d'évaluer la représentativité de la turbidité pour analyser du transport solide en réseau ; 2- d'analyser et de modéliser statistiquement les concentrations et les masses de particules à l'échelle événementielle ; 3- d'étudier la dynamique des flux et des concentrations à l'échelle intra-événementielle. Les résultats obtenus indiquent d'une part, que la turbidité permet de décrire les dynamiques intra-événementielles des flux et des concentrations à condition d'exprimer ceux-ci sous forme relative, normalisée par les valeurs moyennes événementielles. En revanche, ces valeurs événementielles sont attachées par des erreurs systématiques non négligeables induites par les variations inter-événementielles de la relation MES-Turbidité (intervalle de confiance de l'ordre de 30% de la moyenne). Ils confirment d'autre part que la contribution des dépôts aux flux de temps de pluie est importante mais variable (entre 20 et 80% de la masse à l'exutoire selon l'événement), y compris sur un site réputé exempt de dépôts (grossiers). Autrement dit, les problématiques d'ensablement et de pollution de temps de pluie ne sont pas nécessairement liées. L'autre contribution majeure est celle des eaux usées « de temps sec ». De plus, ils nous ont permis de progresser dans la compréhension des phénomènes de décalage temporel entre hydrogramme et pollutogramme et d'effet pistonThis thesis exploits continuous measurement of rainfall, discharge and turbidity data and the knowledge acquired by three French observatories in urban hydrology, OPUR-Paris, OTHU Lyon and ONEVU-Nantes, to validate and improve knowledge on suspended solids discharges and sources of particles, which are major vectors of contaminants in combined sewer systems. Data from six experimental sites served by a combined sewer system were used: Marais, Quais and Clichy in Paris, Cordon Bleu and Saint-Mihiel in Nantes and Ecully in Lyon. At each site, a long duration databases enabled statistical studies on samples of several tens of rainfall events and dry weather days. This thesis allowed: 1-to assess the representativeness of turbidity to analyze sediments transport in network; 2-to analyze and model concentrations and masses of particles at the scale of rain events; 3-to study the dynamics of fluxes and concentrations at intra-event scale. Results show that turbidity can describe the dynamics of intra-event fluxes and concentrations provided these are expressed in a relative form, normalized by the event mean values. However, these mean values are attached by significant systematic errors induced by variations of the inter-event TSS-turbidity relationship (95% confidence interval about 30% of average). The contribution of sewer deposits to wet weather suspended solids discharges is important but variable (between 20 and 80% of the mass at the outlet depending on the event), including for a site allegedly free of (coarse) sewer deposits. In other words, the problems of silting and contribution from deposits to wet weather pollution are not necessarily related. The other major contribution is from “dry weather” wastewater. In addition, they we made some progress in understanding the lag-time phenomena between hydrograph and pollutograph and the piston effec
Removal of priority and emerging micropollutants in the conventionnal wastewater treatments (water and sludge), and during the tertiary treatment by activated carbon
No full textLe premier chapitre de ce manuscrit est dédié aux traitements primaires et biologiques conventionnels. Les abattements de nombreux polluants prioritaires et émergents ont été déterminés pour la décantation, la décantation physico-chimique lamellaire, les boues activées faible charge et la biofiltration. Les composés hydrophobes et les métaux, les composés organiques volatils et les molécules biodégradables sont plutôt bien éliminés par ces filières. La normalisation des abattements à celui de l'azote a permis de démontrer que la filière décantation physico-chimique lamellaire + biofiltration a une efficacité comparable à la filière décantation + boues activées, bien que plus compacte et opérant avec un temps de séjour hydraulique plus faible. En complément, l'analyse dans trois effluents de STEP du SIAAP de 55 résidus pharmaceutiques et hormones (PPHs), et de 6 autres polluants émergents, a permis de caractériser finement la contamination de ces rejets par ces composés, et de montrer la forte fréquence de détection à des concentrations supérieures à 100 ng/L de 14 composés. Dans le second chapitre, les campagnes menées ont permis de fournir des données sur cinq types de boues, dont les boues brutes, centrifugées, digérées, séchées et les cakes de boues, et sur quatre procédés de traitement des boues communément utilisés en France (centrifugation, digestion anaérobie, séchage thermique et cuisson + filtration presse). De nombreux composés ont été détectés dans ces boues et ce à des niveaux de concentrations variant du µg/kg MS (matière sèche) au g/kg MS. Certains polluants, comme les LAS, métaux ou PCBs, ne sont pas du tout éliminés au cours des traitements des boues, entrainant une augmentation de leur teneur, alors que d'autres, tels que les alkylphénols ou les PPHs, sont abattus partiellement par digestion et séchage thermique. La digestion anaérobie est le procédé qui permet la meilleure élimination de ces composés. La présence de plusieurs composés dans les centrats et condensats indique qu'un transfert a lieu et que la biodégradation et la volatilisation ne sont pas les seuls mécanismes d'élimination. Le dernier chapitre décrit les performances d'un pilote de traitement tertiaire, fonctionnant avec du charbon actif en poudre (CAP) ou en micro-grain (CAµG), à l'échelle industrielle, au cours de 32 campagnes de mesure. Les résultats ont montré que la plupart des PPHs, alkylphénols, édulcorants, pesticides et parabènes pouvaient être abattus efficacement (> 80%) par du charbon actif en lit fluidisé, à des doses limitées de charbon (10-20 g/m3). La dose de charbon influence fortement les performances, que ce soit avec du CAP ou du CAµG. Le CAµG permet d'obtenir des abattements en PPHs comparables au CAP à une même dose (10 ou 20 gCAµG/m3), même si certains composés sont légèrement mieux abattus (5-15%) avec le CAP, probablement par l'action du FeCl3. Cependant, le CAµG a plusieurs avantages opérationnels par rapport au CAP. En particulier, le CAµG est réactivable, facile à utiliser, il fonctionne à des temps de séjour élevés favorisant le développement d'une activité biologique et sans ajout de coagulant/flocculant pour maintenir le lit de charbon. Par ailleurs, ce type de procédé permet l'affinage du traitement des paramètres globaux de qualité des eaux, notamment le CAµG qui retient les MES et élimine totalement les nitrites. La corrélation entre performances du procédé et abattement de l'absorbance UV à 254 nm a été établie, indiquant que ce paramètre pourrait être utilisé comme indicateur de performance. La mise en place d'expériences complémentaires en laboratoire a permis de mieux appréhender le processus de sorption sur le CAP. Le lien étroit entre surface spécifique, densité apparente du CAP et abattement des PPHs a été démontré, ainsi que l'importance de la dose de CAP et du temps de contact. L'impact positif du FeCl3, et l'influence négative de la quantité et de la qualité de la matière organique ont été observésThe first chapter is dedicated to the conventional primary and biological treatments. Hence, removals of a wide range of priority and emerging micropollutants were assessed for primary settling, physico-chemical lamellar settling, low load activated sludge process and biofiltration. Hydrophobic compounds and metals, as well as volatile organic compounds and biodegradable pollutants are rather well eliminated by these treatments. Moreover, considering removals normalized with nitrogen removals, the physico-chemical lamellar settling + biofiltration wastewater treatment plant (WWTP) is as efficient as the primary settling + low load activated sludge WWTP, despite its lower hydraulic retention time and its higher compactness. As a complement, the analysis in 3 WWTP effluents from SIAAP of 55 pharmaceuticals and hormones (PPHs) and 6 other emerging pollutants allowed characterizing the contamination of these discharges, and highlighting the high occurrence of 14 compounds at concentrations above 100 ng/L. In the second chapter, the contamination by micropollutants of different types of Parisian sewage sludges was assessed, as well as their fate during sludge treatments. Various compounds, such as alkylphenols, linear alkylbenzene sulfonates (LAS), metals, organotins, phthalates, polybromodiphenylethers (PBDEs), perfluorinated acids (PFAs), polychlorobiphenyls (PCBs), polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and PPHs, were quantified in raw, centrifuged, digested, thermally dried sludges and sludge cakes (cooking + press-filtering). Some of them (LAS, metals, PCBs) are not eliminated or less than dry matter by sludge treatments resulting in a content increase, while others (alkylphenols, organotins, PBDEs, PPHs, PFAs) are more removed than dry matter by anaerobic digestion and thermal drying. Overall, anaerobic digestion is the most efficient sludge process. Finally, the detection of several pollutants in the centrifuged and condensed waters from centrifugation and thermal drying indicates that a transfer is occurring and that biodegradation and volatilization are not the only mechanism to be involved in micropollutant removal from sludge. The last chapter aimed at investigating the performance of a large scale pilot operating with powdered (PAC) or micro-grain activated carbon (µGAC), during 32 campaigns. Results showed that most of PPHs, alkylphenols, artificial sweeteners, parabens and pesticides are efficiently removed (> 80%) by activated carbon in fluidized bed at moderate doses (10-20 g/m3). Furthermore, the activated carbon dose has a great influence on performances, whether with PAC or µGAC. Then, µGAC has several operational advantages (reactivability, ease of operation, high solid retention time, no need for coagulant/flocculant addition to handle the fluidized bed) over the PAC together with similar performances at a similar fresh µGAC dose (20 gµGAC/m3 ≈ 20 gPAC/m3). In addition this type of process allows an improvement of the conventional wastewater quality parameters, especially µGAC which retains total suspended solids and eliminates totally nitrites. Finally, a correlation between micropollutant and UV-254 removals has been confirmed, suggesting that this parameter could be used as a performances indicator. The complementary laboratory scale experiments performed within this chapter allowed understanding better the PAC adsorption mechanism in wastewater. The correlation between the specific surface, the bulk density of the PAC and PPHs removal has been displayed, as well as the importance of the fresh PAC dose and the contact time. Moreover, the positive effect of FeCl3 and negative influence of the quantity and quality of organic matter on micropollutant adsorption have been observe
Effect of roof maintenance practices on runoff quality : case of biocidal treatments
No full textCe travail de thèse a dans un premier temps permis de mettre en évidence les différentes pratiques de traitement de toiture existantes en France. Après avoir sélectionné la pratique de traitement majoritaire (à savoir le traitement biocide), le protocole d'analyse de la molécule la plus répandue dans les différents produits : le benzalkonium (ou alkyldiméthylbenzylammonium) a été développé. Ce protocole a ensuite été appliqué pour évaluer les niveaux de concentration en biocide dans l'eau de ruissellement de toiture après un traitement. Une double approche a été mise en œuvre : "Suivi sur une durée d'un an des flux de benzalkonium dans les eaux de ruissellement de 12 bancs d'essais exposés en conditions naturelles", évaluation en condition de pluie simulée au laboratoire de différents paramètres (nature du matériau de couverture, dosage du produit et intensité de la pluie) sur les processus d'émission du benzalkonium. Enfin, l'ensemble des données acquises ont permis d'évaluer l'incidence sur la contamination des eaux de ruissellement de toiture après un traitement biocide, à une échelle locale et à l'échelle d'un petit bassin versant résidentiel. Le suivi de la contamination des eaux de ruissellement par bancs d'essais a permis de mettre en évidence une très forte contamination en benzalkonium dans les premiers millimètres de pluie (5 à 27 mg/L), très supérieures aux EC50 disponibles pour les organismes aquatiques (5,9 µg/L) et dépendante de la nature du matériau de toiture utilisé, les tuiles en terre cuite ayant émis moins de biocide que les tuiles en béton. La contamination diminue avec la succession des pluies, mais reste significative plusieurs mois après le traitement. Par ailleurs, l'étude au laboratoire a montré que l'état de surface des tuiles influence beaucoup le lessivage. Ainsi, les tuiles très imperméables en surface ont émis une quantité de benzalkonium proportionnelle à la masse épandue lors du traitement, alors que les tuiles sans traitement de surface ne sont pas sensibles au dosage du produit. A l'échelle locale, des précautions doivent être prise lors d'un traitement de toiture vis-à-vis de la collecte / utilisation des eaux de ruissellement. En effet, les très fortes concentrations en benzalkonium dans les premières pluies suivant le traitement peuvent avoir des impacts sur les végétaux arrosés, sur l'équilibre microbien de la cuve de récupération, voir des effets irritants sur l'homme. Une déconnexion minimale de 3 à 5 mois de la cuve permettrait de limiter les risques. Enfin, sur la base des résultats des bancs d'essais et d'un travail d'enquête sur l'étendue des pratiques de traitement, les concentrations et flux de benzalkonium susceptibles d'être émis dans les eaux pluviales d'un bassin versant résidentiel ont été modélisés. Les résultats mettent en évidence une contamination significative des eaux pluviales, liée essentiellement à la phase particulaire. La masse annuelle de benzalkonium exportée dans les eaux pluviales pourrait être de l'ordre de 0,85 kg / ha imperméabilisé / anFirstly, this thesis listed the different roof treatment practices in France. Once the major treatment practice selected (biocidal treament), the analytical protocol of the most widely used molecule (benzalkonium or alkyldimethylbenzylammonium) was developed. This protocol has been followed to evaluate the biocide concentration levels in roof runoff after a treatment. A double approach was considered : - Follow up of the benzalkonium flux for one year in runoff using 12 bench tests exposed to natural conditions. - Evaluation of the influence of different parameters (material, product dosage and rain intensity) on benzalkonium emmission processes with simulated rains. Finally, all the data acquired allowed the evaluation of the incidence of biocidal treatments on roof runoff contamination at different scales ( local and residential watershed). The results of the bench tests showed a very high benzalkonium contamination during the millimetres of rain (5 to 27 mg/L), higher than the different EC50s of aquatic organisms ( 5.9 ùg/L). Furthermore, the results showed an influence of the tile material on the release of benzalkonium : clay tiles were less washed off than concrete tiles. The contamination decreased with successive rains, but remained significantly high several months after treatment. Moreover, laboratory studies showed a proportional release of benzalkonium from waterproofed tiles with respect to the biocidal mass spread. On the contrary, tiles without any surface treatment were not sensitive to the product's dosage. On a local scale, precautions have to be taken during treatment with respect to the harvest / reuse of the runoff. Indeed, high benzalkonium concentrations during the first rains may have a potential impact on watered plants, microbial equilibrium in the collection tank and irritating effects on human. A deconnection of the tank for at least three to five months will reduce the risks. Finally, based upon the bench tests results and a survey on roof treatment practices, the benzalkonium concentrations and fluxes were injected in a mathematical model on a watershed scale. The results showed a significant contamination linked to the particles. The annual mass of benzalkonium transferred to the rainwaters could reach 0.85kg / waterproofed ha / yea
Distributed and physically-based modelling of hydrological transfer of road pollutants from local to city district scales
No full textLe développement des réseaux séparatifs entraîne le transfert fréquent de polluants urbains vers les milieux récepteurs (plans d’eau, rivières, etc.). La compréhension des processus de production et de lessivage des polluants dans le milieu urbain est pourtant incomplète à l’heure actuelle. Afin de répondre aux questions liées à la gestion des eaux urbaines, l’amélioration des connaissances des processus physiques est nécessaire, tant au niveau des surfaces urbaines que les réseaux d'assainissement. Pour cela, la modélisation du transfert hydrologique des polluants en milieu urbain peut être un outil précieux.Cette thèse a pour objectif de développer et d'analyser des modèles distribués à base physique pour simuler les flux de polluants routiers (Matières En Suspension (MES), Hydrocarbures, Métaux) dans un environnement urbain. Elle s'inscrit dans le cadre du projet ANR "Trafipollu" et bénéficie des résultats expérimentaux mis en œuvre dans ce projet pour la calibration et validation des modèles utilisés. Le travail de thèse s’articule autour de deux échelles de modélisation : l’échelle locale et l’échelle du quartier.A l'échelle locale, le code FullSWOF (volumes finis, schéma numérique d'ordre 2) couplé au modèle d’érosion d'Hairsine and Rose (1992a; 1992b) et des données géographiques très détaillées (résolution spatiale centimétrique) ont été utilisés et adaptés afin d'améliorer nos connaissances des processus physiques du lessivage des polluants sur les surfaces urbaines. La comparaison aux mesures en continu permet d’évaluer la performance d’une modélisation physique pour représenter les variations spatiales et temporelles des processus de transferts des polluants sur les surfaces urbaines. Les analyses des résultats obtenus permettent de constater la prédominance des effets d'arrachement liés à la pluie sur les processus d'entrainement par l'advection sur la majeure partie du bassin versant routier. L’utilisation d’un modèle d’érosion pour modéliser le transport particulaire en zone urbaine est une innovation importante de cette thèse.A l’échelle du quartier, la deuxième étape du travail consiste à coupler séquentiellement le modèle TREX (Velleux, England, et al., 2008) avec le modèle CANOE (Alison, 2005), nommé "TRENOE" plateforme. En changeant différentes options de mise en œuvre et de configurations du modèle, l’adaptation de la précision numérique et l’utilisation de données détaillées d’occupation du sol semblent être les facteurs clés pour une telle modélisation. Par ailleurs, ce couplage a montré des problèmes de fond tels que la modélisation du schéma numérique des flux en surface (seulement dans 4 directions), ainsi que l'utilisation de l'équation USLE pour simuler l'érosion en milieu urbain, ne comprenant pas d’impact des gouttes de pluie pour la modélisation.Pour remédier à ces défauts, la plateforme opensource LISEM-SWMM est développée en couplant le modèle LISEM (De Roo, Wesseling, et al., 1996), modèle d’érosion développé initialement pour le milieu naturel, et le modèle SWMM (Rossman, 2010). Pour la première fois, la modélisation hydrologique s’appuie aussi sur l’utilisation de sorties de modèles atmosphériques pour les dépôts des particules fines (PM10), hydrocarbures et métaux. Les résultats montrent que l’emploi de modèles totalement distribués peut arriver à reproduire de manière très fine les dynamiques des particules, des hydrocarbures et des métaux. Même si à ce stade la plateforme développée nécessite des améliorations pour adapter aux utilisations dans le champ opérationnel, ceci constitue une avancée pour le domaine de modélisation du transfert hydrologique des polluants routiers en milieu urbainNowadays, the increasing use of separate stormwater systems causes a frequent transport of urban pollutants into receiving water bodies (lakes, rivers). However, current studies still lack of the knowledge of urban build-up and wash-off processes. In order to address urban management issues, better understanding of physical mechanism is required not only for the urban surfaces, but also for the sewer systems. In this context, the modelling of hydrological transfer of urban pollutants can be a valuable tool.This thesis aims to develop and assess the physically-based and distributed models to simulate the transport of traffic-related pollutants (suspended solids, hydrocarbons, heavy metals) in urban stormwater runoffs. This work is part of the ANR "Trafipollu" project, and benefit from the experimental results for model calibration and validation. The modelling is performed at two scales of the urban environment: at the local scale and at the city district scale.At the local scale of urban environment, the code FullSWOF (second-order finite volume scheme) coupled with Hairsine and Rose model (1992a; 1992b) and detailed monitoring surveys is used to evaluate urban wash-off process. Simulations over different rainfall events represent promising results in reproducing the various dynamics of water flows and particle transfer on the urban surfaces. Spatial analysis of wash-off process reveals that the rainfall-driven impacts are two orders of magnitude higher than flow-drive effects. These findings contribute to a significant improvement in the field of urban wash-off modelling. The application of soil erosion model to the urban context is also an important innovation.At the city district scale, the second step consists of coupling the TREX model (Velleux, England, et al., 2008) and the CANOE model, named "TRENOE" platform. By altering different options of model configurations, the adequate numerical precision and the detailed information of landuse data are identified as the crucial elements for achieving acceptable simulations. Contrarily, the high-resolution topographic data and the common variations of the water flow parameters are not equally significant at the scale of a small urban catchment. Moreover, this coupling showed fundamental problems of the model structure such as the numerical scheme of the overland flow (only 4 directions), and the empirical USLE equations need to be completed by raindrop detachment process.To address these shortcomings, the LISEM - SWMM platform is developed by coupling the open-source LISEM model (De Roo, Wesseling, et al., 1996), which is initially developed for soil erosion simulations, and the SWMM model (Rossman, 2010). For the first time, the hydrological model is also supported by the simulations of atmospheric dry deposits of fine particles (PM10), hydrocarbons and heavy metals. The performance of water flow and TSS simulations are satisfying with the calibrated parameters. Considering the hydrocarbons and heavy metals contents of different particle size classes, simulated event mean concentration of each pollutant is comparable to local in-situ measurements. Although the platform at current stage still needs improvements in order to adapt to the operational applications, the present modelling approach contributes to an innovative technology in the field of modelling of hydrological transfer of the traffic-related pollutants in urban environmen
Micropollutant fluxes in urban runoff : effects of sustainable urban drainage systems
No full textCe travail de thèse a évalué les niveaux et les voies d'introduction de la contamination en micropolluants des eaux pluviales d'un petit bassin versant urbain, et mis en évidence les impacts de l'utilisation de techniques alternatives (TA) sur les flux d'eau et de contaminants. Quatre bassins versants à Noisy-le-Grand, homogènes par leur taille et leur occupation du sol (1 à 2 ha, résidentiel dense), et présentant une diversité de gestion des eaux pluviales (séparatif classique et différentes combinaisons de TA) ont été étudiés. La présence d'un certain nombre de substances prioritaires de la directive cadre européenne sur l'eau (HAP, alkylphénols, phtalates, diuron, isoproturon, atrazine, plomb) a été mise en évidence dans les eaux pluviales d'un bassin versant amont, à des niveaux de contamination globalement plus faibles qu'à l'aval des réseaux séparatifs. Cette contamination est tout de même significative pour certains paramètres qui ont été mesurés au dessus des normes de qualité. Pour le zinc, la contamination à l'amont est même plus élevée qu'à l'aval du fait de l'émission par des matériaux de couverture.Ce travail a montré que les TA diminuent les volumes d'eau rejetés vers l'aval d'environ 50% et réduisent les masses de contaminants émises de 20 à 80% (MES, DCO, PCB, HAP, alkylphénols, métaux traces). Cette réduction de masse est essentiellement liée à la diminution de volume, l'effet épuratoire sur les concentrations n'étant pas systématiquement mis en évidence. L'amplitude de ces effets varie suivant l'importance de la pluie, mais surtout en fonction du type d'ouvrage mis en place.La gestion à l'amont des eaux pluviales est donc à favoriser car elle évite la sur-contamination liée aux processus en réseau (mauvais branchements, érosion...). Elle permet de séparer les eaux peu chargées (infiltration ou rejet au milieu) des effluents contaminés qui pourront être traités localement ou à l'aval. Dans un objectif de réduction des flux polluants la conception des TA devra prendre en compte les pluies courantes et non pas seulement les événements exceptionnelsThis thesis aimed at evaluating the contamination of urban stormwater from an upstream watershed by micropollutants and their introduction pathways, and estimating the hydrological effects and the pollutant removal performances of Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS). Four watersheds located in Noisy-le-Grand were studied. They had comparable sizes (1 to 2 ha) and land use patterns (dense residential), but one was drained by a classical separate sewers system, and the other was managed by SUDS.We showed that stormwater from an upstream watershed is contaminated by some priority substances of the Water Framework Directive (PAHs, alkylphenols, phtalates, diuron, isoproturon, atrazine, lead), but at lower levels than the downstream. The concentrations of some parameters still excede the quality standards. Zinc concentrations are even higher than downstream, as a result of emissions from metallic materials from roong.SUDS reduce the volume of surface water discharged by 50 %. The mass of contaminants also decreases by 20 to 80 % (SS, COS, PCB, PAH, alkylphenol, metals). The discharge reduction is mainly due to water losses, whereas removal performances on concentrations are not systematically highlighted. These effects vary with rainfall and particularly with the type of SUDS.The upstream management of stormwater should be encouraged to avoid over contamination due to processes in sewer systems (erosion, bad connections...). Lightly contaminated effluents (infiltration or discharge to middle) can be separated from strongly contaminated ones that can be treated locally or downstream. In order to integrate depollution goals, the design of SUDS, currently based on exceptional events, should also rely on frequent event
Contribution of continuous turbidity measurements to the management of effluent quality in sewer systems during wet weather
No full textL’objectif de ce travail de thèse est de démontrer qu’il est possible d’utiliser des mesures en continu de turbidité pour suivre la pollution particulaire dans les réseaux d’assainissement et d’évaluer l’apport de ces mesures pour la gestion des réseaux en temps réel ou en temps différé. Dans une première partie, la mise en oeuvre de la mesure en continu de turbidité est décrite. Les éléments principaux contribuant à l’incertitude sont identifiés et des méthodes de calcul des incertitudes adaptées sont proposées. Les questions de fiabilité et de représentativité de la mesure de turbidité sont traitées et aboutissent à des solutions d’installation des sondes in situ et à des protocoles de suivi et de maintenance. Enfin, les perturbations affectant le signal sont quantifiées et des méthodes de filtrage sont comparées. La deuxième partie est consacrée à l’analyse du comportement de la turbidité à partir des données acquises sur deux sites du réseau unitaire parisien en 2006. 80 événements pluvieux sont décrits par leurs concentrations moyennes et maximales et par leurs courbes de distribution masse/volume. Ces critères ont été intégrés dans des typologies qui ont ensuite été mises en relation avec des paramètres de débit et de durée de temps sec ayant précédé l’événement. Cette analyse permet de caractériser la variabilité de façon détaillée. La variabilité de la décantabilité des particules a été également étudiée à partir de données provenant de bassins de décantation. Enfin, deux applications sont proposées. La première est une évaluation en temps différé de flux de polluants. Deux modes d’exploitation de prélèvements d’échantillons réalisés sur un nombre fixé d’événements pluvieux sont comparés. L’un n’utilise que les résultats d’analyses des échantillons au laboratoire pour établir une concentration moyenne. L’autre utilise les prélèvements pour établir des relations entre turbidité et paramètres polluants, ensuite appliquées à des mesures en continu de turbidité. Une seconde série d’applications porte sur l’utilisation de la turbidité pour la gestion en temps réel des flux. Deux configurations-types génériques ont été étudiées. Pour chacune, une stratégie utilisant seulement le débit est comparée à une stratégie utilisant turbidité et débit. Les simulations sont effectuées pour de larges gammes de paramétrage des configurations et avec des données réelles de débit et de turbidité en entrée du système. Pour les applications d’évaluation de flux comme de gestion en temps réel, le gain apporté par la turbidité est chiffré et s’avère significatifThe purpose of this thesis is to prove the usefulness of continuous turbidity measurements for the monitoring of particulate pollution in combined sewer systems, and assess the contribution of these measurements to real-time and lagged control of sewer systems. In the first part, the implementation of continuous turbidity measurements is described. The main uncertainties components are identified and appropriate calculation methods for the uncertainties are proposed. The issues of reliability and representativeness of turbidity measurements are treated and lead to solutions for the in situ installation of turbidimeters and the definition of proper monitoring and maintenance protocols. Finally, the noise which disturbs turbidity measurements is quantified, and filtering methods are compared. The second part is devoted to the analysis of turbidity behaviour, drawing from data monitored on two sites in the combined sewer of Paris in 2006. Eighty rain events are described by their mean and maximum concentrations and by their mass/volume distribution curves. These criteria are used to define typologies, which are then linked to flow parameters and to the antecedent dry weather period of the event. This analysis leads to a detailed description of variability. The variability of the settling characteristics of the particles was also studied using data coming from sedimentation tank. Finally two applications are developed. The first is an assessment of lagged pollutant loads. Two methods for exploiting samples taken during a fixed number of rain events are compared. The first method only uses the results of sample analysis to establish an average concentration. The second method uses samples to calibrate relationships between turbidity and pollutant parameters, which are then applied to continuous turbidity measurements. Another group of applications deals with the use of turbidity for real time control of pollutants flows. Two kinds of configuration were studied. For each one, a strategy only using flow data is compared with a strategy using turbidity and flow data. Simulations are performed for a wide range of configuration parameters with real flow and turbidity data at the entrance of the system. For the application of assessment of pollutants flow as well as for real time control applications, the improvement brought by turbidity was assessed and proved to be significan
Fate of polybromodiphenylethers and alkylphenols in wastewater treatment plants operating under dry and wet-weather flows
No full textCe travail s'est focalisé sur le devenir des polybromodiphényléthers (PBDE) et des alkylphénols (AP) dans les filières de traitement des eaux usées des stations d'épuration Seine-Centre et Seine-Amont, en agglomération parisienne. Des prélèvements effectués par temps sec et par temps de pluie ont permis de déterminer la qualité des eaux brutes vis-à-vis des paramètres globaux, des PBDE et des AP, ainsi que l'efficacité des ouvrages de traitement primaire et secondaire. Par temps sec, les concentrations dans les eaux brutes de Seine-Amont sont en moyenne 6 et 2 fois plus élevées pour ∑6AP et ∑4PBDE respectivement. Un bassin-versant plus industrialisé sur Seine-Amont et une forte dilution dans le réseau de Seine-Centre expliquent ces différences. Par temps de pluie, la pollution est diluée sur Seine-Amont. A l'inverse, la pollution particulaire augmente sur Seine-Centre, à cause de l'érosion des dépôts présents dans le réseau. En traitement primaire, la décantation physico-chimique lamellaire sur Seine-Centre favorise nettement l'abattement des pollutions particulaires et organiques. Ses performances sont stables et bien plus élevées que la décantation classique sur Seine-Amont. Par temps de pluie, les performances des deux ouvrages sont conservées, voire améliorées, malgré une hausse des charges polluantes et des vitesses ascensionnelles. Aucun de ces ouvrages n'est adapté au traitement de la pollution dissoute. En traitement secondaire, des abattements élevés pour la biofiltration et les boues activées ont été obtenus. Les traitements des deux stations étudiées conduisent à des effluents secondaires de qualité globalement similaire, même si les concentrations en pollution particulaire et en PBDE restent plus élevées sur Seine-Amont. Par temps de pluie, le 3ème étage de la biofiltration est dérivé et aéré sur Seine-Centre. Cette configuration impacte principalement les nitrates et le BDE-209. Sur Seine-Amont, les performances des boues activées sont légèrement affectées mais restent généralement supérieures à 80 %. Ceci conduit à des concentrations dans les effluents secondaires par temps de pluie 1,4 à 3 fois plus élevées en moyenne pour la pollution particulaire et les PBDEThis study investigates the fate of polybromodiphenylethers (PBDE) and alkylphenols (AP) within two sewage treatment plants, Seine-Centre and Seine-Amont, located in Paris conurbation. Samplings were performed under dry and wet-weather flows to determine the raw water quality and the performances of the primary and secondary treatment. During dry-weather periods, mean concentrations of ∑6AP and ∑4PBDE in Seine-Amont raw sewage were respectively 6 times and twice higher. This is due to a highly industrialized watershed for Seine-Amont, and a strong dilution in Seine-Centre sewer network. Under wet-weather flows, the particulate pollution increases markedly in Seine-Centre raw sewage, due to the erosion of in-sewer deposits. As a primary treatment, the physico-chemical lamella settler in Seine-Centre clearly improves the removal of particulate and organic pollutions. Its performances are constant and much higher than normal settling in Seine-Amont. Under wet-weather flows, the performances of both techniques are maintained or improved, despite higher pollutant loads and ascensional velocity. The dissolved pollution is not removed in the primary treatment, whatever the process. In the secondary treatment, high removal is obtained for both biofiltres and activated sludge processes. Seine-Centre and Seine-Amont secondary effluents reach a similar quality, although particulate pollution and PBDE concentrations remain slightly higher in Seine-Amont. Under wet-weather flows, one stage of Seine-Centre biofiltration unit is derived and aerated. In these specific conditions, nitrates and BDE-209 removal is impacted. For activated sludge in Seine-Amont, performances are slightly decreased but remains over 80 % for most parameters. Hence, in Seine-Amont secondary effluents, PBDE pollution is from 1.4 to 3 times higher under wet-weather flow
Contribution of roofing materials to the metal contamination of runoff
No full textCe travail de thèse a visé le développement d’un outil d’évaluation des flux métalliques annuels émis par les matériaux de couvertures à l’échelle d’un bassin versant, dans le contexte architectural et météorologique de l’Île-de-France. La méthodologie mise en place pour tendre vers ce but repose sur (1) l’évaluation des émissions annuelles de métaux par différents matériaux métalliques de couverture classiquement utilisés dans la région grâce à une approche expérimentale sur bancs d’essais, (2) l’établissement d’un cadre méthodologique pour la modélisation des flux métalliques émis à l’échelle annuelle par les toitures d’un bassin versant qui se base d’une part sur la modélisation des émissions métalliques par les matériaux à différentes échelles spatiales et temporelles (en fonction de la pluviométrie, de la géométrie du toit…) à partir des données obtenues sur les bancs d’essais, et d’autre part sur la quantification des surfaces métalliques des toitures d’un bassin versant. La première partie du travail a donc consisté à développer et à exploiter, sur deux sites différents, des bancs d’essais expérimentaux d’1/2 m², testant 12 matériaux métalliques issus de 5 familles (zinc, cuivre, plomb acier, aluminium), sous différentes mises en oeuvre (panneaux, gouttières, crochets de fixation). 13 espèces métalliques ont été quantifiées dans les eaux de ruissellement collectées ce qui a permis (1) d’acquérir une importante base de données de taux de ruissellement annuels par les différents matériaux, mettant en évidence que les taux de ruissellement annuels obtenus peuvent être assez importants, de l’ordre de plusieurs grammes par m² et par an pour les éléments constitutifs des matériaux, (2) de hiérarchiser ces matériaux en fonction de leur potentiel polluant, à travers la définition d’un indice de contamination métallique se basant sur les émissions de Cd, Cu, Ni, Pb et Zn et permettant de tenir compte des différences de toxicité des métaux. Une modélisation des émissions métalliques par les matériaux à différentes échelles de temps a été réalisée, conduisant à la conclusion que la hauteur de pluie, ainsi que la durée d’exposition sont des paramètres fondamentaux. Il est apparu que la hauteur de pluie seule est suffisante pour modéliser les émissions métalliques par les matériaux à des échelles de temps longues mais ne suffit pas à modéliser ces émissions sur quelques semaines. Un modèle plus complexe, basé sur une hypothèse d’accumulation / dissolution de produits de corrosion à la surface des matériaux donne des résultats satisfaisant à ces échelles de temps plus courtes. L’extrapolation spatiale des résultats de ruissellement obtenus sur les bancs d’essais s’est basé sur d’autres expérimentations, d’abord sur bancs d’essais conduisant à la conclusion que la longueur d’écoulement n’a pas d’influence sur la masse de métal entraînée dans le ruissellement, qui peut être calculée à partir de la hauteur de pluie, de la surface projetée et de l’inclinaison du panneau (qui s’avère négligeable quand elle est inférieure à 50°); puis à l’échelle de toits réels pour une étape de validation. Dans la seconde partie de ce travail, la quantification des surfaces de rampants à l’échelle d’un bassin versant a été effectuée grâce à un outil de classification d’image basé sur l’analyse de la radiométrie des matériaux à partir d’une photo aérienne. Les résultats obtenus sont encourageants, avec environ 75 à 80% des toits qui bien classés à l’issue de la classification. Les principales erreurs reposent sur des confusions de l’outil entre des matériaux de radiométries voisines (ardoise / zinc par exemple, qui peuvent être proches en fonction du degré d’ensoleillement)...This thesis aimed to develop a tool for the evaluation of annual metallic flows emitted from roofing materials at the scale of a watershed in the architectural and meteorological context of Paris conurbation. The methodology used in this work is based on (1) the assessment of annual metallic emissions from different metallic materials typically used for roofing in the region considered through an experimental test bed, (2) the establishment of a methodological framework for modelling the metallic flow emitted from the roofs of catchment area, which is based both on the modelling of metal emissions from the materials at different spatial and temporal scales (depending on rainfall, geometry of the roof ...) from data obtained on the test bed, and on the quantification of metallic surface areas of roofs in the catchment area. The first part of the work has been based on the exploitation of experimental test beds of 1 / 2 m², testing 12 metallic materials from 5 families (zinc, copper, lead, steel, aluminium) in various implemented (panels, gutters, fixing brackets, exposed on two different sites. 13 metallic species were quantified in the collected runoff which allowed (1) to acquire a large database of annual runoff rates by different materials, highlighting that the annual runoff rates obtained can be fairly important, with an order of magnitude of several grams per square meter per year for the constitutive elements of materials, (2)to classify these materials according to their polluting potential, through the definition of an index of metal contamination taking into consideration the emissions of Cd, Cu, Ni, Pb and Zn and the differences in toxicity of metals. A modelling of metal emissions from the materials at different time scales has been conducted, leading to the conclusion that the rainfall quantity and the duration of exposure are fundamental parameters. It appeared that the rainfall value is sufficient to model metallic emission from materials for long time scales but not enough to model these emissions on a few weeks period. A more complex model, based on an assumption of accumulation / dissolution of corrosion products on the surface of the material gives satisfactory results for these time-scales periods. The spatial extrapolation of results obtained on the test bed scale was based on other experiments, first on test beds, leading to the conclusion that the length of flow has no influence on the mass of metal entrained in the runoff, which can be calculated from the rainfall quantity, the projected area and inclination of the panel (which is negligible when it is below 50 °), and then at the real roof scale for a validation step. In the second part of this work, quantification of surface areas of roofs at the scale of the catchment was conducted using a classification tool image analysis based on the radiometry of materials. The results are encouraging, with about 75 to 80% of roofs ranked on the basis of classification. The main errors are due to confusions between materials presenting nearby radiometry (slate / zinc, for example, which can be close depending on the amount of sunshine). Exploratory work was conducted for the consideration of singular elements - usually realized in metal -, from the use of unified technical documents. The evaluation of metal surfaces concerned has proved difficult to implement in an automatic way because of the small size of these elements, not visible on an aerial phot
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