Soutenance mémoire
Enjeux de la qualité des eaux en sortie de toitures
Les éléments en traces métalliques
Définition
Les éléments en traces sont les 68 éléments minéraux présents dans la croûte terrestre avec une concentration inférieure à 0.1% pour chacun d’entre eux, représentant au total 0.6% de sa composition, le reste étant constitué de 12 éléments majeurs. Parmi eux se trouvent notamment les éléments parfois appelés « métaux lourds ». Cette dénomination à la connotation péjorative n’est pas pertinente notamment du fait de la présence d’espère de faible masse volumique faible (Baize, 1997).
Certains de ces éléments sont des contaminants stricts, non nécessaires aux êtres vivants pour assurer leur développement comme Pb, Cd et Hg pour l’homme. D’autres sont des oligo-éléments, indispensables aux êtres vivants, et différents pour les animaux (Cu, Zn, Se, Cr et Mo pour l’homme) et les végétaux : B, Co, Cu, Mo, Ni et Zn (Chassin et al., 1996). Cependant, une exposition à forte dose ou chronique à ces oligo-éléments peut également s’avérer toxique (Tremel-Schaub et Feix, 2005). Bien que contenant également des métalloïdes comme l’arsenic (As), ces éléments sont généralement regroupés sous l’appellation « éléments en traces métalliques » (ETM) qui sera également utilisée par la suite.
Impacts des ETM sur le vivant
L’impact de ces ETM sur la faune et la flore dépendra bien entendu de leur toxicité mais également de leur biodisponibilité. La biodisponibilité d’une substance correspond à sa capacité à être prélevée par les organismes vivants (Juste, 1988). Celle-ci dépend de la spéciation de l’élément considéré dans le milieu, qui est influencée par de nombreux paramètres physico-chimiques comme le pH, le Eh, la concentration en ions majeurs ou encore la concentration en matière organiques dissoute (Tack et al., 2008). Dans le cas d’une plante par exemple, les ions assimilables sont ceux présents en solution et la part des ions susceptibles de passer en solution, via des mécanismes d’échange d’ions notamment, au cours de la période de croissance de la plante .
La toxicité des ETM dépend de l’organisme (Annexe I) et de la quantité à laquelle il est soumis ponctuellement ou de façon chronique. Chez l’homme, les métaux peuvent être responsables de maladies cardiovasculaires, de pathologies immunologiques, d’affections dermatologiques, de perturbations des systèmes endocriniens et reproducteurs ainsi que d’atteintes du système nerveux central pouvant avoir des effets neurologiques et psychiatriques (Huss, 2011). Beaucoup ont également des effets cancérigènes (Ghorbel Ben Abid, 2012).
Phénomènes induisant la contamination des eaux pluviales en ETM
Lors du passage dans l’atmosphère
Origine et flux de polluants atmosphériques
Les polluants présents dans l’atmosphère peuvent être d’origines naturelles ou anthropiques.
Les sources naturelles sont l’érosion de la croûte terrestre qui peut contenir des teneurs non négligeables en ETM, le volcanisme (de 20 à 40% selon les ETM) et les feux de forêts (>10% dans certaines régions du monde (Nriagu et al., 1988 ; Robert-Sainte, 2009). La part prépondérante des polluants dans l’atmosphère provient des activités anthropiques (Nriagu, 1990). Selon les éléments, (les sources principales sont la combustion pour la production de chauffage et d’électricité, la production de métaux non ferreux et ferreux, la production de ciment et l’incinération de déchets et la circulation automobile , (Legret, 2001). La combustion d’essence a été longtemps une source importante de plomb, jusqu’à l’apparition de l’essence sans plomb depuis le début des années 2000. Pour autant les émissions ne sont pas totalement supprimées, les essences n’étant pas totalement exemptes de plomb (Pacyna et al., 2007).
Les ETM se trouvent dans l’atmosphère essentiellement en phase particulaires, sur des particules appelées aérosols. Selon les conditions météorologiques, la nature et surtout la taille des particules, le temps de résidence dans l’atmosphère (quelques min à 10 jours) et la distance de transport sont fortement variables (quelques m à des milliers de km) (Azimi, 2004).
Contamination des eaux de pluie
Les particules peuvent contaminer l’eau de pluie via deux processus distincts : le « rain-out », qui correspond à la capture des aérosols par les gouttelettes d’eau nuageuses en cours de formation, et le « wash-out », ou piégeage des particules lors d’un événement pluvieux par capture à la suite de chocs ou par entraînement de l’air déplacé lors de la chute des gouttes (Flament, 1985 dans Azimi, 2004). Du fait de la variabilité des sources et des temps de séjours dans l’atmosphère ou encore de la variabilité saisonnière de sources comme le chauffage (Azimi et al., 2003), les teneurs en ETM dans les eaux de pluie fluctuent dans le temps et dans l’espace (Dembélé et al., 2008). Ces auteurs ont observé sur deux sites expérimentaux en région lyonnaise (des teneurs non négligeables en Cu et Zn . Ainsi, le passage dans l’atmosphère peut représenter de 15 à 25% des apports de polluants aux rejets urbains de temps de pluie (Barraud, 2009 ; Percot, 2012)) voire même 30% pour Zn (Gasperi et al., 2014) .
Lessivage des dépôts atmosphériques secs
Les aérosols qui ne sont pas emportés par la pluie quittent l’atmosphère sous forme de retombées sèches. C’est d’ailleurs le mode de dépôts préférentiel pour la majorité des ETM et notamment Cd, Cu, Pb et Zn (Garnaud et al., 2001 ; Azimi, 2004). Les toitures accumulent donc une certaine quantité d’aérosols déposés par temps sec qui seront lessivés lors de la pluie suivante et contribueront à la contamination de cette eau pluviale. Les flux cumulés de dépôts de temps secs et de temps de pluie sont très variables, pour les mêmes raisons que celles expliquant la variabilité des teneurs dans les eaux météoriques seules, et peuvent également représenter des apports considérables en ETM de l’ordre de plusieurs dizaines de (mg L-1 ), même en France où la plupart des émissions de polluants réalisées restent contrôlées .
Apports de polluants par les matériaux de la toiture
Les matériaux utilisés en couverture de bâtiments et les produits utilisés pour leur entretien peuvent constituer des sources de polluants emportés par les eaux. Les couvertures métalliques, particulièrement présentes dans certaines villes françaises (e.g. 40 à 50% des toits de Paris), sont une source importante de polluants métalliques. En milieu urbain, les conditions sont particulièrement favorables à la corrosion atmosphérique qui produit des composés plus ou moins solubles en fonction du matériau. Des émissions annuelles de Pb, Cu et Zn de l’ordre de plusieurs g par m² ont été observées selon la nature des matériaux considérés (Robert-Sainte, 2009). L’entretien des surfaces par traitements anti-mousse, imperméabilisants ou la rénovation de la peinture a également été identifié comme une source de polluants dans les eaux pluviales, en termes de molécules organiques et notamment de biocides (chlorure de benzalkonium), pendant les mois suivant le traitement. Certaines peintures recensées contenaient également des métaux comme du zinc sous forme de pyrithione de zinc (Van de Voorde, 2012). Leur impact spécifique n’a pas été étudié mais ce type de produits pourrait également être sources d’ETM dans les eaux en sortie de toitures.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I. EVALUATION DE L’IMPACT DES TOITURES VEGETALISEES EXTENSIVES SUR LA QUALITE DES EAUX
CHAPITRE 1 : UNE CONCEPTION ACTUELLE DES TOITURES VEGETALISEES NONADAPTEE A UNE DIMINUTION DES REJETS DE POLLUANTS
1.1 Enjeux de la qualité des eaux en sortie de toitures
1.1.1 Les éléments en traces métalliques
1.1.2 Phénomènes induisant la contamination des eaux pluviales en ETM
1.1.3 Devenir des eaux de toitures
1.1.4 Les toitures végétalisées en France
1.1.5 Gestion quantitative
1.1.6 Gestion qualitative
1.2 Potentialités d’amélioration des capacités épuratoires des toitures végétalisées
1.2.1 Des pistes déjà identifiées dans le domaine de la végétalisation de toitures
1.2.2 La Science du Sol pour aider à une meilleure compréhension des flux de polluants dans les structures
1.3 Synthèse et questionnements
CHAPITRE 2 : MATERIEL ET METHODES
2.1 Elaboration des toitures végétalisées en vraie grandeur
2.1.1 Principe de sélection des matériaux
2.1.2 Matériaux utilisés
2.1.3 Installation et vie courante des structures
2.2 Instrumentations et suivis in situ
2.2.1 Sélections des polluants étudiés
2.2.2 Caractérisation initiale et finale des structures végétalisées
2.2.3 Entrées du système
2.2.4 Sortie du système
2.2.5 Analyses des ETM dans les eaux et les végétaux par ICP MS
2.3 Essais en laboratoire
2.3.1 Essais en batch
2.3.2 Essais en colonne
CONCLUSION
PARTIE II. HYPOTHESES SUR LES CAPACITES DE RETENTION ET D’EMISSION DES STRUCTURES A PARTIR DES CARACTERISTIQUES INITIALES DES DIFFERENTS MATERIAUX
CHAPITRE 1 : CARACTERISTIQUES INITIALES DES STRUCTURES EXPERIMENTALES DE VEGETALISATION DE TOITURES
1.1 Caractéristiques de la végétation
1.1.1 Dimensions des plantes et teneurs en ETM
1.1.2 Discussion : un faible couvert végétal initial
1.2 Caractéristiques des matériaux de drainage et des substrats
1.2.1 Caractéristiques générales des matériaux minéraux et organiques
1.2.2 Teneurs en ETM
1.2.3 Discussion : impact des structures sur la qualité des eaux
CHAPITRE 2 : CAPACITE DE RETENTION DES SUBSTRATS ET DES DRAINAGES UTILISES VIS-A-VIS DES ETM
2.1 Caractérisation en batch des capacités de sorption et de désorption du Cu et du Zn sur les trois substrats et les deux drainages
2.1.1 Isothermes de sorption
2.1.2 Cinétique de sorption
2.1.3 Isotherme de désorption
2.1.4 Discussion : des cinétiques lentes mais des capacités de rétention significatives, surtout pour l’argile expansée
2.2 Influence du pH, de la granulométrie et de la proportion de chaque matériau dans un mélange sur les capacités de rétention
2.2.1 Isothermes et cinétiques de sorption sur matériaux entiers
2.2.2 Isothermes de sorption à pH contrôlé
2.2.3 Cinétiques et isothermes de sorption des différents matériaux constitutifs du substrat extensif
2.2.4 Discussion : les caractéristiques physiques et chimiques de chaque matériau influent sur le fonctionnement global de la structure
2.3 Essais en colonne de sorption du Zn sur l’argile expansée et le substrat extensif
2.3.1 Comparaisons des résultats obtenus pour l’argile expansée et le substrat séparément
2.3.2 Comparaisons des courbes de sorption de Zn2+ et de désorption de Ca2+
2.3.3 Impacts de la hauteur de matériaux
2.3.4 Impacts de la superposition substrat/drainage
2.3.5 Désorption du Zn
2.3.6 Discussion : des modifications significatives induites par la dynamique de l’écoulement et la superposition des matériaux
CONCLUSION
PARTIE III.CONCENTRATIONS ET FLUX DE POLLUANTS DANS LES EAUX ISSUES DES TOITURES VEGETALISEES
CHAPITRE 1 : ENTREES DU SYSTEME
1.1 Dépôts atmosphériques
1.1.1 Précipitations
1.1.2 Caractéristiques physico-chimiques
1.2 Apports anthropiques
1.3 Discussion : des apports potentiels via les engrais à ne pas négliger
CHAPITRE 2 : EAUX EN SORTIE DES PARCELLES EXPERIMENTALES
2.1 Caractéristiques physico-chimiques
2.2 Concentrations en ETM
2.3 Flux
2.4 Discussion : une capacité épuratoire effective pour certains ETM
CONCLUSION
