Session D3 - Caractérisation de la pollution dans les ouvrages

La désimperméabilisation des villes soulève des questions sur le devenir des contaminants des eaux de ruissellement. Les phases particulaires et dissoutes sont relativement bien documentées, mais les phases colloïdales restent peu étudiées en milieu urbain. Le projet ROCOCO (rôle des colloïdes et des particules dans la dynamique des contaminants des eaux de ruissellement en milieu urbanisé) vise à caractériser la distribution des contaminants au sein de différentes fractions. Une méthodologie d'ultrafiltration centrifuge a permis de séparer quatre fractions (> 0,45 µm, 0,45 µm-30 kDa, 30-3 kDa, <3 kDa) sur des échantillons prélevés sur deux sites de l'Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU). Les résultats montrent que les contaminants métalliques sont majoritairement associés à la phase particulaire, et révèlent une distribution variable de certains métaux (Al, Cr, Cu, Fe, Zn et Ti) entre les phases réellement dissoutes et colloïdales au sein de la fraction <0,45 µm. Les pesticides et pharmaceutiques recherchés ont majoritairement été trouvé en phase dissoute. Ces données pourront apporter des informations pour la conception des ouvrages d'infiltration et contribuer à l'évaluation des risques de migration des contaminants vers les nappes phréatiques.

Le ruissellement des eaux pluviales s'avère être une source importante de microplastiques (MP) dans les cours d'eau en aval. Afin de répondre aux questions de gestion relatives à ce contaminant émergent, nous avons cherché à quantifier l'efficacité des dispositifs de gestion des eaux pluviales par biofiltration (ou biorétention) pour réduire la présence de MP, et à évaluer si les spécifications des matériaux filtrants sont adaptées à la capture des différentes tailles de MP présentes dans le ruissellement. Nous avons mené une étude de terrain pour mesurer les concentrations moyennes événementielles (CME) et les distributions de taille (de 20 µm à > 500 µm) des MP dans les eaux d'entrée et de sortie, et quantifier leur accumulation dans les matériaux filtrants en fonction de la distribution de la taille des pores et des particules de ces matériaux. Sur 18 événements pluvieux observés sur 7 biofiltres, la réduction médiane des CME de MP était de 72 %, avec une réduction variant de 68 à 100 % selon les fractions de taille. La filtration physique (c'est-à-dire le tamisage) a été identifiée comme le principal mécanisme d'élimination des MP dans les biofiltres, comme en témoigne la forte corrélation entre l'élimination des MP et celle de toutes les particules restantes après extraction. Les matériaux présentant une proportion plus importante de pores inférieurs à 20 µm accumulaient davantage de MP. La forte concordance entre la présence et l'élimination des particules sur une large gamme de concentrations indique que le nombre total de particules peut servir d'indicateur pratique pour estimer la présence de MP et l'efficacité des dispositifs de gestion des eaux pluviales en milieu urbain.

La quantité et la qualité des eaux pluviales ont été mesurées dans trois fossés contigus présentant différents types de végétation (herbé, zone humide végétalisée et zone humide dépourvue de végétation) le long d'un tronçon de la route nationale américaine 23, près d'Upper Sandusky, dans l'Ohio. La présence de zones humides dans les fossés routiers est souvent accidentelle ; un entretien périodique est donc effectué pour éliminer la végétation hydrophile et les sédiments accumulés, ce qui permet de retrouver des zones humides dépourvues de végétation (ou « asséchées »). Entre juillet 2023 et juillet 2024, des échantillonneurs automatiques ISCO 6712 ont collecté des échantillons de ruissellement à débit constant et établi des hydrogrammes afin de calculer les charges polluantes annuelles (kg/ha/an) et les hauteurs de ruissellement par bassin versant (mm) pour chaque type de traitement. Un total de 760 mm de précipitations a été enregistré durant la période de suivi. 

Parmi tous les traitements de végétation, la zone humide non végétalisée a transporté les plus importantes quantités annuelles de sédiments (583 kg/ha/an), de phosphore total (PT ; 0,96 kg/ha/an), d'azote total (4,52 kg/ha/an) et la plus grande hauteur de ruissellement (283 mm par bassin versant). Ceci est probablement dû à l'exposition des eaux de ruissellement aux sols nus et à la réduction de la rugosité du chenal suite au dragage du fossé. À l'inverse, la zone humide végétalisée a transporté une hauteur de ruissellement inférieure (13,25 mm par bassin versant) à celle du fossé non végétalisé, ainsi que les plus faibles charges en sédiments, PT et phosphore dissous. La présence involontaire de zones humides dans les fossés routiers contribue à réduire le volume de ruissellement et à hyperaccumuler les sédiments et les nutriments. Les fossés routiers aménagés en zones humides constituent une solution rentable pour réduire la charge polluante.

La Nitrification partielle, Anammox et Dénitrification Simultanées (SNAD) est un processus émergent pour l'élimination de l'azote dans les systèmes de biorétention des eaux pluviales. Cependant, sa performance reste difficile à prévoir en raison d'une compréhension limitée des interactions hydrauliques et biogéochimiques couplées. Cette étude présente un modèle mécaniste à deux zones, basé sur les processus, qui couple explicitement la dynamique hydraulique à écoulement piston du modèle de quantité d'eau MPiRe avec les transformations séquentielles de l'azote : ammonification, nitrification, Anammox et dénitrification. Le modèle a été calibré à l'aide de la méthode bootstrap MCMC sur des données provenant de colonnes de biorétention à l'échelle du laboratoire. Le modèle reproduit avec précision les concentrations observées de NH4−N et NO3−N dans l'effluent. Les résultats ont révélé que l'accumulation de NO2−N représente un goulot d'étranglement critique dans le processus SNAD, indiquant un déséquilibre dans les taux de nitrification en deux étapes. De plus, il a été constaté que la COD joue un rôle majeur dans le processus de dénitrification et influence la voie Anammox. Les prédictions du modèle démontrent que l'optimisation du volume de la zone saturée et de la disponibilité en carbone peut favoriser les voies de dénitrification complète. Ce cadre de modélisation validé permet d'optimiser la conception des biofiltres pour une meilleure performance d'élimination de l'azote, tout en aidant à élucider les mécanismes sous-jacents.