Les variations spatiales et temporelles de l'occurrence et de la distribution de composés aromatiques polycycliques dans un système fluvial affecté par activités industrielles passées

Spatial and temporal variations of the occurrence and distribution of polycyclic aromatic compounds in a river system affected by past industrial activities

• Auteur / Autrice : Fayez Abuhelou
• Direction : Fabien Thomas, Laurence Mansuy-Huault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 15/12/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Quantin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Thomas, Laurence Mansuy-Huault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Quantin, Johnny Gasperi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centrifugation

Filtration

Composés aromatiques polycycliques

Eau -- Échantillonnage

Orne (Meuse-Moselle ; cours d'eau)

Pollution de l'eau -- Mesure

Mots clés libres

Centrifugeuse de terrain à flux continu

Filtration

Rivière Orne

Composés aromatiques polycycliques

Composés aromatiques polycycliques polaires

Fractions dissoute et particulaire

Continuous flow field centrifuge

Filtration

Orne River

Polycyclic aromatic hydrocarbons

Polar polycyclic aromatic compounds

Dissolved and suspended particulate matter

Résumé

La contamination en composés aromatiques polycycliques (CAP) a été suivie entre 2014 et 2015 au cours de six campagnes d’échantillonnage sur 8 sites différents entre Auboué et Richemont. Cette section du cours d’eau correspond à la partie aval de la vallée de l’Orne profondément affectée par plus d’un siècle d’activités minières et sidérurgiques qui ont cessé entre 1968 et 2009. L’Orne a donc été le réceptacle de rejets industriels et urbains et a été profondément perturbée dans son hydrodynamisme avec la construction de plusieurs barrages. Dans ce contexte, l’occurrence des 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques réglementaires (HAP), de 11 CAP oxygénés (O-CAP) et de 5 CAP azotés (N-CAP) et leur distribution dans les fractions dissoute et particulaire des eaux de l’Orne ont été étudiées en mettant en place des protocoles d’échantillonnage et d’analyse adaptés. Le premier objectif de ce travail a été de comparer les méthodes d’échantillonnage des matières en suspension par filtration et par centrifugation à flux continu sur le terrain. Des différences significatives ont pu être identifiées entre les deux techniques, la filtration amenant à des concentrations en CAP plus élevées du fait d’une plus grande abondance des CAP de bas poids moléculaire. Nous avons pu mettre en évidence le rôle de la fraction fine (< 5µm) et/ou colloïdale plus ou moins retenue par les filtres et qui, de part sa réactivité, piège des CAP. La comparaison des deux méthodes dans différentes situations hydrologiques nous montre que cette rétention n’est pas systématique mais plutôt corrélée à des situations de fort hydrodynamisme. Les deux méthodes d’échantillonnage des matières en suspension ne sont donc pas comparables mais complémentaires. Le suivi saisonnier et multi-sites des eaux de l’Orne montre que la concentration en CAP varie entre 1.6 et 223.7 ng L-1 dans la fraction dissoute et entre 1.5 et 105.5 µg g-1 dans la fraction particulaire avec des variations spatiales de ±35% et ±45% respectivement. Les variations de concentration des CAP dans la fraction dissoute sont importantes d’un site à l’autre lorsque le débit est faible (de 0.5 à 34 m3.s-1). Les concentrations en CAP sont faibles autour de 20 ng.L-1 et spatialement homogènes en périodes de haut débit (> 50 m3.s-1) du fait de la dilution. Les concentrations en CAP dans les matières en suspension varient entre 2.8 to 36.3 µg g-1, et montrent des concentrations stables quelles que soient les situations hydrologiques lorsqu’elles sont collectées par la centrifugeuse de terrain. La fraction dissoute est enrichie en HAP de bas poids moléculaire dans les périodes d’étiage et est marquée par l’occurrence des HAP à 5 et 6 cycles aromatiques au cours des épisodes de crue. Les CAP polaires sont au moins aussi abondants que les HAP dans la fraction dissoute et évoluent de la même façon que les HAP. La part des CAP polaires dans la fraction particulaire est significativement plus basse (de 10 à 20% de l’ensemble des CAP)

The spatio-temporal variations of the concentration and distribution of dissolved and particulate polycyclic aromatic compounds (PACs), namely 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), 11 oxygenated PACs (O-PACs) and 5 nitrogen PACs (N-PACs), were studied in the Orne, a river impacted for more than one century by iron mining and steel-making industry. The first objective of this work was to compare the influence of two different methods of separation of suspended particulate matter (SPM), filtration (FT) and field continuous flow centrifuge (CFC). Results showed that in half of the sampling campaigns, PAC concentrations were 2 to 8 times higher for PAHs and 2 to 10 times higher for O-PAC when SPM were collected by filtration. These differences that were not observed systematically over the six sampling campaigns could be explained by the retention of colloidal matter on glass-fiber filters that appeared as a very reactive phase particularly enriched in low molecular PACs. The two methods were then considered as complementary methods to study SPM. The second objective of this work was to perform a long term monitoring of PAC concentrations and distributions in dissolved and particulate fractions. The results from the six sampling campaigns between May 2014 and September 2015 in eight different sites showed that the PAC concentrations ranged between 1.6 to 223.7 ng L-1 in the dissolved fraction (?PACTD), and between 1,55 to 105,5 µg g-1 in the total particulate fraction, with maximum spatial variation of ±35% and ±45% respectively. The dissolved PACs spatial variations were strongly influenced by the hydrological conditions and less spatial variation was observed during high flow events as the result of dilution and homogenization of pollutants. During low flow events, particulate PACSPM-CFC concentrations were more stable and equivalent in values and distribution to the corresponding PACSPM-FT samples. Overall it was in a range between 2.8 to 36.3 µg g-1. The dominance of dissolved low molecular weight PAHTD in the low flow events decreased during high flow events due to the appearance of penta- and hexa-cyclic PAHs. The dissolved polar PACs were as high as the PAHs contribution and also subjected to seasonal changes, the O-PACs ranged between 5.6 to 90.3 ng L-1 and N-PAHs from 1.0 to 42.5 ng L-1. The particulate polar PACs concentrations and contribution were significantly lower, the highest concentrations of 8,76 µg g-1 and 29,41 µg g-1 was observed during high flow event for O-PACs and during low flow event for N-PAH respectively