Etude des mécanismes de dispersion atmosphérique de contaminants : cas de la réutilisation d'eaux usées traitées épandues par aspersion

Study of atmospheric dispersion mechanism of contaminants : Case of treated wastewater reuse land applied sprinkler

• Auteur / Autrice : Mehrnaz Zardari
• Direction : Dominique Courault, Séverine Tomas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 20/12/2022
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 536 « Sciences et agrosciences » (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnement Méditerranéen et Modélisation Agro-Hydrosystèmes (Avignon)
• Jury : Président / Présidente : Yves Brunet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Bayle, Jean-Paul Douzals, Bruno Molle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Brunet, Anne Oppliger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échantillonnage

Bioaérosols

Modèles mathématiques

Diffusion atmosphérique

Essais en soufflerie aérodynamique

Irrigation par aspersion

Eaux usées -- Épuration

Mots clés libres

Eaux usées traitées

Echantillonnage d’aérosols

Irrigation par aspersion

Modèle empirique

Soufflerie

Transport advectif

Air sampling

Airborne transport

Empirical modeling

Sprinkler irrigation

Treated wastewater

Wind tunnel

Résumé

La réutilisation d’eaux usée traitée représente une alternative intéressante pour pallier le manque d’eau et contourner les périodes de pénuries de plus en plus fréquentes ces dernières années. On constate cependant que cette pratique est peu utilisée en France, en raison d’une réglementation contraignante, et une crainte que ces eaux puissent contenir encore des contaminants ou pathogènes pas complètements éliminés par 50 des traitements standards. Il manque de données sur ce dernier point en particulier concernant les bioaérosols qui sont émis suite à l’irrigation par aspersion. Très peu de mesures existent et les protocoles ne sont pas standardisés. L’irrigation par aspersion utilisant des eaux usées traitées peut présenter des risques sanitaires potentiels liés aux bioaérosols émis dans l’atmosphère. Le transport de ces aérosols est un phénomène complexe sur lequel on manque encore de connaissances sur les processus de dispersion. Il dépend de l'effet combiné de plusieurs paramètres dont la taille et la proportion de fines gouttelettes (<0,15 mm) et la vitesse du vent, qui sont les vecteurs les plus importants pour la transmission potentielle de pathogènes. L'objectif de notre étude a été de mieux comprendre les mécanismes de dispersion atmosphérique des contaminants émis dans l'air par les eaux usées lorsque l’on irrigue par aspersion. Les principales questions 60 auxquelles nous avons cherché à répondre ont été : -Quels sont les principaux facteurs et conditions affectant la dispersion des contaminants lors de l'irrigation par aspersion ? -Quelles techniques et méthodes doivent être utilisées pour la détection et l'échantillonnage des (bio) aérosols générés par l'irrigation par aspersion ? – Comment modéliser le transport et la dispersion des aérosols provenant de l'irrigation par aspersion des eaux usées traitées ? Pour répondre à ces questions, différentes expériences ont été réalisées en conditions contrôlées et en extérieur pour diverses conditions environnementales. Des comparaisons entre différents types de collecteurs (actifs (AGI-4 et SKC BioSampler) et passifs (fils de PVC)) ont été faites en utilisant deux traceurs. Avec un colorant fluorescent (Acid Brilliant Flavine), les résultats ont montré que l'efficacité physique de l'AGI-4 était presque 16,3 % plus élevée que celle du SKC BioSampler dans la plage de 5 à 70 30 minutes. Des expériences ont également été menées avec E.coli. L'efficacité du SKC est apparue supérieure à celle de l'AGI-4 pour les différentes conditions étudiées. L'augmentation du temps d'échantillonnage de 5 min à 15 min, montre que la viabilité d'E.coli est réduite dans les deux AGI-4 et SKC d'un facteur de 37% et 14%, respectivement. Des expériences en soufflerie ont permis d’analyser le comportement d’un nuage de fines gouttes. En conditions extérieures, neuf expériences ont été menées avec différentes conditions environnementales. En injectant de l'ABF dans l'eau, la distribution des aérosols produite à partir d'un asperseur soumis à une pression de fonctionnement de 350 kPa a été mesurée verticalement (1–10 m au-dessus du sol) sous le vent et horizontalement dans un périmètre équivalent à 4 fois la portée de l'asperseur (20–40 m). La distribution transversale au vent du panache de gouttelettes provenant d'un asperseur suit une distribution gaussienne, 80 et le taux de dispersion dépend de la vitesse du vent et de l'écart type de la direction du vent. Différents modèles ont été évalués en faisant varier les facteurs climatiques mesurés. Deux modèles empiriques combinant des variables spatiales et les principaux paramètres météorologiques, notamment la vitesse du vent, l'écart type de la direction du vent, la température et l'humidité relative (pour le transport advectif), fournissent les meilleures corrélations entre les valeurs de transport simulées et les données observées (R2=0,9).

There is a wide variety of residual pathogens in treated wastewater (TWW), which often go undetected or underestimated in aerosols. There is a lack of knowledge of the potential dissemination of contaminant pathogens remaining in the treated wastewater. The use of sprinkler irrigation for distributing treated wastewater may cause potential health risks linked to human contact with these contaminants through inhalation, dermal contact or ingestion. Transport of aerosols resulting from sprinkler irrigation of treated wastewater is a complex phenomenon due to the combined effect of several parameters including fine 100 droplets (<0.15 mm) proportion and wind speed, which are the most important vectors for pathogen transmission. The objective of our study was to better understand the atmospheric dispersion mechanisms of contaminants emitted in the air from TWW by sprinkler irrigation. The main questions we wanted to address were: -What are the main factors and conditions affecting the dispersion of contaminants during sprinkler irrigation? -What techniques and methods should be used for the detection and sampling of (bio)aerosols generated by sprinkler irrigation? - How to model the transport and dispersion of aerosols from spray irrigation of the treated wastewater? To address these questions, different experiments were carried out both in controlled and field conditions for various environmental configurations. Comparisons between different active samplers were done using different tracers. Using a fluorescent dye (Acid Brilliant Flavine), the results have shown that the physical efficiency of AGI-4 was almost 16.3% higher than the 110 SKC BioSampler in the range of 5–30 min. Experiments were also conducted with E coli with the same active samplers. Efficiency of SKC BioSampler was higher compared to AGI for the different studied conditions. Increasing sampling time from 5 min to 15 min, reduced the culturability of E.coli in both AGI–4 and SKC BioSampler by a factor of 37% and 14%, respectively. Wind tunnel experiments have made it possible to analyze the behavior of a cloud of fine drops. Nine experiments have been conducted outdoor under different environmental conditions. By injecting ABF into the water, the distribution of aerosols emanating from an impact sprinkler under 350 kPa operating pressure was measured vertically (1–10 m above the ground) downwind and horizontally within a perimeter equivalent to 4 times the sprinkler range (20–40 m). Crosswind distribution of the droplet plume from a sprinkler was found to be Gaussian, and its dispersion rate depended on wind speed and the 120 standard deviation of the wind direction. Different models have been evaluated by varying the factors considered. It was found that two empirical models, which combine spatial variables, and the key meteorological parameters, including wind speed, the standard deviation of wind direction, temperature, and relative humidity (for airborne transport), provide the best correlations between the simulated transport values and the observed data (R2=0.9). Therefore, these models can be used for future studies to evaluate the risks linked to treated wastewater reuse for irrigation.