Pollution des rejets urbains de temps de pluie (HU)

Traduction anglaise : Pollution of storm water discharges

Dernière mise à jour : 24/02/2021

Les rejets urbains de temps de pluie (RUTP) sont constitués de l’ensemble des eaux rejetées par les systèmes d’assainissement pendant les périodes pluvieuses. Ceci englobe les rejets par les exutoires pluviaux stricts, les rejets par les déversoirs d'orage (rejets unitaires de temps de pluie) et les rejets par les stations d'épuration.

Ces rejets contiennent de nombreux polluants résultant entre autres de la pollution atmosphérique, de l’érosion des matériaux urbains, de la mobilisation d'une partie des dépôts de temps sec, de leur mélange avec des eaux usées et de la remise en suspension des sédiments dans le système d'assainissement. Cet article détaille les différentes sources (voir par exemple Müller et al, 2020) et donne des indications sur les polluants rencontrés, leur concentration et les quantités rejetés sur différentes bases de temps.

Rejet pluvial suite à un orage ; crédit photo Patrick Savary.

Différentes sources de polluants

Système séparatif et système unitaire

Pendant les périodes pluvieuses, la pluie lessive différents polluants présents dans l’atmosphère (voir Pollution de l'eau de pluie (HU)), puis érode ou mobilise ceux présents sur les éléments urbains ou sur le sol (voir Pollution des eaux de ruissellement (HU)). Ces polluants sont ensuite transportés par les eaux de ruissellement et introduits dans le réseau d’assainissement après passage dans les caniveaux et les bouches d’égout. Deux situations peuvent alors se présenter selon la nature du système.

• dans les systèmes unitaires les eaux pluviales se mélangent aux eaux usées et l'augmentation du débit provoque la remise en suspension des dépôts présents dans le réseau et l'arrachage d'une partie du biofilm ; une partie du mélange est conduit à la station d'épuration où elle est traitée, une autre partie, plus ou moins importante selon la pluie est directement renvoyée au milieu aquatique par des déversoirs d'orage.
• dans les réseaux séparatifs pluviaux qui collectent normalement uniquement les eaux de ruissellement, le rejet de la totalité du volume se fait le plus souvent sans aucun traitement.

Source primaire des polluants ou gisement mobilisé pendant une pluie particulière ?

Le mot origine des polluants est ambigu. Il peut en effet désigner soit les sources primaires responsables de la production de ces polluants, soit le gisement dans lequel ils sont mobilisés au moment de la pluie. Par exemple les activités industrielles urbaines constituent une source pour différentes substances. Les émissions industrielles peuvent se faire par voie aérienne et les polluants produits se retrouvent soit dans les dépôts atmosphériques de temps sec, soit dans l’eau de pluie elle-même. Les émissions peuvent également se faire dans des rejets aqueux et les polluants se retrouvent soit dans les eaux usées, soit dans les dépôts présents dans les réseaux.

Il est important de bien comprendre la dynamique des polluants tout au long de leur parcours si l'on veut développer des moyens efficaces pour diminuer leur concentration dans les rejets urbains de temps de pluie. Il est en effet parfois plus efficace de s'attaquer aux sources primaires qu'aux gisements.

Principales sources primaires des polluants rencontrées dans les RUTP

La circulation automobile

Les véhicules automobiles constituent l'une des sources directes principales d’un grand nombre de polluants (Massoud, 2014). C'est le cas en particulier des hydrocarbures (huiles et carburants), du caoutchouc (usure des pneumatiques), de l'oxyde d'azote (gaz d'échappement), des produits moussants et tensioactifs (lave-glaces) et de différents métaux provenant de l'usure des pneumatiques (zinc, cadmium) et des pièces métalliques (titane, chrome, aluminium, etc.).

La circulation automobile constitue également une source indirecte due à la viabilisation hivernale : sables et sels de déverglaçage (NaCl, CaCl2 et KCl), qui contiennent souvent des impuretés ou additifs divers (chromates, cyanures, fondants au glycol d'éthylène, etc.), mais aussi aux marquages au sol (peintures), aux panneaux de signalisation (peintures et métaux divers) ou aux barrières de sécurité (zinc).

L'industrie

La part de l'industrie dans la pollution des rejets urbains de temps de pluie est bien évidemment variable selon les bassins versants concernés. Souvent négligeable dans les zones résidentielles (sauf en cas de transfert, parfois sur de longues distances, par voie atmosphérique), elle peut devenir prépondérante dans les zones d’activités industrielles. La nature des polluants rejetés dépend du type d’activité industrielle, et de l’état des installations pour une activité donnée. L'origine industrielle est généralement citée pour la plupart des métaux (plomb, cadmium, zinc, chrome), pour certains résidus pétroliers ainsi que pour de nombreux micropolluants organiques (solvants en particulier).

Les rejets peuvent se faire directement dans les réseaux, sous réserve d'autorisation (voir Eau industrielle (HU)), ou dans l'atmosphère et contribuer ainsi aux dépôts de temps sec. Les stockages extérieurs mal protégés et les zones de manutention, susceptibles d’être lessivés par les précipitations, constituent également un vecteur important. Les rejets illégaux peuvent également exister, particulièrement pendant les périodes pluvieuses (vidange ou rinçage de cuves).

Les déchets solides

Les déchets solides produits par les activités urbaines se retrouvent dans les eaux de ruissellement du fait du dépôt d'ordures ou de déchets divers sur les surfaces urbaines (caniveaux, trottoirs, chaussées, etc.), voire parfois du fait de leur introduction directe dans les bouches d'égout (souvent en croyant bien faire !). Leurs origines sont diverses :

• incivilités des citoyens ;
• poubelles non étanches ou trop pleines ;
• nettoyage et balayage des places de marchés et des caniveaux ;
• etc..

Les bouches d'égout, même pluviales, sont souvent considérées comme des poubelles ; Source : Projet EauMéliMélo.

Les produits concernés sont très variés en nature et en taille : papiers, mégots de cigarette, plastiques, résidus de nourriture, métaux divers (dont certains très toxiques, comme le mercure ou le lithium des piles), etc..

Les chantiers et l'érosion des sols

L'érosion des sols produit en permanence des éléments qui viennent contaminer les eaux de ruissellement :

• en période de temps sec, l'action cumulée du vent et de différents agents mécaniques (roues des véhicules, engins de chantier, etc.), produit des quantités importantes de matières en suspension qui se déposent sur les sols urbains et seront lessivées lors des pluies ;
• en période de pluie, le ruissellement lui-même constitue un vecteur d'érosion d'autant plus puissant que les intensités de pluie sont fortes.

Les particules de sol elles-mêmes sont généralement de nature minérale et inerte. Mais, selon leur origine, elles peuvent transporter des substances polluantes (par exemple goudron, hydrocarbures ou métaux dans le cas de chantiers ou de sols pollués, engrais ou pesticides dans le cas de sols agricoles).

Les masses de solides susceptibles d’être entraînées au cours des événements pluvieux peuvent être augmentées dans des proportions parfois considérables par la présence de chantiers dont les matériaux (limons, sables, graviers, ciment, etc.) ne sont pas stockés dans des conditions satisfaisantes.

La végétation

La végétation urbaine est une source importante de matières organiques plus ou moins facilement biodégradables (en particulier feuilles et pollens, mais également HAPs produits naturellement par les plantes). Elle est également à l'origine indirecte d'apports en azote et phosphate (engrais) ou en pesticides (désherbants).

Même si la loi LABBÉ du 6 février 2014 a interdit l’usage des produits phytosanitaires à l’ensemble des personnes publiques, on retrouve en effet encore des produits de ce type dans les eaux de ruissellement urbaines, et ceci pour différentes raisons :

• la loi n’est pas respectée (et souvent pas connue) par de nombreux citadins ;
• les produits de dégradation des pesticides utilisés dans les années passées mettront plusieurs décennies avant de s’évacuer totalement ;
• même dans les zones urbaines il existe de nombreux espaces qui ne sont pas concernés par cette loi (infrastructures de transport, terrains de sport, terrains agricoles, etc.).

Une polémique très forte a éclaté en France à ce sujet en 2019 et certaines agglomérations (dont Paris) ont pris des arrêtés, d’ailleurs souvent contestés par l’État, interdisant totalement l’utilisation des pesticides sur leur territoire ou limitant les épandages à proximité des établissements publics ou des habitations.

Par ailleurs l’imperméabilisation des sols provoque l’entraînement direct des débris végétaux et des polluants lors des événements pluvieux alors que dans les zones rurales ou naturelles ces derniers se décomposent et se dégradent le plus souvent à la surface du sol. Ceci est particulièrement vrai pour les pollens.

Les animaux

Les déjections des animaux, qu'ils soient domestiques (chiens essentiellement) ou non (oiseaux notamment), constituent une source de matières organiques, d’azote et de contamination bactérienne ou virale importante.

Principaux gisements mobilisés pendant un événement pluvieux

La distinction la plus souvent retenue entre les sources secondaires est la suivante ;

• pollution de l’eau de pluie elle-même,
• les dépôts de temps sec sur les bassins versants,
• les matériaux présents sur les bassins versants urbains sur lesquels le ruissellement se produit,
• les eaux usées,
• les dépôts dans les réseaux d’assainissement,
• les biofilms qui se développent dans les réseaux, notamment unitaires.

Les eaux de ruissellement

La polluants présents dans l’eau de pluie, ceux associés aux dépôts de temps sec et à l'érosion des matériaux présents sur les bassins versants urbains constituent la pollution des eaux de ruissellement qui fait l'objet d'un article spécifique et ne sera pas détaillée ici.

Le tableau de synthèse 1 qui compare les rejets des réseaux pluviaux et des réseaux unitaires montre que la contribution des eaux de ruissellement à la pollution des RUTP peut être importante pour certains indicateurs (MES, DCO, azote), voire majoritaire pour certains métaux (plomb, Zinc, Cuivre, Cadmium, Nickel, Chrome). Contrairement à une idée reçue, ce n'est pas le cas pour les hydrocarbures.

Les eaux usées

Les eaux usées ne contribuent théoriquement à la charge polluante des RUTP que dans le cas des réseaux unitaires. Malheureusement beaucoup de réseaux séparatifs pluviaux ne sont pas conformes et reçoivent un peu d’eaux usées. Pendant les périodes de temps sec les flux sont interceptés pour être acheminés vers la station d’épuration. Pendant les périodes pluvieuses le mélange eau usée-eau pluviale est, comme pour les réseaux unitaires, rejeté directement par des déversoirs d'orage.

Dans beaucoup de cas les eaux usées constituent un gisement important pour de nombreux polluants et indicateurs : MES, matière organique (DBO₅, DCO, carbone organique), azote (en particulier sous forme NH₄, phosphore, différents micropolluants (détergents, biocides, résidus de médicaments, etc.).

Si une partie des eaux usées est d’origine industrielle, elle peut transporter un grand nombre de substances. Les rejets industriels directs (licites et parfois illicites) dans les réseaux (unitaire ou séparatif) pendant les périodes pluvieuses constituent donc également une source non négligeable, mais très difficile à évaluer, en particulier pour les métaux et les hydrocarbures.

Les dépôts dans les réseaux

Les dépôts de temps sec en réseau sont différents selon la nature du système d'assainissement :

• dans les réseaux séparatifs pluviaux il s'agit principalement de déchets solides qui ont été, volontairement ou non, introduits dans le réseau et qui ne peuvent s'évacuer faute d'écoulement pendant les périodes de temps sec ; leur nature est donc voisine de celle des dépôts de temps sec : papiers, plastiques, mégots de cigarette, résidus de nourriture, etc. ;
• dans les réseaux unitaires une partie importante des déchets solides cités précédemment sont normalement évacués vers la station d'épuration de façon continue ; en revanche on trouve souvent des sédiments divers, parfois très organiques, qui ne peuvent être transportés du fait de l'insuffisance des conditions d’autocurage pendant les périodes de temps sec associée à des modalités d’exploitation et d’entretien du réseau (fréquence de curage) mal adaptées.

Les dépôts en réseau constituent ainsi souvent une source majeure dans les RUTP pour les MES, la matière organique, les nutriments et la pollution bactériologique.

Le rôle des biofilms

Un réseau d'assainissement n'est pas un simple ensemble de tuyaux qui transportent mécaniquement des effluents d'un point à un autre. C'est un réacteur complexe au sein duquel ont lieu de nombreux processus physiques (sédimentation, érosion, agglomération, adsorption, etc.), chimiques (floculation, oxydoréduction, etc.) et biochimiques (métabolisation bactérienne des matières organiques, de l’azote et du soufre, etc.) en interaction (Ashley et al, 2005). Ces processus modifient la nature et les concentrations des différents polluants transportés par les RUTP. Ils se déroulent à la fois pendant les périodes de temps sec et pendant les périodes pluvieuses.

Parmi les processus les plus importants figure le rôle des biofilms qui sont des communautés complexes de bactéries, d’algues et de champignons.

• pendant les périodes de temps sec les biofilms se développent sur les parois de certains collecteurs, principalement dans la zone de battement des réseaux unitaires ; ils jouent alors un rôle épurateur et en métabolisant une partie de la matière organique, ils diminuent la charge en DCO et en DBO5 des écoulements ;
• pendant les périodes pluvieuses, l’augmentation importante des débits et des vitesses provoquent leur arrachement et leur transfert vers les exutoires, augmentant ainsi la charge en matières organiques (carbone, DCO et DBO₅), mais également les concentrations en micropolluants qu’ils ont pu adsorber durant leur croissance.

Ordre de grandeur de la pollution des rejets urbains de temps de pluie

Variabilité des rejets urbains de temps de pluie

La variabilité des RUTP est grande quel que soit le système d’assainissement ; elle est généralement encore plus grande dans les réseaux séparatifs que dans les réseaux unitaires.

Les concentrations et les masses événementielles sont extrêmement variables car elles dépendent de nombreux facteurs. Certains de ces facteurs sont bien identifiés et plus ou moins prévisibles. Il se divisent en deux familles :

• Facteurs dépendant du bassin versant : natures des surfaces urbaines et des activités qui s’y développent, état des réseaux (entretien, curage), présence de chantiers, de rejets accidentels divers, de remises en suspension au sein des ouvrages des systèmes de collecte (avaloirs, collecteurs, bassins, etc.) ;
• Facteurs dépendant de l’événement pluvieux : hauteur totale précipitée, intensité maximum, débit maximum généré, historique de la succession des périodes de temps sec et de temps de pluie (en particulier durée de la période de temps sec précédent la pluie).

Ces facteurs connus ne suffisent cependant pas à expliquer la totalité de la variabilité et il reste sans doute d’autres facteurs à identifier. Pour certains polluants, des transferts par voie atmosphérique sur de longues distances à partir de zones éloignées du bassin versant étudié sont ainsi suspectées (cas des pesticides par exemple). La connaissance du type d’urbanisme ou d’activité sur une zone urbaine donnée ne suffit donc pas à prévoir les concentrations ou les masses de polluants qui seront générées par les événements pluvieux.

Ainsi, si les valeurs fournies dans les tableaux suivants permettent de donner des ordres de grandeur des concentrations et masses de polluants générées par temps de pluie et d’en montrer l’importance, elles ne peuvent malheureusement pas être utilisées telles quelles pour un bassin versant particulier et ne peuvent se substituer à des mesures spécifiques sur site effectuées en nombre suffisant pour évaluer leur variabilité locale

Tableaux de synthèse des concentrations rencontrées

Une synthèse des valeurs de concentrations rencontrées dans les RUTP est présentée dans les trois tableaux suivants.

Les valeurs du tableau 1 sont issues d'une synthèse effectuée à partir de données françaises, toutes postérieures à l'an 2000, et provenant en particulier des trois observatoires OTHU, OPUR et ONEVU. Voir en particulier : Al-Juhaishi (2018), Becouze-Lareure (2010), Dembélé (2010), Dutordoir (2014), Gromaire (2012), Moilleron (2004), Zgheib (2009). Les valeurs minimum et maximum correspondent aux valeurs les plus fréquentes entre lesquelles se trouvent les concentrations moyennes inter-événementielles. Il est possible de trouver des valeurs beaucoup plus faibles ou beaucoup plus fortes sur certains sites particuliers et/ou pour certains événements.

Les tableaux 2 et 3 sont extraits du document de synthèse Briand et al. (2018).

Tableau 1 : Concentrations en polluants (indicateurs généraux) dans les RUTP des réseaux séparatifs et unitaires : fourchettes les plus probables pour les concentrations moyennes événementielles sur un site donné ; ces valeurs sont comparées aux normes de rejet des stations d'épuration ; pour les normes de rejet en MES, DBO₅ et DCO, la valeur min correspond aux stations recevant plus de 120 kg/j de DBO₅, la valeur max correspond aux stations recevant entre 1,2 et 120 kg/j de DBO₅ ; pour les rejets en azote et phosphore, la valeur min correspond aux stations recevant plus de 6 000 kg/j de DBO₅ et la valeur max aux stations recevant entre 600 et 6 000 kg/j de DBO₅.

Tableaux de synthèse commentés

Caractéristiques de la pollution des rejets urbains de temps de pluie

Partage des polluants entre les phases dissoutes et particulaires

On distingue généralement la fraction particulaire en masse (définie comme la fraction associée aux particules dont la taille est supérieure à 0.45 µm) et la fraction dissoute. Cette différence est importante car elle détermine en partie l'efficacité de certains traitements (décantation, filtration).

On a longtemps cru que la plupart des polluants des RUTP était particulaire (Chebbo, 1992). En fait, ceci est vrai pour un grand nombre de polluants ou d’indicateurs : 80% à 90% de la DCO, 75% à 95% de la DBO5, 80% à 95% du plomb, 80% à 90% des hydrocarbures, 75% à 100% des HAPs, 50% à 80% de l'azote Kjekdhal, 90 à 95% des PCB par exemple sont ainsi fixés sur les particules.

Malheureusement ce n'est pas vrai pour tous les polluants (voir par exemple Becouze-Lareure, 2010 ou Gasperi et al, 2014).

• La fraction particulaire de certains indicateurs est ainsi très variable selon le type de réseau et le lieu de prélèvement : 35% à 60% pour le cuivre, 20% à 80% pour le cadmium, 15% à 50% pour le zinc, 50% à 100% pour le PBDE.
• Pour d'autre enfin (particulièrement les micropolluants organiques comme les pesticides ou les résidus médicamenteux, plus récemment étudiés), la fraction particulaire ne représente qu'une faible part : 1% à 10% pour le diuron, 15% à 30% pour l'isoproturon, 1% à 30% pour le glyphosate, 5% à 30% pour le bisphénol A par exemple.

Vitesse de chute des particules et décantabilité

Connaître le partage entre fraction dissoute et particulaire est important, mais non suffisant pour pouvoir préconiser les stratégies de traitement ou prévoir le devenir des polluants dans les milieux aquatiques. Pour ceci il est nécessaire d'avoir des informations sur d'autres caractéristiques des particules : granulométrie, masse volumique, teneur en matière organique, vitesse de chute (Gromaire, 2012). Les principaux points à retenir sont les suivants :

• le diamètre médian d50 des particules en suspension dans les RUTP est de l’ordre de 30 à 40 µm, aussi bien en réseaux unitaires que séparatifs pluviaux.
• 70 à 80 % de la masse des particules en suspension ont une taille inférieure à 100 µm (la fraction de particules supérieures à 100 µm est cependant légèrement plus importante en réseaux unitaires) ;
• les particules inférieures à 100 µm ont tendance à former naturellement des flocs ;
• il apparaît, principalement pour les micropolluants minéraux et organiques, que les particules les plus fines véhiculent la plus grande fraction des flux polluants.
• la masse volumique moyenne des particules est de l’ordre de 2 200 à 2 400 kg/m3 en réseaux séparatifs pluviaux, et varie de 1 700 à 2 200 kg/m3 en réseaux unitaires ;
• la teneur en matière organique varie de 25 à 55 % en masse en réseaux séparatifs pluviaux, et de 10 à 40 % en réseaux unitaires selon les proportions respectives d’eaux de ruissellement et d’eaux usées ;
• les vitesses de chute médianes v50 (50 % en masse des particules ont une vitesse de chute inférieure à v20) des particules en suspension dans les RUTP sont très dispersées, mais leurs intervalles sont relativement comparables quel que soit le type de réseau : elles varient en moyenne de 0.2 à 11 m/h en réseaux unitaires, et de 0.6 à 9 m/h en réseaux séparatifs ;
• la vitesse de chute v20 (20 % en masse des particules ont une vitesse de chute inférieure à v20) est de l’ordre de quelques dizaines de cm par heure en réseaux séparatifs pluviaux, elle n’est que de quelques cm par heure en réseaux unitaires ; il sera donc plus difficile d’atteindre des rendements élevés de décantation des RUTP en réseaux unitaires qu’en réseaux séparatifs pluviaux.

Bibliographie :

• Al-Juhaishi, M.R.D. (2018) : Caractérisation et impact de la pollution dans les rejets urbains par temps de pluie (RUTP) sur des bassins versants de l'agglomération Orléanaise ; Thèse de doctorat, Institut des Sciences de la terre d'Orléans, 210p.
• Ashley, R.M., Bertrand-Krajewski, J.-L., Hvitved-Jacobsen, T. (2005) : Sewer solids - 20 years of investigation. Water Science and Technology, 52(3), 73-84. doi: 10.2166/wst.2005.0063.
• Becouze-Lareure, C. (2010) : Caractérisation et estimation des flux de substances prioritaires dans les rejets urbains par temps de pluie sur deux bassins versants expérimentaux. Thèse de doctorat, INSA-Lyon, laboratoire DEEP, 298 p.
• Briand, C. et al. (2018) : Que sait-on des micropolluants dans les eaux urbaines ? ;Rapport ARCEAU, AFB, 112p.
• Brombach, H., Weiss, G., Fuchs, S. (2005) : A new database on urban runoff pollution: comparison of separate and combined sewer systems. Water Sci. Technol. 51, pp 119–128.
• Chebbo, G. (1992) : Solides des rejets pluviaux urbains : caractérisation et traitabilité., thèse de doctorat, ENPC.
• Dembélé, A. (2010) : MES, DCO et polluants prioritaires des rejets urbains de temps de pluie : mesure et modélisation des flux événementiels, Thèse de doctorat, INSA Lyon, DEEP.
• Dutordoir, S. (2014) : Bilan des flux de métaux, carbone organique et nutriments contenus dans une rivière alpine : part des rejets urbains de l‘agglomération de Grenoble et apports amont (Isère et Drac).
• Gasperi, J., Sebastian, C., Ruban, V., Delamain, M., Percot, S., Wiest, L., Mirande, C., Caupos, E., Demare, D., Diallo Kessoo, M., Saad, M., Schwartz, J.J., Dubois, P, Fratta, C. Wolff, H., Moilleron, R., Chebbo, G., Cren, C., Millet, M., Barraud, S., Gromaire, M.C. (2014) : Micropollutants in urban stormwater: occurrence, concentrations, and atmospheric contributions for a wide range of contaminants in three French catchments ; Environ Sci Pollut Res. ; DOI 10.1007/s11356-013-2396-0
• Gromaire, M.-C. (2012) : Contribution à l’étude des sources et flux de contaminants dans les eaux pluviales urbaines. Mémoire HDR, Université Paris Est, 107p.
• Masoud, F.S. (2014) : Modélisation de l’impact du trafic routier sur la pollution de l’air et des eaux de ruissellement. Thèse de doctorat, LEESU, Université Paris-Est, 186 p.
• Moilleron, R. (2004) - Hydrocarbures et métaux en milieu urbain. Mémoire HDR, 79 p.
• Müller, A, Österlund, H., Marsalek, J., Viklander, M. (2020) : The pollution conveyed by urban runoff : A review of sources, Science of The Total Environment, 709.
• Zgheib, S. (2009) : Flux et sources des polluants prioritaires dans les eaux urbaines en lien avec l’usage du territoire. Thèse de doctorat, LEESU, Université Paris-Est, 349 p.

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