LAboratoire de Spectrochimie Infrarouge et Raman – UMR 8516
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Application à l’étude des systèmes naturels et industriels

4.1 Qualité de l’air sur Lille
4.2 Screening des masses d’eau en région
4.3 La Deûle Rivière
4.4 La Marque rivière
4.5 L’estuaire de la Seine
4.6 L’épuration de l’eau sur média filtrant

L’étude des systèmes aquatiques anthropisés et de la qualité de l’air nous conduit à proposer des projets de recherches transdisciplinaires associant généralement des chimistes, des biologistes, des géologues et des écotoxicologues. Ces projets peuvent être focalisés sur des suivis en temps réel de la pollution de l’air par les aérosols, sur le devenir des contaminants dans les sédiments de surface en lien notamment avec les mécanismes de la diagenèse précoce, sur les échanges de contaminants aux interfaces, et finalement, sur l’étude de la spéciation et de la dynamique des contaminants dans les masses d’eau continentales et littorales. En parallèle à ces recherches sur les systèmes naturels, des études sont également engagées autour du traitement de l’eau (potabilisation et traitement d’eaux usées) ; ces travaux sont pour partie en relation avec le Master Traitement des Eaux dirigé par un professeur du LASIR (M. Baghdad Ouddane).

4.1 Qualité de l’air sur Lille

Participants : M. Choël (MCF)

En 2013, l’OMS a déclaré la pollution particulaire de l’air extérieur carcinogène. La ville de Lille et la région Nord-Pas de Calais connaissent transitoirement des épisodes de pollution atmosphérique, en particulier des événements de pollution particulaire. Les dépassements de seuils réglementaires d’alerte sont établis sur la base des mesures du réseau de surveillance ATMO Nord-Pas de Calais. Les particules fines en suspension dans l’air ambiant, appelées aérosols atmosphériques sont, avec les NOx, le SO2, l’O3 et les COV, les principaux composants de l’atmosphère déterminant la qualité de l’air que nous respirons. Les sources des pollutions enregistrées à Lille et sa région ne sont qu’en partie d’origine locale. Dans l’hémisphère Nord, les polluants transportés depuis les zones urbaines et industrialisées, ainsi que des zones désertiques, parfois sur des distances continentales, sont également à l’origine d’épisodes de pollution particulaire affectant la région lilloise. Pour élucider la nature des aérosols ambiants, différentes techniques sont utilisées, allant de la mesure in situ (compteur de particules) et au prélèvement (impacteur en cascade) jusqu’à l’observation microscopique et l’analyse chimique en laboratoire. La taille des particules est un des facteurs importants (lien établi entre taille des particules et difficulté respiratoire chez les personnes sensibles). Pour le suivi en temps réel des aérosols ambiants, un compteur de particules de terrain est installé sur la plateforme de l’observatoire des sciences de l’univers OSU-Nord. Cet équipement mesure la concentration et la taille des particules (de 12 nm à 32 μm). Le résultat est exprimé en nombre de particules par litre ou en μg/m3.


Evolution temporelle de la concentration massique des aérosols de diamètre inférieur à 10 µm (PM10 en rouge), inférieur à 2,5 µm (PM2.5 en bleu) et inférieur à 1 µm (PM1 en vert).


Image MET de particules collectées à Lille lors de l’épisode de pollution aux particules fines de mars 2014 (en majorité des aérosols carbonés issus de la combustion de bois de chauffage et de la combustion automobile).

Notre stratégie d’observation adaptée aux épisodes de pollution particulaire régionaux consiste à déclencher des prélèvements d’aérosols analysés en différé au laboratoire.

La mise au point d’un dispositif d’échantillonnage d’aérosols en continu permettra d’intensifier l’étude de certains paramètres clés (état de mélange, PM10, PM2.5) lors d’événement transitoires intenses en région en synergie avec les observations effectuées à l’échelle régionale par les différents acteurs du Labex CaPPA.

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4.2 Screening des masses d’eau en région

Participants : B. Ouddane (Pr), S. Net-David (MCF), D. Dumoulin (IR)

Plusieurs rivières, lacs et cours d’eau de la Région Nord-Pas de Calais ont pu être caractérisés avec les soutiens de l’Agence de l’Eau et de la Région. Les niveaux de contamination et la dispersion dans différentes phases du milieu aquatique (phase dissoute, matières en suspension, sédiment) sont étudiés pour mieux appréhender les conséquences de ces micropolluants sur les écosystèmes aquatiques.

Distribution de la somme des 6 phtalates (DMP, DEP, DBP, BBP, DEHP et DnOP) classés prioritaires pour l’US-EPA dont le DEHP classé comme substance dangereuse prioritaire de la Directive Cadre sur l’Eau (Fig. A) et de 14 résidus de médicaments (Fig. B) dans l’eau, les particules en suspension et les sédiments. 15 sites ont été échantillonnés dans 6 rivières du bassin versant de l’Escaut (Net et al., 2015, Sci Total Environ).

L’eau et le sédiment de l’Escaut semblent être moins contaminés par les phtalates que les 5 autres rivières et la Scarpe présente la contamination la plus élevée (Fig. A). Des concentrations élevées de phtalates sont aussi détectées dans les sédiments de La Scarpe. Pour les résidus de médicaments sélectionnés, même si de faibles concentrations sont détectées dans l’eau de La Scarpe, leurs concentrations dans le sédiment y sont élevées.

Une précédente étude montre que ces sédiments sont aussi fortement contaminés par les HAP et les PCB comparés à ceux de la Deûle et La Sensée (Net et al., 2015, J Geochem Explor). Les concentrations des résidus de médicaments détectés dans la Deûle, La Lys et l’Escaut varient fortement d’une station à l’autre (Fig. B). Ceci pourrait être dû à des sources locales de contamination sur les différentes rivières.

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4.3 La Deûle Rivière

Participants : G. Billon (Pr), B. Ouddane (Pr), L. Lesven (MCF), P.J. Superville (MCF)

La Deûle est une rivière du Nord de la France canalisée et fortement impactée par les fonderies métalliques (principalement Pb et Zn) installées depuis les années 1900 sur ses berges. Au niveau de l’ancienne usine Metaleurop, les sédiments restent fortement contaminés en Pb, Zn mais également Cd, Hg… A cela s’ajoute la remise en suspension journalière des sédiments de surface due au trafic fluvial. De nombreuses études ont été menées en laboratoire et sur site sur le devenir des contaminants métalliques dans les sédiments et leur potentielle mobilité vis-à-vis de la colonne d’eau et des organismes aquatiques. Il a notamment été montré que : (i) la qualité de l’eau (par comparaison avec d’autres sites) était davantage dépendante des saisons que de la remise en suspension des sédiments très contaminés ; (ii) bien que les sédiments soient hautement contaminés, la mobilité des contaminants est faible en raison des quantités importantes de sulfures ; (iii) la communauté bactérienne a développé des gènes de résistance aux métaux qui sont en relation non pas avec les métaux dissous mais avec les métaux faiblement adsorbés sur les particules ; et (iv) l’encagement de gammares et le déploiement de sondes DGT n’ont pas permis de mettre clairement en évidence une mobilité plus importante des métaux dans la colonne d’eau de la Deûle par comparaison avec d’autres sites nettement moins pollués (comme le canal de la Sensée).

 CdPbZnCuMnNi
Exchangeable fraction (mg kg-1)0,98161110,05520,52
Total concentration (mg kg-1)133431063341076,4

Concentrations classiquement mesurées dans les sédiments de surface de la Deûle à proximité de l’ancienne fonderie de Zn et de Pb Métaleurop. La fraction échangeable correspond à la première extraction séquentielle du protocole BCR ([CH3COOH] = 0,11 mol L-1).

Variations de la concentration en Pb lixiviable à pH acide dans la Deûle sur les 4 campagnes de mesures de 2011. Le plomb électrolabile est représenté en rouge pour comparaison. Ces mesures ont été réalisées en ligne avec l’ATMS (Automatic Trace metal Monitoring Station) (Superville et al., 2014). On observe une forte augmentation de la mobilité du plomb particulaire au printemps et en été, expliquée par des cycles redox courts du fer et du manganèse dans le sédiment de surface remis régulièrement en suspension par le trafic fluvial.

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4.4 La Marque Rivière

Participants : G. Billon (Pr), J. Criquet (MCF), L. Lesven (MCF), D. Dumoulin (IR)

La Marque est le dernier petit cours d’eau non complètement canalisé de la Métropole Lilloise. Sillonnant des zones agricoles et urbaines, cette rivière reçoit de nombreux rejets avec en conséquence une qualité d’eau mauvaise (d’après le classement DCE) liée à des apports trop importants en phosphore, azote, pesticides, HAP… Dans le cadre d’un projet Chercheurs-Citoyens (2013-2016) financé par la Région Nord-Pas de Calais et intitulé « Ouvrages d’assainissement des eaux et qualité du milieu récepteur en zone urbaine : un enjeu citoyen. Cas de rejets dans la Marque à Villeneuve d’Ascq (OPUR) », le comportement de plusieurs contaminants présents dans la Marque, dont une partie est probablement issue des rejets d’ouvrages d’assainissement, est étudié avec une approche multi-échelle, non seulement spatialement mais également temporellement. S’ajoute également à ce projet la compréhension du fonctionnement d’un bassin de rétention d’eau pluviale, le lac du Héron, récemment envahi par des macrophytes, et dont les eaux se déversent périodiquement dans la Marque.

Variations des différentes fractions de Zn (électrolabile et lixiviable à pH acide) mesurées grâce au système de suivi voltampérométrique (ATMS) du 23 juin au 24 juillet 2014 dans la Marque. De fortes augmentations sont observées lors des évènements pluvieux (précipitations en noir). Des cycles journaliers sont également enregistrés pour les périodes sèches.

Site d’étude du projet OPUR (Ouvrages d’assainissement des eaux et qualité du milieu naturel récepteur en zone urbaine : un enjeu citoyen. Cas de rejets dans la Marque à Villeneuve d’Ascq) – localisation des stations lors du suivi haute fréquence.

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4.5 L’estuaire de la Seine

Participants : B. Ouddane (Pr)

La Seine et son estuaire sont connus pour leur pollution historique et sont largement étudiés par l’équipe depuis les années 1980, dans le cadre de plusieurs programmes de recherche nationaux et/ou internationaux (GRECO, SEINEAVAL-1 à SEINEAVAL-5, PNETOX, MAST, INTERREG-RIMEW, …). Plusieurs thèses sur la contamination métallique et/ou organique ont été consacrées à ce site à la fois dans la colonne d’eau et dans le compartiment sédimentaire (Nganou 1985 ; Ouddane 1990 ; Martin 1996 ; Bodineau 1996 ; Beghin 1998 ; Skiker 1998 ; Billon 2001 ; Foucher 2002 ; Clarisse 2003 ; Ghiasse 2003 ; Msocar 2003 ; Hamzeh 2012).

Les recherches récentes se sont focalisées sur les sédiments, déposés ou en suspension dans différentes vasières car ils constituent un support privilégié et réactif pour les différents contaminants chimiques. Les études réalisées à ce jour montrent que, dans le cas de la Seine, ces matériaux fins proviennent à la fois du bassin versant à l’amont de Poses, du bassin versant estuarien, des apports marins et de la production intra estuarienne. Les vasières ont à la fois une fonction d’épuration et de transformation (contaminants chimiques, sels nutritifs) et une fonction écologique (nourricerie, abondance de faune et de flore benthiques). Elles sont le siège de dépôts et de remises en suspension qu’ils soient liés à des processus naturels (débit fluvial, courants de marée, houles,…) ou induits par les activités humaines (batillage, dragages, aménagements). Ce sont des zones-puits et des zones-sources (tant pour les éléments particulaires que pour les éléments dissous). Ces zones connexes constituent des sites de piégeage des particules fines dont l’enfouissement rapide provoque un confinement propice à l’apparition de conditions réductrices. De tels milieux favorisent la production de sulfures par les communautés microbiennes, et leur précipitation avec certains métaux. L’importance de ces processus a été démontrée dans le cadre les études menées dans le programme SeineAval.

Site d’étude de la Seine et son estuaire (Programme SEINEAVAL).

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4.6 L’épuration de l’eau sur média filtrant

Participants : B. Ouddane (Pr), A. Boughriet (MCF), M. Wartel (Pr)

Malgré les ressources importantes en eau dans certains pays d’Asie ou d’Afrique la population ne dispose pas d’eau de qualité potable et la question se pose cruellement de traiter l’eau à moindre coût. Au niveau de l’équipe, nous nous sommes intéressés à la technique d’adsorption sur des supports de types argileux modifiés comme les résidus de la brique locale. Ce matériau adsorbant est aisément accessible pour une utilisation dans la purification de l’eau en milieu rural. Après traitement acide et dépôt de ferrihydrite, la brique s’est avérée être un bon adsorbant par échanges d’ions. L’influence de paramètres : temps de contact, température, masse d’adsorbant et pH, ont été étudiés avec des applications sur cas réels (eau de rivière).

L’étude des cycles d’adsorption/désorption sur colonne a permis de mettre en évidence l’implication des espèces H+ et Na+ à l’interface « brique-eau » (thèse Oscar Allahdin, 2014). Ce procédé a également été appliqué à l’élimination de phosphates de l’eau. Les résultats ont montré que selon le traitement préalable, cations ou anions sont adsorbés grâce aux charges opposées entre la surface du solide et les ions dans l’eau.

Une autre application de terrain a été menée en République Centrafricaine par la construction d’un pilote de filtration horizontale, pays dont les besoins en eaux potables sont criants. Le pilote a été construit selon les recommandations de la Sté « Eaux de Paris », le système a été alimenté par les eaux de l’Oubangui. Le suivi des performances et de la qualité des eaux produites durant une année et demie a montré que le pilote correspondait bien aux critères des normes exigées pour une eau brute avant désinfection (avec une production de 400 l/h). Ce type de pilote permet un traitement simple de l’eau de rivière, nécessitant un minimum d’énergie et peu de produits de traitement. La filtration lente sur sable apparaît comme une réplique des processus naturels d’infiltration dans le sol. Par comparaison avec les sables originels ayant été utilisés dans la conception du pilote, les résultats ont montré que la capacité d’adsorption des sables est améliorée en raison de modifications de surface et de dépôts d’argile et oxydes/hydroxydes de fer dans les interstices et fissures produits par effet d’érosion dû à l’écoulement des eaux (thèse Eric Foto, 2015).

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