Etude des débris plastiques et des fibres anthropiques lors d’évènements transitoires : épisodes pluvieux en milieu urbain et dynamique de crue

• Durée de la thèse : 2017 à 2021
• Soutenance de thèse : 8 juillet 2021
• Encadrement LEESU : Bruno Tassin (directeur de thèse), Johnny Gasperi (co-directeur de thèse) et Rachid Dris (co-encadrant)

→ Synthèse de la thèse de Robin Treilles
→ Thèse de Robin Treilles

Les matières plastiques constituent aujourd’hui des matières essentielles, omniprésentes dans notre société. En 1950 la production mondiale de matières plastiques était estimée à 1,5 millions de tonnes. En 2019, cette production a atteint 368 millions de tonnes auxquelles s’ajoutent 70 millions de tonnes de fibres synthétiques. En France, la consommation annuelle en matières plastiques est estimée à 70 kg par habitant. La production massive de polymères a induit des fuites de débris plastiques dans l’environnement. Du fait d’une très faible biodégradabilité et d’une gestion délicate et difficile de la fin de vie de ces matériaux à l’échelle mondiale, ces débris se sont accumulés sous la forme de macroplastiques (> 5 mm), de microplastiques (< 5 mm) et de fibres, caractérisées par un ratio longueur / diamètre élevé.

La contribution des zones urbaines et en particulier du temps de pluie à cette contamination de l’environnement est aujourd’hui très mal évaluée. Sur les 4 547 publications qui contiennent le terme « microplastics » au printemps 2021, seuls 6,9% contiennent le terme « urban ». Cette action de recherche vise à faire progresser les connaissances sur cette question et à estimer les flux de macro et microplastiques dans les eaux pluviales de l’agglomération parisienne. Elle constitue l’un des premiers travaux sur la question.

Objectifs et méthodologie

Pendant une année, les flux de macrodéchets et de macroplastiques, mais aussi de microplastiques ont été suivis dans les eaux pluviales d’un bassin versant urbanisé de l’agglomération parisienne, à Sucy-en-Brie. En se basant sur des approches communément développées en hydrologie urbaine, en travaillant à l’échelle des événements pluvieux et en évaluant la variabilité inter-événementielle, ce travail porte un éclairage novateur sur cette matrice encore peu étudiée.

Les échantillons ont été prélevés à l’exutoire du bassin versant séparatif de Sucy-en-Brie, situé en milieu périurbain dans la partie sud-est de l’agglomération parisienne. Il a une superficie de 228 ha avec une surface imperméable de 62 ha (27% du bassin versant). La population du territoire est d’environ 5 700 habitants, majoritairement résidentielle, avec une densité de ménages individuels d’environ 25 hab.ha^-1 qui correspond à une zone urbaine modérément dense en France. Un système de traitement des eaux pluviales est situé à l’exutoire du bassin versant, qui se compose d’un bassin de rétention et de décantation lamellaire avec deux dégrilleurs à l’entrée permettant de piéger les macrodébris.

Les refus de dégrillage ont été utilisés dans cette étude pour étudier l’abondance et la composition des macrodébris. Les échantillons de microplastiques ont, eux, été prélevés dans les eaux pluviales collectées, en amont du dispositif de traitement des eaux pluviales, lors d’événements pluvieux. Les débits et volumes d’eaux pluviales à travers les dégrilleurs ont été mesurés pour évaluer les flux.

Onze campagnes d’échantillonnage ont été réalisées entre avril 2018 et avril 2019 pour collecter les refus de dégrillage dans différentes conditions hydrologiques. Deux méthodes ont été utilisées pour estimer la masse annuelle de débris plastiques dans les matériaux criblés. La première utilise la concentration estimée de débris plastiques et le volume annuel des eaux pluviales (méthode Concentration). La seconde utilise le tonnage moyen des matériaux criblés accumulés de 2015 à 2019 et le pourcentage moyen de masse plastique estimé par cette étude (méthode Masse annuelle).

Pour les microplastiques, quatre événements pluvieux survenus de juin 2018 à mai 2019 ont été étudiés. Les fractions obtenues ont été caractérisées par observation sous loupe binoculaire et par spectrométrie infrarouge.

Résultats

Composition des macrodéchets dégrillés

Sur les dégrilleurs, la catégorie « plastique » était la plus nombreuse avec des valeurs moyennes de plus de 60%. Les déchets médicaux et sanitaires (bandages principalement) représentaient le deuxième plus grand pourcentage, et pour les fractions plus petites, les mégots de cigarettes représentaient le deuxième plus grand pourcentage, les autres types de matériaux (papier/carton, métal, etc.) représentant un plus petit pourcentage.

Les éléments plastiques les plus couramment trouvés dans les dégrilleurs ont été identifiés : les sacs et films en plastique nettement en tête, puis les mégots de cigarettes et les bandages.

Flux de débris plastiques

La concentration en macrodébris des eaux de ruissellement en mg.m^-3 a été estimée. Les concentrations de tous les déchets anthropiques varient de 28 à 182 mg.m^-3 et entre 7 et 134 mg.m^-3 pour les plastiques.

La masse annuelle de déchets plastiques dégrillés, estimée par la méthode Concentration, s’élève à 21 kg. La méthode Masse annuelle, reposant sur les masses collectées enter 2015 et 2019, aboutit à une masse annuelle de 100 kg de plastiques retenue dans les dégrilleurs.

Il est difficile de tracer précisément l’origine des déchets dégrillés. Il est toutefois possible d’évoquer les sources suivantes : (i) les pratiques des citoyens, (ii) le réseau d’égouts (ex : branchements illicites) et (iii) le nettoiement (ex : disponibilité des poubelles, nettoyage urbain). La distribution des refus de dégrillage peut aussi refléter le type d’articles qu’il parait socialement acceptable de jeter dans la rue, ou qui se perdent facilement, à l’exception des déchets liés aux mauvais branchements (par exemple, les applicateurs de tampons).

Les estimations de flux de Sucy-en-Brie peuvent être extrapolées pour la région du Grand Paris, définie comme un bassin versant englobant Paris et 284 villes voisines, s’étendant sur 183 000 ha et comptant environ 8,9 millions d’habitants. Selon la méthode utilisée, le flux annuel transféré à l’environnement varie de 22 à 167 tonnes.an^-1 de débris plastiques, soit quelques grammes par habitant et par an, à mettre en parallèle avec les 60 kg environ annuels de déchets plastiques par personne.

Microfibres anthropiques (MFa) dans les eaux pluviales

En cumulant tous les échantillons, les concentrations varient entre 0,6 et 6,4 MFa.L^-1. Les fibres trouvées pourraient provenir principalement de l’usure des textiles. Aucune corrélation n’a été trouvée entre la concentration en MFa et le débit moyen pour chaque période d’échantillonnage ; les résultats ne montrent même pas d’allure particulière en fonction de ce dernier.

Flux de fibres anthropiques dans les eaux pluviales de l’agglomération parisienne

La masse potentielle de l’ensemble de ces fibres a été estimée. L’intervalle interquartile des concentrations en MFa est de [1,4 -3,3 µg.L^-1]. En nous basant sus ces valeurs et en extrapolant à l’agglomération parisienne, nous obtenons un flux de fibres anthropiques dans les eaux pluviales compris entre 0,3 et 0,8 tonnes.an^-1.

Dans une première approche, ces valeurs semblent très faibles par rapport aux flux estimés dans d’autres compartiments et notamment dans l’atmosphère (flux de 6 à 17 tonnes par an à l’échelle de l’agglomération parisienne).

Cependant, en comparant ces valeurs sur la même base (flux de production par hectare), la production de retombées atmosphériques estimée à l’échelle de l’agglomération parisienne (2 500 km2) est comprise entre 0,024 et 0,068 kg.an^-1.ha^-1 ce qui est alors très proche de celle estimé dans les eaux pluviales. Nous émettons donc l’hypothèse que les fibres retrouvées dans les eaux pluviales sont majoritairement issues des retombées atmosphériques.

Concentrations en microplastiques
Les concentration en microplastiques dans les eaux pluviales varient de 3 à 129 MP.L^-1. Les concentrations les plus élevées ont été observées en décembre 2018 et en mars 2019, correspondant à l’augmentation du débit. Les concentrations de MP juste avant que le débit n’atteigne son pic étaient six fois plus élevées que la concentration rapportée à la fin de l’événement pluvieux. Le comportement des MP pourrait être comparable à celui des matières en suspension avec le débit. L’événement pluvieux de mai 2019 a été le plus court et a montré les concentrations de MP les plus faibles. Nous en déduisons que la remobilisation des MP semble se produire lors d’événements pluvieux suffisamment intenses.

Caractérisation chimique des microplastiques

La proportion de chaque type de polymère au sein des MP récoltés a été étudiée, le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP) et le polystyrène (PS) correspondant aux polymères prédominants. (généralement plus de 85 % des polymères trouvés). Ces polymères sont les polymères synthétiques les plus courants et les plus légers.

Flux de microplastiques

A l’échelle de Sucy-en-Brie, sur la base des concentrations observées, le flux annuel de microplastiques transitant dans les eaux pluviales varie entre 11 et 158 kg.an^-1 avec un flux par hectare imperméabilisé compris entre 0,2 et 2,5 kg.an^-1.ha^-1. En supposant que la très grande majorité des eaux pluviales sont non traitées et en extrapolant ces valeurs à la surface imperméabilisée du Grand Paris drainée par le réseau séparatif, nous estimons un flux de microplastiques rejeté dans les eaux pluviales compris entre 3 et 48 tonnes.an^-1.

Conclusions

Même s’il reste de nombreux flux encore non quantifiés, plusieurs conclusions peuvent être tirées. En considérant la consommation moyenne de matières plastiques en France estimée à 70 kg par habitant et par an (dont 45% correspondent à des emballages), l’agglomération parisienne consomme annuellement 623 000 tonnes de plastiques. Les rejets totaux cumulés de débris plastiques et de fibres correspondent à moins de 0,03% de la consommation annuelle en matières plastiques de l’agglomération parisienne ou environ le double si l’on ne prend en compte que les plastiques à faible durée de vie : les emballages.

Les stations de traitement des eaux usées sont des systèmes d’abattement efficaces, de l’ordre de 90%. Toutefois ces flux sont sous-estimés car certaines sources telles que les bypass en entrée de station n’ont pas encore été estimés. Les flux de débris plastiques et fibres dans les déversoirs d’orage pourraient constituer une fraction significative des apports à la Seine. Chaque année plus de 10 millions de m³ d’eau du réseau unitaire sont déversés directement dans la Seine. Ces eaux étant non traitées, il est fort probable qu’elles contiennent des concentrations importantes en débris plastiques et fibres. Par ailleurs, les flux de microplastiques issus des boues utilisées pour les épandages agricoles constituent une menace pour l’environnement et doivent également être estimés.

A ce jour, la mise en place d’un suivi de concentration et de flux à l’échelle de l’agglomération s’avère complexe du fait du caractère chronophage et/ou coûteux du traitement des échantillons, particulièrement pour l’extraction et l’analyse des microplastiques. Le développement de nouvelles méthodes et approches analytiques plus performantes est attendu pour faciliter la production de données à des fréquences plus élevées.

Les particules de pneus, particules considérées pour certains comme des microplastiques, n’ont pas été étudiées et pourraient constituer un flux important, mais leur étude demande la mise en place de protocoles d’analyse sensiblement différents à ceux mis en œuvre dans ce travail.