Origine, comportement et devenir des Terres Rares dans les installations de traitements des eaux résiduaires urbaines et les milieux récepteurs associés

Origin, behavior and fate of Rare Earths in wastewater treatment plants and associated receiving waters

• Auteur / Autrice : Pauline Louis
• Direction : Marie-Noëlle Pons, Davide Vignati
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 13/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Laure Giamberini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Noëlle Pons, Davide Vignati, Gilles Guibaud, Marie-Claire Pierret, Jean-Marc Choubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Guibaud, Marie-Claire Pierret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées -- Stations de traitement

Eaux continentales -- Pollution

Gadolinium

Terres rares

Mots clés libres

Terres Rares

Anomalie Gadolinium

Station de traitement des eaux usées

Rare Earth Elements

Gadolinium Anomaly

Wastewater Treatment Plants

Résumé

Les Terres Rares (REE) sont naturellement présentes dans les eaux du fait de l’érosion des roches. Elles sont également employées dans des activités anthropiques (nouvelles technologies, énergies, agriculture et médecine). Ces utilisations en constante augmentation ont fini par perturber le cycle géochimique et biologique des REE et ont mené à l’enrichissement (anomalie positive) de certaines REE dans l’hydrosphère (La, Ce, Sm et Gd). Pour le Gdanth, la pollution provient des stations de traitements des eaux usées conventionnelles (STEU) qui ne sont pas en mesure d'éliminer la forme complexe organique de Gd utilisée dans l'analyse IRM. Quatre ensembles ont donc été étudiés afin de mieux connaître le comportement des REE : le bassin français de la Moselle, le bassin du Danube dans son ensemble, la STEU du Grand Nancy, et la zone de rejet végétalisée (ZRV) en aval de la STEU du Grand Reims. Le long de la Moselle, la présence d'anomalies positives en Gd et un appauvrissement régulier des LREE comparativement aux HREE enrichies sur les spectres de REE sur des substrats de grès/calcaire sont les points les plus caractéristiques. Dans le bassin du Danube, l’anomalie positive en Gd varie de 1,8 à 37,4 dans les eaux de surfaces et jusqu’à 80,8 dans les eaux souterraines, montrant une contamination des puits alluviaux. Au sein de la STEU du Grand Nancy, les flux entrant de Gd ont montré être plus importants en semaine (mardi et mercredi), et aux heures de fin de journée (19h-22h). Les procédés de traitement n’affectent pas le Gdanth, mais augmentent le fractionnement LREE/HREE. Les eaux de la ZRV sont celles qui présentent les plus fortes valeurs d’anomalies positives en Gd (jusqu’à 4500). Il a été démontré que l'ampleur des anomalies Gd dépendait de l'approche méthodologique choisie pour leur calcul. La définition d'une valeur seuil pour identifier la présence d'une anomalie anthropique Gd peut donc dépendre du bassin, et se révéler délicate dans les zones où la pression anthropique est faible.

Rare Earths Elements (REEs) are naturally present in water due to the erosion of rocks. They are used in human activities (new technologies, energy, agriculture and medicine). These ever-increasing uses eventually disrupted the geochemical and life cycle of REEs and led to the enrichment (positive anomaly) of some REEs in the hydrosphere (La, Ce, Sm and Gd). For anthropogenic Gd, pollution derives from conventional wastewater treatment plants (WWTPs) which are not able to remove the organic complex form of Gd used in MRI analyses. Four areas were therefore studied in order to better understand the behavior of the REEs: the French basin of the Moselle River, the Danube river basin as a whole, the WWTP of Grand Nancy, and the constructed wetland downstream the WWTP of Grand Reims. Along the Moselle River, the presence of positive Gd anomalies and a regular LREEs depletion/ HREEs enrichment pattern on sandstone/limestone substrates were the most distinctive features. In the Danube basin, the positive Gd anomaly ranged from 1.8 to 37.4 in surface water and up to 80.8 in groundwater, showing contamination of alluvial wells. Within the Greater Nancy STEU, the greatest Gd inflows were observed during weekdays (Tuesday and Wednesday), and at the end of the day (7 p.m. to 10 p.m.). Treatment processes did not affect anthropogenic Gd, but increased LREE/HREE fractionation. The waters of the artificial wetland were those with the highest values of positive Gd anomalies (up to 4500). It was shown that the magnitude of Gd anomalies depended on the methodological approach chosen for their calculation. The choice of a threshold value to identify the presence of an anthropogenic Gd anomaly may therefore be basin dependent and may be tricky in areas where anthropogenic pressure is low.