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Diagnostic environnemental de la gare routière (pollution atmosphérique par TSP et métaux lourds)


par Abdellah SBARGOUD
Université Mouloud MAMMERI TIZI-OUZOU - Ingénieur d'état en Ecologie et Environnement 2009
Dans la categorie: Biologie et Médecine
   
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Chapitre IV 

Matériels et méthodes

I. La station de prélèvement  (la gare routière de Tizi-Ouzou) ......................................................41

II. Matériels de prélèvement ..............................................................................................42

III. Description et prélèvement des particules totales en suspension (TSP) dans l'air43

IV. Dosage et analyse par la spectrométrie par fluorescence X (X.R.F)...........................................45

IV.1. Préparation des filtres..........................................................................................45

IV.2. Préparation des filtres standards ............................................................................46

IV.3. Préparation des filtres blancs...................................................................................48

V.4. les sources d'excitation et l'irradiation des filtres .....................................................48

IV.5. Dépouillement spectral..........................................................................................49

Chapitre V

Résultats et interprétations

I. Teneurs en particules totales en suspension (TSP) dans l'air ....................................................52

I.1. Teneurs en TSP durant les périodes de prélèvement  ..................................................52

I.2. Variation des concentrations en TSP au cours d'une même journée ensoleillée........................55

I.3. Concentration moyenne des TSP..........................................................................58

II. Les concentrations journalières des métaux lourds contenus dans les TSP...................................59

II.1.Concentrations du Plomb (Pb) dans les différents échantillons .....................................63

II.2. Concentration de Mercure (Hg) dans les différents échantillons  ...................................64

II.3. Concentration de Cadmium (Cd) dans les différents échantillons ..................................65

II.4. Concentration de Nickel (Ni) dans les différents échantillons  .....................................66

II.5. Concentration de Crome (Cr) dans les différents échantillons  .....................................67

II.6. Concentration de Strontium (Sr) dans les différents échantillons .................................68

II.7. Concentrations de Cuivre (Cu) et Zinc (Zn) dans les différents échantillons .....................69

II.8. Concentrations de Fer (Fe) dans les différents échantillons   ........................................70

II.9. Concentrations de l'Etain (Sn), Vanadium (V) et Cobalt (Co) dans les

différents échantillons.............................................................................................71

II.10. Concentrations de l'Argent (Ag), Sélénium (Se) et Antimoine (Sb) dans les

Différents échantillons ...........................................................................................72

III. Concentrations moyennes des métaux les plus toxiques contenus dans les TSP dans l'air au

niveau de la gare routière .................................................................................................73

IV. Etude comparative entre deux stations (gare routière et centre ville) ..........................................74

IV.1.Comparaison des concentrations moyennes des TSP entre les deux stations......................74

IV.2. Comparaison des concentrations moyennes de quelques métaux lourds, entre les

deux stations........................................................................................................75

V. Discussion ...............................................................................................................76

V.1. les TSP .......................................................................................................76

V.2. les métaux lourds ............................................................................................77

Conclusion générale.......................................................................................................79

Références bibliographiques

Annexes

Introduction générale

Les phénomènes de pollution atmosphérique sont à l'origine de préoccupations environnementales, concernant les écosystèmes, la biosphère et les patrimoines et, des préoccupations sanitaires. L'air est, pour l'être humain, un « aliment » spécifique et indispensable ; nous en respirons 15 m3 par jour, soit près de 20 kg, à comparer à 2 kg de d'eau potable et 1 kg d'aliments divers. L'air est impossible à purifier, contrairement aux autres aliments, sauf situation particulière dans des enceintes fermées (ANONYME 3).

L'appareil respiratoire constitue une voie d'exposition privilégiée pour les aéro-contaminants chimiques, qu'ils s'agissent de gaz ou de particules inertes, qui peuvent avoir des effets nocifs se manifestant à court ou à long terme. Les études épidémiologiques récentes observent des excès de risques, faibles au niveau individuel, mais non négligeables au niveau de la population, pour différents indicateurs de santé comme la mortalité, les hospitalisations dues aux maladies respiratoires, cardiovasculaires, rénales, cérébrales et surtout les cancers (CHESTNUL L.G. et al, 1991).

Durant ces dernières décennies, la pollution de l'air en milieu urbain est principalement d'origine automobile. La combustion incomplète du carburant libère dans l'atmosphère des particules fines qui peuvent véhiculer des métaux lourds (MORCHEOINE A., 1996). Nous pouvons, à partir d'une recherche d'informations locales en effectuant un échantillonnage de l'air urbain, montrer l'influence directe ou indirecte de l'homme sur la modification de la composition physicochimique de l'air.

C'est dans ce cadre que s'inscrit notre travail qui consiste à faire un diagnostic environnemental de la gare routière de Tizi-Ouzou (station urbaine), en se limitant sur deux volets portant : les particules totales en suspension (TSP) et les métaux lourds qu'elles véhiculent. En effet, ce travail s'est basé sur l'estimation des teneurs en TSP dans l'air et la recherche des métaux lourds (Cd, Hg, Ni, Cr, Pb, Sr, Cu, Sn, Zn, Sb, Fe, V, Cu, As et Ag) qui y renferment et, les quantifiés par un procédé physique.

Le présent travail comporte cinq chapitres : le premier parle de la pollution atmosphérique et les métaux lourds, le second chapitre traite les modes de prélèvement et les méthodes utilisées pour l'analyse des échantillons de l'air, dont nous avons étudié en détail la spectrométrie par fluorescence-X. Le troisième chapitre est consacré à la présentation de la région d'étude du point de vu géologique, géomorphologique, géographique et démographique, suivi d'une étude climatique. Les caractéristiques de la station de prélèvement (gare routière de Tizi-Ouzou) et le matériel utilisé sont cités en chapitre quatre ; les résultats, les interprétations et la discussion ont une part dans le chapitre cinq. En fin, nous terminons par une conclusion générale qui accompli un constat global sur l'état de l'air respiré au niveau de la gare routière de Tizi-Ouzou et, les recommandations qui peuvent réduire les concentrations des TSP et des métaux lourds contenus dans l'air, au niveau de la station d'étude en particulier et, dans l'atmosphère en général.

CHAPITRE I :

Dans le code de l'environnement français, la loi sur l'air et l'utilisation rationnelle de l'énergie du 30 décembre 1996, définit la pollution de l'air comme  « L'introduction par l'homme, directement ou indirectement, dans l'atmosphère et les espaces clos, de substances ayant des conséquences préjudiciables de nature à mettre en danger la santé humaine, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les changements climatiques, à détériorer les biens matériels et à provoquer des nuisances olfactives excessives ».

Aujourd'hui dans les villes, la pollution d'origine industrielle a cédé la place à la pollution liée aux transports, qui engendrent une pollution atmosphérique par les différents rejets dans l'air, à savoir : les particules totales en suspension (TSP), en particuliers les métaux lourds contenus dans ces derniers.

I. Les particules totales en suspension (TSP) 

I.1. Définition 

Les particules en suspension ne forment pas un seul et unique polluant de l'air, mais représentent plutôt une classe de polluants constituée de plusieurs sous-classes variant dans une gamme de granulométrie de 0,005ìm à environ 1000ìm. Chaque sous-classe de particules peut être constituée ou contenir différentes espèces chimiques. Ainsi, selon leur origine, les particules ont une gamme de taille et une composition physico-chimique très variable, c'est pourquoi différentes terminologies existent pour classifier, définir ou nommer une classe de particules polluantes. On peut citer :

Les PM10 : Sont des grosses particules, dont le diamètre est inférieur à10um, elles sont retenues par les voies aériennes supérieures.

Ø Les PM 2,5 : Ø = 2,5 um

Ø Les PM 1 : Particules dont le diamètre est inférieur à 1um.

Ø Ultrafines : Ø = 0.1 ìm.

Ø Nanoparticules : Ø = 0.05 ou 0.03 ìm.

Les PM 2,5, les PM 1, les particules Ultrafines et les Nanoparticules sont potentiellement les plus toxiques, car elles peuvent pénétrer profondément dans les poumons et les organes internes (BLIEFERT C et al, 2001).

I-2. Origines :

Les installations de chauffages et le transport routier, en particulier les polluants émis par les véhicules diesel (combustion incomplète du gasoil), sont les principaux émetteurs de particules fines,  elles peuvent provenir également de transformations chimiques dans l'atmosphère. Ces particules, constituées de fines matières liquides ou solides, se forment par condensation, par accumulation ou par pulvérisation mécanique et, peuvent être transportées à distance (PIERRE M., 2000).

II. Les métaux lourds 

II.1.Définition 

Les métaux lourds sont des métaux formant des précipités insolubles avec les sulfures. D'autres définitions existent : Métaux dont la masse volumique est supérieure à 6 g.ml-1 (parfois la définition donne une limite de 4,5 ou 5,0 g.ml-1) ; métal dont le numéro atomique est supérieur à 20. Les métaux lourds sont réputés toxiques, alors que certains sont des oligo-éléments (Cu, Zn, Fe). C'est pourquoi le terme métal lourd est souvent appliqué à tort à des éléments en raison de leurs toxicités (ANNE T.S. et ISABELLE F., 2005).

Dans les sciences environnementales, les métaux lourds associés aux notions de pollution et de toxicité sont généralement : Le cadmium (Cd), le plomb (Pb), le mercure (Hg) le nickel (Ni), le chrome(Cr), l'arsenic (As), le cuivre (Cu), le manganèse (Mn), l'étain (Sn), et le zinc (Zn) (Anonyme 1, 1997).

II.2. Perturbation des cycles biogéochimiques des métaux lourds

A l'échelle planétaire, les quantités des métaux lourds sont toujours les mêmes. Par contre leur localisation et leur forme chimique peuvent être modifiées par des phénomènes naturels ou par l'intervention de l'homme (ANNE T.S. et ISABELLE F., 2005).

Atmosphère

Gaz

Volcans

Gaz

Aérosols

Précipitations

Fleuves

Fleuves

Effritement

Continents

Poussières Poussières

Océans sédimentation

Sédiments

Figure 1 : Schéma simplifié du cycle des métaux lourds (BLIEFERT C. et PERRAUD R., 2001)

Par ses activités minières et industrielles, l'homme moderne est en train de perturber, à une échelle de quelques décennies et au mieux séculaire, des équilibres fruits de lents processus évolutifs de nature paléo-écologique qui ont nécessité des durées se chiffrant en milliards d'années (RAMADE F., 2007).

II.3. Les déférentes sources des métaux lourds 

II.3.1. Les sources d'origine naturelles 

Les réserves les plus importantes en métaux lourds se trouvent dans les roches et/ou les sédiments océaniques, ils sont introduits dans la biosphère via, les volcans, l'activité des sources thermales, l'érosion et l'infiltration... etc. (Miquel G., 2001).

II.3.2. Les sources d'origine humaines

Une quantité importante de métaux lourds est introduite dans l'environnement par l'homme, cette contamination a plusieurs origines, telles que les gaz d'échappements des véhicules, la combustion des fossiles, l'incinération, l'activité minière, l'agriculture, les déchets liquides et solides.

II.3.2.1. Les rejets physiques 

Concernant essentiellement le plomb et, dans la moindre mesure le cadmium, sont dus à deux phénomènes : D'une part, l'activité métallurgique et minière, d'autre part, les rejets qui sont liés au sort des produits en fin de vie, chargés en plomb, c'est le cas des batteries d'automobiles. Les rejets de mercure liquide sont beaucoup moins importants, Le mercure se retrouve toutefois dans les canalisations en sortie de site d'utilisations (hôpitaux, cabinets dentaires, ...etc.).

II.3.2.2. Les rejets atmosphériques 

Les métaux représentants des masses importantes dans l'atmosphère, qui se chiffrent par dizaines de tonnes (mercure, arsenic et cadmium), par centaines (Crome) ou par milliers de tonnes (le plomb). Après ratifications du protocole d'Aarhus sur les métaux lourds en 1998 par certains nombre de pays, les émissions atmosphériques des métaux ont diminué de 50% passant de 7356 tonnes à 3336 tonnes, dont près de la moitié pour le Zinc, et un peu plus du tiers pour les autres métaux considérés (MIQUEL G., 2001. in MESBAHI K. et MEGUENI T., 2008).

Le tableau I montre le rapport entre le flux lié à l'activité humaine et le flux naturel ; le cadmium, l'arsenic et, surtout le mercure et le plomb sont introduits dans l'environnement de façon quasi exclusive par l'homme (PIERRE M., 2000).

Tableau I : Rapport entre le flux lié à l'activité humaine et le flux naturel donnant présence aux métaux lourds dans l'atmosphère.

Elément

Flux lié à l'homme/Flux naturel

Chrome

161

Cadmium

1 897

Arsenic

2 786

Mercure

27 500

Plomb

34 583

Source : Centre SPIN., 1997. Ecole des Mines de Saint-Etienne.

II.4. Impact des métaux lourds présents dans l'atmosphère

II.4.1. Impact sur l'environnement 

II.4.1.1. Contamination de l'air

Les principales sources de métaux lourds dans l'air sont des sources fixes. De nombreux éléments se trouvent à l'état de traces dans des particules atmosphériques provenant de combustions à haute température, de fusions métallurgiques, des incinérateurs municipaux, des véhicules... etc. Les effets biologiques, physiques et chimiques de ces particules sont en fonction de leur taille, de leur concentration et de leur composition, le paramètre le plus effectif sur l'environnement étant la taille de ces particules.

Dans l'air ambiant, on trouve de nombreux éléments, comme le plomb, le cadmium, le zinc, le cuivre... etc., dont la concentration est d'autant plus élevée que les particules sont fines (FONTAN J., 2003).

II.4.1.2.Contamination des sols 

Les métaux peuvent être, soit fixés dans les roches et les sédiments, soit mobiles. Dans le premier cas, les quantités disponibles sont infimes, elles n'ont aucune influence sur l'environnement. Mais lorsque les conditions changent de telle manière que les métaux

redeviennent solubles, l'augmentation de la concentration devient alors une menace directe sur l'environnement. En outre, depuis quelques années, les pluies acides augmentent la mobilité des métaux dans le sol et causent donc une augmentation de leur concentration dans les produits agricoles (BLIEFERT et PERRAUD, 2001).

II.4.1.3.Contamination de l'eau

Il est assez difficile de prévoir l'évolution des métaux lourds dans l'environnement car ils peuvent subir un grand nombre de transformations (oxydation, réduction...etc.). Cette évolution dépend fortement du milieu. En effet, la migration des métaux lourds vers la nappe phréatique est fonction de nombreux paramètres : La forme chimique initiale du métal la perméabilité du sol et du sous-sol, et la teneur en matières organiques du sol.

Les principales sources de contamination de l'eau sont les suivantes : les eaux usées domestiques et industrielles, la production agricole, les polluants atmosphériques, les anciennes décharges, l'utilisation de substances dangereuses pour l'eau, la navigation...etc.

(MARCHEOINE A., 1997).

II.4.2. Impact sur la santé humaine :

Les métaux lourds sont des polluants engendrés par l'activité humaine qui ont un fort impact toxicologique. Les métaux toxiques sont nombreux, a titre d'exemple l'arsenic, le cadmium, le plomb et le mercure. Ils ont des impacts sur les végétaux, les produits de consommation courante (Anonyme 1).

Tableau II : Impacts des métaux lourds sur la santé humaine.

Métal

Toxicité

Plomb

Troubles du système nerveux, affection du foie et des reins

Cadmium

Affections respiratoires et troubles rénaux

Mercure

Troubles du système nerveux (mémoire, fonctions sensorielles de coordination)

Nickel

Maladies respiratoires, asthme, malformations congénitales cancers (nez)

Chrome

Cancers, troubles dermatologique, anémies

Source : Centre SPIN, Ecole des Mines de Saint-Etienne, 1997.

Les organes cibles des métaux lourds sont multiples: les ions métalliques se fixent sur les globules rouges (Pb, Cd, CH3Hg). Les métaux s'accumulent dans le foie et les reins (organes très vascularisés), les dents et les os accumulent le plomb. D'autre part, les métaux solubles dans les lipides comme le plomb tétraéthyl ou le méthylmercure peuvent pénétrer dans le système nerveux central. Le danger est encore plus grand pour les enfants car chez eux la barrière hémato-encéphalique n'est pas entièrement développée (intoxication au plomb possible). Par diffusion passive et grâce à leur solubilité dans les lipides, le cadmium, le plomb, le nickel, le méthyl-mercure(CH3Hg), traversent le placenta et peuvent s'y concentrer (PIERRE M., 2000).

II.5. Législation et normes de rejet 

Au début, la législation s'est intéressée aux polluants majeurs, tels que le dioxyde de soufre (SO2), l'oxyde d'azote (NO) et les poussières. Des nouvelles réglementations se sont penchées sur le problème des métaux lourds, ceci s'explique par le fait que leurs effets sur l'homme et l'environnement ne cessent d'être mis en lumière, voire prouvés pour certains. En effet plusieurs conventions, lois, décrets nationaux et internationaux réglementent cette pollution.

II.5.1. Législation Algérienne 

Le journal officiel de la République Algérienne du 8 Dhou El Hidja 1426 / 8 janvier 2006 consacre les articles 03,04, 05, 06, 07, 08, 09 et 10 pour la surveillance de la qualité de l'air.

L'Art. 3.- La surveillance de la qualité de l'air concerne les substances suivantes :

Ø Le dioxyde d'azote ;

Ø Le dioxyde de soufre ;

Ø L'ozone ;

Ø Les particules fines en suspension.

L'Art. 4. -La surveillance de la qualité de l'air est confiée à l'observatoire national de l'environnement et du développement durable.

Elle s'effectue selon les modalités techniques fixées par arrêté du ministre chargé de l'environnement.

L'Art. 5.-La détermination des objectifs de qualité de l'air et des valeurs limites de pollution atmosphérique est fixée sur une base moyenne annuelle.

L'Art. 6.- Les valeurs limites ainsi que les objectifs de qualité de l'air sont fixés comme suit : Particules fines en suspension :

Selon les caractéristiques physiques et chimiques des particules concernées, les seuils d'alerte sont fixés, le cas échéant, par arrêté conjoint du ministre chargé de l'environnement et du ministre concerné par l'activité engendrant le type de particule considérée.

a) Objectif de qualité ou valeur cible : 50 mg/m3.

b) Valeur limite : 80 mg/m3.

Cet article parle aussi des valeurs limites des autres polluants, à savoir le Dioxyde d'azote, le Dioxyde de soufre et l'Ozone.

L'Art. 7- Les seuils d'information et les seuils d'alerte sont fixés sur une base moyenne horaire.

L'Art. 9- Lorsque les seuils d'information et les seuils d'alerte fixés par l'article ci-dessus (Art6) sont atteints ou risquent de l'être, le ou les walis concernés prennent toutes les mesures visant à protéger la santé humaine et l'environnement ainsi que les mesures de réduction et/ou de restriction des activités polluantes.

II.5.2. Législation Internationale

La convention de Genève en 1979 sur la pollution atmosphérique à longue distance a plafonné les émissions de soufre (868 KT en 2000, 770 KT en 2005 et 737 KT en 2010) et a préconisé une réduction des composés organiques volatils non métalliques de 30% (de 1988 à 1999) et une baisse des oxydes d'azote de 30% (de 1980 à 1999) (BLIEFERT C et Al., 2001).

La première directive du conseil de la communauté Economique Européenne(CEE) a fixé une teneur maximale autorisée en composés de plomb dans l'essence comprise entre 0.4 à 0.15 g par litre (78/611 du 29 juin 1978) (BOURIER J.P. et KISS A., 2004).

Le tableau suivant donne les différentes valeurs limites de quelques métaux toxiques dans l'air selon l'OMS et la détective Européenne.

Tableau III: Valeurs limites de quelques métaux toxiques dans l'air selon l'OMS et la Directive Européenne (LE BOUFFANT L., 1988).

Métal

Valeur guide

OMS

Directive Européenne

Cr

-

6 ng/m3

Cd

5ng/m3

5 ng/m3

Mn

_

-

Ni

20 ng/m3

20 ng/m3

Pb

500 ng/m3

900 ng/m3

Hg

_

50 ng/m3

Source : Organisation mondiale de la Santé (OMS).

Les tableaux suivants montrent les normes des particules en suspension (TSP) dans l'air (OUZERARA K.et ZEHAR S., 2007).

Tableau IV : Les normes des PM 10 dans l'air. 

Natures des Valeurs

Directive Européenne 2002

Décret Français

Normes Algériennes (TSP)

Objectif de qualité

30 ug/m3

30 ug/m3

-

Valeur limite (moyenne annuelle)

20 ug/m3

50 ug/m3

80 ug/m3

Valeur limite

(moyenne journaliere)

50 ug/m3

40 ug/m3

-

Seuil d'information

80 ug/m3

80 ug/m3

-

Seuil d'alerte

125 ug/m3

-

-

Tableau V: Les normes des PM 2.5 dans l'air. 

Natures des Valeurs

OMS

Recommandation Française

Moyenne glissante

25 ug/m3

-

Moyenne annuelle

10 ug/m3

15 ug/m3

Source : Organisation mondiale de la Santé (OMS).

CHAPITRE II :

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