Qualité des eaux d'infiltration des terrains en gazon synthétique

Les sols sportifs des installations de plein air sont généralement constitués de surfaces ou de pelouses synthétiques élastiques. La fonction et la structure des surfaces sont déterminées par le sport pratiqué. Les systèmes de gazon synthétique pour le football, par exemple, se composent de plusieurs éléments individuels, dont un gazon synthétique avec ou sans remplissage, ainsi que la couche élastique et la couche de base.

L'usure, les intempéries et le vieillissement font que des particules de plastique, des fragments de fibres et des granulés de litière provenant des revêtements de sols sportifs se retrouvent dans l'environnement des installations [1-3]. En outre, le lessivage de différentes substances risque de polluer les eaux d'infiltration, que ce soit par temps de pluie ou lors de l'arrosage des terrains [4, 5]. On connaît par exemple les agents de vulcanisation que sont l'oxyde de zinc et le benzothiazole (BZT), que l'on retrouve dans les matériaux caoutchouteux du remblai et de la couche élastique. En outre, d'autres additifs spécifiques tels que des antioxydants, des agents tensioactifs et des retardateurs de flamme peuvent être présents. Les données disponibles à ce sujet sont toutefois lacunaires et laissent en suspens les questions relatives aux effets sur les eaux ou à la possibilité d'autoriser de telles installations. La qualité des eaux d'infiltration revêt une grande importance, car la plupart des terrains de football en gazon synthétique sont situés dans le secteur Au de protection des eaux (54%) et certains sont même situés dans des zones de protection des eaux souterraines [3]. En raison de la forte augmentation de l'importance des surfaces ou des terrains en gazon synthétique, il est d'autant plus important de connaître la libération de substances dans les eaux d'infiltration.

Les normes DIN [6, 7], la norme RAL 943 [8], la directive FLL [9] ainsi que la fiche technique BASPO 112 [10] définissent les exigences techniques relatives aux composants individuels, leur compatibilité avec l'environnement et les mesures possibles. Les normes DIN décrivent un test d'élution à l'aide duquel le fabricant doit prouver le comportement au lessivage des matériaux en comparant les paramètres analysés avec des recommandations environnementales. Du point de vue de la protection des eaux, le test d'élution et la procédure d'évaluation sont toutefois plutôt insuffisants: la pertinence des substances sélectionnées n'est pas claire et une comparaison avec les charges réelles dans les eaux d'infiltration fait défaut. De plus, l'évolution temporelle de la libération des substances n'est pas prise en compte [4].

Construction des terrains en gazon synthétique

La construction des terrains en gazon synthétique répond en premier lieu à des exigences fonctionnelles sportives, tout en tenant compte de différents aspects environnementaux [11-14]. Un tapis de gazon se compose d'un tapis support avec des fibres synthétiques (couche de velours), qui se composent de polypropylène (PP), de polyéthylène (PE), de polyamide (PA) ou d'une combinaison de ces matériaux. Il peut être réalisé avec ou sans remplissage. Les granulés de litière peuvent être des matériaux synthétiques (caoutchouc styrène-butadiène (SBR), caoutchouc éthylène-propylène-diène (monomère) (EPDM), élastomères thermoplastiques (TPE), etc.) ou des matériaux organiques (liège, noyaux d'olives, etc.). Le granulat de remplissage doit garantir des propriétés de jeu similaires à celles du gazon naturel (roulement du ballon, amortissement, etc.), en particulier en hiver. En règle générale, on utilise en plus du sable pour lester les terrains en gazon synthétique remplis.

La couche élastique d'environ 3 cm d'épaisseur destinée à l'amortissement est généralement collée sur place à partir de granulés SBR ou EPDM. Mais il existe aussi des plaques préfabriquées. La couche de base d'environ 5 cm d'épaisseur située en dessous assure un revêtement stable, perméable à l'eau et plat. Elle est constituée d'asphalte bitumineux drainant ou de gravier non lié. Le drainage est généralement assuré par une fondation en gravier perméable avec drainage. Le plus souvent, les eaux d'infiltration sont déversées via les drains dans des eaux de surface, dans des stations d'épuration des eaux usées ou dans des installations d'infiltration [3].

La désignation SBR se réfère aussi bien aux granulats synthétiques neufs qu'aux matériaux issus de pneus usagés recyclés (End-of-Life Tyre, ELT). On distingue les recyclés post-industriels (PIR) et les recyclés post-consommation (PCR). En Suisse, ce sont surtout les granulés PCR qui sont utilisés pour la couche élastique, tandis que les granulés de litière sont plutôt du SBR primaire ou de l'EPDM [3].

En raison de questions en suspens, les planificateurs et les autorités chargées de délivrer les autorisations sont dans l'incertitude quant à la manière dont les structures de système doivent être différenciées en fonction des produits et classées en fonction de la protection des eaux. En outre, les critères à remplir pour une faible pollution ne sont pas clairs.

Les bases légales de la protection des eaux

La construction prévue d'un terrain en gazon synthétique doit être examinée quant à son admissibilité en matière de protection des eaux. La loi sur la protection des eaux (LEaux, RS 814.20) et l'ordonnance sur la protection des eaux (OEaux, 814.201), dans leur version actuelle, sont déterminantes pour la protection des eaux. Selon l'art. 7, al. 1 et 2 de la LEaux, les eaux polluées doivent être traitées et les eaux non polluées doivent être infiltrées. La délimitation entre eaux polluées et eaux non polluées est définie à l'art. 3, al. 1 et al. 2 de l'OEaux.

Les eaux de pluie provenant des terrains de football en gazon synthétique font partie des «autres eaux polluées», conformément à l'OEaux (annexe 3.3, ch. 1, al. 1). Pour cela, l'autorité fixe les exigences relatives au déversement sur la base des caractéristiques des eaux usées, de l'état de la technique et de l'état des eaux. Pour ce faire, elle tient compte des normes internationales ou nationales, des directives publiées par l'Office fédéral de l'environnement (OFEV) ou des bases élaborées par la branche concernée en collaboration avec l'OFEV. Comme l'OEaux devient plus spécifique aux substances, l'évaluation des eaux usées doit également tenir compte des composants des matériaux utilisés.

Les eaux d'infiltration sont généralement captées dans le sous-sol au moyen de drains et dirigées vers un collecteur de boues en vue d'une infiltration ou vers les eaux de surface (fig. 1). Afin de protéger les eaux contre la pollution, il convient de déterminer, en fonction du lieu d'installation et des voies de drainage, l'admissibilité de la construction ainsi que les besoins de traitement des eaux de ruissellement. Actuellement, la charge est couverte par la classe de charge «moyenne», indépendamment du type de construction des places et des produits utilisés [15].

Les intérêts particuliers de la protection des eaux souterraines pour le domaine «Loisirs et installations sportives» sont décrits dans deux aides à l'exécution de l'OFEV [16, 17].

Objectifs

Sur la base d'analyses des eaux d'infiltration sur des terrains de football en gazon synthétique et en laboratoire, il convient d'élaborer une nouvelle base de données ainsi que des recommandations pour la planification et l'exploitation de tels terrains [18, 19].

Les priorités suivantes ont été fixées:

• Détection et évaluation de la qualité des lixiviats à l'état de pose et de leur pertinence pour les eaux (saisonnalité, âge, diversité des produits, etc.)
• Tests de laboratoire pour déterminer le lessivage des substances et sa modification dans le temps
• Définition d'une systématique d'évaluation pour une appréciation différenciée des matériaux
• Fondements d'une bonne pratique de drainage ainsi que des mesures possibles

Les connaissances acquises doivent permettre une amélioration de l'impact environnemental lors de la phase de construction et d'exploitation des terrains en gazon synthétique et des revêtements synthétiques élastiques, tels qu'ils sont utilisés de préférence pour les terrains de football, les petits terrains de jeu et les installations d'athlétisme. Les recommandations visent à éviter ou à réduire les apports de polluants dans l'environnement afin de satisfaire aux exigences de la protection des eaux.

Démarche

La démarche a consisté à effectuer des analyses sur le terrain et en laboratoire et à développer un concept d'évaluation.

La qualité du lixiviat a été déterminée sur 23 terrains en gazon synthétique (10 terrains remplis et 13 terrains non remplis, n = 52 échantillons), dont 8 ont été échantillonnés plusieurs fois (tab. 1 et 2, fig. 2). Lors de la sélection des sites, une attention particulière a été portée aux différentes structures et âges des revêtements (1-14 ans), trois sites ayant moins d'un an au moment de l'échantillonnage. En outre, nous avons choisi des sites dont les composants individuels tels que le tapis de gazon, les granulés de litière et la couche élastique pouvaient également être analysés. Deux terrains sont remplis de liège, dont un avait moins d'un an.

L'échantillonnage des lixiviats par temps de pluie reflète les conditions réelles. Cependant, le moment est difficilement planifiable et les concentrations peuvent être influencées par l'afflux de surfaces voisines. C'est pourquoi plusieurs sites ont été arrosés. Cette approche a également permis de prélever des échantillons après de longues périodes de sécheresse. Un terrain non rempli à Macolin a été échantillonné particulièrement souvent, car il abrite une surface d'essai.

Le test d'élution DIN a été utilisé pour déterminer le lessivage des matériaux utilisés dans les systèmes et surfaces de gazon synthétique [6, 7]. En outre, une série de 10 lixiviations avec le test d'élution standard et d'autres essais ont été réalisés à une température de +60 °C.

Pour les essais, une sélection représentative du marché de composants individuels (n = 24) pertinents en Suisse a été définie en collaboration avec les fabricants et les planificateurs. Il s'agit de onze tapis de gazon synthétique (six non remplis, cinq remplis), huit granulés de litière (quatre EPDM, un SBR, deux organiques) et cinq couches élastiques (tab. 3 et 4). Les couches élastiques sont composées de granulés SBR collés et d'un pad antichoc en PE/PET. Les produits sont utilisés sur des terrains remplis et non remplis et sont installés sur les installations étudiées.

 
Dans les eaux d'infiltration et les lixiviats, des paramètres sélectionnés tels que la valeur pH, la conductivité, la turbidité, le COD, la DCO ainsi que 19 éléments et 5 thiazoles ont été déterminés puis comparés avec les valeurs d'exigence spécifiques aux substances de l'ordonnance sur la protection des eaux (OEaux) ou avec des critères de qualité, par exemple ceux du Centre Ecotox. Pour des raisons de précaution, on a généralement fait appel au critère de qualité chronique (CQC), plus strict.

Il convient de noter que les valeurs d'exigence selon l'annexe 2 de l'OEaux ne s'appliquent pas directement à l'écoulement des précipitations, mais seulement après un mélange complet (surtout pour les eaux de surface). Pour déterminer si les eaux usées sont considérées comme polluées ou non lors de leur déversement dans un cours d'eau ou de leur infiltration, il faut donc toujours tenir compte de l'état du cours d'eau. Si les valeurs cibles sont déjà respectées dans les eaux d'infiltration, tout dépassement dans les eaux peut être exclu.

La sélection des substances a été effectuée après des analyses préliminaires approfondies de 8 matériaux et de 2 échantillons de lixiviats, qui ont pris en compte un éventail de paramètres beaucoup plus large:

• pH, conductivité électrique, saturation en oxygène, turbidité
• Carbone organique dissous (COD), demande chimique en oxygène (DCO)
• 21 éléments (dissous) comme l'aluminium, mercure et zinc
• 16 EPA-HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques)
• 6 phtalates comme le diéthylhexyl phtalate (DEHP) et le diisobutyl phtalate (DIBP)
• Bisphénol A et 4 dérivés
• 4 thiazoles comme le benzothiazole (BZT) et 2-mercaptobenzothiazole (MBT)
• 3 triazoles comme le benzotriazole, tolyltriazole

En outre, chaque échantillon de l'étude préliminaire a été analysé par screening LC-MS pour détecter d'autres micropolluants. Pour le screening non ciblé, un algorithme a été utilisé pour prendre en compte tous les pics supérieurs à une valeur seuil et ayant un temps de rétention de 3 à 20 minutes. Dans le screening des suspects, une liste de 24 substances a été examinée de manière approfondie. Ni le nonylphénol ni la 6PPD n'ont été détectés lors du screening.

Les principaux résultats des analyses sur le terrain et en laboratoire sont présentés ci-dessous [18]. Les sites et les produits sont anonymisés.

Qualité des eaux d'infiltration sur les terrains

En ce qui concerne les concentrations de COD, il n'y a pas de différences systématiques entre les terrains en gazon synthétique remplis et non remplis, ni entre les arrosages et les épisodes pluvieux (fig. 3). Dans 85% de tous les échantillons, les concentrations sont inférieures à 10 mg/l de COD. Cette valeur d'exigence pour le déversement d'eaux usées communales dans les eaux (OEaux, annexe 3.1, ch. 2, n° 3) est utilisée par certains cantons pour évaluer les eaux d'infiltration. A Macolin aussi, les concentrations de DOC sont nettement inférieures à cette valeur d'exigence sur l'ensemble de la période d'arrosage.

La plus forte concentration de DOC mesurée (68 mg/l) provient d'une place qui a été remplie de liège. Toutefois, le DOC peut également être influencé par d'autres sources, comme les résidus de végétation ou les édulcorants contenus dans les boissons pour sportifs. Par conséquent, le COD n'est pas suffisamment spécifique en tant que seul paramètre d'évaluation de la qualité des lixiviats et des besoins de traitement.

Les valeurs mesurées du COD et de la DCO sont corrélées. Pour la DCO, une concentration maximale de 64 mg/l (médiane 15 mg/l) a été déterminée.

La figure 4 présente la présence de zinc dissous dans les lixiviats, l'élément présentant les concentrations les plus élevées, en même temps que la valeur requise pour le zinc (5 µg/l, dissous) dans les eaux de surface après un mélange homogène des eaux usées déversées (OEaux, annexe 2, ch. 11, al. 3, n° 2). Environ 50% des échantillons présentent des concentrations de zinc élevées (jusqu'à un facteur 30 au maximum).

Les données indiquent que le zinc peut également être lessivé à partir de terrains plus anciens. En outre, les arrosages s'associent à des concentrations de zinc plus élevées dans l'eau d'infiltration, probablement aussi en raison du zinc présent dans l'eau d'arrosage. Sur la place non remplie de Macolin, les concentrations ne varient guère en fonction de la durée d'écoulement et se situent, avec environ 30 µg/l, dans une fourchette basse.

Parmi les thiazoles étudiés, seules la BZT et la MBT sont régulièrement détectables dans les eaux d'infiltration (fig. 4). On ne constate cependant pas de différence entre les sites remblayés et les sites non remblayés. Par conséquent, la couche élastique a une influence importante sur la présence des thiazoles. La concentration maximale de BZT (environ 60 µg/l) est environ 20 fois plus élevée que la concentration maximale de MBT. On peut supposer que le lessivage diminue avec le temps, étant donné que les deux substances sont présentes à des concentrations plus élevées dans des échantillons prélevés sur des sites relativement récents, c'est-à-dire de moins de trois ans, que sur des sites plus anciens. Cependant, sur le terrain en gazon non rempli et âgé d'un an à Macolin, seule la BZT a été détectée à une faible concentration de 2 à 10 µg/l, tandis que le MBT est même resté en dessous de la limite de quantification. Le type de produits utilisés est donc encore plus pertinent que l'âge des matériaux.

Il convient de noter la forte écotoxicité du MBT, avec un CQC de 4,1 µg/l et un critère de qualité aiguë (CQA) de 7,1 µg/l [20]. Le BZT est moins toxique que le MBT (CQC 240 µg/l, CQA 250 µg/l) [21]. Les critères de qualité n'ont été dépassés dans aucun échantillon de lixiviat.

Lixiviation dans le test de laboratoire

Les plus fortes concentrations de COD sont toujours présentes dans le premier échantillon et diminuent au fil des élutions pour atteindre moins de 10 mg/l de COD (fig. 5). Cette évolution des concentrations indique un fort lessivage initial. Les tensioactifs ou les huiles de filage issus de la fabrication pourraient en être responsables. Les granulés organiques (In_5, In_8) se comportent différemment, leurs concentrations étant 10 fois plus élevées que celles de tous les produits synthétiques. En outre, comme prévu, on observe que des concentrations plus élevées sont détectables à +60 °C.

Comme le montre l'évolution de la concentration en zinc sur trois lixiviats, la première valeur mesurée est souvent 10 fois plus élevée que la deuxième, qui représente le cinquième changement d'eau (fig. 6). Ensuite, les concentrations ne diminuent que très peu. Pour le liège, les concentrations sont élevées jusqu'au dixième éluat (In_5 de 600 à 800 µg/l). Il est remarquable que les concentrations augmentent avec le nombre de cycles de lixiviation pour le granulé In_4. Par rapport à la valeur requise pour les eaux de surface (5 µg/l de zinc, dissous après un large mélange des eaux usées déversées dans le cours d'eau), toutes les valeurs mesurées des trois granulés de litière (In_4, In_5, In_8) sont 100 fois supérieures, y compris un produit en liège (In_5). Pour les couches élastiques, trois produits sur cinq, dont quatre produits SBR, dépassent dix fois la valeur requise.

Les concentrations de zinc à +60 °C sont pour la plupart jusqu'à dix fois plus élevées qu'à +20 °C. Les concentrations élevées d'aluminium dans un granulé de liège étaient surprenantes. La BZT a été détectée dans la plupart des produits (limite de quantification de 1 µg/l), à l'exception d'un gazon, d'une couche élastique (pad) et des deux échantillons de liège (fig. 6). Les concentrations sont toutefois environ 100 fois plus faibles pour les tapis de gazon que pour les granulés et les couches élastiques, et le critère de qualité CQC n'a été dépassé dans aucun échantillon. En revanche, pour les granulés de litière synthétiques et les couches élastiques, les concentrations dépassaient le CQC dans environ 85% et 60% des échantillons. Au cours de la série d'élution, les concentrations diminuent toutefois nettement, de sorte qu'elles débouchent dans la zone du critère de qualité pour presque tous les granulés et couches élastiques.

Les résultats pour le MBT présentent une image similaire à celle du BZT, mais la fourchette des concentrations et les dépassements du critère de qualité sont plus marqués (fig. 6). Ainsi, pour tous les produits de gazon, les concentrations sont non seulement très faibles, mais majoritairement indétectables. Dans les couches élastiques, le MBT est clairement détectable, à l'exception du Shock-Pad, avec des dépassements du critère de qualité au maximum dix fois supérieurs.

C'est dans les lixiviats des granulés de litière que l'on trouve les concentrations les plus élevées, qui diminuent d'un facteur 10 sur l'évolution de dix lixiviats. Le critère de qualité est souvent dépassé jusqu'à environ 1000 fois. Le dépassement le plus élevé du MBT (10'000 fois) se trouve dans le premier lixiviat d'un granulé EPDM. Il existe cependant un granulé (In_1, EPDM Eco) qui ne présente qu'un dépassement de 10 fois et dans lequel, en outre, les concentrations de BZT sont très faibles.

Les résultats pour le BZT et le MBT montrent en général non seulement des concentrations plus élevées à +60 °C qu'à +20 °C, mais les concentrations de MBT sont parfois deux fois plus élevées.