Transfert de métaux au cours du vieillissement de dépôts de

Transfert de métaux au cours du
vieillissement de dépôts
p
de sédiments de
curage
Caroline Vansimaeys 1,2 et Philippe Bataillard 3
Sous action 2.3.
Comportements des éléments traces dans les sols et les sédiments mis en dépôt.
1
Univ Lille Nord de France, F-59000 Lille, France
EMDouai, MPE-GCE, F-59508 Douai, France
3 BRGM, Bureau de Recherches Géologiques et Minières, Service Environnement et procédés, 3, Avenue
Claude
Guillemin, BP 6009, 45060 Orléans Cedex 2, France
2
1
Interreg efface les frontières
Union européenne :
Fonds Européen de
Développement Régional
Introduction
Mise à terre de sédiments de curage :
Quelle quantité de métaux est susceptible
d’être transférée vers le compartiment
« eau » ?
2
Introduction
Matériels et méthodes Influence séchage Influence dépôt Simulation du vieillissement Changement d’échelle
Conclusion
1
Introduction
Transfert potentiel
des métaux
Phase
d ’oxydation des
sulfures
Temps de dépôt (année)
3
Introduction
Matériels et méthodes Influence séchage Influence dépôt Simulation du vieillissement Changement d’échelle
Conclusion
Introduction
Scénario d ’évolution du transfert potentiel des métaux en fonction du temps
Option 3
Transfert potentiel
des métaux
Option 1
Phase
d ’oxydation des
sulfures
Phase d ’alternances imposées par
les saisons
Option 2
Temps (année)
Introduction
Matériels et méthodes Influence séchage Influence dépôt Simulation du vieillissement Changement d’échelle
4
Conclusion
2
Introduction
Vieillissement du dépôt
Hypothèse « terrain » : variations saisonnières distribution métaux
Laboratoire : simulation vieillissement sédiment
Cycles humidification – séchage
Capacité de rétention d
du sédiment
Terrain : En parallèle suivi sur site de la distribution des ETM en fonction des saisons
5
Introduction
Matériels et méthodes Influence séchage Influence dépôt Simulation du vieillissement Changement d’échelle
Conclusion
Simulation du vieillissement : Les sédiments
Dépôt 10 ans
Courrières-les-Lens
Cd (mg.kg-1 MS)
Fe (mg.kg-1 MS)
Zn (mg.kg-1 MS)
Frais
Canal de la Scarpe
100 ± 1
20 512 ± 330
1 059 ± 11
57 ± 1
22 029 ± 287
2 077 ± 12
Granulométrie
Argiles (< 2 µm)
Limons fins (2/20 µm)
Limons grossiers (20/50 µm)
Sables fins (50/200 µm)
Sables grosiers (200/2000µm)
27.6
30.6
26.1
11.4
4.3
COT (%)
CaCO3 (%)
CEC (cmol.kg-1)
11.5 ± 0.2
16.6 ± 0.3
15.3 ± 0.2
24.9
33
15
8.3
18.8
8.3 ± 0.1
16.5 ± 0.3
18.5 ± 0.3
6
Simulation du vieillissement
Changement d’échelle
Conclusion
3
Simulation du vieillissement : Détermination de la spéciation
Extractions chimiques sélectives
Effets
Mécanismes
Fraction échangeable
Fraction « oxydes de fer »
Ca(NO3)2 0.01 M
Citrate-Bicarbonate-Dithionite
(CBD) procedure
(Mehra & Jackson, 1960; CCM)
Fraction acido-soluble
Acétate ammonium 1M
pH 5
Fraction « matière organique »
Na-pyrophosphate 0,1M
7
Introduction
Matériels et méthodes Mode de séchage Mode de dépôt Simulation du vieillissement Changement d’échelle
Conclusion
Simulation du vieillissement : Dispositif expérimental
8
Introduction
Matériels et méthodes Mode de séchage Mode de dépôt Simulation du vieillissement Changement d’échelle
Conclusion
4
Simulation du vieillissement : Paramétrage des cycles
Saturation
Drainage libre
Prélèvement
3 replicas
ep cas
T0
Analyse phase solide et liquide
séchage
séchage
80 % CR
20 % CR
Saturation
Drainage libre
Prélèvement
3 replicas
Fin CYCLE 1
Analyse phase solide et liquide
séchage
séchage
80 % CR
20 % CR
9
Introduction
Matériels et méthodes Mode de séchage Mode de dépôt Simulation du vieillissement Changement d’échelle
Conclusion
Simulation du vieillissement : Caractérisation et analyses
Fin de cycle
Sacrifice de 3
réplicas
Phase solide
Lixiviation
Extractions chimiques
q
sélectives
Phase liquide
Teneurs en majeurs et métaux
SO42-, PO43-, NO3Carbone organique, inorganique
Eh, pH, conductivité
10
Simulation du vieillissement
Changement d’échelle
Conclusion
5
Simulation du vieillissement : Résultats phase liquide
Eaux de saturation
Scarpe
10
Simulation laboratoire
8
Zn (mg.L-1)
6
Lallaing drainé
4
2
0
0
1
2
3
0,20
0,16
0,12
Cd (mg.L-1)
Résultats laboratoire et terrain
comparables
0,08
0,04
0,00
0
1
2
3
11
Simulation du vieillissement : Résultats phase liquide
Eaux de saturation
Courrières les Lens
Scarpe
Zn (mg.L-1)
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
0
1
2
0
3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Mobilisation
Cd (mg.L-1)
0,20
0,20
0,16
0,16
0,12
0,12
0,08
0,08
0,04
0,04
0,00
0,00
0
0
1
2
3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
6
Simulation du vieillissement : Résultats phase solide
Fraction échangeable
Courrières les Lens
Zn
% extrait / teneur totalle
Scarpe
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
% extrait / teneur totale
i
Cd
0
1
2
3
i
2,0
2,0
1,6
1,6
1,2
1,2
0,8
0,8
0,4
0,4
0,0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Mobilité
9
10
9
10
0,0
i
0
1
2
3
i
0
1
2
3
4
5
6
7
8
13
Simulation du vieillissement : Résultats phase solide
Fraction acido-soluble
Courrières les Lens
Scarpe
100
100
Zn
% extrait / teneur to
otale
Zn
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0
i
0
1
2
% extrait / teneur totale
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Risque
acidification
140
100
Cd
i
3
120
80
100
60
80
40
60
40
20
20
0
0
i
0
1
2
3
i
14
7
Simulation du vieillissement : Résultats phase solide
Fraction oxydes de fer
Courrières les Lens
Scarpe
Zn
% extrait / teneur totale
100
100
80
80
60
60
40
40
Rapide
20
20
Instable
Zn – oxydes
0
0
i
0
1
2
i
3
% extrait / teneur totale
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
100
100
Cd
0
80
80
Cd – oxydes
60
60
Lente
< LD
40
40
20
Stable
20
0
i
0
1
2
0
3
i
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
15
Simulation du vieillissement : Résultats phase solide
Fraction matière organique
Courrières les Lens
Zn
% extrait / teneur ttotale
Scarpe
100
100
80
80
60
60
Zn – MO
40
40
Rapide
20
20
Stable
0
0
i
0
1
2
3
Cd
% extrait / teneur totale
e
100
i
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
100
80
80
Cd – MO
60
60
Rapide
40
40
Instable
20
20
0
0
i
0
1
2
3
i
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
16
8
Simulation du vieillissement : Conclusion
Oxydes de fer
Matière organique
Matière organique
Oxydes de fer
17
Simulation du vieillissement : Conclusion
Essai de vieillissement au laboratoire avec suivi phases solide et
liquides
• Quand interviennent certains mécanismes au cours du temps de dépôt
• Quantité de métaux concernés
Outil pour la mise en place des dépôts
18
9
Principales caractéristiques des sites d’étude
Age
approx
du dépôt
année
Lallaing
9
Flers
10
Auby
30
St Ghislain
2
Courrières
10
Lallaing
6
témoin
pH
Cd
Cr
Cu
Fe
Mn
Ni
Pb
Zn
7,31
7,93
8,24
7,06
7,62
mg/kg
199
3
6
0
15
mg/kg
61
71
75
79
137
mg/kg
159
193
41
65
367
%
1,83
2,95
3,34
3,58
2,99
mg/kg
191
396
205
385
372
mg/kg
23
40
40
31
62
mg/kg
723
334
444
223
744
mg/kg
4385
1156
919
626
1481
315
77
177
2,07
223
25
1029
5965
F5 - Résidu
F4 - Oxydable
F3 - Reductible
F2 - Acido-soluble
F1 - Echangeable
Résultats extractions chimiques séquentielles
110
100
100
90
80
80
60
Fe /%
Zn /%
70
60
50
40
40
30
20
20
10
0
0
St-Ghislain
(2 ans) Lallaing T
(6 ans)
Lallaing
(9 ans)
Flers
(10 ans)
Courrières
(10 ans)
Auby
(30 ans)
St-Ghislain
(2 ans) Lallaing T
(6 ans)
Lallaing
(9 ans)
Flers
(10 ans)
Courrières
(10 ans)
Auby
(30 ans)
Pas de tendance en fonction de l’âge du dépôt
10
Recherche d’une tendance en fonction de la saison de prélèvement
Aperçu du site de Flers en été et
en hiver
Recherche d’une tendance en fonction de la saison de prélèvement
100%
100%
80%
80%
60%
60%
40%
40%
20%
20%
Zn
0%
Résidu
Lallaing témoin g
CULOT%
Zn extrait au
Lallaing témoin pyrophosphate
EXT%
0%
avr‐09
juil‐09 nov‐09 fev‐10
Echantillon de sédiment de
Lallaing attaqué
humide
avr‐09 juil‐09 nov‐09 Fev 10
Echantillon de sédiment de
Lallaing conservé et attaqué sec
(témoin)
Pas de tendance saisonnière mise en évidence
par ce réactif (à confirmer)
11
Recherche d’une tendance en fonction de la saison de prélèvement
Zn
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
avr‐09
juil‐09
nov‐09
fev‐10
Echantillon de sédiment de
Lallaing attaqué
humide
Lallaing témoin Résidu
CULOT%
Lallaing témoin Zn extrait au
EXT%
CBD
avr‐09
juil‐09
nov‐09
fev‐10
Echantillon de sédiment de
Lallaing conservé et attaqué sec
(témoin)
Pas de tendance saisonnière mise en évidence
par ce réactif (à confirmer)
Recherche d’une tendance en fonction de la saison de prélèvement
Congélation des échantillons sur site pour
préserver le redox
Lallaing
« sous
eau »
Echantillons
Sulfure/ g d'échantillon sec
µg/g
Lallaing (été)
Lallaing sous eau (été)
Lallaing (hiver)
Lallaing sous eau (hiver)
Courrières 1
Courrières 2
7,6
98,5
121
452
18,1
20,0
Lallaing
Variation saisonnière a priori concernant la teneur en AVS
(à confirmer)
12
25
26
13
27
Simulation du vieillissement: Les sédiments
Sédiment frais
Canal de la Scarpe
28
Introduction
Matériels et méthodes Influence séchage Influence dépôt Simulation du vieillissement Changement d’échelle
Conclusion
14
Simulation du vieillissement : Les sédiments
Dépôt 10 ans
Courrière-les-Lens
29
Simulation du vieillissement : Les sédiments
Site de dépôt expérimental
Lallaing
Drainé
Hydromorphe
50 m2
50 m2
Membrane imperméable
Buse
Bougies poreuses
30
15
Simulation du vieillissement : Résultats eaux de saturation sédiment frais
pH
SO42- (mg.L-1)
Eh (mV)
100
2000
9,0
50
1600
8,5
0
80
8,0
1200
-50
7,5
800
-100
7,0
-150
400
-200
0
0
1
2
3
6,5
6,0
0
1
2
3
0
1
2
3
Nombre de cycles
• Mise en solution sulfates
Oxydation
des sulfures
• Augmentation conductivité
• Acidification
31
Simulation du vieillissement
Changement d’échelle
Conclusion
Simulation du vieillissement : Résultats eaux de saturation sédiment frais
Cd (mg.L-1)
Zn (mg.L-1)
0,20
10
0,16
8
0,12
6
0,08
4
0,04
2
0,00
Mise en solution métaux
associés aux sulfures en conditions
anoxiques
0
0
1
2
3
0
1
2
3
32
Introduction
Matériels et méthodes Mode de séchage Mode de dépôt Simulation du vieillissement Changement d’échelle
Conclusion
16
Simulation du vieillissement : Résultats eaux de saturation sédiment frais
Cd (mg.L-1)
Zn (mg.L-1)
0,20
10
0,16
8
0,12
6
0,08
4
0,04
2
0,00
Mise en solution métaux
associés aux sulfures en conditions
anoxiques
0
0
1
2
3
0
1
2
3
Fe (mg.L-1)
0,10
0 08
0,08
0,06
Précipitation oxydes de fer
0,04
0,02
0,00
0
1
2
3
33
Introduction
Matériels et méthodes Mode de séchage Mode de dépôt Simulation du vieillissement Changement d’échelle
Conclusion
Simulation du vieillissement : Résultats eaux de saturation sédiment frais
Simulation laboratoire
Lallaing drainé
Résultats comparables à des observations en conditions de terrain
1 cycle = 1 an de dépôt
34
17
Simulation du vieillissement : Résultats phase solide sédiment frais
Cd
Zn
80
80
% extrait / teneur totale
100
% extrait / teneur totale
100
60
40
20
< LD
0
60
40
20
0
i
0
1
2
3
"Acido-soluble"
i
0
1
2
3
"Oxydes Fe"
i
0
1
2
3
i
"Matiere organique"
0
1
2
3
i
"Acido-soluble"
Cd – acido-soluble
0
1
2
3
i
"Oxydes Fe"
0
1
2
3
"Matiere organique"
Zn – acido-soluble
y
de fer < LD
Cd – oxydes
Zn – oxydes de fer
Cd – matière organique
Zn – matière organique
35
Simulation du vieillissement : Résultats phase solide sédiment frais
Zn
80
80
% extrait / teneur totale
100
60
40
20
60
40
20
< LD
0
0
i
0
1
2
3
"Acido-soluble"
i
0
1
2
"Oxydes Fe"
3
i
0
1
2
i
3
0
1
2
3
"Acido-soluble"
"Matiere organique"
i
0
1
2
3
"Oxydes Fe"
i
0
1
2
3
"Matiere organique"
100
Fraction « matière organique »
80
% extrait / tene
eur totale
% extrait / teneur totale
Cd
100
Simulation 3 cycles
60
Lallaing drainé
11 ans
40
20
0
Cd
Zn
36
18
Simulation du vieillissement : Résultats sédiment frais
100
Fraction « matière organique »
Simulation laboratoire
% extrait / teneur totale
Lallaing drainé
80
60
40
20
0
Cd
Simulation 3 cycles
Zn
Lallaing drainé -11 ans
Résultats laboratoire – terrain comparables
Validité du protocole mis en place
37
19