Transfert de métaux au cours du vieillissement de dépôts de
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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