Evolution d un technosol issu d un procédé de réhabilitation de friche industrielle. Impacts sur la dynamique des polluants et la qualité des eaux

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Augustin Bouchard
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Evolution d un technosol issu d un procédé de réhabilitation de friche industrielle Impacts sur la dynamique des polluants et la qualité des eaux Geoffroy Séré Séminaire de l Ecole Doctorale RP2E 13

1 Evolution d un technosol issu d un procédé de réhabilitation de friche industrielle Impacts sur la dynamique des polluants et la qualité des eaux Geoffroy Séré Séminaire de l Ecole Doctorale RP2E 13 janvier 25 Cadre de la thèse σ Programme de recherche «Reconstitution de sol sur friche industrielle à l aide de déchets et produits dérivés» : Laboratoire Sols et Environnement (ENSAIA-INPL/INRA) Société «Traitement Valorisation Décontamination» (TVD) Convention CIFRE (ANRT) Programme s inscrivant dans les thématiques de recherche du Groupement d Intérêt Scientifique sur les Friches Industrielles (GISFI) Soutiens techniques et financiers : ADEME, Bail Industrie, EPFL 1

2 Contexte σ Reconstitution d écosystèmes sur des milieux fortement anthropisés/dégradés : Mise en place d un sol fonctionnel NOUVEL ECOSYSTEME réhabilitation par remplacement abandon? abandon? ECOSYSTEME D ORIGINE réhabilitation par restauration ECOSYSTEME DEGRADE Milieu de vie de la faune et de la flore Fondation pour des bâtiments, routes, ponts,... Contamination Source, réceptacle de pollutions Cycles d'éléments nutritifs SOL Cycle de l'eau Fonctions du sol Ancrage de racines Milieu de croissance et de développement de végétaux Fourniture d'aliments à certains animaux (oiseaux) Contexte σ Reconstitution d écosystèmes sur des milieux fortement anthropisés/dégradés : Mise en place d un sol fonctionnel σ Utilisation de déchets et sous-produits : voie alternative de valorisation et de retour au sol de Matières Organiques Exogènes intérêt économique et environnemental σ Caractéristiques des friches industrielles : fortes hétérogénéités conditions physico-chimiques extrêmes (fertilité basse, activités biologiques faibles, milieux filtrants ou scellés ) pollutions simples ou complexes, concentrées ou diffuses 2

Objectifs σ Ingénierie : validation du procédé selon plusieurs critères (végétalisation pérenne, cycle de l eau ) ; innocuité environnementale (impacts sur les différents compartiments de l

transport des solutés (éléments majeurs et traces)?

3 Objectifs σ Ingénierie : validation du procédé selon plusieurs critères (végétalisation pérenne, cycle de l eau ) ; innocuité environnementale (impacts sur les différents compartiments de l environnement : aquifères, biosphère, substrat en place) ; σ Scientifiques : compréhension et modélisation des mécanismes d évolution pédogénétique des technosols ; processus d altération et de transport des solutés (éléments majeurs et traces)?? Sol dégradé Reconstitution du profil Evolution des matériaux Matériels et Méthodes (1) σ Déchets et produits dérivés : compost de déchets verts sous-produit papetier terre industrielle traitée σ Analyses physico-chimiques : paramètres agronomiques : ph eau Teneur en argile Matière organique C/N CEC (cmol/kg) (g/kg) (g/kg) COMPOST 8, ,4 42,3 SOUS-PRODUIT 7, ,5 4,56 TERRE TRAITEE 8, ,4 97 6,7 teneurs en éléments en traces métalliques : Concentrations (en mg/kg) Cd Cu Pb Zn COMPOST <,5 6,4 64,1 287 SOUS-PRODUIT <,5 47,8 1,1 41,1 TERRE TRAITEE,89 37,

22 21 2 19 18 17 16 15 14 13 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 3 1 2 3 4 5 6 TD - File: sere-2.r AW - Type: 2Th/Th locked - Start: 3. - End: 64.5 - Step:.35 - Step time: 3. s - Temp.

4 TD - File: sere-2.r AW - Type: 2Th/Th locked - Start: 3. - End: Step:.35 - Step time: 3. s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 1 s - 2-Theta: 3. - Theta: Phi:. - Aux1:. - Aux2:. - Aux3:. O p erations : Im p ort 2-Theta - Scale (*) - C alcite, syn - CaCO3 - Y: 5. % - d x by: 1. - W L: Hexagonal (R h) - a b c alp ha 9. - beta 9. - gamma P rimitive - R-3c (167 ) I/Ic PDF 2. - S -Q (*) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 5. % - d x by: 1. - W L: Hexagonal - a b c alpha 9. - beta 9. - gam ma Prim itive - P3221 (154) I/Ic PDF S-Q 37. d= Matériels et Méthodes (2) σ Analyses minéralogiques : d=7.59 d=4.248 d=3.849 d=2.854 d=2.524 d=2.49 d=2.28 d=2.129 d=2.92 d=2.38 d=1.922 d=1.98 d=1.87 Lin (Cps) d=3.343 DRX ; 1 µm MEB-EDX ; mise en évidence des principales phases minéralogiques : compost : quartz, calcite, anorthite sous-produit papetier : calcite, kaolin, talc terre industrielle traitée : calcite, quartz, oxydes de fer, gypse Matériels et Méthodes (3) σ Modalités de reconstitution de sol : compost DV terre industrielle traitée,6 m compost DV mélange terre/sous-produit substrat en place Terre industrielle traitée substrat en place Mélange terre/sous-produit 4

5 Matériels et Méthodes (4) σ Expérimentations en conditions contrôlées technique de chromatographie éluto-frontale Solution d alimentation CaCl 2 1-3M Pompe piston (1 ml.h -1) Colonne garnie de matériaux Sonde ph Sonde conductivité Acquisition de données Collecteur de fractions + Analyses (ICP, CI) couplé à un suivi analytique : éléments majeurs (C.I.) éléments en traces (I.C.P.) Matériels et Méthodes (5) σ Expérimentations en conditions réelles in situ : mise en place de parcelles lysimétriques de grande taille : Modalité témoin Modalité sol reconstitué Observations pédologiques Mesure des paramètres météorologiques Prélèvements réguliers Évolution pédogénétique Bilan hydrique du système Analyse des percolats 5

6 Etude des mécanismes réactionnels (1) test en colonne sur le mélange terre/sous-produit : 1 ) échange d ions Concentration (en méq.l) ) dissolution de gypse (CaSO 4 ) Cl SO4 PO4 NO3 HCO3 Na NH4 K Mg Ca 3 ) dissolution de calcite (CaCO 3 ) 5 Concentration en méq.l) Cl Hauteur d'eau (en l.m²) SO4 PO4 NO3 1 HCO3 Na NH4 8 K Mg Ca 6 Concentration (en méq.l) 4 Cl SO4 PO4 NO3 HCO3 Na NH4 K Mg Ca Hauteur (en l/m²) terre industrielle traitée Hauteur d'eau (en l.m²) sous-produit papetier Etude des mécanismes réactionnels (2) σ Résultats / interprétations : les phases mineures sont soit totalement dissoutes (ex. du gypse), soit inaltérées (quartz, oxydes de fer) ; le processus dominant est la décarbonatation (dissolution de calcite) dont la cinétique est lente ; analogie avec les sols naturels : décarbonatation de sols / roches calcaires ; hypothèse : mobilisation limitée d éléments en traces métalliques ; 6

7 Dynamique des polluants (1) σ Expériences en colonne sur les matrices : évolution des concentrations en Zinc au cours du test de lixiviation 5 Boue Mélange 5 Terre 4 Compost Concentration (en ug/l) Volume de CaCl2 percolé (en l/m²) lixiviation significative des métaux présents dans le compost par dissolution / complexation avec la matière organique soluble ; très faible mobilisation des métaux présents dans le sous-produit papetier, la terre industrielle traitée et le mélange ; évolution des concentrations en Zinc dans les 2 profils en fonction de la pluviométrie 3 25 Dynamique des polluants (2) σ Expériences au terrain sur les profils : Pluvio pluviométrie témoin terre industrielle traitée sol reconstitue mélange terre/sous-produit 7 6 Hauteur d'eau (en l/m²) Concentration en ETM (en µg/l) 5 1 t les métaux sont globalement faiblement mobilisés, en accord avec les résultats obtenus au laboratoire ; les épisodes pluvieux (phases humectation/dessication) semblent contribuer au transport des métaux dans les profils ; t 6 mois 7

$des premiers stades de la pédogenèse de ce type de Technosol ; σ Dynamique des polluants : dans les premiers stades de la pédogenèse, une fraction limitée des métaux lourds peut être mobilisée$ (complexation, transport colloïdal?

8 Conclusions σ Evolution pédogénétique : le processus dominant est la décarbonatation ; analogie avec l évolution des matériaux calcaires naturels ; les essais de laboratoire permettent la simulation des premiers stades de la pédogenèse de ce type de Technosol ; σ Dynamique des polluants : dans les premiers stades de la pédogenèse, une fraction limitée des métaux lourds peut être mobilisée (complexation, transport colloïdal?) ; les résultats de laboratoire et de terrain concordent pour montrer que la lixiviation des éléments en traces métalliques est limitée ; Perspectives (1) σ Observations pédologiques : compost compost terre de désorption thermique mélange terre/boue Modalité terre industrielle traitée Modalité mélange terre/sous-produit début de structuration et de différenciation des profils de sol ; les mesures réalisées in situ mettent en évidence des conditions plus favorables dans la modalité mélange que dans la modalité terre industrielle traitée (porosité, ph/eh) 8

9 Perspectives (2) σ Interactions entre les expérimentations au laboratoire et les expérimentations au terrain : juxtaposition de plusieurs processus d évolution pédogénétique ; σ Validation du procédé : les premières observations sont positives quant à l efficacité du procédé (innocuité, bonne structuration du sol ) ; σ Exemple de valorisation de travaux de recherche dans le milieu industriel Remerciements LSE : C. Schwartz, S. Ouvrard, J.L. Morel B. Colin, S. Colin, A. Rakoto GISFI : N. Raoult LSGC : M.O. Simonnot ; LEM : I. Bihannic TVD : C. Payet, J.C. Renat Bail Industrie EPFL Ademe 9

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