ECOLE DES MINES DE DOUAI BEKARI Mouloud ELGAZZAR Abderrahim MAJDOUB Tariq ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE OUTILS D AMENAGEMENT DES PORTS : GESTION GLOBALE DES SEDIMENTS MARINS (TOOLS FOR AMENAGEMENT OF HARBOURS: GLOBAL MANAGEMENT OF MARINE SEDIMENTS) Promotion 2010 Année scolaire : 2009-2010
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3 REMERCIEMENTS Nous tenons, au terme de ce travail, à remercier vivement monsieur Nor Edine ABRIAK, professeur et chef de laboratoire mécanique des sols et matériaux du département Génie Civil, qui a accepté d être notre parrain et qui nous a suivi et encadré au cours de cette étude, et monsieur Abdeljalil ZRI, doctorant au département Génie Civil, qui nous a accompagné tout au long de cette étude bibliographique, et nous a fourni tous les éléments, conseils et orientations nécessaires pour mener à terme notre étude. Nous tenons à remercier aussi l ensemble du personnel du centre de la documentation de l Ecole des Mines de Douai pour leur disponibilité et leur serviabilité.
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5 SOMMAIRE REMERCIEMENTS... 3 ABSTARCT... 9 INTRODUCTION... 11 I. GENERALITE SUR LE DRAGAGE... 13 1. Définition... 13 2. L intérêt de dragage... 13 3. Equipements du dragage portuaire... 13 4. Types de dragages... 17 5. Gestion des opérations de dragages... 18 6. Risques Environnementaux... 18 7. Les sédiments de dragage : définitions et origines... 20 8. Quantité et qualité des sédiments dragués en France... 20 9. Les étapes de déroulement d'une opération de dragage... 22 II. CARACTERISATION ET TRAITEMENT DES SEDIMENTS... 25 1. Caractéristiques physiques... 25 2. Caractéristiques minéralogiques... 26 3. Caractéristiques mécaniques... 27 4. Origine et Toxicité des éléments polluants... 28 5. Modalités d analyses des échantillons... 29 6. Traitement des sédiments... 30 A. Prétraitement... 31 B. Traitement biologique... 32 C. Traitement chimique... 33 D. Traitement thermique... 34 E. Traitement par immobilisation... 34 F. Traitement de l eau... 35
6 III. GESTION DES SEDIMENTS ET REGLEMENTATION... 37 1. REGLEMENTATION... 37 A. Procédures administratives pour le dragage... 37 B. Procédures administratives pour l immersion ou le dépôt à terre des sédiments... 38 C. Réglementation en matière d'extractions marines... 39 D. Cadre juridique et réglementation pour la gestion des sédiments... 39 2. Mode de gestion des sédiments... 44 A. Immersion... 44 B. Mise en dépôt... 45 C. Valorisation des sédiments de dragage... 48 CONCLUSION... 51 BIBLIOGRAPHIE... 55
7 RESUME Le dragage est une opération nécessaire pour maintenir l activité et la sécurité navale dans les structures portuaires. Cette opération génère des quantités importantes de matériaux, d où la nécessité d une réflexion pointue pour la gestion de ces matériaux qui fait appelle à des moyens humains et matériels considérables. Dans une perspective de développement durable, le traitement de ces sédiments doit tenir compte des exigences environnementales, réglementaires, techniques et économiques. Dans cette logique, la valorisation des sédiments de dragage s avère une solution convenable, et peut répondre à un besoin dans plusieurs domaines (agriculture, génie civil etc.). MOTS MATIERES Dragage Gestion Sediment Valorisation Traitement de sédiment Contaminent
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9 ABSTARCT The dredging is a necessary operation to maintain the activity and the naval security in harbour structures. This operation generates quantities important of materials, hence the necessity of a pointed reflection for the management of these materials which makes call to considerable human and materials means. In a perspective of sustainable development, the treatment of these sediments must be managed by taking into account environmental, statutory, techniques and economic requirements. In this logic, the valorization of dredging sediments proves an appropriate solution, and can answer to a need in several domains (farming, civil engineering...). KEYWORDS - Dredging - Valorization - Management - Treatment of sediment - Sediment - Contaminate
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11 INTRODUCTION L étude bibliographique entre nos mains constitue l un des outils offerts aux étudiants de l Ecole des Mines de Douai, pour développer chez eux les techniques de recherche et de réalisation de synthèse d informations autour d un sujet donné, et leur faire apprendre des fonctions d auteur et de producteur de documents, chose qu un ingénieur est amené à rencontrer dans sa future vie professionnelle. Cette étude met la lumière sur la problématique complexe de gestion des sédiments de dragage, à laquelle sont affrontés les responsables de la gestion des ports. Elle évoque en premier lieu, les différentes méthodes et types d opérations de dragage nécessaires pour maintenir l activité dans les structures portuaires, et garantir leur sécurité. En deuxième lieu, l étude traite la caractérisation des sédiments et les techniques de leur traitement, puis nous présentons les différents modes de gestion des sédiments ainsi que le cadre réglementaire régissant la gestion globale des sédiments. Enfin, nous présentons certaines filières de valorisation de sédiments qui s inscrivent dans la logique de développement durable. Ces sédiments peuvent constituer une source de matériaux utilisables dans plusieurs domaines qui connaissent une demande importante, face à la rareté des ressources terrestres naturelles.
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13 I. Généralité sur le dragage 1. Définition Le dragage est une technique qui consiste à enlever les boues du fond des ports marins. Les matériaux dragués sont généralement des matières transites par les forts courants de marées. Suite au phénomène de sédimentation, les boues peuvent atteindre plusieurs mètres par an, selon la situation de chaque port, d où la nécessité d un entretien permanent pour ne pas empêcher la navigation dans les ports. [2] 2. L intérêt de dragage Pour éviter l envasement des ports, le dragage est la solution adéquate pour remédier à ce problème. Dans cette optique, Le dragage à pour objectif principal d extraire et évacuer les matériaux de dragage, appelés sédiments, pour assurer le bon fonctionnement des ports et le maintien des activités portuaires. [2] 3. Equipements du dragage portuaire Les conditions écologiques, considérées aujourd hui très pénibles, ne permettent plus de draguer les ports sans tenir compte des conditions attentives envers l environnement. A cet effet plusieurs équipements de dragage ont été apparus dans les dix dernières années pour excaver les sédiments. Le choix des outils de dragage dépend de plusieurs paramètres, à savoir l épaisseur de la couche à excaver, l éloignement du site de dépôt, la qualité tolérée de solides en suspension, la qualité des matériaux dragués, la hauteur d eau dans les ports et la capacité de l installation de traitement. Les équipements de dragage des sédiments portuaires sont classés selon leurs méthodes d excavation et de fonctionnement. Les dragues sont généralement regroupées dans trois catégories principales: Les dragues mécaniques : Le principe de fonctionnement de ce type de drague se fait soit par action mécanique d un godet soit par une benne qui enlève les matériaux, elles sont employées en général pour l'extraction des sédiments graveleux. Il en existe plusieurs types : - Drague à godets
14 Figure 1:Drague à godets [15] Drague à pelle Figure 2: Drague à pelle [16] Drague rétrocaveuse ou ponton grue Drague excavatrice sur ponton à chargement frontal Drague à benne traînante ou dragline Drague à benne preneuse
15 Figure 3: Drague à benne [16] Les dragues hydrauliques : Le fonctionnement de ce type de dragues est basé sur le principe de la pompe centrifuge à eau. Ce sont les dragues les plus fréquemment utilisées dans le dragage des ports. Les dragues hydrauliques présentent l avantage de faible remise en suspension des sédiments et un rendement élevé par rapport aux autres dragues. On distingue trois familles de ce type de dragues : Aspiratrice stationnaire avec conduite de refoulement Figure 4: Aspiratrice stationnaire avec conduite de refoulement [16]
16 Aspiratrice en marche Figure 5: Aspiratrice en marche [16] Dragues fondables. Figure 6: Dragues fendables [15] Les dragues pneumatiques : Dans le cas d extraire des matériaux non cohérents et en circulation ainsi qu au traitement des sédiments contaminés, l utilisation des dragues pneumatiques semble convenable, car elle permet : Un refoulement continu des boues Un contact réduit entre l équipement et les sédiments contaminés Une remise en suspension minimum des sédiments
17 Figure 7: Système "JETSED" [15] La technique de dragage "jetsed" consiste à fluidiser le sol par application d'eau souspression ou d'air comprimé ; le sédiment est alors remis en suspension et peut être véhiculé par les courants. 4. Types de dragages A. Les dragages d entretiens Le dragage d entretien périodique a pour but d enlever les sédiments accumulés au fond des ports afin de conserver la profondeur nominale pour garantir la navigation. B. Les dragages d'approfondissement Ce type de dragage est le plus souvent utilisé lorsqu il s agit d'adapter le seuil de navigation à la taille des navires. Généralement, ces travaux nécessitent de déplacer des volumes importants de sédiments et demandent des moyens de dragage sophistiqués. C. Dragage lors de l'aménagement de nouvelles aires portuaires Ce type de dragage est principalement utilisé lors de la création des nouvelles aires portuaires, il a pour objet le déplacement des volumes importants de matériaux divers : roches, sables, terres, argiles, graviers ou vases. Afin que ces travaux de dragage se déroulent conformément aux réglementations qui gèrent ce type d activité, dans un cadre de respect de l environnement et le développement durable, une circulaire conjointe du Ministère de l'environnement et du Ministère de l'equipement, fixe les conditions de prélèvement et d'analyse des déblais de dragage. Ces analyses permettent d'évaluer la qualité des matériaux afin d'en déterminer leur devenir : immersion, dépôt à terre ou traitement et valorisation.
18 Le tableau ci-après illustre les concentrations en contaminants dans les sédiments dragués de 1986 à 1993 sur le littoral français. mg.kg -1 Manche/Mer du Nord Atlantique Méditerranée Mercure 0,15-1,45 0,05-0,19 1,16-2,51 Cadmium 0,5-0,95 0,27-0,64 1,0-1,25 Arsenic 3,9-13,8 4,4-28,7 10,4-11,2 Plomb 36 59 41-75 93-357 Chrome 38 65 37-75 56-74 Cuivre 18 35 10-53 107-745 Zinc 105 175 180-60 274-506 Nickel 12 17 6-39 25 PCB 0,01-0,14 0,005-0,1 0,1-0,81 Tableau 1: Concentrations en contaminants dans les matériaux dragués de 1986 à 1993. Valeurs minimales et maximales des médianes annuelles (source Géode).[15] 5. Gestion des opérations de dragages La gestion des opérations de dragages portuaires nécessite une parfaite planification qui se base sur la connaissance du site de dragage ainsi que sur la maîtrise des moyens humains et matériels dans l objectif de réaliser un projet bien maîtrisé du point de vue économique et environnemental. En effet, le transport des sédiments du site de dragage au site de stockage ou de confinement est un facteur ayant des répercussions sur le coût global du projet. Les quantités de matériaux à excaver, la distance séparant le site de dragage et le lieu de la mise en dépôt, la contrainte temps et l impact du dragage sur l environnement sont la base du choix des équipements de dragage. 6. Risques Environnementaux Les sédiments de dragage non contaminés ou traités : ils ne représentent aucun risque sur l environnement, leur rejet ou leur mise en dépôt n exigent pas de prise de mesures particulières en amont. Ils sont généralement réutilisés dans plusieurs domaines comme le
19 BTP, l agriculture ou bien dans le rechargement des plages en cours d'érosion. Parfois le rejet en eau libre est économiquement plus rentable que la mise en dépôt, mais à condition que le choix de la zone de rejet doit se faire de manière à ne présenter aucun danger pour la faune et la flore. Les sédiments contaminés : ils représentent un danger sur l environnement à cause de leurs taux de contamination, qui dépassent le seuil fixé par la réglementation, d où la nécessité de procéder à un traitement avant toute éventuelle réutilisation ou mise en dépôt. Le traitement de ces sédiments coûte cher, la mise en dépôt reste la meilleure solution pour minimiser les impacts sur l environnement. En revanche le rejet direct sans traitement aura certainement des effets négatifs sur la qualité des eaux et sur les organismes vivants ; la faune et la flore. Ces effets peuvent atteindre l être humain en s introduisant dans la chaine alimentaire.[13] Les sédiments de dragage peuvent contenir des substances dangereuses. Le tableau ci-après illustre la classification européenne du 17 Mai 2005 des sédiments contaminés, ce sont les valeurs limites, en métaux lourds, à partir desquelles les sédiments sont considérés comme dangereux.[17] en mg/kg matières sèches FRANCE GEODE (*) PAYS-BAS FLANDRE KLASSE 4 BELGIQUE B. WALLONIE ITALIE VENISE (*) As 50.00 173.8 50.0 50 Cd 2.40 6.0 6.0 20 Cr 180.00 268.6 200.0 500 Hg 0.80 0.8 1.5 10 Cu 90.00 126.4 150.0 400 Ni 74.00 173.8 75.0 150 Pb 200.00 221.2 250.0 500 Zn 552.00 1058.6 1200.0 3000 Tableau 2: La classification européenne du 17 Mai 2005 des sédiments contaminés [17] (*) Sédiment marins (portuaire)
7. Les sédiments de dragage : définitions et origines 20 D après le dictionnaire de géologie [19], les sédiments, souvent appelés vases, sont définis comme «un ensemble constitué par la réunion de particules plus ou moins grosses ou de matières précipitées ayant, séparément, subi un certain transport». La sédimentation désigne l'ensemble des processus par lesquels ces particules organiques ou minérales en suspension et en transit cessent de se déplacer. La sédimentation est un phénomène naturel qui, à long terme, conduit à l envasement des ports. L origine de la matière qui se dépose est soit naturelle soit des rejets industriels ou urbains qui peuvent contenir de nombreuses toxines organiques ou inorganiques. Les sédiments peuvent être classés selon leur provenance, ainsi on peut distinguer deux origines quant à la provenance des particules sédimentaires [19] : - Origine endogène : Les particules sont directement formées dans le milieu où elles vont se déposer. On peut prendre pour exemple les particules dues à la décomposition des plantes aquatiques ou des cadavres d animaux. - Origine exogène : il s agit des particules qui sont issues du ruissellement des eaux ou transportées par le vent. Elles peuvent être d origine naturelle ou anthropique. Elles proviennent en grande partie de l érosion des sols, mais aussi de la décomposition de matières organiques, ou encore du transport de polluants dû à l activité humaine. 8. Quantité et qualité des sédiments dragués en France a. Quantité des sédiments en France En France, Chaque année près de 50 millions de tonnes de sédiments sont dragués pour l entretien des ports et des cours d eaux, sans tenir compte des volumes, aussi très importants, des déblais pour l exécution des travaux neufs, lors de la réalisation des nouvelles plates - formes portuaires. On note, par exemple, dans la région Nord Pas de Calais qui a connu un développement industriel considérable au vingtième siècle, que les sédiments provenant des ports de cette région présentent des teneurs en matériaux lourds et/ou en matières organiques élevés. En conséquence, les filières d élimination classiques telles que l épandage ou le stockage sont interdites avant de procéder au traitement pour élimination des polluants. Une fois traités, tous modes de valorisation des sédiments peuvent être envisagés, à savoir en matériaux du Génie Civil, en agriculture etc. La carte ci après distingue les ports d estuaires et les ports maritimes. Les principaux ports d estuaires : Rouen, Nantes, Saint Nazaire et Bordeaux génèrent environ 15 millions de tonnes de sédiments par an. La plus grande partie des volumes de sédiments proviennent de ces grands ports.
21 Tandis que les principaux ports maritimes sont : Dunkerque, Calais, Boulogne, Le Havre et La Rochelle. Un volume d environ 4 millions de tonnes de sédiments dragués est issu de ces ports. Reste à noter que l entretien du port autonome de Marseille génère des quantités moindres de sédiments. [14] Figure 8 : Quantité de sédiments drainés dans les différents ports français [10] b. Qualité des sédiments en France De point de vue économique, Le relargage en mer était souvent la réponse à la question du devenir des sédiments, mais avant de procéder à ce mode d élimination, une analyse rigoureuse et sérieuse doit être réalisée sur les sédiments. La circulaire conjointe du Ministère chargé de l Environnement et du Ministère chargé de l Équipement du 24 mars 1988 fixe les conditions de prélèvement et d analyse des matériaux issus du dragage. En fonction des volumes excavés, une analyse systématique doit être effectuée sur les sédiments dragués dans les ports. Cette analyse a pour finalité de définir un certain ensemble de paramètres tels que la granulométrie, la teneur en aluminium, la teneur en matière
22 organique, la concentration des polluants organiques ou inorganiques qui permet de déterminer la qualité des sédiments afin de prononcer sur leur devenir : immersion, rechargement de plage, dépôt à terre, traitement...etc. [10]. 9. Les étapes de déroulement d'une opération de dragage Figure 9: Les étapes de déroulements d'une opération de dragage [16] Étape 1 : l'initiation du projet C est une étape d information, dans laquelle le Maître d'ouvrage met au courant la Préfecture de son souhait d' effectuer un projet de dragage ainsi que les objectifs attendus de ce projet. En réponse à ce souhait, la Préfecture transmet, pour prise en compte, au Maître d'ouvrage ses remarques relevées lors de l examen de son projet. A la fin des codes d'accès à la base de données SRD29 sont remis par la Préfecture au maitre d ouvrage.
23 Étape 2 : les investigations de terrain et l'information des services de l'etat et du public Le Maître d'ouvrage engage un bureau d études environnementales qui sera chargé des enquêtes sur le lieu de dragage et d effectuer les analyses nécessaires sur les sédiments, dont l objectif de connaître les difficultés du projet afin de mener bien ce dernier. Aussi ces études permettent en quelque sorte de définir les impacts du projet sur l environnement. Après avoir achevé l étude environnementale, le maître d ouvrage fait appel aux services de l Etat pour faire le point et leur informer de l ensemble des difficultés qu'il peut rencontrer durant cette opération de dragage ainsi que les différentes étapes du projet indispensables après dépôt du dossier d'instruction. Le public aussi n est pas négligé dans cette opération, il est informé par le maître d ouvrage par des communiqués ou des réunions publiques. A l issue de cette initiative, le public est au courant de tous les détails jugés par le maître d ouvrage utiles à l éclaircissement de son opinion sur le projet. Étape 3 : le lancement des études A l issue de l étape 2 le Maître d'ouvrage procède à la passation des marchés avec un Maître d'œuvre et un Bureau d'étude d'impact. Le cahier des charges doit tenir compte du devenir des sédiments de dragages, en effet le devenir des sédiments est la préoccupation d un tel projet de dragage. Le Maître d'œuvre est chargé principalement de l ensemble du projet technique et le Bureau d'étude d'impact est chargé d'évaluer l'impact environnemental des solutions explorées par le Maître d'œuvre. Étape 4 : l'étude des variantes La nature des matériaux à extraire, les enjeux exprimés par le public et les services de l Etat, et selon information émise par les bureaux d'études, le maître d'ouvrage notifie aux assistants 2 à 4 variantes à étudier avec au moins une solution de gestion à terre. Le Maître d'œuvre étudie les solutions qui lui sont transmises à un stade Avant-projet. Des prélèvements complémentaires de sédiments peuvent s'avérer nécessaires en cours d'étude afin de mieux délimiter les contaminations. Le Bureau d'étude d'impact évalue les impacts pour chacune des solutions en préconisant éventuellement des mesures visant à améliorer leur acceptabilité.
24 Étape 5 : présentation des études et concertation Le Maître d'ouvrage étudie les résultats des études menées conjointement par le maître d'œuvre et le Bureau d'étude d'impact puis les présente aux services de l Etat et au public, pour les informer de l'avancement des réflexions et recueillir les éléments complémentaires qui pourraient contribuer à finaliser son choix de solution. Étape 6 : le choix du Maître d'ouvrage Le Maître d ouvrage achève avec ses assistants techniques l'analyse selon les différents critères et choisit en la motivant la solution qu il considère la meilleure, compte tenu de l analyse et de la concertation. La solution finalement retenue pouvant d'ailleurs être l'association de certaines dispositions d'avant-projets distincts. Le Maître d ouvrage fait finaliser le projet et l étude d impact, dépose le dossier d'instruction puis informe le public de son choix. La démarche doit être engagée dès le début sur la problématique du devenir des déblais. Le Maître d'ouvrage doit tenir son rôle d'animateur de la concertation et de décisionnaire. Les services de l'etat doivent être claires en exprimant tous les enjeux qu'ils perçoivent. La réussite du projet tient dans : l'appui d'un maître d'œuvre et d'un bureau d'étude centrés sur leurs compétences distinctes et complémentaires la concertation avec le public la lisibilité de la démarche et la motivation des choix.
25 II. Caractérisation et traitement des sédiments La caractérisation qualitative et quantitative des sédiments (structure, propriétés physico-chimiques) est une opération indispensable pour l orientation du choix de la méthodologie et des outils à mettre en œuvre pour leur éventuel traitement et par suite la détermination de leur destination finale (réutilisation ou dépôt etc. ). 1. Caractéristiques physiques Cette caractérisation physique concerne la teneur en eau, et en matières organiques, limites d Atterberg et l analyse granulométriques. La détermination des propriétés physiques des sédiments permet d aboutir à une classification utile pour les valorisations dédiées aux matériaux routiers ou en construction. Ces paramètres physiques et les propriétés chimiques sont des facteurs déterminants de tout programme de dragage, de transport et la mise en dépôt de matériaux de dragage, leur connaissance préalable est donc indispensable. Ces sédiments sont constitués en grande partie des fines particules minérales avec quelques petits éléments de roche auxquelles sont mélangés des débris d origine végétale et animale ; Les particules proviennent de l érosion des roches ou des sols et de leur transport sous des effets hydrodynamiques, ainsi que des rejets locaux dus à l activité humaine. On retrouve ainsi dans la matrice sédimentaire des matériaux d origine industrielle, domestique ou agricole dans des quantités variables. Les sédiments sont donc constitués de phase minérale, organique et liquide. Les paramètres physiques les plus importants dans une étude des sédiments sont résumés dans le tableau ci-dessous, bien évidemment ces informations sont utiles pour la classification des matériaux de dragage. [2]
26 PARAMETRES Teneur en eau géotechnique Siccité Porosité Indice des vides Degré de saturation Concentration solide Masse volumique totale humide Masse volumique sèche Densité de l échantillon par rapport à l eau pure Indice de plasticité DEFINITIONS = masse d eau / masse solide = 100 x masse solide/ masse totale n= volume des vides (eau+gaz) / volume totale e= volume des vides/ volume solide Sr= 100 x volume de l eau/ volume des vides Cs(kg/m3)= masse solide/ volume total ρ h = (kg/m3)= masse totale/ volume total ρ d = (kg/m3)= masse sèche/ volume sec de= ρ h / ρ w = masse volumique totale humide/ masse volumique de l eau pure Ip= Wl Wp Tableau 3: Paramètres physiques importants [2] 2. Caractéristiques minéralogiques La minéralogie c est l étude scientifique des minéraux, y compris leur formation, leur structure, ainsi que leurs caractéristiques physiques et chimiques. L analyse des minéraux présents dans les sédiments permet de mieux connaître le matériau, ces différents composés, sa pollution d identifier les minéraux susceptibles d engendrer des problèmes pour la valorisation. L identification minéralogique s effectue de différentes manières : observation à la loupe binoculaire diffractométrie aux rayons X (DRX) fluorescence aux rayons X (FX) ou microscope électronique à balayage (MEB) Les principaux éléments constituants les sédiments sont le quartz (SiO2), les feldspaths (K, NaAlSi3O8) et les minéraux argileux.
27 Ces composés inorganiques sont le produit de l érosion des roches et des sols du bassin versant, de particules de roche et d argile ainsi que de composés minéraux tels (FeOOH, SiO2 et CaCO3) introduit dans l eau ou qui sont formés par précipitation de composés dissous. Les autres éléments présents en masse tels, l aluminium et le fer, sont considérés de source géologique et dénués d apports d origine humaine.[2] 3. Caractéristiques mécaniques Les caractéristiques mécaniques dépendent de la distribution granulométrique, mais aussi de la teneur en eau de leur structure et de la composition minéralogique, elles sont donc indissociables des caractéristiques physiques. Il s agit donc de la consolidation, la perméabilité, la rhéologie et la cohésion, pour mesurer ces caractéristiques, plusieurs essais doivent être réalisés tels (mesure de comportement mécanique sous compression unidimensionnel à travers la réalisation de l essai oedométriques par chargement par palier selon la norme XP X 94-090-1, mesure de résistance au cisaillement à travers les essais de scissomètre selon la norme NF P-94-072 et l essai à la boite de Casagrande ) Consolidation : on étudie la consolidation pour connaître l évolution des sédiments en site de stockage, aussi pour évaluer les capacités du matériaux à recevoir des charges, et pour connaître le tassement en fin de consolidation et l évolution dans le temps de la hauteur du dépôt. Perméabilité : elle permet de connaître les propriétés de filtration et de drainage des matériaux de dragages. La perméabilité des sédiments varie au cours de processus de consolidation selon les modalités de mise en dépôt à terre ou sous l eau. Rhéologie : on peut s intéresser à d autres paramètres mécaniques la rhéologie, elle est définie comme étant l étude des écoulements des fluides. la viscosité est la mesure du frottement fluide. En sédimentologie, ces études rhéologiques portent principalement sur la définition de la viscosité et de la rigidité initiale, on détermine à l aide d un viscosimètre trois paramètres [2] : La rigidité initiale La viscosité dynamique relative La viscosité dynamique absolue
28 4. Origine et Toxicité des éléments polluants Les sédiments marins, en particulier la fraction fine, peuvent contenir des contaminants qui peuvent être d origine minéralogique, organique ou biologique. La présence de ces contaminants est susceptible d influencer les impacts d une opération de dragage. Grâce aux recherches scientifiques menées sur le sujet de toxicité des sédiments, on a pu dresser la liste ci-dessous, contenant les principaux éléments toxiques les plus fréquemment rencontrés dans les sédiments, leur origine et leurs effets nocifs sur le milieu. CONTAMINANT SOURCE TOXICITE Arsenic (As) Cadmium (Cd) Chrome (Cr) Cuivre (Cu) Mercure (Hg) Nickel (Ni) Plomb (Pb) Zinc (Zn) CONTAMINANTS METALLIQUES Combustion du charbon, émissions atmosphériques industrielles Emissions atmosphériques par activités métallurgiques et incinération des déchets Industries métallurgiques ou chimiques Véhiculées par les fleuves Industries électriques, véhiculées par les fleuves Matière active des peintures marines antisalissure (Cu2O) Incinération du charbon / des déchets Traitement des minerais non ferreux Piles et batteries Combustion d énergies fossiles Production de métaux non ferreux Carburants Combustions de déchets Peintures anticorrosion / Industries métallurgiques Combustion du charbon et du bois Accumulé par les micro-algues, poissons, mollusques. Toxicité sur consommateur humain non définie Bio-accumulation dans la chaîne alimentaire Toxique pour le consommateur humain Anomalie du développement larvaire des bivalves Inhibition de croissance du phytoplancton Forte bio-accumulation et danger pour le consommateur humain Anomalies de développement larvaire Bio-accumulation. Anomalies de développement des bivalves Toxicité relative Polychlorobiphényles (PCB) Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) Le Tributylétain (TBT) CONTAMINANTS ORGANIQUES Transformateurs électriques, Peintures, encres, apprêts Combustion de charbon et pétroles Pertes lors du transport de ces matières Re-largué par les peintures antisalissures des navires de plus de 25 m, interdite pour les navires <25 m (remplacés par peintures au Cu) Bio-accumulés, Effets cancérigènes Effets cancérogènes et mutagènes Très toxiques pour les mollusques (stérilisation des femelles) à des concentrations faibles. Imposex audelà de 1 ng /l et anomalies de la calcification de l huître creuse audelà de 2 ng/l. Tableau 3 : Inventaires des principales sources de polluants et écotoxicité [6] La partie grossière du matériau (sable et limons grossiers) présente une faible attraction pour les métaux lourds, en effet les contaminants métalliques (cationiques), et aussi la matière
29 organique, trouvent refuge dans la partie fine des sédiments de charge négative (argile et complexes organo-métalliques). Le tableau ci-dessous résume les effets des variations des différents paramètres du milieu sur les caractéristiques des principaux polluants métalliques présents dans les vases: Forme métallique Toxicité +++ Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn Il existe principalement 5 formes : Echangeable, lié aux carbonates, lié aux oxydes de Fe et Mn, lié à la matière organique résiduelle +++ (Cr6+) + ++++ (CH3- Hg) + ++ + Effets du ph Augmentation de T Oxydation Réduction Augmentation de la Salinité Mobilité dans l'eau +++ En général, les cations sont remis en solution par compétitivité H+ / cation (sauf Cd et Hg) lors des abaissements de ph. Les phénomènes de dragages peuvent conduire à l oxydation des sulfures des vases en acide sulfurique et à une chute du ph. Augmentation de la bio-accumulation Précipitation Dissolution Augmentation de la compétitivité entre les métaux et les ions Na et K ++++ (Cr6+) + + 0 0 ++ Tableau 4: Caractéristiques et comportement des principaux métaux retrouvés dans les sédiments.[6]. Légende : 0 nul ; + faible ; ++ moyenne ; +++ forte ; ++++ très forte 5. Modalités d analyses des échantillons Vu leur importance, des textes de loi ont été élaborés pour fixer les modalités de prélèvements, d analyses et d interprétation de la toxicité des sédiments. La circulaire ministérielle de juin 2000, relative aux méthodes de prélèvements et d analyses de sédiments, indique les paramètres à analyser obligatoirement pour un certain nombre de contaminants, afin de déterminer leurs degrés de danger sur l environnement. Cette liste est détaillée ci-dessous : Analyses physiques : Granulométrie : proportions d argiles, limons, sables et sables grossiers Densité ou masse volumique, Teneur en eau ou mesure de la siccité,
Matière organique 30 Sels nutritifs : azote et phosphore total... Analyses chimiques : Métaux lourds : o Cu, Pb, As, Ni, Zn, Cr, Cd, Hg Polychlorobiphényls (PCB) : 7 : o PCB28, PCB52, PCB101, PCB118, PCB138, PCB153, PCB 180 Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques : 16 HAP o Anthracène, Naphtalène, Acénaphtylène, Acénaphtène, Fluorène, Pyrène, o Benzo(a)anthracène, Chrysène, Benzo(b)fluoranthène, Benzo(k)fluoranthène, o Benzo(a)pyrène, Dibenzo(ah)anthracène, Benzo(ghi)pérylène, Indéno (123- cd)pyrène, Phénanthrène, Fluoranthène TriButylEtain (TBT) et dérivés (DBT, MBT) Analyses bactériologiques : o E.Coli / Coliformes fécaux L analyse pour la détermination de la teneur et des caractéristiques des contaminants susceptibles d être présents aux sédiments de dragage, doit être réalisée avec précision, car les opérations ultérieures (traitement et gestion du sédiment) sont fondées sur les résultats de cette analyse, qui à son tour dépend du soin porté à l opération de prélèvement des échantillons à analyser.[6] 6. Traitement des sédiments Les contraintes réglementaires concernant la gestion des sédiments de dragage visent la protection de l environnement, surtout que la pollution ne cesse d augmenter et de menacer sérieusement les écosystèmes. Avant toute opération de valorisation des sédiments, ces derniers doivent être analysés pour déterminer leur degré de contamination, et subir, si c est nécessaire, un traitement, pour être enfin prêts à leur destination finale. Le traitement des sédiments pollués nécessite, généralement, une combinaison de techniques, car chacune d entre elle ne peut traiter que partiellement la pollution, vu la complexité et la diversité des contaminants présents aux sédiments. Ces contaminants sont liés majoritairement à la fraction fine de ces matériaux (limon et argile). Ce traitement peut être effectué selon l une des façons suivantes :
31 destruction de la charge polluante extraction de la charge polluante immobilisation ou neutralisation de la charge polluante Le mode de traitement à mettre en œuvre dépend, généralement, de la quantité des sédiments, de la nature de pollution, du but attendu de dépollution et l utilisation du matériau traité, des conditions réglementaires et économiques. Les techniques de traitement sont assez nombreuses, et peuvent être regroupées en cinq classes, dépendantes de leurs principes de fonctionnement : Prétraitement Traitement biologique Traitement physico-chimique Traitement thermique Traitement par immobilisation Les eaux extraites des sédiments de dragage peuvent contenir une bonne partie des polluants, elles doivent aussi faire l objet d un traitement avant leur rejet. [2] [4] [8] A. Prétraitement Le prétraitement est une phase pour préparer le matériau au(x) traitement(s) approprié(s), il peut servir aussi à la séparation des sédiments et détritus ou leur déshydratation. Il permet de réduire le coût des traitements ultérieurs par la minimisation de la partie à mettre en dépôt et maximisation de quantité des sédiments valorisables. Parmi les principaux types de prétraitement on cite : La déshydratation : s effectue pour diminuer la teneur en eau des sédiments, par dépôt en aires d assèchement, par évaporation, par centrifugation ou par filtration. Le procédé adopté dépend de l utilisation ultérieure. Le séchage et évaporation : le séchage se réalise à l air en étuve ventilé à une température inférieure à 40 C, par voie chimique ou par lyophilisation. Certaines matières, comme les pesticides, sont thermolabiles ; elles se décomposent on chauffant le matériau.
32 Le criblage : se fait à l aide de crible à tambour, séparateurs magnétiques ou rotatifs ou écrémeurs. Il a pour objectif d éliminer les débris ou détritus qui peuvent perturber le cycle de traitement. La séparation par densité : l utilisation de matières chimiques moussantes et de l air permet aux particules polluantes d adhérer à la mousse flottante, et par suite séparer les contaminants des sédiments. La séparation magnétique : s effectue en adoptant les techniques de séparation magnétique ou électrostatique. Elle est utilisée surtout dans des situations particulières telles que les affinités entre les métaux et les oxydes de fer car si la pollution est diversifiée, l adoption de cette méthode est limitée. Le cyclonage : c est une opération qui consiste à la séparation de la fraction fine de la fraction grossière d un matériau par un effet vortex, en utilisant un tube conique, appelé hydrocyclone. L attrition : c est un procédé qui utilise les forces de frottement entre grains au moyen d une agitation pour séparer les polluants des grains de matériau. [2] [4] B. Traitement biologique Il consiste à introduire des micro-organismes (bactéries, champignons, ou enzymes) capables de détruire et/ou extraire les micro-polluants organiques ou d accélérer le processus de la décomposition naturelle des contaminants organiques. Ces micro-organismes affaiblissent les liaisons chimiques des PCB, des contaminants organiques, HAP ou pesticides, et les transforment en matières moins nocives, comme dioxyde de carbone, méthane, sels inorganique etc. Ce procédé nécessite des conditions de température, d aération et de nutrition favorables à l activité des micro-organismes. Parmi les principales méthodes de traitement biologique on peut citer: Epandage Compostage Bioréacteur Bioventilation Biodégradation Biofixation A signaler qu en traitements biologiques, on peut utiliser les plantes et les microorganismes, ces derniers peuvent traiter des contaminants organiques et/ou inorganiques,
33 sachant que les mécanismes de fonctionnement sont différents; dans le cas de contaminants organiques il s agit d une dégradation, alors que dans le cas de contaminants inorganiques il s agit d une solubilisation puis lixiviation des contaminants. Souvent on utilise les plantes pour le traitement des métaux lourds, c est une méthode qu on peut mettre en œuvre in situ, mais on risque de contaminer la chaine alimentaire. [1] [4] [11] C. Traitement chimique Ces traitements sont fondés sur des lois et principes des interactions physico-chimiques telles que l adsorption/désorption, oxydo-réduction, échange ionique ou l adaptation du PH pour détruire, fixer ou transformer les matières toxiques. Il existe deux groupes de techniques de traitement chimique : Les techniques fondées sur l extraction des polluants Les techniques visant la destruction ou l altération des contaminants. Les techniques de traitement par extraction se diffèrent selon qu il s agit d un contaminant organique ou métaux lourds. Cette distinction donne lieu à trois grandes familles de techniques de traitements chimiques: Extraction des métaux : l ajout d acide, ou l introduction de micro-organismes capables de le produire, permet la réduction de la concentration en métaux lourds. La présence d un ou deux métaux montre clairement l efficacité des techniques de cette famille, elles sont réservées aux sites gravement pollués, car leur coût reste élevé. Extraction des matières organiques : Les polluants organiques, présents dans les sédiments, sont extraits par l action de solvants organique utilisés pour le lessivage. Cette méthode est lente et coûteuse ce qui limite son utilisation. Destruction des substances organiques : Cette technique visant la destruction des matières organiques présentes dans les sédiments, utilise des agents très oxydants, comme l eau oxygénée, l ozone ou l air liquide. Mais ces agents ne s attaquent pas seulement aux polluants organiques, ce qui donne lieu à l oxydation inutile d autres matières organiques naturelles. L une des techniques de traitements chimiques, les plus importantes, en cours de développement, consiste à introduire des micro-organismes producteurs de l acide sulfurique capable d absorber les contaminants organiques, s avère particulièrement prometteuse pour tous les métaux sauf le plomb. [1] [2]
34 D. Traitement thermique C est un procédé efficace mais coûteux, Il permet la destruction des polluants par chauffage grâce à des températures élevées provoquant la combustion et la destruction des contaminants. Les principales méthodes sont : Désorption : Grâce à la chaleur (entre 550 et 600 C) les cont aminants organiques sont volatilisés et récupérés par condensation sous forme huileuse facilement récupérable. C est une méthode très efficace, elle peut atteindre 99% pour les PCB et HAP. Des contaminants métalliques comme le mercure, l arsenic ou le cadmium sont volatilisés à une température de 800 C, d autres métaux nécessitent d autres méthodes de traitement. Incinération : Cette méthode est aussi très efficace par oxydation à haute température (800-1200 C), une partie des métaux lou rds se fixe sur une structure cristalline qui se forme suite à la destruction des matières organiques, et une autre partie (Hg, Cd) se volatilise, ce qui nécessite alors le traitement des fumées. Réduction thermique : C est une nouvelle technique qui ne produit pas de fumée, insensible à la présence d eau dans le sédiment et utilise une température élevée. La présence dans le réacteur de gaz autre que l oxygène (l hydrogène généralement) provoque la transformation des matières organiques en matières plus légères et moins toxiques. Vitrification : cette méthode ressemble à la désorption mais en plus elle permet la fixation des métaux, car leur fusion avec les silices permet la vitrification des matériaux et produit par conséquent des matériaux de construction. [1] [2] [4] [11] E. Traitement par immobilisation Cette technique vise l immobilisation des contaminants par leur fixation ou leur solidification sur la matrice solide des matériaux. On peut citer ici deux types de traitements : Fixation : par ajout d agents chimiques, des éléments polluants sur la matrice solide des sédiments, cela permet d éviter leur migration. L une des méthodes de fixation consiste à augmenter le PH des sédiments par ajout de grande
35 quantité de matières oxhydryles, et immobiliser alors la plupart des métaux présents dans le matériau Solidification : les éléments polluants sont solidifiés sur la matrice solide pour empêcher leur déplacement physique. Cette technique est réalisée par vitrification ou par ajout de liants (ciment, chaux, polymère, matériaux pouzzolanique) et surtout le ciment. [7] On peut aussi combiner les deux méthodes ; fixation et solidification. F. Traitement de l eau Comme signalé ci-dessus, les eaux extraites des sédiments peuvent contenir une partie considérable des polluants, et doivent par conséquent être traitées avant leur rejet, conformément aux lois et normes en vigueur, afin d éviter de polluer le milieu récepteur. La filtration (par lit de sables, à membrane ou biologique) et la décantation forcée (en réservoir, en bassin ou par surverse) restent les procédés les plus efficaces pour le traitement des eaux issues des sédiments contaminés, car les contaminants dans ce cas sont généralement liés aux particules solides en suspension. [2] Sur le plan législatif, la directive 2000/60/CE du Parlement européen et du Conseil, du 23 octobre 2000, a établi un cadre pour une politique communautaire dans le domaine de l'eau [Journal officiel L 327, 22.12.2000] visant la protection des eaux intérieures de surface, de transition, côtières et souterraines pour protéger les écosystèmes aquatiques, inciter l utilisation rationnelle et durable des ressources en eau et atténuer les effets des inondations et des sécheresses. [6]
36
37 III. Gestion des sédiments et réglementation 1. REGLEMENTATION A. Procédures administratives relatives aux opérations de dragage Le dragage des sédiments des ports est soumis à une réglementation dense et complexe comme le montre les figures ci dessous. Dragage des sédiments (DPM) IMMERSION Loi 76.599 du 07/07/1976 Décret 82.842 du 29/09/1982 Loi 92.3 du 03/01/1992 Décret 93.743 du 29/03/1993 Et rubrique 3.4.0 du décret DEPOT A TERRE Loi 92.3 du 03/01/1992 Décret 82.842 du 29/09/1982 Décret 93.743 du 29/03/1993 Et rubrique 3.4.0 du décret Décret 99.738 du 27/08/1999 Arrêté du 23/02/2001 Demande Autorisation Autorisation Demande Autorisation domaniale Titre minier Dossier Dossier Etude d impact Normes relatives à l arrêté du 14/05/2000 Résume non technique Etat initial du site Analyse des effets sur l environnement Arrêté du 8 janvier 1998 Norme sur l épandage des boues de STEP Loi sur déchets 75.633 du 15/07/1975 Décret 2002.540 du 18/04/2002 Dossier de demande d autorisation Figure 10: Réglementation relative aux opérations de dragage sur le domaine public maritime [15]
38 B. Procédures administratives relatives à l immersion ou le dépôt à terre des sédiments Dossier de demande d autorisation Préfet CQEL Gestionnaire du DP Maires des communes du périmètre d enquête Mise à l enquête Enquête publique Préfets des départements Comité permanent des barrages Constitution du commissaire enquêteur Préfet de bassin (MDB) Préfet CQEL Conseils municipaux Pétitionnaire Présentation du rapport & demande d avis du CDH Arrêté Recueil actes administratifs Affichage en mairie pendant un mois Parution dans 2 journaux locaux ou régionaux Figure 11: Procédure d autorisation d immersion ou de dépôt à terre des sédiments de dragage [15]
39 C. Réglementation en matière d'extractions marines La réglementation sur le dragage et l'immersion ou le dépôt à terre des sédiments relevés est fondée principalement sur la loi sur l'eau n 92.3 du 3 janvier 1992 et des décrets et arrêtés pris pour son application à savoir : Arrêté du 23 février 2001 fixant les prescriptions applicables aux travaux de dragage de ports et de leurs accès et/ou rejet afférent. Décret 99.736 du 27 août 1999 modifiant le décret 93.743 du 29 mars 1993 relatif à la nomenclature des opérations soumises à autorisation (A) ou à déclaration (D) de l'article 10 de la loi sur l'eau. Décret 93.743 du 29 mars 1993 relatif aux procédures d'autorisation et de déclaration prévues à l'article 10 de la loi sur l'eau. Les opérations de dragage et d'immersion ou de mise en dépôt sont concernées par la rubrique 3.4.0 Rubrique 3.4.0. Qté en m 3 /an Qualité Eléments tous < N1 Impact neutre Ou négligeable Au moins 1 élément N1 Mais tous < N2 Au moins 1 élément > N2 quelque soit le volume Rejet à 1 km D une ZC * Rejet < 1km D une ZC Rejet < 1km D une ZC Rejet < 1km D une ZC 0 500 5000 50000 500000 Tableau 5: Seuils de détermination de la procédure administrative (autorisation ou déclaration) [15] * ZC : Zone Conchylicole D. Cadre juridique et réglementation pour la gestion des sédiments D D D A D A A A A Face au problème de pollution et au danger qu elle représente pour les écosystèmes littoraux et l environnement en général, de nombreuses réglementations nationales et conventions internationales ont été élaborées, pour une gestion rationnelle des sédiments dans une perspective de développement durable. Ces lois concernent dans la plupart des cas l immersion des sédiments dans le milieu marin.
40 a. Immersion Parmi les lois qui concernent l immersion on peut citer: La convention de Londres (29 Décembre 1972) révisée en 1996: Elle est entrée en vigueur en 1975, et vise la protection du milieu marin de la pollution émanant des déchets immergés. Les conventions d Oslo (15 Février 1972) et de Paris (4 Juin 1974): fusionnées en une seule convention «OSPAR» signée à paris le 22 septembre 1992, elle concerne la protection du milieu marin de l Atlantique du Nord-Est. Les signataires de ces conventions se sont engagés à : Interdire l immersion d un certain nombre de matériaux et de substances toxiques ou cancérogènes (mercure et cadmium ou leurs composés, les plastiques, arsenic, plomb, cuivre, zinc, pesticide, conteneur, ferraille etc.) Prévenir de la pollution d origine tellurique Eliminer de la pollution qui provient des produits contenants des composés organogénétiques, le cadmium, le mercure et leurs composés, les matières synthétiques, les huiles et hydrocarbures persistants. Veiller bien à limiter la pollution causée par les produits composés de substances organiques, du phosphore, du silicium et de l étain etc. Protéger le milieu marin contre les effets négatifs de l activité humaine, et prendre les mesures nécessaires pour prévenir et supprimer la pollution du milieu marin. Au niveau national, le Groupe d Etude et d Observation sur le Dragage et l Environnement (GEODE) a défini deux seuils de références pour huit métaux lourds et sept substances cancérogènes de PCB (les ploy-chlorobiphényls), ces seuils ont été précisés dans l arrêté du 14 juin 2000, accompagné d'une circulaire du Ministère chargé de l Équipement (n 2000-62 du 14 juin 2000,publiée au B.O. du 10 septembre 2000), relative aux conditions d utilisation du référentiel de qualité des sédiments marins ou estuariens. Ces seuils permettent de déterminer trois catégories de sédiments: Au dessous du niveau 1 : le sédiment peut être immergé Au dessus de niveau 2 : le stockage du sédiment est demandé Entre le niveau 1 et 2 : des études approfondies sur les sédiments sont nécessaires pour déterminer la destination finale du matériau. [3] [10] Ces seuils sont présentés aux tableaux ci-dessous :
41 Contaminants (mg/kg -1 S.S) Niveau N1 Niveau N2 Arsenic (As) 25 50 Cadmium (Cd) 1.2 2.4 Chrome (Cr) 90 180 Cuivre (Cu) 45 90 Mercure (Hg) 0.4 0.8 Nickel (Ni) 37 74 Plomb (Pb) 100 200 Zinc (Zn) 276 552 Tableau 6 : Valeurs guides des niveaux 1 et 2 pour les métaux (mg/kg -1 de sédiment sec) retenues par la France (Arrêté du 14/06/2000). [15] Contaminants (mg/kg -1 S.S) Niveau N1 Niveau N2 PCB totaux 0.5 1 PCB congénère 28 0.025 0.05 PCB congénère 52 0.025 0.05 PCB congénère 101 0.05 0.1 PCB congénère 118 0.025 0.05 PCB congénère 138 0.05 0.1 PCB congénère 153 0.05 0.1 PCB congénère 180 0.025 0.05 Tableau 7: Valeurs guides des niveaux 1 et 2 pour les congénères de polychlorobiphényles (mg/kg -1 de sédiment sec) retenues par la France (Arrêté du 14/06/2000). [15] Un projet de recherche, dit PNETOX (Programme National EcoToxicologie), a déterminé aussi des valeurs guides pour les substances organiques toxiques (les (HAP) et le (TBT)), susceptibles d être présentes dans les sédiments des zones portuaires confinées. Ces valeurs sont représentées dans les tableaux suivants :
Contaminants (mg/kg -1 de S.S) 42 Niveau N1 Niveau N2 Fluoranthène 0.40 5 Benzo(b)fluoranthène 0.30 3 Benzo(k)fluoranthène 0.20 2 Benzo(a)pyrène 0.20 1 Benzo(ghi)pérylène 0.20 1 Indéno(1,2,3cd)pyrène 0.20 1 Tableau 8: Niveaux de référence (mg/kg -1 de sédiment sec) retenues pour les hydrocarbures aromatiques polycycliques. [15] Niveaux µg/kg -1 Proposition 1 0 à <100 2 100 à <400 3 400 Immersion autorisée, sans condition particulière Immersion autorisée sous réserve: Bio-essais & étude locale d impact Immersion autorisée sous réserve: Etude d impact approfondie Tableau 9: Niveaux de référence proposés pour le Tributylétain (mg/kg -1 de sédiment sec) [15] L option d immersion des déblais de dragage est soumise aussi à : La rubrique 4.1.3.0. de la nomenclature annexée à l article R 214-1 du Code de l environnement, au titre des «rejets y afférents.» relative aux déclarations ou autorisation d immersion. La circulaire n 2000-62 du 14 juin 2000 définissa nt les critères permettant d apprécier la faisabilité ou non de l immersion. [16]