Chapitre II: Description des caractéristiques du sol Le sol étudié provient d'un site industriel du Nord de la France. Sur ce sol, il n'existe plus d'activité industrielle polluante. Cependant, en raison de la succession d'activités polluantes dans le passé, ce sol présente une pollution complexe, importante dont l'historique est mal connu. Le sol a été prélevé sur le site dans la zone non saturée. Le sol, après réception dans 4 fûts de 200 kg chacun, a été échantillonné par la méthode des pelletages alternés. L'échantillon de sol représentatif ainsi formé a ensuite été étalé pour séchage, à l'abri de la lumière, à température ambiante, en contact avec l'air ambiant, sur une bâche pendant 7 jours. C'est sur ce dernier échantillon représentatif que nous avons travaillé. Nous avons caractérisé en premier lieu la granulométrie et l'humidité du sol. Ensuite, sur la fraction la plus représentative, nous avons caractérisé la teneur en HAP, le carbone organique total (COT), la teneur en phénol, et le pouvoir tampon du sol. Nous travaillions sur un site pollué par des organiques majoritairement donc toutes les procédures de caractérisation établies et reconnues dans le domaine des pollutions métalliques (capacité d'échange...) n'étaient pas justifiées dans notre cas. II.1 Granulométrie La granulométrie du sol, obtenue par tamisage, est répartie principalement dans les tranches suivantes : Tableau 1 : répartition granulométrique Fraction du sol % massique du sol X < 2 mm 37,3 2 < X < 6 mm 26,0 6 < X < 20 mm 27,7 La fraction de sol supérieure à 20 mm correspond seulement à 9% de la masse sèche de sol. L analyse a permis de conclure que la majeure partie de la pollution organique observée était concentrée dans la tranche granulométrique <2 mm. Cette fraction est la plus représentative pour la problématique environnementale posée par le sol, elle l'est également en pourcentage massique. Nous avons décidé de concentrer l ensemble du programme expérimental sur cette tranche granulométrique de sol. En conséquence, en parlant de sol dans notre rapport nous nous référons implicitement à la tranche granulométrique inférieure à 2 mm du sol échantillonné sur le site industriel.. 54
II.2 Humidité La détermination du taux d humidité du sol a été effectuée avant séchage dans les conditions de la norme NF X 31-102 par séchage à l air à 105 C jusqu à poids constant. Le résultat obtenu est de 16,0% d humidité (perte d eau / masse humide). II.3 Teneur en HAP La teneur du sol en HAP extractibles par solvants a été déterminée selon la méthode issue de la norme EPA 3540 qui consiste en une extraction par Soxhlet (protocole en annexe) d une prise d essai de 15 g de sol pollué tamisé à 2 mm et sous échantillonné par pelletage alterné. L'analyse a été réalisée en duplicat sur la fraction de sol de granulométrie inférieure à 2 mm. Les résultats ainsi que leur moyenne sont présentés dans le Tableau 2 et la Figure 1. Tableau 2 : contenu total en HAP extractibles dans le sol Analyse 1 (mg.kg -1 ) Analyse 2 (mg.kg -1 ) moyenne (mg.kg -1 ) Naphtalène 43,5 47,9 45,7 Acenaphtylène ND ND 0 Acenaphtène 13 10,9 11,95 Fluorène 60,5 66,8 63,65 Phénanthrène 236 212 225 Anthracène 390 470 430 Fluoranthène 424 361 392,5 Pyrène 292 254 273 Benzo(a)anthracène 201 166 183,5 Chrysène 177 150 163,5 Benzo(b)fluoranthène 152 129 140,5 Benzo(k)fluoranthène 68 57 62,5 Benzo(a)pyrène 276 227 251,5 Dibenzo(a,h)anthracène 20,4 17,2 18,8 Indeno(c,d)pyrène 117 97 107 Benzo(g,h,i)perylène 83 69 76 Total 2555 2335 2445 Le contenu en HAP du sol est important, de l ordre de 0,25%. 55
Teneur en mg/kg de sol sec 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Teneur totale = 2445 mg/kg de sol sec Naphtalène Acénaphtylène Acénaphtène Fluorène Phénanthrène Anthracène Fluoranthène Pyrène Benzo(a)anthracène Chrysène Benzo(b)fluoranthène Benzo(k)fluoranthène Benzo(a)pyrène Dibenzo(a,h)anthracène Figure 1 : Profil du contenu total moyen en HAP dans le sol Benzo(g,h,i)pyrène Indéno(1,2,- II.4 Teneur en phénol La présence de phénols dans la solution de sol a été mise en évidence au moyen de la mesure de l indice phénol sur une solution préparée par la mise en contact durant 24 h sous agitation de 100 g de sol avec 300 ml d eau distillée. La solution prélevée après décantation du sol a fait l objet d une mesure de l indice phénol (Iφ) selon la méthode colorimétrique issue de la norme NF T 90-109. Le résultat moyen de cette mesure est le suivant Iφ = 0,145 mg/l Remarque La représentativité de l indice phénol doit être relativisée. En effet, la méthode de détermination de l indice phénol décrite par la norme NFT90-109 est basée sur le développement d une coloration entre les «phénols» et l amino-4 antipyrine. Or tous les composés phénolés ne réagissent pas avec ce réactif et, par ailleurs, ceux qui réagissent conduisent chacun à une coloration dont les caractéristiques (longueur d onde du maximum d absorption, intensité) dépendent de la nature chimique du «phénol» concerné. En particulier, les composés phénolés, dans lesquels la position para- est occupée ne réagissent pas, ou ne réagissent pas quantitativement avec l amino-4 antipyrine. De plus, la coloration formée avec certains «phénols» est extrêmement dépendante de la force ionique de la solution et de la présence d acides humiques, lignines, etc, et certaines amines aromatiques sont susceptibles d entraîner des interférences. Cette mesure de l indice phénol nous permet donc uniquement de révéler la présence de certains composés phénolés dans cette solution préparée en mettant en contact le sol pendant 56
24 heures sous agitation avec une quantité d eau correspondant au rapport Liquide/Solide de 3, en présence d un inhibiteur biologique (NaN3). La détermination de l indice phénol ne nous permettra pas de connaître précisément (nature et quantité) des composés phénolés présents ni de suivre leur solubilité au cours des essais. La quantité de phénol trouvée dans l'échantillon est relativement faible. Les HAP, composés hydrophobes très peu réactifs, n'ont probablement pas d'interactions avec les phénols. Pour ces raisons nous avons choisi de ne pas suivre le paramètre phénol lors des études de mobilité des HAP. II.5 Carbone Organique Total (COT) Le sol contient 30.9 % de carbone organique total. L analyse a été effectuée selon la Norme X31-409. En excluant la part du carbone organique issue des 16 HAP, le contenu en carbone organique est ramené 30.65 %. En général, le COT des sols se situe entre 0,5 et 5%. La forte teneur en carbone organique semble indiquer que nous sommes en présence d'un sol particulier. Le sol pourrait contenir par exemple de la matière organique non extractible (matrice riche en carbone) comme c'est le cas dans les goudrons de houille [HAESELER, 1999]. Ceci laisserait supposer qu'une partie de la pollution aurait pour origine des goudrons de houille. Cependant l'aspect visuel du sol est en contradiction avec cette hypothèse car il n'a pas l'odeur caractéristique des goudrons et il n'y a pas non plus de particules collantes noires comme dans les sols pollués par les goudrons de houille. matiere Organique non extractible 55% 16 HAP 17% résines 7% autre HAP 21% Figure 2:Distribution de la matière organique dans les goudrons de houille en pourcentage du COT [HAESELER, 1999]. II.6 Caractérisation de la nature du sol au microscope environnemental à balayage électronique (MEB) Une série de 8 photographies a été réalisée sur le sol tamisé à 2 mm. Ces photos (Figure 3) ont été prises au microscope environnemental à balayage électronique MEB E (voir description en annexe) à l'ecole des Mines d'albi. Les paramètres de chaque photo sont présentés dans le Tableau 3. 57
A B C D E F G H I J Figure 3: Photographie du sol réalisée au MEB environnemental 58
Tableau 3: caractéristiques des photos Photo Facteur de Tension grossissement d excitation (Kv) A 477 15 B 503 15 C 973 12 D 4023 15 E 2012 15 F 4023 15 G 7782 12 H 32186 15 I 32186 15 J 32186 15 Les résultats de l analyse élémentaire réalisée pour chaque photo se trouvent dans la Figure 4. Le MEB environnemental fournit à l'utilisateur l'analyse élémentaire en pourcentage atomique et massique. Dans la Figure 4, les résultats sont donnés en pourcentage atomique. Globalement, on peut se rendre compte que le carbone est très présent dans le sol. On trouve aussi une proportion importante d oxygène. La silice et le fer qui font partie des principaux constituants des sols se trouvent dans le sol mais dans des quantités nettement moins importantes. % en nombre d'atome 100 80 60 40 20 0 C O Fe Si A B C D E F G H I J Figure 4: % atomique de C, O, Fe, Si dans le sol brut tamisé à 2 mm Le fort pourcentage atomique en carbone confirme l'important COT présenter précédemment. Les pourcentages atomiques de carbone et oxygène dans le goudron de houille étudié par 59
[HAEELER, 1999] sont du même ordre de grandeur que ceux qui concernent les photos B,F,G,H,I : Tableau 4: Comparaison des pourcentages atomiques mesurés au MEB E avec ceux de [HAEELER, 1999] % C % O Sol étudié pour la thèse (moyenne des clichés B,F,G,H,I) 77,6 15,8 Goudron étudié par [HAEELER, 1999] 78,6 12,8 Le sol pourrait donc être pollué en partie par des goudrons de houille puisque la composition en carbone et oxygène de certaine zone du sol sont proches de celle d'un goudron. Cependant, contrairement à un goudron, le sol ne contient ni d'hydrogène, ni d'azote, ni de souffre. On peut alors supposer compte tenu de l'ancienneté du site que ces éléments ont été éliminés du sol, au cours du temps, par divers processus (physiques, chimiques et/ou biologiques). II.7 Le pouvoir tampon du sol L évaluation du pouvoir tampon du sol a mis en évidence une faible sensibilité du sol (faible variation de ph) en réponse à l ajout d acide (nitrique) ou de base (soude) comme en témoigne la Figure 5 : ph 13 12 11 10 9 8 7 6-0,60-0,40-0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 meq OH-/g meq H+/g Figure 5: Evolution du ph pour des ajouts de base et d'acide Le ph de l eau en contact avec le sol est donc situé au alentour de 8. La représentation figure 5 fait apparaître un pouvoir tampon plus important pour la région acide. Ainsi, pour baisser le ph de la solution en équilibre avec le sol à 7 il faut ajoute 0,2m-équivalents H + /g sol. L étude 60
paramétrique du ph ne semble, a priori, pas un facteur prépondérant pour la détermination du comportement des HAP dans ces conditions. II.8 Conclusion Les résultats présentés dans ce chapitre, en particulier la teneur en HAP vont être utilisés tout au long de l étude. La fraction granulométrique <2 mm a été considérée représentative du sol étudié. : elle est représentative de la masse du sol et concentre la majeur partie de la pollution organique du sol. Cette fraction granulométrique du sol est très riche en C organique (COT=30 %) ce qui éloigne le site étudié de la composition d un sol pour l approcher plus d un déchet (matériau) riche en polluants organiques, notamment en HAP. La pollution du sol est probablement issue de goudrons de houille. La pollution du sol caractérisée, nous pouvons maintenant passer à l'étude expérimentale de lixiviation, c'est à dire à l'étude du comportement du sol lors de son contact avec l'eau. 61