Caractérisation des processus de vieillissement des matrices polluées : étude couplée des réponses de la toxicité et de la migration des polluants métalliques associés

par Stéphanie Piou

Thèse de doctorat en Sciences de la vie. Toxicologie de l'environnement

Sous la direction de Jean-François Férard.

Soutenue en 2005

à Metz .


  • Résumé

    Le curage régulier des cours d'eau est nécessaire pour permettre la navigation et prévenir les risques d'inondation. Dans le bassin Artois-Picardie, plus de 3,5 millions de m3 de sédiments ont été curés entre 1990 et 2000 (Royal Haskoning, 2002). Ces activités de dragage sont actuellement régies, d'une part par la loi sur l'eau du 3 janvier 1992, et, d'autre part, par la loi sur les ICPE du 19 juillet 1976. Concernant la gestion des matériaux issus de dragage, il n'existe à ce jour aucune loi. Les sédiments de curage peuvent pourtant comporter des quantités non négligeables de polluants organiques et inorganiques susceptibles d'être à l'origine de risques environnementaux. Voies Navigables de France, est un des principaux organismes français confrontés à la gestion des sédiments de curage. Depuis plusieurs années, leurs services proposent une évaluation préalable des sédiments avant les opérations de dragage. Cette évaluation est essentiellement physico-chimique et concerne les sédiments en place uniquement. VNF mesure les concentrations en métaux, en hydrocarbures totaux, en phénols et en PCB et HAP dans les lixiviats des sédiments (VNF, 1998). Les critères de décision concernant le classement des sédiments dans l'une des trois catégories précisées ci-dessus tiennent compte des concentrations en As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Hg et en hydrocarbures totaux dans les sédiments. Les résultats sont utilisés pour orienter les sédiments excavés vers : une voie de valorisation sans aucune restriction (concentrations inférieures au seuil 1) une voie de stockage ou de valorisation, à l'exception de l'épandage sur terres agricoles (concentrations toutes inférieures au seuil 2) une voie de stockage ou de valorisation après une étude de faisabilité préalable. Cette procédure reste discutable puisqu'elle est essentiellement basée sur les concentrations totales en métaux dans les sédiments, sans prise en compte du caractère transférable par l'eau de la contamination ni de la biodisponibilité des polluants. Enfin, la procédure ignore les conséquences de la mise en dépôt sur les transformations géochimiques affectant les métaux, leur mobilité et leur toxicité. Quelques travaux, généralement effectués en conditions contrôlées de laboratoire ou in situ à court terme (un à deux ans au maximum), rapportent une mobilisation des métaux suite à la mise en dépôt, au contact de l'atmosphère (Altmann et Bourg, 1997 ; Boult et Rebbeck, 1999 ; Caille et al. , 2002). Toutefois dans ces études, l'évolution géochimique et écotoxicologique des sédiments à plus long terme, ne sont pas évaluées. La contamination par transfert des nappes souterraines, des eaux de surfaces ou des cultures voisines des sites de dépôt reste donc difficile à appréhender sur le long terme. Certaines situations sont particulièrement préoccupantes car, par le passé, peu de précautions étaient prises lors de la mise en dépôt de ces matériaux. Certains sites sont installés à proximité de points sensibles comme des stations de pompage d'eau potable souterraine ou des habitations. Les dépôts peuvent n'être séparés de l'aquifère que par quelques mètres d'épaisseur, composés d'un matériel faiblement imperméable. Il convient donc de bien comprendre le comportement des polluants dans les sites de dépôt à long terme afin d'éviter toute évolution néfaste. Dans le cas des polluants organiques, Alexander (2000) a proposé le terme d'" ageing ", vieillissement, pour définir le processus qui conduit à une moindre extractabilité des composés et à une diminution de leur biodisponibilité. Cet auteur a suggéré l'existence d'un tel processus pour les composés inorganiques. Un programme de recherche a été élaboré pour évaluer l'hypothèse d'Alexander, fondé sur une caractérisation physico-chimique et écotoxicologique de sédiments de dragage plus ou moins anciens. Pour aborder ces différents aspects, une recherche bibliographique s'est orientée vers plusieurs points, notamment la description du devenir des métaux dans les sédiments mis en dépôt et la compréhension des facteurs qui conditionnent la biodisponibilité de ces éléments dans les sols et sédiments. Dans une première partie de nos recherches expérimentales, nous avons cherché à caractériser l'évolution d'un sédiment excavé puis déposé sur sol, contaminé principalement par des contaminants métalliques. Ce travail a nécessité d'étudier parallèlement plusieurs sédiments plus ou moins anciens, pour lesquels différentes variables ont été suivies, physico-chimiques (pH, CEC ; teneur en matière organique, teneur totale en métaux, granulométrie, spéciation) et écotoxicologiques (écotoxicité aiguë et chronique). De plus, nous avons tenté de mettre en évidence des relations entre les effets biologiques et le niveau de contamination des sédiments.

  • Titre traduit

    Characterization of ageing processes of the polluted matrices : coupled study of the answers of the toxicity and the migration of the associated heavy metals


  • Résumé

    Dredging of channels create each year more than 350000 m3 of materials in the Artois-Picardie (France). These can be contaminated by several elements like zinc or cadmium. After dredging, oxidation leads to different physico-chemical and biological changes named "ageing". To prevent harmful evolution, it is important to understand factors influencing metals mobility in dredged sediments. The study conducted on sediments excaveted from a same part of a waterway, showed a several differences between a fresh sediment which presented characteristics of a reduced sediment (weak mobility of metals and near-null toxicity) and an aged sediment (presence of metals in the water extractable fraction and toxicity to algae P. Subcapitata). A short-term method was developed for simulating natural long term ageing. Three protocols were tested : one control (sediment maintained wet permanently), one progressively acidifying the sediment, and one using wetting and drying cycles. A proximity analysis made after treatment revealed similarities between final sampling of the third protocol and sediment naturally aged. The management of dredged sediments should take into account ageing processes engaged after oxidation caused by excavation.

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Informations

  • Détails : 210-[11]-[55]p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. [11]-53-[55]

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