Accumulation and colloidal mobilization of trace heavy metals in soil irrigated with treated wastewater

par Ludovico Pontoni

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Eric Van Hullebusch et de Eric Van Hullebusch.

Soutenue le 15-12-2016

à Paris Est en cotutelle avec l'Università degli studi (Cassino, Italie) , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) (laboratoire) et de Laboratoire Géomatériaux et Environnement / LGE (laboratoire) .

Le président du jury était Piet N. L. Lens.

Le jury était composé de Eric Van Hullebusch, Francesco Pirozzi, Giovanni Esposito, Massimiliano Fabbricino.

Les rapporteurs étaient Paolo Roccaro, Ana Paula Mucha.

  • Titre traduit

    Immobilisation et transport colloidal des métaux lourds en concentrations traces dans les sols irrigués par des effluents urbains traités


  • Résumé

    La réutilisation des eaux usées traitées pour l’irrigation est globalement acceptée et pratiquée pour faire face à la pénurie d'eau et économiser les ressources de haute qualité. Bien que cette pratique présente des avantages indéniables et contribue à un usage plus durable de l'eau douce, elle n’est pas exempt de problèmes liés à l'impact potentiel sur la qualité des sols récepteurs et sur les cultures de micropolluants contenus dans l'eau réutilisée. Parmi ces polluants, les métaux lourds (ML) en concentrations traces jouent un rôle primordial en raison de leur présence systématique dans l'eau utilisée et de leur persistance une fois libéré dans l'environnement. Le devenir des ML dans les sols peut difficilement être prédit parce que les mécanismes de mobilité à travers les sols sont extrêmement variés et liés à des phénomènes simultanés et très complexes impliquant différents équilibres chimiques. Les ML, comme beaucoup d'autres contaminants, ne sont pas seulement partagé entre la phase immobile (le sol) et les phases mobiles présentes dans l'eau. En effet, les colloïdes et les nanoparticules agissent comme une troisième phase mobile, avec leurs propres propriétés rhéologiques et des vitesses de migrations qui leur sont propres. Ce dernier aspect a été l'un des principaux objectifs d’étude de la thèse. Plusieurs essais expérimentaux ont été menés en irriguant un sol standard selon l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) avec une eau usés traités réel et / ou synthétiques, contenant des ML en concentrations traces. Pour chaque test, un sol spécifique (avec différentes teneurs en matière organique) et des eaux usées traitées de composition différente (avec différentes concentrations en métaux traces, de salinité, de la teneur en matière organique pour les eaux usées synthétiques, ou des eaux usées traitées réelles) ont été choisi afin d'évaluer les effets des conditions différentes sur le devenir global des ML. L'augmentation de la matière organique du sol de 2,5 à 10% a linéairement amélioré la mobilité des Cd, Cu et Ni avec une augmentation de la mobilité maximum de 35,6, 43,7 et 49,19% pour le Cd, Cu et Ni, respectivement. Pour la plupart des expériences, les ML ont été capturés dans la couche superficielle du sol (0,5 à 1 cm). Néanmoins, des pics de contamination ont été détectés à des profondeurs différentes dans les couches plus profondes du sol. L’étude de la composition des lixiviats montre des variations de concentrations fonction du métal étudié et des caractéristiques du sol et des eaux usées. Des pics de métaux dans le lixiviat sont apparus en même temps que la libération de la matière et / ou la libération de silicates organiques, ce qui démontre l'implication significative des colloïdes dans le transport des métaux. La concentration en sodium (20 mM) a été démontrée un impact fort sur la réduction de la mobilisation colloïdale et que plus de 95% du métal apporté a été détecté dans la couche superficielle du sol en dépit de sa teneur en matière organique. La salinité affiche donc des effets significatifs. L'irrigation avec des eaux usées traitées présentant une très haute teneur en Ca et Mg (111 et 134 mg / L, respectivement) a abouti à la libération moyenne plus élevée de silicium à partir de la matrice inorganique du sol (8,2 mg / L) par rapport à la faible salinité des eaux usées artificielle (1,9 mg / L). Par conséquent, la mobilisation ultérieure de Cd, Cu, Ni et Zn a été observée lorsque le sol a été irrigué avec des eaux usées traitées réelles. Une caractérisation spectroscopique avancée des lixiviats a été réalisée pour identifier les agrégats colloïdaux libérés par le sol dans le but d’en déterminer leur nature, leurs propriétés chimiques et leur état d'agrégation


  • Résumé

    Reuse of treated wastewater for agricultural purposes is worldwide accepted and practiced to face water scarcity and save high quality resources. Although such practice has undoubtable advantages and is certainly more sustainable respect to the use of fresh water, it is not exempt from severe concerns related to the potential impact on the receiving soil and on the crops of potentially harmful pollutants contained in the reused water at trace levels. Among these pollutants, trace heavy metals (HMs) play a primary role due to their spread presence in the used water and to their persistence once released in the environment. The fate of HMs in the soils can be hardly predicted as mechanisms of mobility through soils are extremely diverse and related to highly complex simultaneous phenomena and chemical equilibria. HMs, in fact, as many other contaminants, are not only partitioned between the solid immobile and the water mobile phases. Indeed, colloids and nanoparticles act as a third mobile phase, with their own rheological properties and velocity. This latter aspect has been one of the main focus of the thesis. In details the thesis describes the results of several experiments conducted irrigating the OECD standard soil with real and/or synthetic wastewater, containing HMs in trace. For each test a specific soil (e.g. varying the organic matter content) and wastewater composition (e.g. varying the metals concentration, the salinity, the organic matter content, or testing real treated wastewaters) has been chosen in order to evaluate the effects of different conditions on the overall HMs fate. The increase of soil organic matter from 2,5 to 10% linearly enhanced the mobility of Cd, Cu and Ni up to a maximum mobility increase of 35.6, 43.7 and 49.19 % for Cd, Cu and Ni, respectively. In most experiments metals accumulated in the top soil layer (0.5 - 1 cm). Nevertheless peaks of contamination were detected at different depths in the soil deeper layers and at different leaching time in the leachates depending on the metal and on the soil and wastewater characteristics. Peaks of metals in the leachate appeared simultaneously with release of organic matter and/or release of silicates, demonstrating outstanding involvement of colloids in metals transport. Sodium concentration (20mM) decidedly reduced colloidal mobilization whereas more than 95 % of the influent metal was detected in the top layer despite the soil organic matter content. Salinity displayed different effects. The irrigation with real treated wastewater with quite high content of Ca and Mg (111 and 134 mg/L, respectively) resulted in higher average release of silicon from the soil inorganic matrix (8.2 mg/L) compared to the low salinity artificial wastewater (1.9 mg/L). Consequently higher mobilization of Cd, Cu, Ni and Zn was observed when the soil was irrigated with real treated wastewater. An advanced spectroscopical characterization of the leachates was performed to identify such colloidal aggregates. The observation of 3D excitation-emission matrix demonstrated in all the leachates samples the presence of fulvic (230-450 nm ex-em fluorescence area) and humic (330-445 nm ex-em) substances. In this context, a novel analytical method was developed to quantify phenolic substances in soil matrices allowing the monitoring of humic matter migration in soil profiles. The novel method was more accurate and more precise respect to the traditional one, allowing to obtain higher recovery of total phenols in peat soil (15.5 % increase) with a decrease of the coefficient of variation (30.1% decrease). Organic water soluble colloids were extracted from the peat used to prepare the OECD standard soil and characterized. Results of size exclusion chromatography highlighted the supramolecular structure of the extracted organic matter. Such structure was further confirmed through fluorescence and 1H-NMR spectroscopy


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