Étude de la lixiviation des Éléments Traces en zone non saturée : application à la réhabilitation des sites contaminés

Trace Elements leaching study in the unsaturated zone : application to the remediation of contaminated sites

• Auteur / Autrice : Fanny Coutelot
• Direction : Olivier Atteia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et technologie (Terre, Eau, Image)
• Date : Soutenance le 02/06/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Pessac, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géoressources et Environnement (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Keller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Atteia, Michel Mench, Philippe Cambier, Erik Smolders, Jean-Louis Morel, Valérie Sappin-Didier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Mench, Philippe Cambier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments traces

Sols -- Pollution

Mots clés libres

Colonne

Lixiviation

Immobilisation

Hydroxyapatite

Grenaille d’acier

L/S

Solution de sol

Flux

Voie sol-eaux souterraines

Column leaching

Unsaturated column

Immobilization

Hydroxyapatite

Steel shot

L/S solute flux

Soil solution

Soil-groundwater pathway

Résumé

Ce travail contribue à l'acquisition des connaissances sur les mécanismes et les facteurs contrôlant le transfert des éléments traces dans le système sol-nappes d'eaux souterraines. Le nombre de plus en plus important de sols contaminés par les éléments traces potentiellement toxiques suite aux activités industries a reçu beaucoup d'attention au cours des deux dernières décennies. Les polluants accumulés dans ces sols peuvent alors être transférés dans différents compartiments de l'environnement en fonction de leur origine, leur spéciation et les conditions physico-chimiques et biologiques du milieu. Ainsi, une des problématiques est la pollution des nappes d'eau souterraine par ces éléments traces. Les flux massiques d'éléments traces dans les sols vers les nappes d'eau souterraines sont un paramètre d'entrée important pour prévoir le devenir des pollutions des aquifères et donc à évaluer le potentiel de la contamination des ressources en eau potable. L’objectif de cette thèse a été de proposer une méthode de mesure des flux en laboratoire qui permette de simuler au mieux les conditions naturelles des transferts des éléments traces vers les nappes. Pour cela, nous avons mis au point une colonne de laboratoire non-saturée. Cette colonne a été testée dans différentes conditions de lixiviation, comparée aux méthodes de lixiviations normées et testée en condition d’immobilisation des éléments traces lors de l’apport d’amendements. Dans un premier temps, la colonne de laboratoire permet de diminuer l’erreur sur l’estimation des flux. Elle permet des mettre en évidence des phénomènes de sorption, désorption et complexation des éléments traces sur les substrats, contrôlant ainsi les transferts verticaux.Dans un deuxième temps nous avons évaluer l’effet d’amendements minéraux sur la mobilité des éléments traces sur deux sols contaminés par des extractions chimiques. Nous avons ensuite étudié la lixiviation de ces éléments suite à l’apport d’amendements: de l’hydroxyapatite et de la Grenaille d’acier dans ces deux sols en utilisant les colonnes de sol développés précédemment. L'étude de la localisation des éléments traces sur les minéraux nouvellement formés suite à l'apport de ces amendements minéraux et leur interaction avec les constituants minéraux d'origine des sols (microscopie couplé à des spectromètres de fluorescence X) nous a permis de comprendre et de déterminer les réactions mis en jeu au cours de la lixiviation de ces éléments. Ainsi, l’apport d’hydroxyapatite (HA) et de Grenaille d’acier (GA) ont permis de diminuer significativement les concentrations en Cd, Zn dans les lixiviats. En revanche, l’apport de HA et GA aux sols augmente significativement la libération de As (dans le cas de HA) et Pb suite a l’apport de GA et HA. Les phases minérales porteuses de ces éléments traces, ont pu être caractériser et ainsi les mécanismes responsables de l’immobilisation ou du relargage ont pu être identifiés.

This work contributes to the knowledge of the mechanisms and factors controlling the transfer of trace elements, particularly in the soil- groundwater pathway. Extensive soil contamination with potentially toxic traces elements from various industries has in many industrialized countries received significant attention over the last two decades. Mass fluxes of trace elements in soils to groundwater are important input parameter for predicting the fate of pollution of aquifers and thus to assess the potential for contamination of drinking water resources. The objective of this study was to propose a method for measuring the fluxes in laboratory to simulate the natural conditions. For this, we have developed an unsaturated soil column. This column was then tested in various leaching conditions (compared to standardized leaching methods and tested under conditions of immobilization of trace elements). At first, the laboratory column reduces the error in the estimation of flux. And allows to highlight sorption, desorption and complexation of trace elements on the substrates. In a second step we evaluate the effect of mineral amendments on the mobility of trace elements in two contaminated soils (extraction), the study their location on the newly formed minerals (microscopy coupled with X-ray fluorescence spectrometers) and finally the leaching of these. The addition of hydroxyapatite (HA) and Steel Shot (GA) have significantly reduced the concentrations of Cd, Zn and As (in the case of the contribution of GA). In contrast, the addition of HA and GA in soils significantly increases the release of As (in the case of HA) and Pb following the addition of GA and HA). Mineral phases carrying these trace elements have been well characterized and the mechanisms responsible for the retention or release have been identified.