Étude des principaux facteurs de mobilisation de la pollution organique dans le contexte du dragage de sédiments portuaires

Study of the main factors of organic pollution mobilization in the context of harbour sediments dredging.

• Auteur / Autrice : Gisèle Usanase
• Direction : Nathalie Azema, Catherine Gonzalez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 30/11/2021
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier) - Durabilité des éco-Matériaux et Structures - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil / LMGC
• Jury : Président / Présidente : Gabriel Billon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Azema, Catherine Gonzalez, Charlotte Hurel, Rachida Idir, Pierre Doumenq
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charlotte Hurel, Rachida Idir

Mots clés

Mots clés libres

Sédiments marins

Hap

Polluants organiques

Caractérisation granulaire

Remise en suspension

Transfert de matière

Marine sediments

Pah

Organic pollutants

Granular characterization

Resuspension

Matter transfer

Résumé

En zone portuaire et lors d’opération de dragage, les sédiments marins pollués peuvent être remis en suspension dans la colonne d’eau et mobilisés. Cette remise en suspension de sédiments pollués présente un risque pour l’écosystème marin environnant le lieu de dragage. Il y a donc une nécessité de limiter les risques de mobilisation de la pollution. Ainsi, la compréhension des mécanismes à l’origine de cette mobilisation est indispensable afin de mieux prédire et ainsi mieux gérer les procédés mis en œuvre lors du dragage et les risques associés. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse consistait en l’identification et compréhension des paramètres pouvant influencer les mécanismes régissant la mobilisation de la pollution organique et plus spécifiquement celle des Hydrocarbures Polycycliques Aromatiques (HAP) lors d’événement de remise en suspension tel que le dragage. La démarche expérimentale développée a donc été d’étudier les paramètres influençant les interactions sédiments/HAP à l’échelle moléculaire, les phénomènes d’agglomération/dispersion à l’échelle particulaire (échelle micro- mésoscopique) et le comportement à la (re)sédimentation à l’échelle macroscopique.Les travaux ont porté sur l’étude de sédiments marins portuaires prélevés dans un port de plaisance de méditerranée, celui du Grau du Roi. La caractérisation morpho-granulaire, chimique et physico-chimique de ces sédiments réels a permis d’appréhender la complexité de leur composition. Après un fractionnement des sédiments par voie humide, les niveaux de pollution, ainsi que la répartition des HAP dans leurs différentes fractions granulaires ont été déterminés. Il s’est avéré que les HAP sont repartis dans toutes les fractions granulaires. Une partie des sédiments étudiés les plus fortes concentrations en HAP ont été retrouvé dans les fractions granulaires fines comme cela est généralement le cas aussi dans la littérature. Cependant pour une partie des sédiments les plus fortes concentrations en HAP ont été rencontrées dans les fractions grossières, pauvre en matière organique. L’étude sur l’adsorption d’acide humique et du pyrène par des matériaux modèles reflétant la composition des sédiments marin a permis de montrer que l’adsorption des HAP (le pyrène) peut se faire sur la MO et aussi sur des minéraux (quartz et calcite). L’étude du comportement à la (re)sédimentation des sédiments pollués en HAP, à l’échelle du laboratoire a permis de déterminer les paramètres pouvant avoir un impact en cas de remise en suspension dans des conditions de dragage. En effet les paramètres tels que la force ionique, la teneur en fines particules (<20 µm), la fraction volumique ont été identifiés comme ayant une influence sur le comportement à la sédimentation. Enfin il a été démontré que la granulométrie des sédiments à une influence sur le mode de sédimentation, qui lui aussi a une influence sur le type de dépôt formé. Le dépôt formé après la remise en suspension pour être constitué de deux couches, dont une couche supérieure fluide, pouvant être à l’origine de l’augmentation du risque de mobilisation de la pollution.

In harbour areas and during dredging operations, polluted marine sediments can be resuspended in the water column and mobilized. This resuspension of polluted sediment poses a risk to the marine ecosystem surrounding the dredging site. There is therefore a need to limit the risks of pollution mobilization. Thus, an understanding of the mechanisms behind this mobilization is essential in order to better predict and thus better manage the processes occuring during dredging and the associated risks. In this context, the objective of this thesis was to identify and understand the parameters that can influence the mechanisms governing the mobilization of organic pollution more specifically that of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) during re-suspension events such as dredging. The experimental approach developed was therefore to study the parameters influencing sediment/PAH interactions at the molecular level, the phenomena of agglomeration/dispersion at the particulate scale (micro-mesoscopic scale) and the (re)sedimentation behaviour at the macroscopic scale.The work focused on the study of harbour marine sediments taken from a Mediterranean marina, the Grau du Roi. Morpho-granular, chemical and physico-chemical characterization of these real sediments allowed us to understand the complexity of their composition. After wet fractionation of the sediment, pollution levels, as well as the distribution of PAH in different granular fractions, were determined. It was found that PAHs were distributed in all granular fractions. For some sediments the highest PAH concentrations were found in fine granular fractions, as it is generally the case in the literature. However, for other sediments the highest concentrations of PAHs were found in coarse, low-organic fractions. The study on the adsorption of humic acid and pyrene by model materials reflecting the composition of marine sediments showed that, PAH (pyrene) can be adsorbed by MO and also by minerals (quartz and calcite). The laboratory-scale study of (re)sedimentation behaviour of PAH-polluted sediment helped determine the parameters that could have an impact in the event of re-suspension under dredging conditions. Parameters such as ionic force, fine particle content (< 20 µm), and density fraction have been identified as having an influence on sedimentation behaviour. Finally, it has been shown that the particle size of the sediments has an influence on the sedimentation mode, which also has an influence on the type of deposition formed. Formed deposit after the resuspension was constitute by two layers, including a fluid top layer, which may cause mobilization of pollution.