Dépollution des sédiments de dragage par traitement électrocinétique dans la perspective de leur valorisation

Remediation of dredged sediments by electrokinetic treatment prior to their valorization

• Auteur / Autrice : Mathilde Betremieux
• Direction : Yannick Mamindy-Pajany
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre for Materials and Processes / CERI MP
• Jury : Président / Présidente : Nor-Edine Abriak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Boutouil, Annette Hofmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Baraud, Khalil Hanna

Mots clés

Mots clés libres

Dépollution

Valorisation

Eléments traces

Traitement électrocinétique

Sédiments de dragage

Remediation

Valorization

Trace elements

Electrokinetic treatment

Dregded sediments

Résumé

L'exploitation des ressources granulaires naturelles est nécessaire pour répondre aux besoins des acteurs du bâtiment et des travaux publics. Cependant, les besoins toujours croissants en granulats et les lignes de conduites adoptées jusqu’alors ont conduit à des surexploitations ou même à l’épuisement de certaines ressources. L’utilisation de matériaux alternatifs (sédiments, déchets de démolition, cendres volantes, mâchefers d’incinération de déchets non dangereux, etc.) en substitution des ressources granulaires naturelles apparaît donc comme une solution durable aux problématiques de surexploitations des granulats de carrières. Cependant, pour certains matériaux alternatifs, la problématique environnementale est prégnante et conditionne les modalités de leur réutilisation. C’est notamment le cas des sédiments de dragage. En effet, ces matériaux issus de l’érosion des sols se déposent dans le fond des cours d’eaux et sont excavés lors d’opérations de dragage afin d’assurer la navigabilité des ports et des chenaux. L’entretien du réseau fluvial des Voies Navigables de France (VNF) génère chaque année 6 à 9 millions de mètres cubes de matériaux. Cependant, compte tenu de de la diversité des contaminants rencontrés dans les matrices sédimentaires, il est impératif de s’assurer de leur qualité environnementale avant d’envisager leur recyclage. Ainsi, le processus de gestion à terre des sédiments de dragage doit permettre de réduire le niveau de contamination des matériaux les plus pollués afin de répondre aux exigences environnementales applicables aux matériaux alternatifs. Les travaux de cette thèse visent à étudier un processus de remédiation électrocinétique appliqué à deux matrices sédimentaires contaminées, dans la perspective de leur valorisation future dans le domaine du génie civil. Deux objectifs majeurs ont été poursuivis : (i) optimiser des protocoles de traitement électrocinétique viables et respectueux de l’environnement, en prenant soin de choisir des réactifs adaptés (naturels ou biodégradables) ; (ii) évaluer l’efficacité des traitements pour la remédiation des polluants inorganiques en s’appuyant sur leurs contenus totaux, leur comportement à la lixiviation dans la matrice sédimentaire, et l’analyse des effluents. Les résultats ont permis de mettre en évidence l’influence significative des processus électrocinétiques sur les concentrations totales, la répartition et la disponibilité des éléments traces métalliques et métalloïdes au sein des matrices sédimentaires. L’utilisation de réactifs acides (par exemple de l’acide citrique) en combinaison avec des molécules chélatrices (des tensioactifs) a contribué à optimiser l’extraction de ces contaminants. Enfin, il a été démontré que l’ajout de particules de charbon actif peut modifier la conductance électrique de la matrice sédimentaire et conduire au maintien d’une intensité électrique plus élevée pendant le processus de dépollution. Compte tenu de la variabilité des performances de dépollution en fonction des caractéristiques physico-chimiques des sédiments fluviaux, il apparait indispensable de procéder systématiquement à une étude de traitabilité à l’échelle du laboratoire afin de mettre au point des protocoles de traitement adaptés.

The exploitation of natural granular resources is necessary to meet the needs of construction and public works stakeholders. However, the ever-increasing needs for aggregates and the lines of conduct adopted until then have led to overexploitation or even to the depletion of certain resources. The use of alternative materials (sediments, demolition waste, fly ash, slag from non-hazardous waste incineration, etc.) to substitute natural granular resources therefore appears to be a sustainable solution to the problems of overexploitation of quarry aggregates. However, for some alternative materials, the environmental issue is significant and determines the modalities of their reuse. This is particularly the case with dredged sediments. Indeed, these materials resulting from soil erosion are deposited in the bottom of waterways and are excavated during dredging operations in order to ensure the navigability of ports and channels. The maintenance of the “Voies Navigables de France” (VNF) generates 6 to 9 million m3 of material each year. However, given the diversity of contaminants encountered in sedimentary matrices, it is imperative to ensure their environmental quality before considering their recycling. Thus, the onshore management process for dredged sediments must make it possible to reduce the level of contamination of the most polluted materials in order to meet the environmental requirements applicable to alternative materials. The work of this thesis aims to study an electrokinetic remediation process applied to two contaminated sedimentary matrices, with a view to their future valorisation in the field of civil engineering. Two major objectives were pursued: (i) optimize viable electrokinetic treatment protocols that respect the environment, taking care to choose suitable reagents (natural or biodegradable); (ii) evaluate the effectiveness of treatments for the remediation of inorganic pollutants based on their total contents, their leaching behavior in the sedimentary matrix, and the analysis of effluents. The results made it possible to highlight the significant influence of electrokinetic processes on the total concentrations, the distribution and the availability of metallic and metalloid trace elements within the sedimentary matrices. The use of acidic reagents (e.g. citric acid) in combination with chelating molecules (surfactants) has helped to optimize the extraction of these contaminants. Finally, it has been shown that the addition of activated carbon particles can modify the electrical conductance of the sediment matrix and lead to the maintenance of a higher electrical intensity during the depollution process. Given the variability of remediation performance according to the physico-chemical characteristics of river sediments, it seems essential to systematically carry out a treatability study on a laboratory scale in order to develop suitable treatment protocols.