inventaire des contaminants métalliques dans des produits résiduaires organiques

INVENTAIRE DES CONTAMINANTS MÉTALLIQUES DANS DES PRODUITS

RÉSIDUAIRES ORGANIQUES

Marie Tella, Postdoctorante UR Recyclage et risque

Dakar, Décembre 2010ISARDSéminaire mi parcours

Introduction2

Population mondiale (World Population Prospects. Nations Unies. 2010) 2010 = 6.9 milliards 2050 9 milliards

Recyclage agricole des déchets organiques = alternative à la mise en décharge et à l’incinération

-quantité et qualité MO du sol (Rivero et al., 2004) - propriétés physiques du sol (e.g. Albiach et al., 2001) - microfaune et microflore (Saison et al., 2006)

Apports de contaminants - contamination des sols (McBride 2003)

- risque de lixiviation (Xue et al., 2003)

- Phytotoxicité (Michaud et al., 2007)

Transition démographique accompagnée d'une

augmentation de la production de déchets

+

_

Eléments trace métalliques

Objectifs

Stage S. Chataing (2009)

Teneurs totales PRO brut

Répartition granulométrique

Incubations en conditions contrôlées

Mesures par DGT (Diffusive Gradients in Thin films)

Modélisations physico-chimiques

3

1. Inventaire

3. Dynamique

Méthodes spectroscopiques

Extractions chimiquesStage - N. Bossa (2010)

- A. Fernandez (2010)

2. Spéciation

Caractérisation des ETM au sein des PRO Comportement des ETM lors d’interactions

Sol/PRO

14 Produits Résiduaires Organiques …

4

YvelinesFrance (HN)

La RéunionFrance (HS)

Madagascar

Sénégal

14 Produits Résiduaires Organiques …

5

Boues de Station d’épuration

Fumier bovin

Compost d’ordures ménagèresTerreau de compost d’ordures ménagères

Compost lisier de porc

Compost déchets verts

6

14 Produits Résiduaires Organiques …

Est-il possible de relier les origines des PRO à leurs teneurs

en ETM ?

- nord vs sud- déchet urbain vs

déchet agricole- anthropique vs

géogénique

?

Plan de l’exposé7

Bilan des teneurs totales en ETM

Très large gamme de teneurs

5 PRO sur 14 possèdent de très fortes teneurs en ETM

8

Caractéristiques de la population

PRO (mg.kg-1 MS)

Cu Zn Pb Ni Cr Cd

Cette étude 10-390 80-3200 1-250010-190

20-4500.1-9.7

Littérature 50-640160-3200

2-730 13-80 7-265 0.3-5

e.g., Anderson, 2001 ; Sager, 2007; He et al., 2007.

9

Objectifs :observer la

distribution en visualisant les

données « atypiques » par

rapport à la population

Caractéristiques de la population Etude statistique : Analyse exploratoire

(Tukey, 1977)

Non-outlier maximum

Non-outlier minimum (not shown)

Median

3rd quartile = Q3

1st quartile = Q1

Data

Outlier value

Extreme value

Upper wisker

Lower wisker (not shown)

1

10

100

1000

[Pb]

mg

kg-1

DM

Caractéristiques de la population

10

Etude statistique :

Norme déchet organique Max littérature boue de STEP

Max littérature déchet organique

Asymétrie de répartition++ :

Zn/Pb/Cd+ : Cu/Ni/Cr

Pour chaque ETM 1 ou 2 PRO très

riches

Norme Boue STEP

1

10

100

1000

[Pb]

mg

kg-1

DM

Caractéristiques de la population

11

Etude statistique :Légende couleurs :

Hémisphère nordHémisphère sud

MSWCMahajanga, Madagascar

MSWCDakar, Sénégal

Répartition complexe selon le

type de PRO et leur origine

Utilisation d’outils statistiques

1

5

6

8

-4

0

4

-5 0 5

1-Axis

2-Axis

Cluster 1

Cluster 2Cluster 3

[Cu] [Zn]

[Pb]

[Ni]

[Cr]

[Cd]

2-Axis 30.7%

1-Axis55.1%

Caractéristiques de la population

12

Etude statistique : Analyse en Composantes Principales (ACP)

ObjectifVisualisation des

discriminations de PRO selon les variables [ETM]

Caractéristiques de la population

13

Etude statistique : Synthèse ACP

Population totaleCorrélationCr vs NiCu vs Zn

Fortes teneursNi/Cr

Cluster 2

Forte teneursZn/Cd/Pb

Cluster 3

Criblés

MSWC

Cluster 1a

Fortes teneurs

Zn/Cu/Cd

DéjectionsUrbaines Déjections

Agricoles

Cluster 1b

+++

Caractéristiques de la population

14

Sources de contamination Zn/Cu/Cd/Pb : composts d’ordures

ménagères mg/kg MS_PRO Brut Cu Zn Cd Pb

Mould from MSWC , Antananarivo, Madagascar 268 3169 10 1817

MSWC, Mahajanga, Madagascar 79 437 0.4 148

Mould from MSWC, Dakar, Senegal 309 1737 2.8 2500

MSWC, Dakar, Senegal 21 75 0.1 14

Littérature

MSWC from 1984 to 1986, Austria (Lechner, 1989) 333 1450 5 728

Compost, Austria (Sager, 2007) 100 267 0.4 78

NF 44-051 et 44-075 300 600 3.0 180

Tri ordures

Non

Oui

Non

Oui

Non

Oui

Caractéristiques de la population

15

Sources de contamination Zn/Cu/Cd/Pb : composts d’ordures

ménagères

Absence de tri des orduresPrésence déchets industriels

Cu/Pb/Zn

Pb/Zn/Cd

Zn/Cd

Pb

Caractéristiques de la population

16

Sources de contamination Zn/Cu/Cd : Boues de station d’épuration

mg/kg MS_PRO Brut Cu Zn Cd

SS stabelized, Dakar, Senegal 386 1189 4.3

SS activated Dakar, Senegal 185 862 2.0

Littérature

SS, EU (Anderson, 2001) 39-641 142-2000 0.4-3.8

SS, China (He et al., 2007) 100 267 3.6

Directive 86/278/CEE 1000 3000 10

Rejets industriels ?

Caractéristiques de la population

17

Sources de contamination Zn/Cu : déchets agricoles

mg/kg MS_PRO Brut Cu Zn

MC (pig), La Réunion, France (HS) 177 796

MC (poultry), La Réunion, France (HS) 131 553

M (cattle), Feucherolles, France (HN) 113 386

M (pig), Madagascar 10 93

Littérature

M (cattle), Autria (Sager, 2007) 51 164

M (pig), Autria (Sager, 2007) 282 1156

NF 44-051 et 44-075 300 600

Caractéristiques de la population

18

Sources de contamination Zn/Cu : déchets agricoles

Alimentation porc :

ZnO : 250 mg.kg-1 MSCuSO4 : 150 mg.kg-1

MS

90% du Zn fournis aux porc est excrété et se retrouve dans le lisier (Revy et al., 2003)

Additifs alimentaires

Compost de lisier de porc

Caractéristiques de la population

19

Sources de contamination Ni/Cr mg/kg MS_PRO Brut Ni Cr

MSWC, Mahajanga, Madagascar 189 446

Mould from MSWC, Antananarivo, Madagascar

35 96

MSWC, Dakar, Senegal 81 194

GC, La Réunion, France (HS) 191 329

Littérature

Compost, Autria (Sager, 2007) 26 38

GC, GB (Grimes, 1999) 26 31

NF 44-051 et 44-075 60 120

- GC, La réunion = fond pédo-géochimique (Doelsch et al., 2006 ; Payet et al., 2008)

- MSWC = rejet industriels ?

Plan de l’exposé20

Objectifs : approfondissement de l’étude des teneurs des PRO en ETM

Existe t-il des fractions granulométriques

où les ETM se concentrent ?

Existe-t-il des associations entre ETM et majeurs ?

Fractionnement granulométrique

21

?

Fractionnement granulométrique

22

Méthode

Pure water200 mlRaw organic waste

4 g

Sieve 2000 µm

Sieve 630 µm

Sieve 200 µm

Sieve 20 µm

10,000 rpm3h

Fraction sup2000

Fraction 630-2000

Fraction 20-200

Fraction 0.22-20

Fraction 200-630

Séparation des PRO en ≠ fractions

granulométriques

Fractionnement granulométrique

23

Mould from MSWC, Antananarivo, Madagascar0.2 – 20 µm 20 – 200 µm 200 – 630 µm 630 µm – > 2 mm

MSWC, Mahajanga, Madagascar0.2 – 20 µm 200 – 630 µm 630 µm– 2 mm > 2 mm

23

Fractionnement granulométrique

24

Répartition massique

0

20

40

60

80

100

MSWC /France, Feucherolles

SS / Sénégal, Cambérène

MSWC/ Madagascar, Tananamadio

Compost DV /France, La Réunion

Perc

enta

ge o

f th

e fr

acti

ons

(%)

0,2-20 µm 20-200 µm 200-630 µm 630-2000 µm sup 2 000 µm

Grande variabilité

≠ pour un même type (e.g.

Compost OM)

GRANULOMÉTRIE +/- PROPRE À CHAQUE PRO

Fractionnement granulométrique

25

Méthode

Pure water200 mlRaw organic waste

4 g

Sieve 2000 µm

Sieve 630 µm

Sieve 200 µm

Sieve 20 µm

10,000 rpm3h

Filtration 0.22 µm

Fraction sup2000

Fraction 630-2000

Fraction 20-200

Fraction 0.22-20

Fraction inf0.22

Fraction 200-630

Attaque triacide → analyse par ICP-AES

→ analyse par ICP-AES

Fractionnement granulométrique

26

Répartition granulométrique des ETM Compost OM, Mahajanga, Madagascar

Fraction fine

Fraction grossière

Dissout

Fractionnement granulométrique

27

Répartition granulométrique ETM Compost OM, Mahajanga, Madagascar

Enrichissement en Cu dans la fraction fine

Fractionnement granulométrique

28

Répartition granulométrique ETM : résumé

Compost OM, Mahajanga, Madagascar

Présence dans <0.2 µmCu/Ni

Enrichis dans 0,2-20 µm Cu/Zn/Pb/Ni/Cr/Cd

Enrichis dans > 2000 µm Ni/Cr/Cd Enrichissement de tous les ETM dans fraction fine

Discrimination : - présence dans le dissout- enrichissement dans fraction

grossière

Répartition non

constante entre les

PRO

Fractionnement granulométrique

29

Répartition granulométrique ETM et majeurs Compost OM, Mahajanga, Madagascar

Associations élémentaires ETM/majeur

Fractionnement granulométrique

30

Répartition granulométrique ETM/majeurs : résumé

Présence <0.2 µm Cu/Ni S/Na/K/PEnrichis dans 0,2-20 µm Cu/Zn/Pb/Ni/Cr/CdS/Ca/Mg/Al/Mn/Fe Enrichis dans > 2000 µm Ni/Cr/Cd Ca/Mg/Fe

Compost OM, Mahajanga, Madagascar

Identification de probables phases porteuses des ETM :

Cu / Zn / Pb sur phase Al ou MnNi / Cr / Cd sur phase Fe

Association

ETM/majeurs non

constanteentre les

PRO

31

Répartition granulométrique ETM/majeurs : étude statistique

Matrices de corrélation ACP Régressions multiples …

ObjectifGénéraliser à la totalité de la population

cette analyse des teneurs des fraction granulométrique

À l’aide d’outils statistiques

En cours … finalisé d’ici février 2011.

Conclusions32

50% des composts comportent des teneurs pour au moins 1 ETM > valeurs légiférées – Risque encouru par la pratique de l’épandage agricoleBoues de STEP : aucun risque dus aux ETM d’après les normes

Pas de discrimination de l’origine géographique des PRO (nord vs sud) dans les teneurs totales en ETM

Trois groupes d’ETM selon les sources de contamination existantes Ni et Cr = sources géogénique ou anthropique urbaine Cu/Zn = sources anthropique agricole ou urbaine Pb/Cd = source anthropique urbaine

Fractionnement granulométrique Enrichissement des ETM dans fraction fine Association ETM /majeurs pour un PRO identification phases porteuses Analyse statistique de ces répartitions et associations sur la totalité de la

population en cours …

INVENTAIRE DES CONTAMINANTS MÉTALLIQUES DANS DES PRODUITS

RÉSIDUAIRES ORGANIQUES

Marie Tella, Postdoctorante UR Recyclage et risque

Dakar, Décembre 2010ISARDSéminaire mi parcours

[Cu] [Zn]

[Pb]

[Ni]

[Cr]

[Cd]

2-Axis 30.7%

1-Axis55.1%

ACP population totale34

1

5

6

8

-4

0

4

-5 0 5

1-Axis

2-Axis

Cluster 1

Cluster 2Cluster 3

PRO extrêmement riches en Zn/Pb/Cd- Mould from MSWC, Antananrivo,

Madagascar- Mould from MSWC, Dakar, Senegal

PRO riches en Ni/Cr- GC, La Réunion, France (HS)- MSWC, Mahajanga, Madagascar

Corrélations35

r² = 0.63

r² = 0.010

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

[Pb]

(mg

kg-1

DM

)

[Zn] (mg kg-1 DM)

Corrélations forcées par les valeurs atypiques des criblés ?

Oui : Zn vs Pb +/- : Cd vs ZnNon : Ni vs Cr et Cu vs Zn

Corrélation avec toute la population

Corrélation sans valeurs

atypiques

ACP sans valeurs atypiques36

1

2

3

47

8

910

1112

1314

-4

0

4

-5 3

1-Axis

2-Axis

Cluster 1a

Cluster 2

Cluster 1b

[Cu]

[Zn]

[Pb]

[Ni] [Cr]

[Cd]

2-Axis 41.6%

1-Axis46.5%

PRO riches en Ni/Cr- GC, La Réunion, France (HS)- MSWC, Mahajanga, Madagascar

PRO riches en Zn/Cu/Cd Urbains ++ Agricoles +

SS, Dakar, Senegal MC (pig), La réunion, France (HS)MSWC+SS, Yvelines, France (HN) MC (poultry), La

réunion, France (HS)M (cattle), Yvelines, France (HN)

Corrélations37

r² = 0.90

r² = 0.1854

r² = 0.6582

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

0 1000 2000 3000 4000

[Cd]

(mg

kg-1

DM

)

[Zn] (mg kg-1 DM)

Corrélation avec toute la population

Corrélation sans

valeurs atypiquesCorrélation Sans SS