transfert dans les sols routiers de métaux lourds issus...

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées – 12-13 d écembre 2006Clôture des opérations de recherche « Matériaux recy clés » et « Terrassements »

Transfert dans les sols routiers de métaux lourds

issus de MIOM

D. François, M. BouvetLCPC – Centre de Nantes

Votre logoici

Transfert dans les sols routiers de métaux issus de MIOM – D. François

Contexte: Thèse financée par le LCPC:

Transfert dans des sols routiers de métaux lourds i ssus de l’utilisation de déchets - M. Bouvet (2001-2004)

Co-encadrement: Institut National Polytechnique de Lorraine –Laboratoire Sols et Environnement

- Problématique

- Objectif

- Méthode

- Résultats

- Conclusions


Problématique

- Infiltration d’une partie des précipitations dans la chaussée

- Existence d’une fraction soluble des matériaux alternatifs (ex.: MIOM)

- Contact direct et prolongé des matériaux avec le sol routier

- Possibilité de transfert à travers le sol routier ou au sol routier

Très peu d’études sur le rôle des sols routiers dans le transfert et/ou la rétention des métaux lixiviés :

- pauvres en matière organique

- compactés

- pauvres en argile


Objectif

Compréhension des mécanismes de transfert/rétention de métaux lourds ( Cr, Cu, Pb et Zn) au sein de sols routiers :

- Quantification de la rétention

- Etude des interactions entre le lixiviat et les sols

- Identification des phases porteuses et stabilité à long-terme

- Formalisation d’un modèle de transfert des métaux lourds issus de matériaux alternatifs en scénario d’utilisation routière

- Elaboration de règles pour des applications réelles


Méthode: Travail à différentes échelles, spatiales et temporelles

Interactions entre sols Interactions entre sols routiers et lixiviat routiers et lixiviat

(essais en laboratoire)(essais en laboratoire)

11

Suivi environnemental Suivi environnemental d’un plot d’essai en d’un plot d’essai en

conditions climatiques conditions climatiques réellesréelles

22 État d’un ouvrage ancien

33Échelle spatiale

Échelle temporelle


Méthode: Echelle Laboratoire

- Essais de sorption entre un lixiviat de MIOM et différents types de sols:

- en batch - 6 sols:

- sables rouges – S1

- limons siliceux – S2

- argile sur marnes

- argile limoneuse calcique – S4

- arène granitique

- argile sur substratum siliceux

- en colonnes: sols S1 ; S2 ; S4

- Extractions séquentielles sur les sols « contaminés »


Méthode: Echelle Laboratoire – Solution « contaminante »

- MIOM de fraîche production déferraillés

- Cr: [Lit. (23 – 257 - 3 170) mg/kg ]

- Cu: [Lit.(180 – 2 206 - 8 240) mg/kg ]

- Pb: [Lit.(98 – 917 - 13 700) mg/kg ]

- Zn: [Lit.(613 – 4 036 - 7 770) mg/kg ]

- Production de la solution en case lysimétrique (fraction < 5 mm)

- pH 12,5

- [Pb] = 5 mg/l [MIOM V < 0,3 mg/l Pb; MIOM S > 1,6 mg/l Pb]

- [Cr] = 0,07 mg/l ; [Cu] = 0,1 mg/l ; [Zn] = 0,75 mg/l

- [Ca] = 630 mg/l , saturation en carbonates


Méthode: Echelle Laboratoire – Sols sélectionnés

Nom S1 S2 S4

Nature Sables rouges

Limons siliceux

limons calciques

Quartz ++++ ++++ +

Calcite +++

Kaolinite + ++

Smectites +

Illites + +

Hématites tr

CEC meq.g-1 2,5 4,7 7,5

Matière volatile

g.kg-1 2,1 2,2 2,2

< 2 µm % 7 23 16

pH - 4,7 7,0 8,7

B5 A1 A1 GTR

Sols sableux avec fines

Limons peu plastiques

- Prélevés sur chantier routier(arase de terrassement)

- Textures et caractéristiques variées

- Pauvres en MO


Colonne OPN ρd Ks

- g.cm-3

m.s-1

S1 2,04 1,84 1,5E -6

S290 1,86 1,67 1,0E -7

S4A 1,23 4,3E -7

S4SA T 1,37

1,23 4,0E -7

Méthode: Echelle Laboratoire – Simulation en colonne

50 cm

24 cm

Sondes- 15 cm

- 25 cm

0 cm

25 cmBilles de verre

Sol compacté

1 colonne saturée


Méthode: Echelle Laboratoire - Extractions

Étape Fraction des métaux

1 échangeables et liés aux carbonates

2 liés aux oxy/hydroxydes de Fe et Mn

3 liés à la matière organique

4 liés à la phase résiduelle

- Extractions séquentielles – Schéma du BCR

Acides Fluorhydrique et Perchlorique mélange (HF-HClO4, 15,5 M)

Peroxyde d’hydrogène (H2O2, 8,8 M) puis Acétate d’ammonium (CH3COONH4, 1 M), pH 2 (HNO3)

Chlorure d’hydroxylamine (NH2OH-HCl, 0,1 M), pH 2 (HNO3)

Acide acétique (CH3COOH, 0,11 M)


Méthode: Echelle Plot – Caractéristiques et suivi

Suivi

- Qualité des eaux par un système de bougies poreuses

- Bilan après 10 mois de fonctionnement

Caractéristiques �100 m²

� sol limoneux-sableux

� compacté 95 % OPN

� classification A2

� 40 cm de mâchefers


10 cm

Méthode: Echelle Plot


MIOM

Géotextile

Sol routier

+ 28 cm

+ 18 cm

0 cm

- 5 cm

- 10 cm

- 15 cm

- 25 cm

- 35 cm

- 45 cm

M1

M2

G

S1

S2

S3

S4

S5

S6

Matériaux coupe Profondeur éc hantillon� ouvrage ancien : 1991

� Parking réalisé en mâchefers recouvert de 1 à 5 cm de gravillons

� Prélèvements

� MIOM (2 ech.)

� Géotextile

� sol limoneux (6 ech.)

Méthode: Echelle Ouvrage


Méthode: Analyses des sols « contaminés »

XXObservations MEB

XXXpHpH, S, COT

XXXXExtractions séquentielles

XXXProfils de concentration en Cu, Cr, Pb, Zn et Ca

XXXXBilans chimiques

Colonnes Isothermes

3Ouvrage ancien

2Plot

d’essai

1Essai en laboratoire


Solution pH evolution

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

L/S (L.kg -1)

pH

0 cm

15 cm

25 cm

50 cm

(L/S = 0,25 l/kg) ≡ 1 année réelleScénario routier hydrologique pour des MIOM:

(L/S = 5,5 l/kg) ≡ 22 années réelles

Soil final profile

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

8 8,5 9 9,5 10

pHD

epth

(cm

)

S4sat

Résultats: Colonne S4 SAT – Evolution du pH


Pb and Zn profiles

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Content (mg/kg)

Dep

th (

cm) Pb

Zn

ø variation:Spéciation naturelle de fond

Variation importante:Spéciation induite

Résultats: Colonne S4 SAT – Transfert de Pb et Zn dans le sol

410

Pb917

Zn4036


Résultats: Rétention des métaux – Profils du Plomb

Colonne S2

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100

[Pb] en mg.kg -1

pro

fon

deu

r en

cm

-1

initial

final

L/S = 0,3 L.kg-1

Colonne S4 SAT

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 100 200 300 400 500

[Pb] en mg.kg -1

pro

fond

eur e

n c

m-1

initial

final

L/S = 5,5 L.kg-1

Plot d'essai

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100

[Pb] en mg.kg -1

pro

fon

deu

r en

cm

-1

initial

final

10 mois

L/S < 0,45 L.kg-1

917 mg/kg Pb

Ouvrage ancien

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100

[Pb] en mg.kg -1

pro

fond

eur e

n c

m-1

final

12 ans

L/S = ?

1200 mg/kg Pb

Accumulation des métaux dans les premiers centimètre s du sol


Résultats: Modifications des caractéristiques des sols - pH

Augmentation du pH en partie supérieure du sol

Plot d'essai

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

4 5 6 7 8 9 10

pH

pro

fon

deu

r en

cm

-1

initial

final

Ouvrage ancien

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

4 5 6 7 8 9 10

pH

pro

fon

deu

r en

cm

-1

final

Colonne S2

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

4 5 6 7 8 9 10

pH

pro

fon

deu

r en

cm

-1

initial

final

Lixiviat

pH = 12,5

MIOM

pH = 13,2

MIOM

pH = 9,2


Résultats: Phases porteuses – Cas du Plomb

Colonne S2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-45

-20

-2

-1

prof

onde

ur e

n cm

-1

[Pb] en mg.kg -1

Carbonates, échangeable

Fer/manganèse oxy/hydroxydes

MO

Résidus

Colonne S4 sat

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

-45

-20

-2

-1

prof

onde

ur e

n cm

-1

[Pb] en mg.kg -1



MO

RésidusPlot d'essai

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-35

-18

-4

-1

prof

onde

ur e

n cm

-1

[Pb] en mg.kg -1



MO

RésidusHypothèses :

- Plomb piégé par la précipitation de carbonates

- Redistribution à long terme sur d’autres phases du so l


Résultats: Phases porteuses - Transfert du Calcium

Colonne S2

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 500 1000 1500 2000

[Ca] en mg.kg -1

pro

fon

deu

r en

cm

-1

initial

final

Plot d'essai

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1000 2000 3000 4000 5000

[Ca] en mg.kg -1

pro

fon

deu

r en

cm

-1

initial

final

Ouvrage ancien

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1000 2000 3000

[Ca] en mg.kg -1

pro

fon

deu

r en

cm

-1

final

Augmentation du calcium en partie supérieure du sol

- existence d’une phase carbonatée


Résultats: Phases porteuses – Microscopie (Col. S4 SAT)

Particule de C, O, Ca

Phase dense de C, O, Ca, Pb

Phase dense de C, O, Ca, Cr


Résultats: Devenir des métaux

Les métaux sont principalement fixés par la précipitation d’une phase carbonatée

Le pH de la partie supérieure du sol routier peut être maintenu basique àneutre par le percolat

A long terme, des modifications des conditions du milieu ou du terme source (carbonatation) peuvent se produire

⇒ la phase carbonatée , peut être solubilisée et les métaux remobilisés

⇒ évolution de la fixation des métaux (diffusion, co-précipitation avec des oxydes de fer ou de manganèse, complexation avec la matière organique)


Conclusion

Capacité de rétention des sols (cible - milieu de transfert)

Effet Pb et Zn dans les premiers centimètres

Atténuation après 10 cm

Simulation: corrobore les observations sur sites anciens (22 ans)

Spéciation: révèle l’effet des carbonates + un problème dans la procédure

Redistribution possible à plus long terme

Charge hydraulique importante – Colmatage de certaines colonnes – Amélioration des conditions réelles d’écoulement

Bouvet M., François D., Schwartz C., 2006, Road soil retention of Pb leached from MSWI bottom ash. Waste Management (in press)

transfert dans les sols routiers de métaux lourds issus...

Documents