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Traitement des sédiments de dragage : un enjeu du développement durable

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rencontres de l’AUGC, 23-25 mai 2007, Bordeaux
Traitement des sédiments de dragage : un
enjeu du développement durable
A. Benamar
1
, F. Baraud
2
, A. Alem
1
1
Laboratoire de Mécanique, Physique et Géosciences 53 rue de Proni BP 540,
76058 Le Havre cedex
2
Equipe de Recherche en Physico-Chimie et Biotechnologies, Sciences 2, Campus 2,
Bd du Maréchal Juin, 14032 Caen.
benamar@univ-lehavre.fr
RESUMÉ.
Les pratiques de dragage constituent un enjeu pour le développement et le maintien
des activités portuaires. Elles présentent également un risque de contamination des eaux
côtières pouvant affecter durablement les écosystèmes. Parmi les procédés de traitement des
sédiments pollués l’électromigration permet d’éliminer des substances ionisées ou ionisables
contenues dans un sol. Des échantillons prélevés dans trois bassins différents du port du
Havre ont été testés au laboratoire pour déterminer l’efficacité de ce procédé de traitement.
Les essais ont consisté à déterminer l’influence des différents paramètres sur la pertinence du
traitement par électromigration. Les résultats ont montré une diminution de l’intensité
électrique dans l’échantillon durant l’essai mettant en évidence la saturation du potentiel
d’électromigration. Le volume des solutions extraites augmente avec la puissance électrique.
L’utilisation de trois électrodes de matériaux différents a montré l’interaction de celles-ci
avec le milieu et leur influence sur l’efficacité du traitement.
MOTS-CLÉS
: sédiment, dragage, décontamination, électromigration, polluants.
ABSTRACT
. Activities of dredging are necessary for the development of the ports and to
maintain sufficient sailing depth. Dredging is also a crucial operation for some engineering
works. Dredged sediments are frequently accumulating chemicals and present an effective
contamination risk of coastal waters, affecting the ecosystems durably. Among the treatment
processes of contaminated sediments the process is a promising decontamination technique
for removal of heavy metals. An experimental study which aimed at investigating the
efficiency of this technique is performed for three samples of sediments dredged in the port of
Le Havre. The results showed a decrease of the electric current in the sample during the,
highlighting the saturation of the electrokinetic potential. Electric power and material
electrodes are also the parameters controlling the electroremediation process.
KEYWORDS
: dredged sediment, electrokinetic, remediation, pollutants.
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1. Introduction
Les pratiques de dragage constituent un enjeu pour le développement et le maintien
des activités portuaires et fluviales. Elles présentent également un risque de
contamination des eaux côtières pouvant affecter durablement les écosystèmes. La
réglementation française et européenne prévoit que les vases polluées ne peuvent
plus être rejetées dans le milieu marin obligeant à terme les collectivités à prévoir un
traitement à terre coûteux en raison des volumes considérables à valoriser et de la
complexité d’un tel processus. La question des sédiments marins des zones
portuaires prend ainsi une importance toute particulière : les exigences écologiques
d’aujourd’hui ne permettent plus de draguer les ports sans se soucier du devenir de
ces boues polluées. Un recyclage est d'autant plus important que ce sont des millions
de mètres cubes de boues polluées qui doivent être extraits des ports européens. La
réglementation relative aux dragages et immersions a été révisée et complétée à
partir de juin 2000. Quatre textes traitent des conditions relatives à l’évaluation de la
qualité des sédiments. La gestion des sédiments contaminés soulève des défis
technologiques, économiques et environnementaux de plus en plus importants.
Divers scénaris s’offrent aux promoteurs, depuis la décision de ne pas intervenir
jusqu’à celle d’éliminer en partie ou en totalité les contaminants présents dans le
sédiment. Le prétraitement et le traitement des sédiments sont des technologies
répondant à ce dernier point. Elles permettent de rendre aux sédiments contaminés
des teneurs en polluants acceptables pour qu’ils soient, éventuellement, réutilisés. La
phase de caractérisation des sédiments prend alors toute son importance : elle permet
de choisir la technologie adéquate et d’en estimer le coût. Certaines de ces
technologies peuvent avoir des répercussions environnementales par l’intermédiaire
des rejets d’eau ou de gaz, d’autres nécessitent beaucoup d’énergie ou de grands
espaces. Les sédiments peuvent techniquement être mis en dépôt à terre, sous l'eau
ou sur des îles. Toutefois, les dispositions liées à la protection de l'environnement
marin contre les risques écologiques potentiels des immersions tendent à privilégier
les dépôts terrestres.
Les quantités de matériaux dragués annuellement sont considérables: 40 millions de
m
3
pour la France et 45 millions de m
3
pour les Pays-Bas. En France, la quantité de
vase draguée s’élève à 24 millions de m
3
par an (GEODE) et représente 75% des
matériaux dragués (Boutouil, 1998). Près de 11 millions de m
3
et 9 millions de m
3
de
sédiments sont dragués annuellement dans les ports du Havre et de Rouen (chenal
d’accès) respectivement.
Parmi les procédés de traitement des sédiments pollués l’électromigration permet
d’éliminer des substances ionisées ou ionisables contenues dans un sol. Sous
l’influence d’un champ électrique (courant électrique) appliqué entre deux électrodes
les espèces ionisées migrent vers l’anode ou la cathode selon leur charge (figure 1).
Des phénomènes d’électrolyse de l’eau et d’éloctroosmose apparaissent lors de
l’électromigration; ces phénomènes nécessitent une adaptation des conditions
expérimentales pour favoriser la migration des polluants concernés (maintien de
l’humidité et contrôle de PH). Il est également possible d’utiliser le phénomène
d’électroosmose (qui induit un mouvement de l’eau en général vers la cathode) pour
Traitement des sédiments de dragage : un enjeu du développement durable 3
éliminer certains polluants non ionisables. L’application d’un champ électrique dans
le milieu par la création d’une différence de potentiel entre des électrodes provoque
d’une part des mécanisme de transport, appelés électrocinétiques, qui sont
responsables du transport des espèces dans la phase liquide vers l’une ou l’autre
électrode et d’autre part des réactions d’oxydoréduction. Ces réactions
électrochimiques permettent entre autre la fermeture du circuit.
Figure 1. Schéma de principe du procédé d’électromigration (Pomès, 2002).
D’une manière générale, le but de cette étude est d’avoir une meilleure connaissance
de l’électromigration, d’identifier des grandeurs utiles pour la mise en place et
l’application reproductible du procédé.
2. Etude expérimentale d’électromigration
L’étude envisagée consiste à étudier l’écoulement des fluides (eau et solutés) à
travers un milieu poreux sous l’effet d’un champ électrique. On s’intéressera à
caractériser l’influence du champ électrique sur l’amélioration de la conductivité
hydraulique et la vitesse d’écoulement dans les sols. L’intensité de la conductivité
électrique dépend essentiellement des propriétés conductrices de la phase fluide et
des caractéristiques du réseau poreux. L’objectif est de caractériser l’effet d’un
mécanisme réactionnel précis à l’écoulement naturel des fluides et polluants dans les
sols.
Les trois échantillons utilisés dans le cadre de cette étude sont extraits à la drague
dans les bassins du port du Havre. La figure ci-contre montre les points de
prélèvement pour les trois vases : CIM2, BN03 et
Bassin (figure 2). Ce dernier point
de prélèvement étant situé dans un bassin arrière du port. Les courbes
granulométriques de ces échantillons sont représentées sur la figure 3. Le dispositif
expérimental est constitué d’une cellule constituée d’un compartiment central
contenant l’échantillon et de deux autres latéraux servant à recueillir les solutions
extraites des vases. Deux électrodes sont placées aux extrémités de l’échantillon et
dont la tension électrique continue ou alternative appliquée est contrôlée. Les essais
consistent à déterminer l’influence des différents paramètres sur la pertinence du
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traitement par électromigration. Une cellule en Plexiglas de dimensions 27×12×12
cm
3
qui comprend à ses extrémités un compartiment anodique dans lequel est placé
une anode et un compartiment cathodique dans lequel est placé une cathode.
Les deux électrodes d’Inox sont perforées et disposées aux extrémités de
l’échantillon. Les compartiments sont séparées du reste de la cellule contenant
l’échantillon de sol saturé par géotextile (perméabilité de l’ordre 10
-6
m/s). Un
générateur à tension (continue ou alternative) ou à courant imposé est utilisé selon
l’expérience envisagée.
Figure 2. Situation des points de Figure 3. Courbes granulométriques
Prélèvement des échantillons. Des sédiments prélevés
La densité de flux de matière d’une espèce i par électromigration
emi
J
,
peut être
estimé à partir de la mobilité ionique caractéristique de l’espèce selon l’équation :
emi
J
,
= -
i
i
z
z
u
i
*ci
Φ
(1)
Avec :
Φ
: Le gradient de potentiel imposé aux bornes du milieu (V.m
-1
) définit comme
la différence entre la tension à l’anode et à la cathode par unité de longueur ;
c
i
: la concentration de l’espèce i en solution (mol. M
-3
) ;
u
i
* : la mobilité ionique effective de l’espèce i dans le milieu ;
zi : charge de l’espèce i ;
En négligeant la diffusion, la quantité totale de matière transportée par
électromigration est régie par la densité de courant j (A.m
-2
) [ Newman, 1991].
Φ==
r
r
kJzFj
emi
i
i,
(2)
avec k = F
i
z
i
u
i
*c
i
la conductivité ionique du milieu poreux (S.m
-1
).
Traitement des sédiments de dragage : un enjeu du développement durable 5
La plupart des auteurs considèrent que les réactions électrochimiques prédominantes
sont des réactions d’électrolyse de l’eau [Acar et al, 1993; Baraud, 1997].
Cependant, la nature des électrodes, la nature et la concentration des espèces
présentes dans la solution, le pH ou la température sont autant de facteurs rendant
possible l’apparition d’autres réactions électrochimiques si le potentiel rédox est plus
favorable que celui de l’eau (Ribeiro et al,1997).
3. Résultats et discussion
L’intensité électrique correspond à la charge de la quantité totale d’espèces
chimiques transpostées dans le système. Elle dépend de la différence de potentiel
délivré et aussi de la somme des résistances des compartiments. L’évolution de
l’intensité électrique indique des fluctuations importantes.
Les résultats obtenus montrent que sous certaines conditions, la dépollution
électrocinétique permet d’extraire une partie importante de la phase liquide
contenant des métaux lourds. Le pourcentage pondéral d’extraction est voisin de
15 %. La masse de vase utilisée dans le pilote de laboratoire est proche de 2 kg; le
volume de solution extraite par électromigration varie selon la puissance électrique
pour une durée de traitement fixée (voir le tableau I ci-dessous).
Puissance électrique (J) 12 18 22 36
Volume extrait (ml) 48 70 112 149
Table 1 : Effet de l’énergie électrique sur le volume de soluté extrait (Electrode Al)
La figure 4 montre que l’efficacité d’extraction de solution du sédiment dépend aussi
de la nature des électrodes utilisées. L’aluminium est le matériau qui présente le
meilleur rendement mais il interagit (altération de la cathode) avec le milieu.
-1
19
39
59
79
99
119
139
159
0 10 20 30
Temps (h)
solutions extraites (ml)
Inox Al Cu
Figure 4. Variation du volume de solution extraite avec la nature de l’électrode.
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Les résultats de rentabilité du procédé (dans les conditions utilisées sur ce pilote)
montrent que pour extraire 15 % de solution, il faut une énergie de 52 Wh pour la
masse de 2 kg de vase. L’application d’un courant alternatif permet une élévation de
température dans le sol (42°C contre 20°C en courant continu) qui provoque une
dessiccation importante du sol, atténuant considérablement le procédé.
Les résultats des analyses par ICP effectuées sur quelques échantillons prélevés dans
les solutions extraites sont présentés dans la figure 5. A travers ces résultats, la
réduction de concentration est variable pour les différents éléments chimiques et
parait intéressante dans les conditions de l’essai à l’élément Cuivre.
0
200
400
600
800
1000
Al As Ca Cr Cu Fe K Mn Ni Pb Sn
concentrations mg/L
éch.2
éch. 4
éch.3
éch.5
éch.1
Figure 5. Résultats de spéciation sur quelques échantillons des solutions.
4. Conclusion
Cette étude a montré que le traitement électrocinétique des sédiments pollués peut,
sous certaines conditions, être un procédé intéressant. Il convient alors de moduler
les paramètres électrochimiques (pH, température, teneur en eau, nature des
électrodes, puissance électrique, durée de traitement, niveau de pollution du
sédiment) en fonction des espèces à extraire. A travers les résultats de ces essais, la
réduction de concentration est variable selon les espèces. Il importe donc de
rechercher les conditions optimales de réduction de polluants dans les sédiments
selon ce procédé en fonction des conditions expérimentales. Cette étude a permis de
montrer que le procédé d’électromigration permet d’extraire certains éléments
chimiques de façon satisfaisante avant d’envisager une stabilisation par solidification
dans le but d’une valorisation ultérieure des sédiments de dragage. L’apparition
rapide de fissures dans le matériau pour de fortes puissances électriques réduit la
durée du traitement et son efficacité.
Traitement des sédiments de dragage : un enjeu du développement durable 7
5. Références
Acar Y.B.,Alshawabkeh A.N. (1993), A novel Electrokinetic Technology for Soil
Remediation and Engineering, Env. Sc. and Tech. 27, (13), p. 2638-2647.
Baraud F. (1997), Approche de la vitesse électrocinétique du transport des ions dans
les pores d’un modèle de sol en électrodécontamination, Thèse de l’Université de
Pau.
Boutouil M. (1998), « Traitement des vases de dragage par
solidification/stabilisation à base de ciment et additifs », thèse de l’Université du
Havre.
Jardani A. (2002), « Transferts de polluants dans un milieu poreux », rapport de
stage de DESS Génie Portuaire et Côtier, Laboratoire de Mécanique, Université du
Havre.
Ribeiro A.B., Mexia J.T.(1997), A dynamic model for the electrokinetic removal of
copper from a polluted soil, J.of Hazardous Materials 56, p. 257-271.
Article
In this study, the biosurfactant–enhanced electrokinetic method was investigated for the removal of potentially toxic trace elements (As, Ba, Cd, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Sb, Se and Zn) in waterways sediments. The effect of this method was compared to the removal capacities of deionised water in the same conditions in order to assess its efficiency. After treatment, batch leaching tests have shown that almost toxic elements (As: 81.3%; Ba: 80%; Cr: 97.3%; Cu: 82%; Zn: 94.5%; Mo: 13.8%; Ni: 62.7%; Se: 66.8% and Sb: 9.3%) were less released in waters. On the whole sediment samples, Ba and Cd displayed the highest removal rates (Ba: 71.2% and Cd: 77.5%). The use of biosurfactant enhanced the electrokinetic method by improving the trace elements migration and altering pH and Eh locally generated by the system. Overall, the application of this new approach dredged sediments seems to be promising but needed further investigations for industrial applications.
Article
The dredging of French ports generates each year between 25 to 40 million tons of uncontaminated materials which are piled onto sea. Moreover, an important stock of contaminated sediments (about 10 million tons), which has to been dredged, exists. Indeed, the decree of June 14th, 2000 prohibits disposal to sea when levels of contamination exceed regulations. This important stock of sediment, which must be imperatively dredged within 10 years, is almost orphan of adapted treatment and valorization. In this context many research program appear to propose and to develop solutions. The SEDiGEST program (Management of the dredging sediments of ports) intends a scenario of filling terrestrial cavities with treated sediments. This Ph.D. thesis, carried out within the framework of this program, contributes to the improvement in understanding the geo-physico-chemical behavior of marine sediment stabilized with hydraulic binders (cement + lime). In this objective, the experimental approach was conducted in three steps. Firstly, a characterization of the solid was realized. An evaluation of the potential mobility of inorganic pollutants have was then determined. Finally, a modeling of the behavior towards leaching was operated. Data shown that target's inorganic pollutants of the matrix of study (copper, lead and zinc) were mainly associated with carbonates, sulfides/sulfates, (oxy)hydroxides, and/or with organic matter. Comparative study of the matrix at three levels "of evolution" (before and after treatment and artificially aged) highlights the reversibility of the stabilization by hydraulic binders. Indeed, treated sediment presents a pollution risk to less or more long term, leaching of copper and lead, during carbonation.
Article
The electrokinetic process is a promising decontamination technique for removal of heavy metals from polluted sites. The authors have studied the removal of copper (Cu) from an industrially heavy-metal-contaminated soil, using the application of electric current. A sequential extraction procedure was used to monitor changes in the chemical associations of Cu during the electrokinetic treatment of the soil. A dynamic model is presented for the removal of Cu by electrokinetic decontamination. This model, based on a biregressional design, enables a joint analysis of the experiments which were carried out in a laboratory cell. The removal of Cu was found to be a local phenomenon, dependent on the release of metal by different soil fractions, cumulative and controlled by time as well as pH.
A novel Electrokinetic Technology for Soil Remediation and Engineering
  • Y B Acar
  • A N Alshawabkeh
Acar Y.B.,Alshawabkeh A.N. (1993), A novel Electrokinetic Technology for Soil Remediation and Engineering, Env. Sc. and Tech. 27, (13), p. 2638-2647.
« Traitement des vases de dragage par solidification/stabilisation à base de ciment et additifs
  • M Boutouil
Boutouil M. (1998), « Traitement des vases de dragage par solidification/stabilisation à base de ciment et additifs », thèse de l'Université du Havre.
« Transferts de polluants dans un milieu poreux
  • A Jardani
Jardani A. (2002), « Transferts de polluants dans un milieu poreux », rapport de stage de DESS Génie Portuaire et Côtier, Laboratoire de Mécanique, Université du Havre.