1 Etude bibliographique
1.4 Comportement environnemental à long terme des sédiments gérés à terre
1.4.3 Facteurs influençant la spéciation, la libération des métaux et les interactions à
interactions à l’interface solide-liquide
1.4.3.1 Influence du pH et Eh
De nombreuses études se sont intéressées à la relation entre le pH et la lixiviation des
métaux dans les sédiments, sols et eaux naturelles [45,106,3,1,5,107]. Le pH est contrôlé par
la capacité tampon du milieu et par l’activité biologique. En général, une augmentation du pH
favorise l’adsorption des métaux et une augmentation de la CEC alors qu'une diminution
entraîne la solubilisation des métaux par effet de compétition avec les protons et la dissolution
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de phases porteuses. Pour les sédiments de dragage, Serpaud et al. (1994) montrent que
l’augmentation du pH de 5 à 8 induit une augmentation de l’adsorption de Cu, Cd et Zn [20].
Lors et al.(2004) [30] montrent qu’une acidification peut augmenter d’un facteur 10 la
lixiviation de Zn et Cd.
Le Eh est en partie contrôlé par le degré d’aération et la capacité de drainage du
matériau. La minéralisation de la MON par le biota associée à la production de CO
2développe des conditions réductrices. Les conditions redox influencent significativement la
solubilité de certains métaux (ex: Fe, Mn et Cr) qui sont plus mobiles sous leur forme réduite.
De plus, les conditions redox influencent la précipitation ou la dissolution de phases
minérales, et donc la remise en solution des ions adsorbés ou coprécipités [108]. Avec
l'augmentation du Eh, les sulfures vont progressivement s’oxyder libérant des éléments
potentiellement toxiques (As, Zn, Cd, Pb) qui étaient associés à ces phases. Ces conditions
oxydantes favorisent également la néoformation de phases secondaires, avec lesquelles des
contaminants peuvent coprécipiter ou s’adsorber [109,29,33,110,31]. Certaines de ces phases
secondaires comme les (
hydr)oxydes amorphes de fer et d’aluminium peuvent présenter de
grandes surfaces spécifiques et jouer un rôle important dans les processus de rétention des
métaux (ex: Pb) [5,111] et métalloïdes (ex: As). Cependant ces néoformations sont moins
stables que les phases initiales (sulfures), impliquant une plus forte solubilité [112].
1.4.3.2 Influence des cycles oxydation/réduction et variations saisonnières
Les dépôts de sédiments ou la valorisation en butte paysagère entraînent une mise en
contact avec l'atmosphère et donc une oxydation de certaines phases minérales [109]
initialement réduites [3,109], ainsi que la percolation des eaux de pluies susceptibles
d’entraîner les éléments solubles ou particulaires. Ces lixiviations sont des vecteurs potentiels
de contamination des aquifères en profondeur. Des études soulignent le rôle prépondérant des
variations climatiques sur la mobilisation des métaux [54]. En période estivale, la nappe
phréatique et le taux d’humidité dans le matériau baisse, il y a donc désaturation et oxydation.
L’été est suivi de périodes plus fraîches, accompagnées de pluies plus abondantes qui peuvent
entraîner la mobilisation des métaux (Zn et Cd) vers l’aquifère [3]. L’effet de la variation de
température sur l’adsorption n’est pas très significatif [20], mais celle-ci joue un rôle indirect
sur l’adsorption par l’intermédiaire de l’activité biologique qui produit des substances acides
et complexantes. Par exemple, la température influence l’activité d’organismes capables de
réguler les conditions redox, tels que Thiobacillus qui a un optimum d’activité à 32°C et une
inhibition de son activité vers 5°C [113,114].
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1.4.3.3 Influence du calcium
Le Ca entre en jeu dans la force ionique qui stabilise les fractions colloïdales, et joue
un rôle prépondérant dans les réactions d’échanges ioniques, favorisant la remobilisation des
ETM par effet de compétition pour les sites de surface [115,116]. Par ailleurs, Ca
2+en
solution déplace les équilibres thermodynamiques de la calcite: une eau riche en Ca
2+en
contact avec l’atmosphère va favoriser la précipitation de carbonates, et donc la rétention des
métaux.
1.4.3.4 Influence de l’activité bactérienne
Lorsqu’un sédiment anoxique devient progressivement oxique, l'activité bactérienne
est modifiée. Des études récentes montrent le rôle des bactéries indigènes dans les sédiments
de dragage [30,117] sur la lixiviation des métaux en se plaçant en conditions biotiques et
abiotiques à différent pH. Leurs résultats suggèrent que la lixiviation de Zn et Cd est plus
importante en conditions biotiques qu’en conditions abiotiques et que seule une faible fraction
de ces métaux serait lixiviée par oxydation chimique seule. L’implication de bactéries
acidophiles oxydant les sulfures telles qu’Acidoferrobacter Thiooxidans dans ces processus a
été clairement mise en évidence [30]. En effet, la population de ces bactéries croît rapidement
après quelques temps lors des expériences de remise en suspension, au détriment des
populations sulfato-réductrices. De plus, en conditions biotiques Cu est moins lixivié qu’en
abiotique car il est complexé à la MON [30]. En conditions abiotiques, une forte lixiviation de
Cu et de COD est observable [30], mettant en évidence la forte association entre la MON et le
Cu. Certaines études montrent que la bio-lixiviation par les bactéries oxydant les sulfures
semble être une technique prometteuse pour remobiliser les ETM des sédiments contaminés
[118].
1.4.3.5 Influence du transport colloïdal
Les espèces métalliques dissoutes et le transfert en solution constituent le principal
vecteur de transport de la plupart des contaminants vers les horizons plus profonds et les eaux
souterraines. Cependant des polluants jugés peu solubles sont parfois détectés dans les eaux
souterraines à des concentrations bien supérieures à celles calculées par leur solubilité. Le
mécanisme qui expliquerait ces trop fortes solubilités apparentes fait appel à la notion de
transport colloïdal [3,51]. Les colloïdes sont caractérisés par de petites tailles allant
généralement du nanomètre à 1 µm, par des vitesses de sédimentation très faibles (<10
-2m/s)
ainsi que par une charge de surface globalement négative et une grande surface spécifique,
d’où la forte réactivité de ces particules. Ils peuvent se former par précipitation lorsque la
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