Chapitre I : Sorption / désorption des butylétains au cours du traitement par lagunage
I.2 Mécanismes de sorption / désorption et désalkylation du tributylétain
Ce paragraphe présente la synthèse de la publication soumise à ESPR. Le texte intégral de la publication soumise est fourni en annexe
La précédente étude de sorption du TBT par les boues a permis de quantifier l’affinité de ce composé pour les matières en suspension. L’objectif principal de cette partie est d’étudier l’évolution des processus de sorption-désorption-transformation des butylétains dans le temps. Ces processus sont responsables de la distribution et du transfert des butylétains dans chaque phase au cours du traitement par lagunage. Plusieurs conditions susceptibles de se produire dans les stations sont étudiées avec notamment l’impact d’une dilution tel que cela peut se produire lors d’épisodes pluvieux importants ou l’apport brutal d’une pollution en TBT avec l’arrivée d’effluents contaminés. Trois approches expérimentales basées sur la mise en contact de boue diluée avec les butylétains dans des conditions opératoires différentes ont été adoptées, permettant ainsi de décrire le comportement des butylétains dans chaque cas.
I.2.1 Protocoles expérimentaux
Chacune des trois méthodologies expérimentales suivantes, est basée sur l’utilisation d’un système jar-test (agitation 90rpm) à une température contrôlée de 20°C et un pH maintenu à 7,2. Les boues utilisées ont été prélevées dans le premier bassin anaérobie de Gigean (G1 et G2) en novembre – décembre 2012 et de Montbazin (M1 et M4) juin-juillet 2013.
I.2.1.a Test 1
Les boues sont diluées avec de l’eau du robinet ou une solution de NaNO3. Immédiatement après la dilution des boues, les concentrations initiales en butylétains sont quantifiées, avant de suivre leur évolution dans les phases liquide et solide après 24h pour les boues G1 et G2, et pendant 14 jours pour les boues M3 et M4.
Le test 1 vise à étudier le comportement à court et à long terme des espèces butylées après dilution dans l'eau du robinet ou NaNO3solution simulant un apport important d’eau de pluie par exemple
ou un changement brutal de force ionique.
I.2.1.b Test 2 :
Après dilution des boues G1 et G2 dans de l’eau du robinet, la suspension est dopée avec des concentrations croissantes en TBT. L’évolution des concentrations dans les phases liquide et solide est suivie après 2 et 4 heures.
Le test 2 vise à observer le comportement des boues en cas d’apport soudain de TBT, simulant donc une pollution accidentelle.
I.2.1.c Test 3 :
Après dilution, la suspension est dopée avec une concentration connue en TBT et maintenue sous agitation pendant 24h. Elle est ensuite décantée en cône Imhoff pendant 2 heures. Le surnageant est remplacé par de l’eau du robinet (G1, G2, M3) ou par une solution de NaNO3(M4). L’évolution des concentrations des butylétains dans les phases liquide et solide a été suivie pendant 24 h pour les boues G1, G2, et pendant 14 jours pour les boues M3 et M4.
de l'OTC. Ces essais ont consisté à étudier le devenir du TBT fraîchement adsorbé sur les boues (24 heures) après une mise en contact avec une phase liquide exempte de butylétains.
I.2.2 Hypothèses
Au vu des résultats obtenus et des données de la littérature, les hypothèses suivantes ont été formulées pour permettre le traitement des données. La transformation des espèces n’a été prise en considération que dans la phase liquide, avec une cinétique de dégradation et de production constantes, ainsi toute augmentation des concentrations en butylétains dans la phase liquide est liée à une perte dans la phase solide et vice-versa. L’évaporation et la sorption des butylétains sur les parois des béchers et la transformation du MBT en étain minéral sont négligeables. Ainsi la sorption (O) et la désorption (I) représentent les changements de phases (liquide-solide ou solide-liquide) alors que la production (G) et la perte (Removal : R) représentent la dégradation (i.e. débutylation) au sein de la phase liquide.
I.2.3 Résultats
Les expériences effectuées ont permis d’arriver à plusieurs résultats qui sont détaillés dans l’article, parmi lesquels on peut citer :
- L’affinité importante entre les butylétains et la boue quelle que soit son origine (GG ou MBZ). 98% des butylétains se retrouvent dans la phase solide, ce qui est cohérent avec la littérature où l’hydrophobicité des butylétains est souvent évoquée.
- La distribution des espèces MBT, DBT, TBT, dans la phase solide est variable d’un test à l’autre selon les conditions opératoires.
- Le suivi de l’évolution des concentrations en butylétains au cours du temps a permis l’identification des processus de sorption-désorption - désalkylation du TBT et la réadsorption conduit à l’augmentation des concentrations en MBT et DBT dans la phase solide.
- Les expériences de remise en suspension ont montré la désorption rapide du TBT, qui se dégrade dans la phase liquide en DBT. Une partie se transforme en MBT dont la sorption sur les boues a été systématiquement mesurée. La sorption du DBT sur la phase solide est affectée par l’augmentation de la force ionique, puisque la sorption du TBT n’est pas observée lors des expériences effectuées avec la solution de NaNO3.
Les butylétains qui traversent chaque bassin (BuT+, pH basique en entrée et dans tous les bassins des deux STEP) sont retenus par le matériel organique ou inorganique qui compose la phase solide soit par complexation avec les ligands chargés négativement ou à travers des interactions hydrophobes (Arnold et al., 1998; Calvet et al., 2005; Gianguzza et al., 2012). Il n’est pas possible dans notre étude d’établir une corrélation satisfaisante entre les concentrations en carbone organique dissous et les concentrations dissoutes en MBT, DBT, et TBT (ng(Sn).L-1). Néanmoins l’existence de cette relation a été démontrée par l’étude d’Arnold et al. (1998) qui ont travaillé sur l’association entre le TBT et l’acide humique dissous (AHD) en fonction du pH et du Na+. Leurs résultats ont mis en évidence la linéarité de la sorption du TBT sur l’AHD et l’importante corrélation entre ce phénomène et le pH (entre 3 et 9). La complexation du TBT par les groupements carboxylates et phénolates des AHD chargés négativement et les interactions
hydrophobes semblent expliquer ce phénomène. Ils ont aussi remarqué que la compétition entre le TBT et le Na+pour les sites de sorption est observée à des forces ioniques élevées.
L’étude effectuée dans cette partie est présentée de façon plus détaillée dans l’article en Annexe 4.
I.3 Conclusion
Au cours de cette étude, nous avons porté une attention particulière au TBT car c’est la molécule la plus toxique, et que ce composé peut être à l’origine de la présence des MBT, et DBT. Désormais, la réversibilité de la sorption du TBT depuis les boues de lagunage ne fait aucun doute. Sachant que les boues de lagunage sont souvent épandues sur les sols agricoles, les données relatives à la sorption/désorption présentées, sont importantes pour l’estimation du transport et de la biodisponibilité des butylétains.