Simulation de vieillissement en laboratoire et suivi des teneurs en
2. Protocole expérimental mis en œuvre
2.1. Définition des régimes hydriques
Selon une enquête auprès de plusieurs gestionnaires de sédiment et selon un scénario de valorisation en remblaiement, les régimes hydriques les plus pertinents sont les régimes à la capacité au champ et saturés. En effet, les couches de surface de sédiment sont drainées et soumises à une alternance d’humectation et de séchage que ce soit pour dans des conditions de stockage ou dans le cadre d’une valorisation matière. Les couches de sédiment plus profondes sont plus lentement drainées et peuvent être ennoyées de par la présence d’une nappe phréatique ou de par la présence d’eau liée aux conditions de stockage. Il apparait ainsi que les couches de sédiment en profondeur du stockage sont plus longuement exposées à un régime hydrique saturé. En tenant compte de la littérature, nous optons pour un vieillissement des sédiments entre 40 et 60 % de la capacité de rétention d’une part et d’autre part pour un vieillissement en condition saturante. Le choix de la valeur de 40-60 % de la capacité de rétention fait référence aux préconisations de l’OCDE 307.
2.2. Dispositif expérimental
Les sédiments vont être vieillis selon deux régimes hydriques ; un régime saturé et un régime entre 40 et 60% de la capacité de rétention. Les dispositifs expérimentaux sont présentés dans les paragraphes suivants.
2.2.1. Régime saturé
Les essais de vieillissement en condition saturante ont été réalisés pour les sédiments de Marseille, Canal de Lens et Nimy Blaton. Les quantités disponibles pour les sédiments de Dunkerque et d’Evry ne permettent pas de réaliser le vieillissement en condition saturante. Les sédiments de Marseille, Lens et Nimy Blaton ont donc été répartis dans des pots en verre de 4 L. Une couche d’eau superficielle de 2 cm a été maintenue à la surface des sédiments pendant toute l’expérimentation, laquelle a duré 12 mois. Le stockage a été réalisé dans une pièce obscure. La Figure 3-1 illustre le dispositif.
127 Figure 3-1 : Photographie des sédiments en condition saturée, mise en pot en verre de 4 litres (A) et du lieu de stockage (B).
2.2.2. Régime à la capacité de rétention
Les essais de maturation en condition aérobie seront effectués entre 40 et 60% de la capacité de rétention des sédiments sur une période de 18 mois.
2.2.2.1. Définition et protocole pour la détermination de la capacité de
rétention
Dans la suite du document, nous ne parlerons plus de capacité au champ, mais de capacité de rétention (CR). Ainsi, de façon plus rigoureuse, on définit :
- la capacité au champ, qui est la quantité d'eau qui peut être emmagasinée en s'opposant à la gravité par un sol naturel, 2 jours après une longue période de pluies ou après une irrigation suffisante. Elle est déterminée in situ dans des sols intacts. Cette mesure n'est donc pas applicable aux échantillons de sol remués étudiés en laboratoire ;
- la capacité de rétention d'eau, qui est déterminée en laboratoire sur un sol intact et un sol remué. Pour ce faire on sature en eau une colonne de sol par capillarité. Elle est particulièrement utile pour les sols remués et peut être jusqu'à 30 pour cent supérieure à la capacité au champ. Il est aussi plus facile de mesurer expérimentalement la capacité de rétention d'eau que d'obtenir des valeurs fiables pour la capacité au champ.
L’expérience réalisée ici concerne des échantillons homogènes non structurés, une teneur en eau volumique ne peut donc être prise comme référence. La teneur en eau massique correspondant à la
128 capacité de rétention du matériau a donc été déterminée. Pour cela, le matériau initialement saturé en eau a été placé dans des colonnes en verre puis laissé en drainage libre pendant 48 heures (Figure 3-2) (OCDE 307 ; Tack et al., 2006). La teneur massique en eau obtenue par cette méthode est prise comme référence pour calculer les teneurs en eau à atteindre lors des phases de séchage pour la mise en place de l’essai, soit entre 40 et 60% de la capacité de rétention.
Figure 3-2 : Dispositif utilisé pour la mesure de la capacité de rétention des sédiments étudiés.
2.2.2.2. Détermination de la capacité de rétention pour les cinq sédiments
La capacité de rétention est exprimée en teneur massique en eau comme suit :
ω = (
) . 100
Equation 3-1 Sédiment initialement saturé Couche de 4 cm de sable de fontainebleauEau non retenue par le sédiment Colonne en
verre
Pression atmosphérique
129 avec ω la teneur en eau massique (%), mh (g) et ms (g), la masse de sédiment humide et sèche, respectivement.
La détermination de la CR a été effectuée sur les cinq sédiments étudiés, suivant la méthode exposée précédemment. Les résultats des essais sont présentés dans le Tableau 3-2. Les essais ont été réalisés en triplicat.
Tableau 3-2 : Détermination de la CR (%) et des valeurs hautes et basses pour les essais de vieillissement des cinq sédiments
Lens NB Dunkerque Marseille Evry
CR 53 ± 6 46 ± 5 40 ± 3 38 ± 3 31 ± 2
Fourchette basse (40% de la CR) 21 18 16 15 12
Fourchette haute (60% de la CR) 32 28 24 23 19
Les sédiments de canaux (Lens et NB) présentent les CR les plus élevées, suivies par les sédiments marins puis le sédiment issu d’un bassin de décantation des autoroutes (Evry). Les valeurs semblent être cohérentes au regard des teneurs en MO (Tableau 2-15) et de la granulométrie des différents sédiments. Les sédiments des canaux présentent des taux de fractions fines, des teneurs en MO et des CR élevées. A l’inverse, le sédiment d’Evry, avec des taux de MO compris entre les deux sédiments marins et une distribution granulométrique dominée par la fraction sableuse, présente la plus basse capacité de rétention. La détermination de la CR nous a ainsi permis de définir les teneurs en eau (fourchettes basses et hautes, Tableau 3-2) pour les essais de maturation en condition oxydante.
2.2.2.3. Mise en place des sédiments pour le vieillissement entre 40 et
60% de la CR
Après avoir calculé les capacités de rétention, les cinq sédiments ont été placés dans des cuves en inox de 50 litres à l’abri de la lumière et à température ambiante (20 ±3°C) (cf. Figure 3-3). Les cuves en inox ont été à ¾ rempli par les sédiments saturés. La teneur massique en eau des sédiments est suivie jusqu’à l’obtention des 60 % de la CR désirée.
130 Figure 3-3 : Photographie du dispositif expérimental de vieillissement mis en place pour les sédiments soumis au régime hydrique entre 40 et 60% de la CR.
2.3. Contrôle de la teneur massique en eau dans les dispositifs de
vieillissement
Trente grammes de sédiment humide ont été prélevés toutes les deux semaines afin de déterminer la teneur massique en eau. Dans le cas où la teneur est proche ou plus faible que la teneur en eau minimale requise pour l’essai (Tableau 3-2), une quantité d’eau a été rajoutée à l’aide d’un pulvérisateur afin de maintenir les sédiments dans les conditions prédéfinies. Connaissant la masse sèche des sédiments initialement placés dans les dispositifs ainsi que les teneurs en eau sur les échantillons prélevés aux différents temps, il a été ainsi possible de déduire la quantité d’eau à ajouter pour atteindre la limite haute fixée.
2.4. Synthèse
A ce jour il n’existe pas de protocole de référence pour l’étude de l’évolution des concentrations en contaminants sur des matériaux de type sédiment. Par ailleurs, peu d’étude a été réalisée sur des périodes supérieures à l’année. En considérant les objectifs de la thèse et les différents protocoles de la littérature, les essais ont été réalisés sur des quantités importantes de sédiments pour deux régimes : un régime saturé (condition anoxique) et un régime à 40 et 60% de la capacité de rétention (condition oxique). Les essais de maturation en laboratoire n’ont pas la prétention de mimer exactement les conditions naturelles, mais de s’en approcher.
Les sédiments maturés vont permettre entre autres de déterminer le potentiel de dégradation, mais également d’étudier l’influence du stockage au niveau de la distribution des COH sur les géosorbants et au niveau de l’émission des COH par comparaison avec les sédiments frais.
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