Etude des s├ędiments

 

Etude des sédiments

 

De façon générale, il est nécessaire de curer le fond des rivières régulièrement afin d'éviter l'envasement de celles-ci lié à l'accumulation des sédiments. Ce travail est naturellement effectué par les crues, qui s'occupent de créer un équilibre entre le débit solide, le débit liquide, la taille des matériaux et la pente (alternance érosion/ sédimentation). Mais le cours d'eau doit alors avoir librement façonné son lit, ce qui n'est pas le cas dans les sociétés actuelles qui ont pour objectif d'éviter les crues et inondations résultantes (construction de digues etc.) Les cours d'eau sont de plus en plus anthropisés dans le sens où, dans un souci de place et de simplicité, ils sont linéarisés. Il est cependant possible de faire de la renaturation.

Cours d'eau anthropisé :

Ce même cours d'eau renaturé :

Source : Images du cours de M. Laffaille intitulé "Aménagement gestion des hydrosystèmes"

 

Il faut également considérer le fait que nous sommes ici dans une zone estuairienne, espace de contact entre l'eau douce et l'eau salée, pouvant entraîner des bouchons vaseux sur plusieurs kilomètres. Cependant, l'opération de curage que nous souhaitons réaliser dans cette étude concerne la restauration du Riachuelo en tant que milieu naturel et non une "banale" opération d'entretien du cours d'eau. Il faudra néanmoins prévoir, une fois que la rivière sera renaturée, un planning de conservation du bon état écologique du Matanza-Riachuelo, et donc un planning d'entretien et de curage des sédiments. Ceci est, de toutes façons, absolument nécessaire dans les zones d'estuaire.

Il existe plusieurs possibilités quant au devenir de ces sédiments dragués :

  • rejet en mer,
  • utilisation en remblais,
  • stockage à terre (ISDD),
  • traitement, ...

 

I. Les différentes sources de pollution

Plusieurs sources de pollution de ces sédiments peuvent être identifiées :

Source : Thèse de Mazen SAMARA "Valorisation des sédiments fluvieux pollués après inertage dans la brique cuite" (p.6)

Une étude de Greenpeace a été publiée en février 2013 "Tanneries : actualisation des preuves de contamination du Matanza-Riachuelo". L'association a notamment publié dans ce document les résultats des mesures qu'elle a effectuées sur le terrain. Les concentrations en métaux lourds dans les sédiments relevées lors de la campagne du 6 novembre 2012 sont répertoriées dans le tableau ci-dessous :

Résultats des analyses de mesures des sédiments de GreenPeace
Concentration Sédiments
(mg/kg) Mesure 1 Mesure 2 Mesure 3
Cadmium 2,18 2,66 2,79
Mercure 0,48 0,32 0,64
Plomb 413 549 400
Chrome total 1 040 647 911

Source : Rapport "Cueros toxicos II" de GreenPeace (p.10)

Ces mesures ont été effectuées 15 mètres en aval des rejets d'effluents de tanneries.

Il faut savoir qu'il n'existe pas de normes de qualité pour les sédiments en Argentine. Nous nous sommes donc basés sur les normes françaises pour avoir des références.

 

II. Les normes sédimentaires en France

La problématique du devenir des sédiments contaminés est un sujet de préoccupation assez récent. En France, le Groupe d'Etudes et d'Observation sur le Dragage et l'Environnement (GEODE) a été mis en place en 1990 seulement. Ce dernier est chargé de proposer des stratégies pour des dragages et des immersions en prenant en compte les impacts qui y sont liés. Il propose également des seuils de qualité pour les sédiments dragués, suivant s'ils ont été prélevés dans un cours d'eau (ou un canal) ou dans la mer. Pour ce qui est des sédiments d'origine continentale, les valeurs du seuil S1 de concentrations en contaminants sont précisées dans l'arrêté du 9 août 2006 relatif à l'article R.214-1 du Code de l'Environnement :

Seuils de qualité S1 pour les sédiments de cours d'eau ou canaux
Eléments Seuil S1 (mg/kg) Mesures GreenPeace (mg/kg)
Arsenic 30 -
Cadmium 2 2,79
Chrome 150 1 040
Cuivre 100 -
Mercure 1 0,64
Nickel 50 -
Plomb 100 549
Zinc 300 -
PCB totaux 0,68 -
HAP totaux 22,80 -

Source : Site legifrance.gouv.fr - Arrêté du 9 août 2006

 

Nous avons mis en parallèle la norme fixée par le Code de l'Environnement français et les pires mesures faites par l'ONG Greenpeace. Il apparaît alors clairement que, ce qui pose le plus problème, c'est la contamination en chrome.

Ainsi, nous nous focaliserons dans cette étude des sédiments à leur contamination via les rejets industriels et donc via les tanneries. (Les pollutions organiques ne seront pas développées ici.)

 

III. Fixation des polluants dans les sédiments

Les principaux processus de fixation des polluants sur les sédiments sont :

  • l'adsorption physique (par liaison électrostatique),
  • l'adsorption chimique (par liaison par force de valence),
  • la précipitation sous forme d'oxydes, d'hydroxydes de carbonates, de phosphates solubles ou de sulfures insolubles,
  • la formation de complexes organiques ou inorganiques.

Dans les différents documents que nous avions en notre possession, nous avons pu constater que concernant notre pollution et principalement le chrome, celui-ci était majoritairement présent sous la forme de Cr(III).

 

IV. Problématique du dragage

Le dragage modifie les équilibres géochimiques qui s'étaient installés. La remobilisation des contaminants au cours des opérations de curage peut avoir un fort impact sur l'environnement, impact qui peut être plus négatif que si l'on avait laissé les choses comme elles étaient. C'est pourquoi une étude d'impact est nécessaire avant toute opération de dragage : il s'agit de s'assurer que la qualité physico-chimique de l'eau et de l'écosystème ne seront pas trop perturbés.

Il y a également un aspect temporel à ne pas négliger. Une turbidité excessive peut par exemple élargir le problème bien au-delà de la zone de dragage étudiée. Afin de mieux cerner les liens de cause à effet, il est possible de s'appuyer sur le tableau ci-dessous construit par le groupe GEODE :

Source : Guide méthodologique publié par GEODE "Suivis environnementaux des opérations de dragage et d'immersion" (p.23)

 

Dans notre situation, le problème est tellement énorme et la pollution tellement démesurée, que nous avons décidé de ne pas réaliser d'étude d'impact. Tout d'abord car cela dépasse de beaucoup nos compétences, mais aussi par manque de temps. De plus, une campagne de mesures de ACUMAR a permis de mettre en évidence le nombre d'espèces de poissons présentes dans le bassin-versant du Matanza-Riachuelo :

Source : Rapport trimestriel de juillet-septembre 2012 d'ACUMAR "Mesure de l'état de l'eau superficielle et souterrainne - Analyse et interprétation des résultats" (p.79)

 

On peut constater qu'il reste quelques poissons en amont du Matanza-Riachuelo notamment . Mais en aval, les poissons se font rares et la flore locale est très réduite : on ne peut noter que la présence de quelques hydrophytes (plantes flottantes).

Il ne semble donc pas aberrant de passer rapidement cette étape.

 

V. Le transport

Malgré tous nos efforts, l'altimétrie précise de Buenos Aires n'a pu être trouvée. Nous savons uniquement que celle-ci est comprise entre 0 et 5 mètres dans la région qui nous intéresse. Nous sommes au niveau de la mer, la zone est extrêmement plate. Une étude précise du réseau de transport des sédiments aurait été intéressante mais sans la topographie, celle-ci aurait été beaucoup trop approximative.

Quelque soit ce que l'on souhaite faire des sédiments extraits, il faut les transporter de la zone de dragage identifiée sur la Figure 1 de la page précédente vers les terres au Sud de Buenos Aires, inexploitables car décapitées. Ces sols constituent les candidats idéaux pour un traitement ou une fabrication avec leur 0 à 9% de productivité agricole (cf. Figure ci-dessous) - ces sols n'ont en effet que peu de valeur agronomique :

Source : http://inta.gob.ar/imagenes/Buenos Aires.jpg/view

(Buenos Aires se situe au niveau de la grande zone rose fushia au Nord-Est de la carte présentée ci-dessus.)

 

Le transport ne sera pas étudié dans ce bureau d'études. Passons à présent à l'étude du dragage des sédiments contaminés.

 

Dragage

 

Dragage des sédiments

 

Les procédés conventionnels de dragage génèrent une dispersion des polluants. Si cela se produit, les polluants pourraient aller jusqu'au Río de la Plata (estuaire dans lequel se jette le Riachuelo). Une déviation du cours d'eau pour faciliter l'extraction de sédiments est envisageable mais peut provoquer des inondations en cas de crues.

C'est pourquoi nous allons présenter ici une technique d'extraction des sédiments qui ne génère pas de dispersion des polluants, avec ensuite un traitement adéquat des métaux extraits.

 

I. Présentation d'un procédé pour l'extraction des sédiments pollués

Le système est idéal pour des rivières et des ruisseaux peu profonds, comme le Cuenca Matanza-Riachuelo. Il consiste en une cellule mobile de 50 à 100 mètres de longueur pour 20 mètres de largeur. Elle est calculée en fonction de la taille de la rivière, pour ne pas la bloquer totalement durant la procédure et permettre ainsi la circulation naturelle de l'eau. Ici, la cellule sera de 100 mètres de longueur.

 

On peut se faire une idée de ce à quoi ressemblera la cellule d'après l'image de synthèse suivante :

              

Source : http://www.ctys.com.ar/index.php?idPage=20&idArticulo=835

La cellule est une sorte de bateau sans fond et on estime la durée d'un cycle complet à 96 heures.

 

II. Fonctionnement du système de dragage

On commence par placer la cellule dans le lieu à traiter ; ceci est réalisé au moyen de grues depuis la berge ou par remorquage, avec deux embarcations d'appui. Des plaques mobiles de hauteur réglable s'enfoncent alors et s'abaissent jusqu'au fond du lit de la rivière afin de constituer les murs de l'enceinte hermétique afin formée.

L'eau emprisonnée est ensuite évacuée et le fond de la rivière reste à un ciel ouvert, à sec. Cela facilite l'extraction des sédiments. Une fois le fond nettoyé, on remplit l'enceinte avec l'eau préalablement extraite, la cellule est remorquée et on la déplace vers un nouveau secteur à traiter.

 

III. Estimation du temps de dragage nécessaire

La distance sur laquelle nous souhaitons curer les sédiments du Riachuelo a été estimée à environ 12 kilomètres. Cette longueur correspond à la distance séparant le regroupement des tanneries à l'estuaire. Nous nous sommes également basés sur la modélisation de la rivière du binôme 3 pour déterminer la largeur de celle-ci sur la zone d'étude. La rivière fait environ 90 mètres de largeur sur la partie considérée, sauf sur 2 kilomètres où elle ne fait que 40 mètres seulement.

La surface à curer est donc d'environ 1 km². Sachant que la largeur moyenne est de 90m et que la largeur de la cellule est de 20m, il faut majorer cette valeur afin que toute la largeur de la rivière soit bien "nettoyée". Nous considèrerons donc qu'il faut 5 passages de la cellule pour curer 100m de longueur de rivière. Il faut bien évidemment 2 passages lorsque la rivière fait 40 mètres de large. Cela correspond à un certain nombre de cycles au total, N :

$N = (\frac {5 \times 10 000}{100}) + (\frac {2 \times 2 000}{100}) = 540$

 

Chaque cycle durant 96h, il faut : $96 \times 540 = 51840 h$. En considérant que l'appareil travaille 300 jours par an, cela représente environ 7 ans et 2 mois et demi.

 

Traitement & valorisation

 

Traitement et valorisation des sédiments pollués du Matanza-Riachuelo

 

Les sédiments pollués posent de plus en plus de problèmes, que ce soit au niveau environnemental ou technologique, mais également au niveau juridique et économique.

Dans l'optique de présenter un projet qui soit économiquement viable et intéressant, nous souhaitons valoriser les sédiments extraits. Aussi, nous avons envisagé la fabrication de briques à partir de ceux-ci, ainsi que la production de métal avec les éléments traces métalliques fortement présents. Il était également question, au départ, d'exploiter la matière organique présente dans les sédiments pour rendre une seconde vie aux sols décapités du Sud de Buenos Aires.

Cette seconde solution de valorisation ne sera pas étudiée par manque de temps mais elle mérite qu'on lui porte de l'attention.

Un traitement préalable des sédiments est nécessaire, il sera développé ci-dessous. Puis nous étudierons l'aspect économique de ce problème, essentiel dans un contexte comme celui-ci.

Nous avons pensé, comme lieu de construction des usines de traitement des sédiments, utiliser les sols décapités dont nous avons déjà parlé. Cependant, il faut tout de même bien prendre en compte que les distances ne sont pas les mêmes en Argentine et en France. Le transport ici risque de coûter extrêmement cher car la distance à parcourir est très grande. Prenons par exemple un sol au Sud de Buenos Aires, présentant de très mauvaises capacités agronomiques :

Source : Google maps

 

Il est ici question de transporter les sédiments sur plusieurs dizaines de kilomètres. Ceci est dans le cas où l'on extrait les sédiments et l'eau "au-dessus", car si l'on utilise le système de dragage présenté dans la page du même nom, le transport devra se faire par camions, ce qui sera économiquement bien plus rentable.

 

I. Introduction

Le premier pas pour produire des briques à partir des sédiments contaminés est de diminuer la mobilité ou potentiel de mobilité des polluants afin d'éviter que ceux-ci ne soient émis vers l'environnement.

Le concept d'immobilisation consiste à inhiber la mobilité des polluants dans l'endroit même où ils seront stockés par la suite.

Les matériaux auxiliaires pour l'immobilisation sont usuellement constitués de colles ou de matériaux avec la propriété de s'unir chimiquement ou physiquement au polluant. Ces matériaux (organiques ou inorganiques) réagissent avec les matériaux contaminés en formant des polymères, lesquels forment des réseaux et des agglomérats solides entourant complètement les polluants.

Ces matériaux immobilisants constituent une matrice qui enferme et retient les polluants à l'intérieur du réseau de polymérisation ; la dureté du matériau augmente. Selon l'état du matériau contaminé et de sa structure chimique, ces changements peuvent aussi engendrer une diminution de la toxicité.

Les réactions qui sont provoquées par la combinaison du matériau polluant et de l'immobilisant sont dépendantes de la constitution des deux matériaux et les forces chimiques ou physiques d'union peuvent donc varier à l'intérieur du matériau. C'est pourquoi il est important de prendre en considération le fait que le processus d'immobilisation peut être réversible.

 

II. Procédé d'inertage des sédiments pollués

Habituellement, l'unité de traitement est placée au plus près de la zone à traiter afin de réduire les coûts de transport des matériaux bruts. Malheureusement, comme nous avons déjà pu le voir précédemment, ceci n'est pas possible dans notre cas puisque nous sommes en plein centre ville. Le traitement se fera donc sur le terrain présenté dans l'introduction de l'étude des sédiments.

 

1) Première étape : la phosphatation

La première étape du traitement, étape dite de « phosphatation » est réalisée par l’unité A présentée sur le schéma ci-dessous. Le sédiment brut dragué est pompé et mélangé à 2 à 3,5% d’acide phosphorique H3PO4 dans un réacteur tubulaire (sa teneur en eau à ce moment-là approche alors les 50%). Cette étape permet la fixation des métaux lourds via les réactions décrites auparavant. En effet, en présence du calcium (Ca), minéral naturellement présent dans les sédiments, l’acide phosphorique permet l’apparition de phases cristallines de type phosphates hexagonaux - dits apatite - qui ont la particularité de piéger les métaux lourds. Le but du procédé n’est pas d’éliminer les métaux lourds mais d’empêcher la contamination de l’environnement, notamment par lixiviation, c'est pourquoi nous cherchons à les piéger.

Après phosphatation, les sédiments sont stockés sur un géotextile drainant durant 24h. Le lixiviat est récupéré et recyclé, puis les sédiments phosphatés sont disposés en andains de séchage régulièrement homogénéisés. Cette étape permet d'augmenter la siccité des boues ou pourcentage massique de matière sèche. Elle permet également une maturation de ces dernières : les apatites grossissent et les derniers métaux lourds sont piégés.

Le séchage des sédiments est généralement demandeur de beaucoup d’énergie ou de temps mais le phénomène dit de "moussage" (formation de bulles) qui se produit lors de l’ajout d’acide phosphorique accélère ce processus et permet de gagner du temps (et donc de l'argent).

Il est important de collecter les gaz émis lors des deux phases décrites ci-dessus que sont la phosphatation et le séchage. En effet, du dioxyde de carbone et du sulfure d'hydrogène sont produits ; ils seront traités sur charbon actif.

Le charbon actif aura préalablement subi plusieurs opérations : la pyrolyse et l'oxydation ménagée. Cela rend la structure poreuse et permet d'augmenter notablement la surface d'échange avec l'eau (grand pouvoir d'absorption).

Une dernière étape consiste à laver et à dépoussiérer l'air à l'intérieur du bâtiment où sèchent les sédiments phosphatés.

 

  Source : http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/11/98/33/PDF/These_Franck_Agostini.pdf

 

2) Seconde étape : la calcination

Pour la dernière étape, les sédiments phosphatés sont conditionnés dans des grands sacs et acheminés jusqu’à l’unité B. Il s’agit d’une calcination en four tournant à une température supérieure à 650°C, qui permet notamment une élimination des composés organiques. Ici aussi, l'intérêt est que les gaz produits par la combustion sont récupérés et traités. Ce procédé est un procédé d’épuration que l'on rencontre lors du traitement des fumées acides issues des incinérateurs. Les acides sont neutralisés par l’activation thermique du bicarbonate de sodium. La transformation du bicarbonate de sodium en carbonate activé confère au procédé d'excellentes performances de neutralisation (acide chlorhydrique, dioxyde de soufre, acide fluorhydrique, etc.) et d’adsorption des métaux lourds, des dioxines et des furannes. Ce procédé possède également l'avantage de ne consommer que très peu de réactifs en respectant largement les limites d'émission.

Enfin, un filtre cyclonique permet la récupération des résidus. Cette calcination permet de sécher les sédiments traités en atteignant un taux de siccité supérieur à 95%.

A l’issu de ce traitement, le matériau est inerté et prêt à être valorisé. L’efficacité de la fixation des métaux lourds est liée aux propriétés des apatites.

 

  Source : http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/11/98/33/PDF/These_Franck_Agostini.pdf

 

Ce qui fait que ce procédé est efficace est sa capacité à fixer durablement les métaux lourds, à éliminer les contaminants organiques, mais également son aptitude à produire des matériaux recyclables. Certains procédés de traitement parviennent à une remédiation efficace du problème environnemental mais, une fois traité, le matériau n’a pour seul avenir qu’une mise en décharge dont le montant se rajoute à un coût de traitement déjà rédhibitoire.

Il existe de nombreuses voies de valorisation imaginables : Matériau de remplissage, de remblaiement, couche d’assise de chaussées, béton, brique. Nous nous intéresserons pour la suite à la fabrication de briques.

 

III. Fabrication de briques

Pour fabriquer un produit en terre cuite, le schéma principal est le même pour tous les procédés. Bien entendu, dans notre cas, la phase d'extrusion n'intervient pas à ce moment-là :

 

Source : Thèse de Mazen Samara "Valorisation des sédiments fluviaux pollués après inertage dans la brique cuite" (p.52)

 

1) La préparation de la pâte (mélange + broyage)

Après la calcination, le taux d'humidité des sédiments "inertés" est inférieur à 5%. Aussi, nous parlerons de préparation sèche pour ce qui est de la pâte. Une telle préparation permet d'atteindre des granulométries extrêmement fines, ce qui assure une grande homogénéité du produit, et donc une bonne qualité finale (frittage à plus basse température et meilleure résistance mécanique).

La matière première est ensuite malaxée et envoyée dans des broyeurs à meule verticale ou à cylindres horizontaux. La quantité d'eau ajoutée influera directement sur la plasticité de la pâte.

Exemple de broyeur artisanal à meule verticale dans un moulin :

Source : http://www.vocance.fr/La-minoterie.html

 

2) Le façonnage

Lors de cette étape, il s'agit de donner à la pâte une cohésion suffisante en éliminant l'air qui serait resté dans l'argile. On ajoute également de l'eau (ou on injecte de la vapeur d'eau) afin d'obtenir la plasticité de la pâte voulue.

Pour former les briques à proprement parler, il existe deux procédés qui sont très utilisés dans l'industrie de la terre cuite : le filage et le pressage. L'extrusion, qui fait partie du procédé de filage, est le procédé de mise en forme le plus utilisé quand il est question de pâtes plastiques comme celle que nous étudions.

Après l'extrusion, un "fil à couper le beurre" permet de donner à la brique sa forme définitive.

 

Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Brique_(matériau)

 

3) Le séchage

Le séchage est une étape importante qui doit être très bien contrôlée afin d'éviter que la brique ne se fissure et devienne donc inutilisable. Il faut retirer les 15 à 30% d'eau qu'il reste dans le produit par rapport à sa masse sèche. Pour cela, il est nécessaire de bien coupler vitesse de séchage, température et humidité.

On commence par retirer l'eau colloïdale, qui est l'eau séparant les micelles d'argile. Cette eau intervient dans la plasticité du produit. Ensuite, on s'attelle à retirer l'eau dite d'interposition. Cela crée de la porosité et l'argile perd alors complètement sa plasticité.

Après cette phase, il restera tout de même 1 à 2% d'eau résiduelle dans le produit final.

 

4) La cuisson

Selon le produit final que l'on souhaite fabriquer, il faut adapter cette dernière étape. Plusieurs paramètres sont donc à contrôler : la température, la durée de cuisson et l'atmosphère à l'intérieur du four. Parmi ces paramètres, le plus important est la température, qui peut différer fortement suivant le produit final :

Produit Intervalle de température (°C)
Températures de cuisson de différentes briques en terre cuite
Briques pleines 1000 - 1250
Briques perforées 900 - 1000
Briques de pavage 1050 - 1200

Source : Thèse de Mazen Samara "Valorisation des sédiments fluviaux pollués après inertage dans la brique cuite" (p.55)

 

IV. Conclusion

Le procédé de fabrication de briques en terre cuite à partir des sédiments pollués du Riachuelo a été présenté. Une étude de la valorisation économique engendrée par la vente de ces briques sera étudiée dans la dernière partie de cette étude sur les sédiments. Cependant, il va sans dire que ces procédés restent très coûteux et qu'une très grande production de briques assortie d'un marché extrêmement florissant sera essentielle à la réussite de ce projet, économiquement parlant.