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Dynamique et biodisponibilité des éléments nutritifs et métalliques dans les boues décontaminées.

Barraoui, Driss (2006). Dynamique et biodisponibilité des éléments nutritifs et métalliques dans les boues décontaminées. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifiqu, Doctorat en sciences de l'eau, 291 p.

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Résumé

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L'épandage agricole des boues issues des stations d'épuration des eaux usées permet de disposer de ces sous-produits, tout en tirant profit de leur potentiel fertilisant. Les quantités souvent élevées de métaux dans ces boues ainsi que l'épandage cumulatif de ces dernières peut toutefois nuire au milieu naturel. Dans ce contexte, l'INRS-ETE a développé de nouvelles technologies de décontamination des boues d'épuration, incluant le procédé METIX-AC qui est présenté dans cette thèse. Les boues ainsi traitées gardent un bon potentiel fertilisant, et renferment moins de métaux, d'organismes pathogènes et d'odeurs. Cependant, aucune étude ne s'est encore penchée sur la qualité agro-environnementale des boues décontaminées par ledit procédé. Ainsi, cette recherche visait à vérifier si les boues décontaminées, en comparaison à celles non décontaminées, sont mieux valorisables, et ce, dans un esprit de développement durable de l'agriculture. La recherche s'est déroulée en deux phases. Une 1 ère phase, où quatre différentes boues (dites du lot 1) ont été testées. Ces boues sont issues des stations d'épuration des eaux usées de la Communauté Urbaine de Montréal (boue CUM), de la Communauté Urbaine de Québec (boue CUQ), de la ville de Haute-Bécancour (boue Bécancour) et de la papetière Daishowa (boue Daishowa). Durant la 2ème phase, deux boues (dites du lot 2) ont été testées, soient celles de la CUM et de Bécancour. Les boues des lots 1 et 2 ont été testées avant et après leur décontamination par le procédé METIX-AC. Une partie des boues du lot 2 ont été dopées par Cd, Cu, Zn ou "Cd+Cu+Zn", pour atteindre les teneurs nominales respectives de 1 00, 3000 et 5000 mg kg-1 en ces trois métaux. Quelques boues décontaminées du lot 2 (non dopées et dopées par "Cd+Cu+Zn") ont aussi subi une étape de lavage pour vérifier la possibilité d'en extraire davantage de métaux. L'ensemble des résultas obtenus est réparti ci-dessous en six parties. La 1 ère partie de résultats concerne l'étude de l'effet de la décontamination sur la qualité des boues. Il a été montré que le procédé METIX-AC génère des boues ayant de bons niveaux de nutriments (N ~ 2%, P ~ 1 %, K ~ 0,3%, Ca ~ 1,9% et Mg ~ 0,6%). Une certaine hausse a été notée pour Fe et S, vu qu'ils ont été inévitablement apportés par les produits chimiques (acide sulfurique et chlorure ferrique) nécessaires à la décontamination des boues. Pour les métaux, de bons taux d'enlèvement ont été obtenus: 5-44, 38-87, 0-74, 29-65 et 52-76%, respectivement pour Al, Cd, Cu, Mn et Zn. Le Cr, le Ni et le Pb sont, par contre, peu éliminés des boues. La 2ème partie de résultats se rapporte à l'étude de l'effet du dopage des boues du lot 2 par les métaux sur l'efficacité du procédé METIX-AC. Il a été observé que malgré une forte charge métallique initiale, ledit procédé décontamine bien les boues, et l'enlèvement est même souvent amélioré. Ainsi, l'extraction de Cd, Cu et Zn à partir de la boue CUM a été augmentée d'un taux compris entre 24 et 35%, suite à son dopage, pour atteindre des extractions respectives de 88, 79 et 81 %. Avec la boue Bécancour, les extractions maximales de Cd, Cu et Zn sont passés respectivement de 77 à 88%, 74 à 81 % et 76 à 89%. L'enlèvement d'autres métaux (Al, Cr, Mn et Ni) a été sensiblement accru, surtout avec la boue CUM. Les résultats ont aussi montré que le type de boue affecte l'extraction de Cd et Zn, alors que dans le cas de Cu, l'extraction dépend principalement de sa teneur initiale et du potentiel d'oxydoréduction du milieu. La 3ème partie de résultats concerne l'étude de l'effet de l'étape additionnelle du lavage sur le rendement global d'extraction des métaux à partir d'un sous groupe de boues du lot 2 (celles non dopées et dopées par les trois métaux). Une différence a été notée lors de ce lavage, selon que les boues ont été préalablement dopées ou non par "Cd+Cu+Zn". Ainsi, un supplément de métaux a été extrait suite au lavage des boues décontaminées, mais de manière supérieure pour les boues préalablement dopées que celles non dopées. Les suppléments ainsi extraits étaient de 45, 30 et 42%, respectivement pour Cd, Cu et Zn dans la boue CUM ou de 25, 42 et 58% dans la boue Bécancour. Le lavage des boues de Bécancour dopées et décontaminées a permis un enlèvement additionnel de 13, 29 et 10%, respectivement pour Al, Cr et Mn. La 4 ème partie de résultats est reliée à l'étude de l'effet de la décontamination/lavage sur la spéciation de Cd, Cu et Zn dans le sous-groupe de boues du lot 2 cité ci-dessus. Il a été observé qu'en absence de dopage, Cd et Zn sont liés aux oxydes puis à la phase cristalline. Cu est surtout fixé à la matière organique, s'il est peu concentré (cas de la boue CUM) ou à la phase cristalline, s'il est très concentré (cas de la boue Bécancour). Le dopage et la décontamination/lavage des boues diminuent le niveau de presque toutes les fractions de Cd, Cu et Zn, mais les phases les plus représentées précités sont restées les mêmes. Au moment où le dopage des boues augmente la part des fractions biodisponibles, la décontamination/lavage permet une nette diminution dans le cas de la boue Bécancour, à l'inverse de ce qui a été observé avec la boue CUM. Ces quatre premières parties permettent de ressortir l'intérêt de décontaminer (et éventuellement de laver) les boues avant leur usage. En effet, le degré d'introduction des métaux dans le sol est très abaissé (plus de 74, 50 et 78%, respectivement pour Cd, Cu et Zn). Aussi, Cu et Zn sont si bien extraits qu'il devient possible d'épandre une boue préalablement interdite (exemple de la boue Bécancour qui renferme trop de Cu). L'extraction de Cd connaît une certaine limitation à très fort dopage. Les analyses de spéciation démontrent un autre intérêt du procédé testé, à savoir que la décontamination/lavage réduit surtout la part des fractions disponibles des métaux. La 5ème partie du travail concerne l'étude de la croissance du maïs (Zea mays, hybride G-4011) cultivé en pots, sous serre, en présence de boues non décontaminées, décontaminées ou décontaminées/lavées (lot 2). À l'exception de la boue Daishowa (lot 1), ni la décontamination ni le lavage des boues n'affectent négativement la croissance du maïs. Quelqu.es boues décontaminées, surtout celle de Bécancour, ont même conduit à de meilleurs résultats: émergence plus rapide de l'inflorescence mâle et des épis, meilleures dimensions des épis, plus de biomasse et de grains produits. Ceci peut être lié, entre autres, à l'amélioration de la capacité de rétention de l'eau par le sol. Seulement 17% de l'eau d'irrigation percole des pots amendés par des boues décontaminées, contre 35% pour le contrôle. Aussi, vu que les boues du lot 1 ont été testées à deux doses (équivalents de 80 et 160 kg ha-1 de Ndisponible), la double dose améliore les paramètres précités. Même avec cette hausse de doses ou les forts dopages de boues du lot 2 (testées à la seule dose de 45 g por1 ), aucun signe de toxicité n'était visible sur les plantes. Les résultats de la 6ème partie concernent l'étude de la bioaccumulation des métaux et le lessivage des nutriments et des métaux, lors de l'ajout des différentes boues. Concernant la bioaccumulation des métaux, elle n'a pas été accentuée, mais elle a souvent été réduite suite à l'usage de boues décontaminées. Des calculs ont aussi montré que les coefficients de transfert ainsi que les concentrations des métaux dans les tissus végétaux étaient faibles, ne dépassant pas les seuils de toxicité rapportés par la littérature. Ceci est le cas même avec les boues dopées et non décontaminées (lot 2). Pour ce qui du lessivage des nutriments (N, P, K, Ca, Mg, S), il a été noté une diminution suite à l'usage des boues CUM, CUQ et Bécancour décontaminées. Durant la période de forte croissance des plants de maïs, l'ajout des formes décontaminées des boues, excepté celle de Daishowa, permet de minimiser le lessivage des nutriments, comme cela a été cité ci-dessus pour la perte des eaux d'irrigation. D'ailleurs, le lessivage de plusieurs éléments chimiques était bien corrélé avec le volume d'eau drainée et/ou le carbone organique dissout. Des résultats opposés ont cependant été notés entre les deux séries expérimentales pour les composés azotés: durant la première expérimentation, NH/ a drainé plus que N03-, surtout en présence de boues non décontaminées. Probablement que la cinétique de l' ammonification de l'azote dans le sol a dépassé celle de la nitrification. Cependant, le niveau de N03 - dans les eaux de drainage n'a globalement pas excédé la norme de 10 mg L -l, laquelle est exigée pour l'eau potable. Concernant le lessivage des métaux, il a augmenté suite à la hausse des doses de boues (lot 1), alors que la décontamination de toutes les boues (lots 1 et 2) a généralement eu un effet opposé. Le suivi de la variation temporelle du lessivage des métaux a indiqué que Cd a augmenté progressivement pour atteindre un maximum, avant de diminuer plus ou moins fortement vers la fin du cycle, alors que dans le cas de Cu et Zn, une diminution graduelle a été notée.- En aucun cas, les concentrations mesurées de métaux n'ont excédé les normes de qualité des eaux. Par exemple, Zn est resté inférieur au seuil de 0,18 mg L-1 , qui est jugé potentiellement critique pour les poissons des eaux douces. En combinant les données de bioaccumulation et de lessivage, le calcul du bilan de répartition massique des métaux de dopage a révélé que pour tous les traitements (y compris les contrôles), plus de 97% des quantités initiales de Cd, Cu et Zn demeurent dans le sol. L'usage des boues décontaminées réduit parfois significativement la part des métaux retenus dans le sol, ce qUi s'accompagne parallèlement par un peu plus de lessivage dans l'eau de drainage. En guise de conclusion, en étant pionnière en son genre, cette recherche laisse présager l'intérêt agro-environnemental de la décontamination des boues par le procédé METIX-AC. En effet, grâce aux niveaux satisfaisants en fertilisants et vu les moindres teneurs en métaux, les boues ainsi décontaminées semblent permettre un développement agricole plus sécuritaire, et par conséquent plus durable. Cependant, il faudrait mener davantage de recherches similaires, notamment à l'échelle parcellaire, pour confirmer éventuellement les résultats obtenus présentement.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Labrecque, Michel
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: boue décontaminée; épuration; décontamination; biosolides; agronomie; environnement; maïs; bioaccumulation; sol; lessivage; eau; drainage; métaux; METIX-AC
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 04 juin 2013 19:45
Dernière modification: 09 nov. 2015 16:53
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1358

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