inventaire des contaminants métalliques dans des produits résiduaires organiques
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Inventaire des contaminants métalliques dans des produits résiduaires organiques. Marie Tella , Postdoctorante UR Recyclage et risque. Dakar, Décembre 2010 ISARD Séminaire mi parcours. Introduction. Population mondiale (World Population Prospects. Nations Unies. 2010) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
INVENTAIRE DES CONTAMINANTS MÉTALLIQUES DANS DES PRODUITS
RÉSIDUAIRES ORGANIQUES
Marie Tella, Postdoctorante UR Recyclage et risque
Dakar, Décembre 2010ISARDSéminaire mi parcours
Introduction2
Population mondiale (World Population Prospects. Nations Unies. 2010) 2010 = 6.9 milliards 2050 9 milliards
Recyclage agricole des déchets organiques = alternative à la mise en décharge et à l’incinération
-quantité et qualité MO du sol (Rivero et al., 2004) - propriétés physiques du sol (e.g. Albiach et al., 2001) - microfaune et microflore (Saison et al., 2006)
Apports de contaminants - contamination des sols (McBride 2003)
- risque de lixiviation (Xue et al., 2003)
- Phytotoxicité (Michaud et al., 2007)
Transition démographique accompagnée d'une
augmentation de la production de déchets
+
_
Eléments trace métalliques
Objectifs
Stage S. Chataing (2009)
Teneurs totales PRO brut
Répartition granulométrique
Incubations en conditions contrôlées
Mesures par DGT (Diffusive Gradients in Thin films)
Modélisations physico-chimiques
3
1. Inventaire
3. Dynamique
Méthodes spectroscopiques
Extractions chimiquesStage - N. Bossa (2010)
- A. Fernandez (2010)
2. Spéciation
Caractérisation des ETM au sein des PRO Comportement des ETM lors d’interactions
Sol/PRO
14 Produits Résiduaires Organiques …
4
YvelinesFrance (HN)
La RéunionFrance (HS)
Madagascar
Sénégal
14 Produits Résiduaires Organiques …
5
Boues de Station d’épuration
Fumier bovin
Compost d’ordures ménagèresTerreau de compost d’ordures ménagères
Compost lisier de porc
Compost déchets verts
6
14 Produits Résiduaires Organiques …
Est-il possible de relier les origines des PRO à leurs teneurs
en ETM ?
- nord vs sud- déchet urbain vs
déchet agricole- anthropique vs
géogénique
?
Plan de l’exposé7
Bilan des teneurs totales en ETM
Très large gamme de teneurs
5 PRO sur 14 possèdent de très fortes teneurs en ETM
8
Caractéristiques de la population
PRO (mg.kg-1 MS)
Cu Zn Pb Ni Cr Cd
Cette étude 10-390 80-3200 1-250010-190
20-4500.1-9.7
Littérature 50-640160-3200
2-730 13-80 7-265 0.3-5
e.g., Anderson, 2001 ; Sager, 2007; He et al., 2007.
9
Objectifs :observer la
distribution en visualisant les
données « atypiques » par
rapport à la population
Caractéristiques de la population Etude statistique : Analyse exploratoire
(Tukey, 1977)
Non-outlier maximum
Non-outlier minimum (not shown)
Median
3rd quartile = Q3
1st quartile = Q1
Data
Outlier value
Extreme value
Upper wisker
Lower wisker (not shown)
1
10
100
1000
[Pb]
mg
kg-1
DM
Caractéristiques de la population
10
Etude statistique :
Norme déchet organique Max littérature boue de STEP
Max littérature déchet organique
Asymétrie de répartition++ :
Zn/Pb/Cd+ : Cu/Ni/Cr
Pour chaque ETM 1 ou 2 PRO très
riches
Norme Boue STEP
1
10
100
1000
[Pb]
mg
kg-1
DM
Caractéristiques de la population
11
Etude statistique :Légende couleurs :
Hémisphère nordHémisphère sud
MSWCMahajanga, Madagascar
MSWCDakar, Sénégal
Répartition complexe selon le
type de PRO et leur origine
Utilisation d’outils statistiques
1
5
6
8
-4
0
4
-5 0 5
1-Axis
2-Axis
Cluster 1
Cluster 2Cluster 3
[Cu] [Zn]
[Pb]
[Ni]
[Cr]
[Cd]
2-Axis 30.7%
1-Axis55.1%
Caractéristiques de la population
12
Etude statistique : Analyse en Composantes Principales (ACP)
ObjectifVisualisation des
discriminations de PRO selon les variables [ETM]
Caractéristiques de la population
13
Etude statistique : Synthèse ACP
Population totaleCorrélationCr vs NiCu vs Zn
Fortes teneursNi/Cr
Cluster 2
Forte teneursZn/Cd/Pb
Cluster 3
Criblés
MSWC
Cluster 1a
Fortes teneurs
Zn/Cu/Cd
DéjectionsUrbaines Déjections
Agricoles
Cluster 1b
+++
Caractéristiques de la population
14
Sources de contamination Zn/Cu/Cd/Pb : composts d’ordures
ménagères mg/kg MS_PRO Brut Cu Zn Cd Pb
Mould from MSWC , Antananarivo, Madagascar 268 3169 10 1817
MSWC, Mahajanga, Madagascar 79 437 0.4 148
Mould from MSWC, Dakar, Senegal 309 1737 2.8 2500
MSWC, Dakar, Senegal 21 75 0.1 14
Littérature
MSWC from 1984 to 1986, Austria (Lechner, 1989) 333 1450 5 728
Compost, Austria (Sager, 2007) 100 267 0.4 78
NF 44-051 et 44-075 300 600 3.0 180
Tri ordures
Non
Oui
Non
Oui
Non
Oui
Caractéristiques de la population
15
Sources de contamination Zn/Cu/Cd/Pb : composts d’ordures
ménagères
Absence de tri des orduresPrésence déchets industriels
Cu/Pb/Zn
Pb/Zn/Cd
Zn/Cd
Pb
Caractéristiques de la population
16
Sources de contamination Zn/Cu/Cd : Boues de station d’épuration
mg/kg MS_PRO Brut Cu Zn Cd
SS stabelized, Dakar, Senegal 386 1189 4.3
SS activated Dakar, Senegal 185 862 2.0
Littérature
SS, EU (Anderson, 2001) 39-641 142-2000 0.4-3.8
SS, China (He et al., 2007) 100 267 3.6
Directive 86/278/CEE 1000 3000 10
Rejets industriels ?
Caractéristiques de la population
17
Sources de contamination Zn/Cu : déchets agricoles
mg/kg MS_PRO Brut Cu Zn
MC (pig), La Réunion, France (HS) 177 796
MC (poultry), La Réunion, France (HS) 131 553
M (cattle), Feucherolles, France (HN) 113 386
M (pig), Madagascar 10 93
Littérature
M (cattle), Autria (Sager, 2007) 51 164
M (pig), Autria (Sager, 2007) 282 1156
NF 44-051 et 44-075 300 600
Caractéristiques de la population
18
Sources de contamination Zn/Cu : déchets agricoles
Alimentation porc :
ZnO : 250 mg.kg-1 MSCuSO4 : 150 mg.kg-1
MS
90% du Zn fournis aux porc est excrété et se retrouve dans le lisier (Revy et al., 2003)
Additifs alimentaires
Compost de lisier de porc
Caractéristiques de la population
19
Sources de contamination Ni/Cr mg/kg MS_PRO Brut Ni Cr
MSWC, Mahajanga, Madagascar 189 446
Mould from MSWC, Antananarivo, Madagascar
35 96
MSWC, Dakar, Senegal 81 194
GC, La Réunion, France (HS) 191 329
Littérature
Compost, Autria (Sager, 2007) 26 38
GC, GB (Grimes, 1999) 26 31
NF 44-051 et 44-075 60 120
- GC, La réunion = fond pédo-géochimique (Doelsch et al., 2006 ; Payet et al., 2008)
- MSWC = rejet industriels ?
Plan de l’exposé20
Objectifs : approfondissement de l’étude des teneurs des PRO en ETM
Existe t-il des fractions granulométriques
où les ETM se concentrent ?
Existe-t-il des associations entre ETM et majeurs ?
Fractionnement granulométrique
21
?
Fractionnement granulométrique
22
Méthode
Pure water200 mlRaw organic waste
4 g
Sieve 2000 µm
Sieve 630 µm
Sieve 200 µm
Sieve 20 µm
10,000 rpm3h
Fraction sup2000
Fraction 630-2000
Fraction 20-200
Fraction 0.22-20
Fraction 200-630
Séparation des PRO en ≠ fractions
granulométriques
Fractionnement granulométrique
23
Mould from MSWC, Antananarivo, Madagascar0.2 – 20 µm 20 – 200 µm 200 – 630 µm 630 µm – > 2 mm
MSWC, Mahajanga, Madagascar0.2 – 20 µm 200 – 630 µm 630 µm– 2 mm > 2 mm
23
Fractionnement granulométrique
24
Répartition massique
0
20
40
60
80
100
MSWC /France, Feucherolles
SS / Sénégal, Cambérène
MSWC/ Madagascar, Tananamadio
Compost DV /France, La Réunion
Perc
enta
ge o
f th
e fr
acti
ons
(%)
0,2-20 µm 20-200 µm 200-630 µm 630-2000 µm sup 2 000 µm
Grande variabilité
≠ pour un même type (e.g.
Compost OM)
GRANULOMÉTRIE +/- PROPRE À CHAQUE PRO
Fractionnement granulométrique
25
Méthode
Pure water200 mlRaw organic waste
4 g
Sieve 2000 µm
Sieve 630 µm
Sieve 200 µm
Sieve 20 µm
10,000 rpm3h
Filtration 0.22 µm
Fraction sup2000
Fraction 630-2000
Fraction 20-200
Fraction 0.22-20
Fraction inf0.22
Fraction 200-630
Attaque triacide → analyse par ICP-AES
→ analyse par ICP-AES
Fractionnement granulométrique
26
Répartition granulométrique des ETM Compost OM, Mahajanga, Madagascar
Fraction fine
Fraction grossière
Dissout
Fractionnement granulométrique
27
Répartition granulométrique ETM Compost OM, Mahajanga, Madagascar
Enrichissement en Cu dans la fraction fine
Fractionnement granulométrique
28
Répartition granulométrique ETM : résumé
Compost OM, Mahajanga, Madagascar
Présence dans <0.2 µmCu/Ni
Enrichis dans 0,2-20 µm Cu/Zn/Pb/Ni/Cr/Cd
Enrichis dans > 2000 µm Ni/Cr/Cd Enrichissement de tous les ETM dans fraction fine
Discrimination : - présence dans le dissout- enrichissement dans fraction
grossière
Répartition non
constante entre les
PRO
Fractionnement granulométrique
29
Répartition granulométrique ETM et majeurs Compost OM, Mahajanga, Madagascar
Associations élémentaires ETM/majeur
Fractionnement granulométrique
30
Répartition granulométrique ETM/majeurs : résumé
Présence <0.2 µm Cu/Ni S/Na/K/PEnrichis dans 0,2-20 µm Cu/Zn/Pb/Ni/Cr/CdS/Ca/Mg/Al/Mn/Fe Enrichis dans > 2000 µm Ni/Cr/Cd Ca/Mg/Fe
Compost OM, Mahajanga, Madagascar
Identification de probables phases porteuses des ETM :
Cu / Zn / Pb sur phase Al ou MnNi / Cr / Cd sur phase Fe
Association
ETM/majeurs non
constanteentre les
PRO
31
Répartition granulométrique ETM/majeurs : étude statistique
Matrices de corrélation ACP Régressions multiples …
ObjectifGénéraliser à la totalité de la population
cette analyse des teneurs des fraction granulométrique
À l’aide d’outils statistiques
En cours … finalisé d’ici février 2011.
Conclusions32
50% des composts comportent des teneurs pour au moins 1 ETM > valeurs légiférées – Risque encouru par la pratique de l’épandage agricoleBoues de STEP : aucun risque dus aux ETM d’après les normes
Pas de discrimination de l’origine géographique des PRO (nord vs sud) dans les teneurs totales en ETM
Trois groupes d’ETM selon les sources de contamination existantes Ni et Cr = sources géogénique ou anthropique urbaine Cu/Zn = sources anthropique agricole ou urbaine Pb/Cd = source anthropique urbaine
Fractionnement granulométrique Enrichissement des ETM dans fraction fine Association ETM /majeurs pour un PRO identification phases porteuses Analyse statistique de ces répartitions et associations sur la totalité de la
population en cours …
INVENTAIRE DES CONTAMINANTS MÉTALLIQUES DANS DES PRODUITS
RÉSIDUAIRES ORGANIQUES
Marie Tella, Postdoctorante UR Recyclage et risque
Dakar, Décembre 2010ISARDSéminaire mi parcours
[Cu] [Zn]
[Pb]
[Ni]
[Cr]
[Cd]
2-Axis 30.7%
1-Axis55.1%
ACP population totale34
1
5
6
8
-4
0
4
-5 0 5
1-Axis
2-Axis
Cluster 1
Cluster 2Cluster 3
PRO extrêmement riches en Zn/Pb/Cd- Mould from MSWC, Antananrivo,
Madagascar- Mould from MSWC, Dakar, Senegal
PRO riches en Ni/Cr- GC, La Réunion, France (HS)- MSWC, Mahajanga, Madagascar
Corrélations35
r² = 0.63
r² = 0.010
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
[Pb]
(mg
kg-1
DM
)
[Zn] (mg kg-1 DM)
Corrélations forcées par les valeurs atypiques des criblés ?
Oui : Zn vs Pb +/- : Cd vs ZnNon : Ni vs Cr et Cu vs Zn
Corrélation avec toute la population
Corrélation sans valeurs
atypiques
ACP sans valeurs atypiques36
1
2
3
47
8
910
1112
1314
-4
0
4
-5 3
1-Axis
2-Axis
Cluster 1a
Cluster 2
Cluster 1b
[Cu]
[Zn]
[Pb]
[Ni] [Cr]
[Cd]
2-Axis 41.6%
1-Axis46.5%
PRO riches en Ni/Cr- GC, La Réunion, France (HS)- MSWC, Mahajanga, Madagascar
PRO riches en Zn/Cu/Cd Urbains ++ Agricoles +
SS, Dakar, Senegal MC (pig), La réunion, France (HS)MSWC+SS, Yvelines, France (HN) MC (poultry), La
réunion, France (HS)M (cattle), Yvelines, France (HN)
Corrélations37
r² = 0.90
r² = 0.1854
r² = 0.6582
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
0 1000 2000 3000 4000
[Cd]
(mg
kg-1
DM
)
[Zn] (mg kg-1 DM)
Corrélation avec toute la population
Corrélation sans
valeurs atypiquesCorrélation Sans SS