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Cahier des charges :

Caractrisation et essais en vue de lapplication dun traitement par biodgradation

1. Introduction

Cette mission de caractrisation et essais intervient aprs la prslection des techniques et la caractrisation prliminaire du sol, qui permet notamment de dfinir la nature des contaminants (mtalliques, organiques) et leur teneur globale, ainsi que la composition granulomtrique du sol.


Tableau 1 : Rappel des caractristiques la base de la prslection des techniques de biodgradation

Les dlais et cots maximaux attendus pour la ralisation des essais sont prciss ci-dessous. Le candidat la ralisation des caractrisations et essais en vue de lapplication dun lavage par agents chimiques ou tensio-actifs prcisera les dlais et cots quil prvoit pour la ralisation de sa prestation au regard de ces objectifs.


2. Essais dorientation

Figure 1 : Procdure d'essais d'orientation d'un traitement par biodgradation Partie 1

Figure 2 : Procdure d'essais d'orientation d'un traitement par biodgradation Partie 2


Les essais dorientation en matire de traitement biologique des pollutions organiques visent tablir la faisabilit d'un traitement par voie biologique et rechercher le procd le plus adapt parmi les procds de traitement biologique disponibles : bioventing, biotertre, landfarming, bioracteur pour le traitement de pollutions dont la biodgradabilit est envisageable et pour des concentrations en polluants non inhibitrices (cf. le chapitre Prslection des techniques).

La mthodologie propose pour la dtermination de la traitabilit d'un sol pollu par l'action du mtabolisme de micro-organismes a t conue de manire s'appliquer aux cas les plus courants de pollution organique rencontrs dans les sols, c'est dire ceux qui concernent les hydrocarbures d'origine ptrolire, les hydrocarbures aromatiques polycycliques et les solvants chlors. Les diffrentes familles seront cependant distingues du fait de leurs utilisations mtaboliques trs diffrentes et l'option du traitement arobie (in situ ou ex situ) sera galement voqu. Enfin, il convient de mentionner le dveloppement des traitements biologiques passifs, tels que la MNA ("Monitored Natural Attenuation") ou la ENA ("Enhanced Natural Attenuation"), qui ne sont pas abords dans ce document.

La validation des essais dorientation pour le procd choisi repose sur :

la vrification de la prsence d'une microflore indigne et de ses capacits dgradatives par rapport aux polluants,

lvaluation de la disponibilit et de laccessibilit des polluants aux microorganismes

2.1. BILAN ANALYTIQUE DE LA POLLUTION ORGANIQUE (RAPPEL)

La nature et la concentration des polluants donnent dj une premire ide de la biodgradabilit des polluants. Ces critres ont t examins dans le cadre de la prslection des techniques. On rappellera que, d'une manire gnrale, les fractions lourdes d'hydrocarbures (qu'elles refltent la composition du produit ou qu'elles rsultent de phnomnes d'attnuation naturelle) sont particulirement difficiles dgrader et que les composs organiques chlors les plus substitus, tels que le Ttrachlorothne (PCE) et le Ttrachlorure de carbone (CT) ne sont pas biodgradables par voie arobie.

2.2. RECHERCHE DE LA PRESENCE D'UNE MICROFLORE ADAPTEE

Labsence dune microflore autochtone adapte signifie qu'il existe certainement, dans le sol traiter, des conditions inhibant son dveloppement. L'apport de micro-organismes est envisageable dans des applications en biotertre, landfarming ou bioracteur. En revanche ce type d'opration est beaucoup plus dlicat dans le cas d'un traitement par bioventing, compte tenu notamment des conditions mal matrises de transfert des micro-organismes au contact de la zone pollue et des conditions environnementales vraisemblablement peu ou pas favorables au dveloppement et la survie de cette microflore.

La prsence ou l'absence d'une microflore autochtone adapte la dgradation des polluants cibles est mise en vidence par un suivi de la biodgradation des polluants dans des conditions optimales d'incubation, en absence d'apport de microflore exogne.


Des essais tmoins sont mens en parallle dans des conditions abiotiques, en prsence de chlorure mercurique la concentration de 1 g/L, afin de vrifier que la consommation d'oxygne constate relve bien d'un mtabolisme biologique, et dans ce cas, afin galement de quantifier la dgradation des polluants par l'analyse des quantits rsiduelles dans les essais biotique et abiotique.

2.2.1. POLLUTIONS PAR DES HYDROCARBURES PETROLIERS OU PAR DES HAP

Lavancement de la biodgradation est suivi en respiromtre par la mesure de la consommation doxygne. En divisant par 3 la consommation en oxygne, on obtient sensiblement la quantit d'hydrocarbures dgrads. Le bilan de biodgradation est fait aprs analyse de lhydrocarbure rsiduel qui est extrait en fin d'essai sur la totalit de la fraction de sol mise en oeuvre et dos par chromatographie en phase gazeuse.

Les essais sont mens sur 40 g de la fraction de sol passant 4 mm et sur la mme masse de sol brut (sans fractionnement granulomtrique) une temprature de 20 C. La dgradation est suivie par la consommation d'oxygne au cours de la dure de l'essai, celui-ci tant stopp lorsque la consommation devient trs faible.

Il est possible que certains composs rducteurs prsents dans le sol gnrent une consommation non biotique de loxygne. Dans ce cas il convient de remplacer la mthode de suivi de la consommation doxygne par le suivi de la production de CO2 en prenant soin, par des essais tmoins abiotiques, de vrifier lorigine biologique de cette production. La mesure du CO2 est possible soit par spectromtrie infra-rouge, soit par titration aprs pigeage dans KOH.

Dans l'optique de la recherche et de l'valuation de la capacit de la microflore indigne, dans le cas o l'apport de minraux nutritifs est sans effet, la capacit intrinsque de la microflore autochtone dgrader les polluants cibles mrite d'tre value afin d'envisager une optimisation des conditions de dgradation (modification de l'accessibilit du polluant). Cet essai est galement ralis en respiromtre mais avec seulement 1 g de sol, afin d'apporter la microflore et d'viter une addition trop importante de polluant provenant du sol, en prsence du polluant de rfrence lorsqu'il est disponible. Ce type d'essai est envisageable notamment sur du gazole ou de la crosote (HAP), car des composs de rfrence sont disponibles.

Si, dans ces conditions, le suivi de la consommation d'oxygne, en prsence et en absence de milieu minimum minral ne permet pas de mettre en vidence de dgradation des polluants, un apport de microflore exogne doit tre prvu, excluant a priori la traitabilit in situ.

Si la microflore autochtone prsente une capacit intrinsque de dgradation du polluant cible, la biodgradation en respiromtre des polluants doit tre rvalue dans des conditions optimises (en particulier en prsence d'un milieu minral) afin d'valuer nouveau son aptitude atteindre les objectifs de teneur en polluants rsiduels.

Si la prsence d'une microflore autochtone adapte est mise en vidence ainsi que sa capacit dgrader les polluants en place jusqu' une teneur compatible avec les objectifs


fixs, le passage l'tape d'valuation des performances sera possible selon l'une au moins des trois modalits suivantes :

Traitabilit en vue d'un traitement par bioventing si les conditions suivantes sont remplies (rappel des paramtres limitants) :

o Homognit du sol et de la rpartition de la pollution ; o Permabilit aux gaz (ka) > 1 Darcy ; o Profondeur > ou gale 1 mtre de la surface ; o Teneur suffisante en nutriments minraux (20 mg(N)/kg de sol et 3 mg(P)/kg

de sol) ; o Activit microbiologique in situ > 1,5 mg(O2)/kg/j ; o Volume de la zone pollue > 350 m2 ; o Distance sparant la pollution de la nappe > ou gale 1,5 mtre ;

Traitabilit en vue d'un traitement par biotertre ou par landfarming si la teneur en argiles est nfrieure 40% (rappel des paramtres limitants) ;

Traitabilit en vue d'un traitement en bioracteur dans tous les cas.

Dans le cas o ces objectifs ne seraient pas atteints la vue des essais en respiromtre, l'utilisation d'une microflore de rfrence, lorsqu'elle est disponible, sera ncessaire pour pouvoir poursuivre la procdure. L'aptitude de la microflore exogne dgrader les polluants sera mise en vidence selon le mme protocole que pour la microflore autochtone.

Si aucune des conditions testes (microflore autochtone, apport de nutriments, microflore exogne) ne permet d'atteindre une teneur en polluants rsiduelle compatible avec les objectifs fixs, la procdure d'essai de traitement par biodgradation ne sera pas poursuivie mais roriente vers les essais d'orientation des autres techniques prslectionnes.

2.2.2. POLLUTIONS PAR DES SOLVANTS CHLORES Les valuations doivent tenir compte des processus de dgradabilit arobie "directe" ou par comtabolisme.

Comtabolisme Selon la nature des solvants chlors, le mcanisme de dgradation biologique arobie des solvants chlors peut tre direct ou par comtabolisme. Dans ce dernier cas, les essais de traitabilit doivent prvoir la fourniture d'un substrat dit "inducteur", c'est--dire apte stimuler la croissance de populations spcifiques et d'induire chez ces microorganismes la production des enzymes (oxygnases) responsables de la dgradation recherche (exemple type : la dgradation arobie du TCE). Les dispositifs d'essais consisteront en des fioles fermes dans le cas d'utilisation de substrats inducteurs gazeux et la consommation de ces substrats gazeux, toujours en prsence d'oxygne, sera rvlatrice de la prsence de microflores adaptes. L'efficacit de cette microflore sera value par le dosage des produits chlors d'intrt ainsi que par le suivi de la production de chlorures.

Dgradation "directe" Quand les solvants chlors peuvent tre substrats de croissance, c'est dire si et seulement si les produits sont les dichloro-mthane ou -thane (voire le chlorure de vinyle), l'volution


de l'activit microbiologique du sol est mesure par le suivi de la consommation de l'oxygne (respiromtres) et par l'analyse de la concentration rsiduelle en polluants ainsi qu'en chlorures en fin d'essai.

A l'issue de ces essais, et selon l'aptitude de la microflore autochtone dgrader les polluants en place jusqu' une teneur compatible avec les objectifs fixs, les mmes conditions que dans le cas d'une pollution par des hydrocarbures seront examines en vue du passage au stade d'valuation des performances par bioventing ou par bioracteur. La modalit biotertre ou landfarming n'est pas envisage dans le cadre de la dgradation biologique des solvants chlors.

Si aucune des conditions testes (microflore autochtone, apport de nutriments, microflore exogne) ne permet d'atteindre une teneur rsiduelle en solvant chlor compatible avec les objectifs fixs, la procdure d'essai de traitement par biodgradation ne sera pas poursuivie mais roriente vers les essais d'orientation des autres techniques prslectionnes.

3. Caractrisation en vue de lvaluation des performances

Les performances de lapplication dun traitement par biodgradation doivent tre juges, en tenant compte des objectifs fixs, par comparaison des rsultats danalyses et essais obtenus sur le sol avant et aprs traitement.

Dans le cas dessais de traitement en colonne, une meilleure reprsentativit peut tre obtenue en prlevant un chantillon carott non remani en diffrents points (base, milieu, sommet) avant et aprs traitement.


4. Evaluation des performances

Figure 3 : Procdure d'essais d'valuation des performances d'un traitement par biodgradation

La faisabilit du traitement par biodgradation sera value ce niveau de la procdure d'essais selon l'atteinte, dans les conditions pilotes optimises, des objectifs fixs en terme de teneur en polluants, et de dure de traitement. L'valuation sera ensuite complte en terme de disponibilit des polluants et d'cotoxicit directe et indirecte du sol trait.

Ces essais qui visent valuer les performances de la biodgradation doivent permettre de valider sa faisabilit technique une chelle pilote, plus proche des conditions relles de traitement.

4.1. ESSAIS DE BIODEGRADATION Pour les sols ayant satisfait aux essais d'orientation, et en fonction des paramtres limitant examins dans le cadre de la prslection des techniques repris dans les logigrammes de la phase d'orientation, les essais de biodgradation (valuation des performances) pourront tre mis en oeuvre, dans le cas de pollution par des hydrocarbures ptrolier ou des HAP :

dans une mise en oeuvre en lit fixe dans le cas o un traitement par biotertre ou landfarming serait envisag,

dans une mise en oeuvre en racteur agit (type slurry) dans le cas o un traitement en bioracteur sera envisag.

Dans le cas de pollution par des solvants chlors, le traitement en bioracteur sera simul par un dispositif en fioles fermes.

4.1.1. ESSAIS EN LIT FIXE Les essais sont effectus dans des flacons en verre, tanches, d'un volume total de 2 litres.


Les quantits de terres mises en oeuvre sont de 125 g auxquelles sont ajouts 125 g de sable, non pollu, humidifi au pralable par du milieu synthtique renfermant azote et phosphore. L'humidit du mlange terre-sable est rgle de faon obtenir un taux de l'ordre de 17 %. L'ajout de sable vite le "mottage" de la terre lors des priodes de remuage du sol et permet d'obtenir une meilleure circulation des flux (eau et air) l'intrieur de la terre.

L'atmosphre gazeuse du flacon est renouvele chaque jour pendant les deux premires semaines, puis une fois par semaine ensuite, en ouvrant le flacon.

Les essais doubls sont conduits sur une dure de 3 mois. Le bilan de biodgradation est effectu en fin d'essai, par extraction de la totalit du mlange terre-sable et analyse en CPG.

En rfrence, des tests abiotiques sont raliss dans les mmes conditions exprimentales, en prsence de chlorure mercurique.

Les rsultats de lvaluation sont fournis en terme de :

vitesse de biodgradation afin de calculer, avec un facteur correctif, la dure du traitement,

niveau rsiduel de pollution pour comparaison avec les objectifs de remdiation fixs.

4.1.2. ESSAIS EN MODE SLURRY Cette valuation est pratique dans des conditions proches de celles que l'on met en oeuvre en bioracteur.

Les essais sont raliss dans un respiromtre de type Sapromat dans lequel 40 g de terre sont mis en suspension dans l'eau (mode slurry) dans les conditions optimales dfinies par les essais d'orientation (apport de minraux nutritif ou d'une flore exogne de rfrence).

La biodgradation est suivie par la consommation d'oxygne mesure en continu, en fonction du temps, jusqu' l'obtention d'un plateau signifiant l'arrt de tout processus mtabolique.

En divisant par 3 la consommation en oxygne, on obtient sensiblement la quantit d'hydrocarbures dgrads.

Les polluants sont analyss, en dbut et en fin du test de biotraitabilit, par chromatographie en phase gazeuse. Des tests abiotiques de rfrence sont raliss dans les mmes conditions exprimentales.

Les rsultats de lvaluation sont fournis en terme de :

vitesse de biodgradation afin de calculer, avec un facteur correctif, la dure du traitement, niveau rsiduel de pollution pour comparaison avec les objectifs de remdiation fixs.

4.1.3. ESSAIS EN COLONNE EN MODE IN SITU Les essais sont conduits sur des colonnes pouvant contenir de 5 12 kg de terre selon les modles.

La Figure ci-aprs reprsente le systme pilote et le matriel associ mis en place sur les colonnes dessai utilises lors de cette tape.

Ce type de dispositif permet de simuler le traitement in situ dune pollution situe en zone sature ou en zone non sature. Il permet galement linjection de ractifs (nutriments, accepteur dlectrons, substrat inducteur) sous forme liquide ou gazeuse dans le sol. Le contact des ractifs liquides avec la pollution sera optimis par une injection de la solution en bas de colonne de manire noyer la


colonne de sol par la solution. La colonne est ensuite vidange si le dispositif doit reprsenter une pollution en zone non sature.

Figure 4 : Schma gnral du systme pilote utilis pour la ralisation des essais dvaluation des performances de la biodgradation in situ

Les concepts gnraux et les essais mis en oeuvre lors de cette tape sont prsents ci-dessous.

Biostimulation par apport daccepteurs dlectrons Loxygne, principal accepteur dlectrons, est indispensable la dgradation arobie des composs organiques. Or, laccepteur dlectrons constitue le plus souvent le principal facteur limitant des mcanismes de biodgradation. Dans le cadre de traitements biologiques, ce facteur limitant peut tre cart par un apport en continu doxygne sous forme gazeuse ou sous forme dagent oxygn librant de loxygne dissout dans le milieu traiter. Lorsque la pollution traiter se situe en zone non sature, les traitements par bioventing mettent en jeu une injection dair pour apporter loxygne aux microorganismes, permettant ainsi daugmenter les rendements de biodgradation. Lorsque la pollution traiter se situe en zone sature, loxygne peut tre apport galement par injection dair (air sparging) ou par injection dagents oxygns comme par exemple des peroxydes de magnsium, de calcium, voire dhydrogne.


Biostimulation par apport de nutriments Bien que ncessaires en quantits moindres que la source de carbone, les nutriments sont indispensables au dveloppement et a fortiori aux activits cataboliques des microorganismes.

Parmi les principaux nutriments, on peut citer lazote, le phosphore et les lments traces tels que le potassium, le calcium, le sodium, le magnsium Si certains de ces lments sont en quantits trop faibles dans la matrice traiter, il est envisageable dapporter un complment pour favoriser le dveloppement bactrien. Pour ce faire, un milieu minral est ralis : il sagit dune solution aqueuse contenant les nutriments prcits (Na2HPO4 3 g/l, KH2PO4 2 g/l, NH4NO3 1 g/l, KCl 0,7 g/l).

Ce milieu minral est ensuite inject de faon squentielle dans la matrice traiter.

Bioaugmentation Le sol contient naturellement des microorganismes, qualifis dendognes. Le plus souvent, lorsquun sol est impact par une pollution, la microflore prsente volue : certaines familles de microorganismes disparaissent (toxicit des polluants, incapacit se dvelopper dans le nouvel environnement), dautres survivent en prsence des polluants et certaines mettent profit la prsence de ces nouvelles molcules carbones en les utilisant pour leur dveloppement. Ce sont ces dernires qui sont actives et sollicites dans les procds de bioremdiation. En revanche, si ces bactries ne se dveloppent pas suffisamment dans les terres traiter, il est envisageable dopter pour une approche par bioaugmentation. Le principe est dapporter dans les sols une quantit plus importante de microorganismes pour acclrer les phnomnes de biodgradation. Soit ce sont les microorganismes endognes qui sont isols, cultivs et rinjects en plus grande quantit ; soit un autre consortium bactrien exogne, dont les capacits de biodgradation envers les polluants dintrt sont connues, est utilis pour acclrer les rendements de biodgradation.

Dans tous les cas, la dgradation biologique de la pollution est vrifie par le suivi du bilan carbone et oxygne en identifiant les mtabolites produits par lactivit biologique, prsents dans les gaz ou solutions au contact de la pollution. La teneur rsiduelle du sol en polluants est galement suivie par un prlvement ponctuel en au moins deux points de la colonne (un point haut et un point bas), en dbut et en fin dessai et ventuellement un stade intermdiaire.

4.2. VALEURS "GUIDE" l'issue des essais de biodgradation, la traitabilit biologique de la pollution est value par la vrification de l'atteinte des objectifs fixs en terme de teneur en polluants, de disponibilit des polluants, de dure de traitement. L'valuation sera ensuite complte en terme d'cotoxicit directe et indirecte du sol trait.

Les valeurs guide des paramtres d'valuation sont fixes par les objectifs de traitement retenus. Pour mmoire, l'US EPA a fix comme objectif de dcontamination des sols pollus par des hydrocarbures ptroliers, des teneurs en BTEX et hydrocarbures totaux dans les lixiviats, prpars selon une procdure standardise, respectivement gales 1 mg/L et 100 mg/L.


5. Synthse des rsultats

Les rsultats de faisabilit de ces techniques sur la base des essais dorientation et de lvaluation des performances du traitement par stabilisation physico-chimiques sont prsents selon le modle de fiche ci-dessous.

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