Pollution et Dépollution des Sols

Pollution et Dépollution des Sols

• L'objectif principal est de fournir une compréhension de la pollution des sols et des méthodes de dépollution.

Prérequis

• Connaissances en chimie, biologie, microbiologie et physique du sol sont nécessaires.

Définitions

• Le sol est un composant clé de l'environnement terrestre, vital pour la vie humaine.
• Un écosystème est une communauté d'êtres vivants (biocénose) et de leur environnement (biotope) agissant ensemble.
• Le sol résulte des interactions entre la biosphère, la lithosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère.
• La pédosphère est la couche externe de la croûte terrestre, résultant de la pédogenèse.
• La lithosphère est l'enveloppe solide de la Terre, la roche mère du sol.
• L'hydrosphère englobe toutes les étendues d'eau.
• La biosphère est l'ensemble des êtres vivants sur la planète.
• L'atmosphère est la couche de gaz autour de la Terre.

Enjeux et Problématique

• Le sol est essentiel, mais non renouvelable à l'échelle humaine.
• La pollution du sol impacte négativement la biodiversité et la qualité de l'eau.
• Le sol est un réservoir de polluants naturels ou anthropiques, et un point de redistribution vers d'autres milieux.

Facteurs clés de la formation d'un sol

• Matériau parental de roches et minéraux.
• Climat, notamment la température et les précipitations.
• Organismes vivants, décomposition des éléments.
• Topographie.
• Temps, car la décomposition prend des milliers d'années.

Formation et évolution du sol

• Ce processus peut prendre de quelques dizaines à des millions d'années.
• La vie végétale et animale qui s'installe dans les débris de décomposition d'une roche marque la naissance du sol.
• Le sol mature est profond et étagé, avec des horizons ayant des compositions spécifiques.
• L'altération physico-chimique d'une roche mère génère des éléments minéraux.
• La transformation de la litière en humus riche en matières organiques.
• L'organisation des sols en horizons évolue en permanence sous l'influence des facteurs climatiques et biologiques.

Horizons

• Horizon O : Débris végétaux et animaux, humus de la litière.
• Horizon A : Mélange de matières minérales et organiques de surface.
• Horizon B : Très minéral, peu de matière organique due à l'infiltration d'eau.
• Horizon C : La roche mère.

Composition du sol

• Le sol est constitué de trois phases : solide, liquide et gazeuse.
• La phase solide contient une fraction minérale et organique issue de la dégradation des végétaux et des animaux.
• La phase liquide correspond à l'eau et aux éléments dissous.
• La phase gazeuse est enrichie en CO2 et vapeur d'eau.

La vie dans le sol

• Organismes et microorganismes sont impliqués dans la décomposition et la minéralisation.
• La macroflore est représentée par les racines des plantes.
• La microflore regroupe majoritairement les bactéries et les champignons.
• La faune se subdivise en trois groupes selon la taille : ceux visibles à l'œil nu, à la loupe et au microscope.
• Le sol est un milieu poreux complexe, constitué de phases solide, liquide et gazeuse.
• C'est un milieu vivant abritant de nombreux organismes.

Propriétés physiques du sol

• Le sol est poreux, constitué de phases solide, liquide et gazeuse.
• La phase solide comprend des minéraux, de la matière organique et des fragments végétaux.
• La porosité permet les transferts et réactions avec la phase solide ou les êtres vivants.

Classes de minéraux selon leur taille

• Argiles : < 2 microns.
• Limons fins : 2-20 microns.
• Limons grossiers : 20-50 microns.
• Sables fins : 50-200 microns.
• Sables grossiers : 200-2000 microns.
• La fraction sableuse constitue le squelette du sol.
• Les limons ont une surface d'échange plus importante que les sables.

Subdivision des minéraux du sol

• Sable très grossier : 2,00 - 1,00 mm.
• Sable grossier : 1,00 - 0,50 mm.
• Sable moyen : 0,50 - 0,25 mm.
• Sable fin : 0,25 - 0,10 mm.
• Sable très fin : 0,10 - 0,05 mm.
• Limon : 0,05 - 0,002 mm.
• Argile : < 0,002 mm.
• Les argiles constituent la fraction la plus fine et la plus réactive du sol.

Porosité du sol

• La porosité est organisée en types structurale, texurale et biologique.
• La porosité texturale est constituée de particules de la taille des limons et des argiles formant le plasma limono-argileux.
• Le second niveau d'organisation est celui des vides lacunaires entre le plasma et les éléments grossiers.
• Le troisième niveau est formé par l'assemblage des éléments structuraux visibles à l'œil nu, souvent appelé porosité structurale.
• La porosité biologique est due aux activités de la faune et de la flore, jouant un rôle important dans l'aération et la stabilité.

Structure et stabilité structurale

• Les ciments entre les particules et les agrégats sont généralement les carbonates, les oxydes et hydroxydes, ainsi que la matière organique.
• La structure peut être détruite par compaction, travail du sol ou action chimique.

Granulométrie et texture

• Avant caractérisation, on sépare la terre tamisée à 2 mm des éléments grossiers.
• La distribution de taille des particules détermine la texture.

Argiles minéralogiques

• Les argiles sont constituées par un enchaînement de feuillets appelés phyllosilicates.
• Les phyllosilicates sont composés de tétraèdres et d'octaèdres superposés.

Organisation interne

• Les plans sont constitués par les atomes.
• Les feuillets sont formés par une combinaison de plans.
• Les couches correspondent à des combinaisons de feuillets.
• Les cristaux résultent de l'empilement de plusieurs couches.
• Les tétraèdres sont constitués d'un atome de silice entouré de 4 atomes d'oxygènes (SiO4¯).
• Les octaèdres sont formés d'un atome central (Al, K, etc.) et 6 atomes d'hydroxyle (OH).

Classification

• La classification des argiles minéralogiques repose sur l'agencement des feuillets en couches,la combinaison des feuillets T ou O
• Les cations contenus dans les feuillets d'octaèdre
• La charge de la couche
• Le type de matériel entre 2 couches

Types

• La kaolinite est un minéral T/O-1/1, les sols que l'on rencontre dans les régions tropicales humides.
• La muscovite est un minéral T/O/T – 2/1,deux leusillets.
• Le groupe des smectites : la montmorillonite, la bentonite est caractérisé par un espace basal important de 12 à 15 autorisant un esapce interfoliaire important.
• Les minéraux à 4 couches 2/1/1 qui sont caractérisés par un feuillet comprenant 4 courches constitué comme les 3 couches de série 2/1.

Surface d'échange

• Argiles de type 1/1 (kaolinite) ont une surface d'échange faible.
• Argiles de type 2/1 (smectites) ont une surface d'échange plus grande grâce à une surface externe et une surface interne.

Capacité de retrait/gonflement des argiles

• Capacité des argiles à gonfler et se rétracter est liée à leur capacité d'hydratation.
• Les smectites (2/1) sont les plus gonflantes, contrairement à la kaolinite (1/1).

Charge des argiles

• Charges permanentes dues aux substitutions ioniques dans les feuillets, indépendante du pH.
• Charges de surface variables selon le pH du milieu.
• La charge de surface détermine la capacité d'échange anionique ou cationique. Si le pH est acide = la prédominance des protons à la surface = une capacité d'échange anionique Si le pH est alcalin c'est le contraire.

Types d'argiles

• Les argiles non expansives ont une faible capacité de retrait-gonflement.
• Les argiles expansives se gonflent et se rétractent selon la teneur en eau.
• Les argiles non expansives ont une faible surface d'échange.
• Les argiles expansives ont une grande surface d'échange.
• Les argiles non expansives ont une faible capacité d'échange cationique (CEC).
• Les argiles expansives ont une CEC importante.

Propriétés chimiques du sol

• Le sol est constitué de matière organique et de matière minérale.

Constituants organiques du sol

• Tissus végétaux, corps microbiens et animaux, et une fraction morte comprenant de la matière organique.

Matière organique

• Matière organique moléculaire, substances non humiques, substances humiques (acides fulviques, humiques, humines).
• L'association des argiles avec les substances humiques donne le complexe argilo-humique, impliqué dans la capacité d'échange cationique.

Oxydes et hydroxydes (Fe, Al)

• Ces éléments jouent un rôle important dans la chimie du sol, dotés d'une grande surface d'échange, interviennent comme lignant.
• Les oxydes et hydroxydes se forment par précipitation dans la solution du sol.

Complexe adsorbant des sols

• Le sol peut retenir diverses substances, telles que les, substances humiques... pour les cations et les anions.
• ComplexeM⁺ + X⁺ ↔ ComplexeX⁺ + M⁺, représentant l'échange réversible.

Sorption et échange des cations

• L'intensité des phénomènes est régulée par la nature des colloïdes et des ions.
• À pH 7, les colloïdes négatifs sont la Kaolinite, la Montmorillonite et la Matière organique, avec différentes capacités de sorption.
• La fixation des ions suit un ordre préférentiel, incluant les ions H⁺ et les cations métalliques.
• Intensité de fixation dépend de la valence et de l'hydratation.
• Equilibre entre la quantité fixée et la concentration dans la solution du sol.

Mécanisme d'échange des cations

• L'amendement chaux remplace H⁺ par Ca²⁺.
• L'amendement KCl remplace Ca²⁺ par K⁺.

Sorption et échange des anions

• Les anions comme NO3⁻, Cl⁻, SO4²⁻ se trouvent dans les eaux de drainage.
• Fixation plus forte de PO4³⁻ que de SO4²⁻, NO3⁻ ou Cl⁻.
• Fixation sur les hydroxydes de fer et d'alumine, ou sur les valences positives des argiles, ou par l'intermédiaire d'ions Ca²⁺.

Capacité d'échange cationique (CEC)

• Quantité maximale de cations qu'un sol peut adsorber, dépendant de la nature des colloïdes et du pH, mesurée en milliequivalents pour 100 g.
• Les cations échangeables incluent Ca²⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺ et éventuellement NH4⁺ et Al³⁺.

Somme des bases échangeables (S)

• Somme des cations basiques échangeables, exprimée en meq pour 100 g.
• La différence CEC – S correspond à la quantité d'ions H⁺ et Al³⁺ fixés.

Taux de saturation

• Rapport entre la somme des bases échangeables et la CEC, variable selon le sol et les circonstances.

pH et pouvoir tampon du sol

• Le pH du sol détermine la concentration en ions H⁺, influençant la chimie, la vie du sol et la stabilité des contaminants

Réaction d'oxydo-réduction

• L'oxydation = une perte électron par un réducteur.
• La réduction = un gain électron par un oxydant.
• Le potentiel REDOX du sl se repartie en differentes zones.

Echanges ioniques

• La précipitation forme un composé solide avec les oxydes pour les sulfites.
• Les minéraux tels que fe, Ac, Cu et Zn peuvent précipiter avec l'ion hydrozyde.

Éléments biologiques du sol

• les organisme participent a la chémie du sol.
• La physqiue du sol contribue à crée des vides.
• Les bacturies transforment les ETM réduisant la teneur dans le sol.
• Plusieurs fonctions sont assurer les productions des Hommes et crée les mécanismes nécessaires au fonctionnement.

Principaux polluants des sols et mécanismes de transfert/rétention et dégradation

Polluants organiques

• Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAPs).
  • Proviennent des produits de combustion.
  • Ont une origine naturelle ou pétrolière.
  • Sont biodégradables dans les sols s'il y a une présence aérobie.

Polychlorobiphényles

• Ils sont le plus dangereux car ils sont résistant aux dégradations biologiques naturelles.
• Ils ont une formation et l'émission de dioxines.
• La plupart des pesticides sont très solubles dans l'eau.
• Plusieurs familles de polluants.
  • Hydrocarbures ou huiles minérales.
  • Composant organiques volatils.
  • Polychlorophényles.
  • Hydrométallurigiques.
  • Explosifs.
  • Agent phytosanitaires.

Eléments traces métalliques

• Les éléments sont qualidiés de tracs si leur concentration est inférieur à moins d'1% dans le règne animale.
• Les métaux son caractérisés par les propriétés mécaniques,de conductibilité et leurs structure est formée d'un réseau métalique.
• On distingue plusieurs types de métaux.
  • Métaux représentatifs.
  • Les métalloïdes.
  • Les métaux de transition.
  • Métaux pauvres.

Les ETM anthropogènes

• Cd, Cr, Cu, Hg, PB, Sb, Tl et Zns seront les plus courants.
• Est considéré comme polluant c'est à dire lors le milieu revêt un danger pour les organismes.
• Certains éléments sont indispensable au êtres vivants.
• L'élément peut avoir une origine naturelle(ETM du sol de la roche mère)
• Ou anthropique( variation du fait des activité humaine.)

La mobilité se définine en deux parties

• La solubilité des ETM sous la fame ioniques dans la composition du sol; une transfer par un érosion sur lesquelles les ETM sont adsorbaient. La texture de sol est un élément déterminant. Les propriétés de l'ETE, des température, de précipitation, du Sejour dans le sol.

Les facteurs d''influence sont les pH et Eh

• S'éffectue de la diminuition de la mobilité des CAT dans l'ordre ci desous.

Salinisation

• Des sels dans la partie superficelles.
• Une attention particulière est accondé au facteur à l'origime des processsu de dégradation avec du sel dans les soles.
• Attention l'eau de dégradation n'est pas bonne à l'irrigation.

La pollution naturelle et anthropique

• Sont les effets qui entraine le rejet dans les sols des divers types de polluants qui peuvent influer négativement fonctions.

Dépollutions des sols pollués

• Il est important connaitres les différente technies ,avantage, de dépollution et faire un choix de dépollution.
• En général les technique sont classées.
  • Traitement en site.
  • Traitement situ.
  • Confinement.

Traitemet hors site

• Excavation et à l'évacuation des déchets comme les eaux polluées dans centre de traitement adapté.

Traitements in situ

• Technique sans excavation les eaux peuvent égallement être traitées insitu. Les avantages sont les ecrémage, bioventing, lessivage, strippng, inertage.

Les traitement sur site

• Consitent a extraire et traiter la terre et les eaux surs site, la terre traité est laissé sur le site. Les avantage sont lavage et la Biodégration.

Confinement.

• Quipermet circonscrire une zône pour les migration des polluants.

Lavage des sols pollués:Le traitement physico-Chimique

• Fraictionnerr avec la méthode extractions physico chimique en phase liquide.
• C'est procédés son la calssification par cribage, désagrégations, hydrocyclonage.

Oxydaition chimique

_est en une technique eaux soutenraine et des sols contaminés part des composée organique, il consiste a une injection dans la zone

Désorption Thermique

• Une des composante du processus , et la destruction transfertées la phase gazeuse.

Traitement biologiques

• C'est un traitement de bioorganique ou inorganises par les microorganismes,c'est une catégorie.
• Le le plus souvent en aérobie dégration son une application micro bien.