Inventaire des contaminants métalliques dans des produits résiduaires organiques

1. Inventaire des contaminants métalliques dans des produits résiduaires organiques Marie Tella, Postdoctorante UR Recyclage et risque Dakar, Décembre 2010 ISARD Séminaire mi parcours

2. Introduction • 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

3. Objectifs 1. Inventaire 3. Dynamique 2. Spéciation 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 • Méthodes spectroscopiques • Extractions chimiques • Stage - N. Bossa (2010) • - A. Fernandez (2010) Comportement des ETM lors d’interactions Sol/PRO Caractérisation des ETM au sein des PRO

4. 14 Produits Résiduaires Organiques … • Diversité dans l’origine géographique : nord vs sud Yvelines France (HN) Sénégal Madagascar La Réunion France (HS)

5. 14 Produits Résiduaires Organiques … • Diversité dans la nature : urbain vs agricole Compost d’ordures ménagères Terreau de compost d’ordures ménagères Compost lisier de porc Fumier bovin Boues de Station d’épuration 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 ?

7. Plan de l’exposé • Caractéristiques de la population • Bilan des teneurs totales en ETM • Etude statistiques des teneurs totales en ETM • Source de contamination ? • Fractionnement granulométrique • Objectifs et méthode • Répartition massique • Répartition granulométrique des ETM • Inventaire des teneurs • Etude statistique

8. Caractéristiques de la population • Bilan des teneurs totales en ETM Très large gamme de teneurs 5 PRO sur 14 possèdent de très fortes teneurs en ETM  e.g., Anderson, 2001 ; Sager, 2007; He et al., 2007.

9. Caractéristiques de la population • Etude statistique : Analyse exploratoire (Tukey, 1977) Objectifs : observer la distribution en visualisant les données « atypiques » par rapport à la population Upperwisker 3(Q3-Q1) 1,5(Q3-Q1) Lowerwisker (not shown)

10. Caractéristiques de la population • Etude statistique : Asymétrie de répartition ++ : Zn/Pb/Cd + : Cu/Ni/Cr Pour chaque ETM 1 ou 2 PRO très riches Max littérature déchet organique Norme Boue STEP Norme déchet organique Max littérature boue de STEP

11. Caractéristiques de la population • Etude statistique : Légende couleurs : MSWC Mahajanga, Madagascar Hémisphère nord Hémisphère sud Répartition complexe selon le type de PRO et leur origine MSWC Dakar, Sénégal Utilisation d’outils statistiques

12. Caractéristiques de la population • Etude statistique : Analyse en Composantes Principales (ACP) Objectif Visualisation des discriminations de PRO selon les variables [ETM]

13. Caractéristiques de la population • Etude statistique : Synthèse ACP Population totale Corrélation Cr vs Ni Cu vs Zn Cluster 2 Fortes teneurs Ni/Cr Criblés Cluster 1b Forte teneurs Zn/Cd/Pb Fortes teneurs Zn/Cu/Cd MSWC Cluster 3 ++ Cluster 1a + Déjections Urbaines Déjections Agricoles

14. Caractéristiques de la population • Sources de contamination • Zn/Cu/Cd/Pb : composts d’ordures ménagères

15. Caractéristiques de la population • Sources de contamination • Zn/Cu/Cd/Pb : composts d’ordures ménagères Cu/Pb/Zn Zn/Cd Pb/Zn/Cd Pb • Absence de tri des ordures • Présence déchets industriels

16. Caractéristiques de la population • Sources de contamination • Zn/Cu/Cd : Boues de station d’épuration • Rejets industriels ?

17. Caractéristiques de la population • Sources de contamination • Zn/Cu : déchets agricoles

18. Caractéristiques de la population • Sources de contamination • Zn/Cu : déchets agricoles 90% du Zn fournis aux porc est excrété et se retrouve dans le lisier (Revy et al., 2003) Alimentation porc : ZnO : 250 mg.kg-1 MS CuSO4 : 150 mg.kg-1 MS Compost de lisier de porc • Additifs alimentaires

19. Caractéristiques de la population • Sources de contamination • Ni/Cr • GC, La réunion = fond pédo-géochimique (Doelsch et al., 2006 ; Payet et al., 2008) • - MSWC = rejet industriels ?

20. Plan de l’exposé • Caractéristiques de la population • Bilan des teneurs totales en ETM • Etude statistiques des teneurs totales en ETM • Source de contamination ? • Fractionnement granulométrique • Objectifs et méthode • Répartition massique • Répartition granulométrique des ETM • Inventaire des teneurs • Etude statistique

21. Fractionnement granulométrique • 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 ? ?

22. Pure water 200 ml Raw organic waste 4 g Sieve 2000 µm Fraction sup2000 Sieve 630 µm Fraction 630-2000 Sieve 200 µm Fraction 200-630 Fraction 20-200 Sieve 20 µm 10,000 rpm 3h Fraction 0.22-20 Fractionnement granulométrique • Méthode Séparation des PRO en ≠ fractions granulométriques

23. Fractionnement granulométrique 23 • Mould from MSWC, Antananarivo, Madagascar 20 – 200 µm 630 µm – > 2 mm 200 – 630 µm 0.2 – 20 µm • MSWC, Mahajanga, Madagascar 0.2 – 20 µm 200 – 630 µm 630 µm– 2 mm > 2 mm

24. Fractionnement granulométrique • Répartition massique Grande variabilité ≠ pour un même type (e.g. Compost OM) Granulométrie +/- propre à chaque PRO

25. Pure water 200 ml Raw organic waste 4 g Sieve 2000 µm Fraction sup2000 Sieve 630 µm Fraction 630-2000 Sieve 200 µm Fraction 200-630 Fraction 20-200 Sieve 20 µm 10,000 rpm 3h Fraction 0.22-20 Fraction inf0.22 Filtration 0.22 µm Fractionnement granulométrique • Méthode Attaque triacide → analyse par ICP-AES → analyse par ICP-AES

26. Fractionnement granulométrique • Répartition granulométrique des ETM Compost OM, Mahajanga, Madagascar Dissout Fraction grossière Fraction fine

27. Fractionnement granulométrique • Répartition granulométrique ETM Compost OM, Mahajanga, Madagascar • Enrichissement en Cu dans la fraction fine

28. Fractionnement granulométrique • Répartition granulométrique ETM : résumé Compost OM, Mahajanga, Madagascar Présence dans <0.2 µm Cu/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

29. Fractionnement granulométrique • Répartition granulométrique ETM et majeurs Compost OM, Mahajanga, Madagascar • Associations élémentaires ETM/majeur

30. Fractionnement granulométrique • Répartition granulométrique ETM/majeurs : résumé Compost OM, Mahajanga, Madagascar Présence <0.2 µm Cu/Ni S/Na/K/P Enrichis dans 0,2-20 µm Cu/Zn/Pb/Ni/Cr/Cd S/Ca/Mg/Al/Mn/Fe Enrichis dans > 2000 µm Ni/Cr/Cd Ca/Mg/Fe • Identification de probables phases porteuses des ETM : • Cu / Zn / Pb sur phase Al ou Mn • Ni / Cr / Cd sur phase Fe Association ETM/majeurs non constante entre les PRO

31. Répartition granulométrique ETM/majeurs : étude statistique • Matrices de corrélation • ACP • Régressions multiples • … Objectif Généraliser 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.

32. Conclusions • 50% des composts comportent des teneurs pour au moins 1 ETM > valeurs légiférées – Risque encouru par la pratique de l’épandage agricole Boues 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 …

33. Inventaire des contaminants métalliques dans des produits résiduaires organiques Marie Tella, Postdoctorante UR Recyclage et risque Dakar, Décembre 2010 ISARD Séminaire mi parcours

34. ACP population totale PRO extrêmement riches en Zn/Pb/Cd - Mouldfrom MSWC, Antananrivo, Madagascar - Mouldfrom MSWC, Dakar, Senegal PRO riches en Ni/Cr - GC, La Réunion, France (HS) - MSWC, Mahajanga, Madagascar

35. Corrélations Corrélation avec toute la population Corrélation sans valeurs atypiques Corrélations forcées par les valeurs atypiques des criblés ? Oui : Zn vs Pb +/- : Cd vs Zn Non : Ni vs Cr et Cu vs Zn

36. ACP sans valeurs atypiques 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)

37. Corrélations Corrélation avec toute la population Corrélation sans valeurs atypiques Corrélation Sans SS