Copper, Chromium and Arsenic (CCA) leaching from soils contaminated at timber treatment sites
Lixiviation du Chrome, du Cuivre et de l'Arsenic (CCA)
à partir de sols contaminés sur des sites de traitement du bois
Résumé
Aqueous solutions of copper, chromium and arsenic (CCA) are extensively used in the
timber preservation industry, and soils at timber treatment site commonly become
contaminated with these three elements. The potential mobility of CCA is of particular
concern since downward leaching of the heavy metals may result in the contamination of
groundwater. The aim of this study is to quantify the leaching of the CCA using laboratory
column and batch experiments and to derive statistic models.
In order to conciliate the field conditions and the laboratory constraints, we have
chosen to experiment the CCA leaching from long-term contaminated and non-destructured
soils. In addition, destructured soils (easier to sample) have been used in batch experiment
(easier to realise than column) in order to compare the results of these two different
techniques.
From 5 timber treatment sites, 14 contaminated areas have been recognized and
chosen to provide a wide range of physicochemical soil properties. Within each area, of about
800 cm2, 4 soil core replicates (diameter 10 cm, depth 10 cm) were sampled.
The CCA soil contents vary from about 10 to several thousand mg/kg and generally
show the predominance of Cu over Cr and As (Cu > Cr > As). High lateral variations and
strong vertical attenuation of the signal (> 10 times) were observed. Such heterogeneities in
the soil may result of an association of a fast fixation rate along the vertical direction in the
macropores, and a slower diffusion in the micropores acting in all spatial directions.
Rain events were simulated experimentally by a series of leaching cycles in saturated
condition. As CCA concentrations measured in each cycle quickly reach a quasi stationary
state, average concentrations for each pollutant and for each soil have been estimated.
From the measured concentrations of the different CCA aqueous species (speciation),
we have observed that the order of the CCA leachate concentrations is the following : Cr(VI)
< Cutot / Cu2+ < As(V). The majority of the Cr(VI) concentrations are below the 50 μg/l
toxicity level. The Cu2+ proportions are variable and may reach several mg/l from the soil
with the highest Cu content. As(V) concentrations are high and exceed the critical values (50
μg/l) for the soil majority.
We have used statistical analysis with multiple linear regressions to link the CCA
leaching concentrations with the most significant physico-chemical soil characteristics. The
Cu and As concentrations are systematically correlated with the initial soil contents and with
the soil pH. The best model was found for Cu, explaining 96 % of the common variations.
The As model explains 94 % of the common variations but it presents some strong
differences between measured values and modelled values. We could not modelise the Cr
leaching. Relationships are also proposed to link batch with columns results. With care and
verification, such models may be used to assess the CCA leachate concentrations by simple
measures of few soil parameters.
timber preservation industry, and soils at timber treatment site commonly become
contaminated with these three elements. The potential mobility of CCA is of particular
concern since downward leaching of the heavy metals may result in the contamination of
groundwater. The aim of this study is to quantify the leaching of the CCA using laboratory
column and batch experiments and to derive statistic models.
In order to conciliate the field conditions and the laboratory constraints, we have
chosen to experiment the CCA leaching from long-term contaminated and non-destructured
soils. In addition, destructured soils (easier to sample) have been used in batch experiment
(easier to realise than column) in order to compare the results of these two different
techniques.
From 5 timber treatment sites, 14 contaminated areas have been recognized and
chosen to provide a wide range of physicochemical soil properties. Within each area, of about
800 cm2, 4 soil core replicates (diameter 10 cm, depth 10 cm) were sampled.
The CCA soil contents vary from about 10 to several thousand mg/kg and generally
show the predominance of Cu over Cr and As (Cu > Cr > As). High lateral variations and
strong vertical attenuation of the signal (> 10 times) were observed. Such heterogeneities in
the soil may result of an association of a fast fixation rate along the vertical direction in the
macropores, and a slower diffusion in the micropores acting in all spatial directions.
Rain events were simulated experimentally by a series of leaching cycles in saturated
condition. As CCA concentrations measured in each cycle quickly reach a quasi stationary
state, average concentrations for each pollutant and for each soil have been estimated.
From the measured concentrations of the different CCA aqueous species (speciation),
we have observed that the order of the CCA leachate concentrations is the following : Cr(VI)
< Cutot / Cu2+ < As(V). The majority of the Cr(VI) concentrations are below the 50 μg/l
toxicity level. The Cu2+ proportions are variable and may reach several mg/l from the soil
with the highest Cu content. As(V) concentrations are high and exceed the critical values (50
μg/l) for the soil majority.
We have used statistical analysis with multiple linear regressions to link the CCA
leaching concentrations with the most significant physico-chemical soil characteristics. The
Cu and As concentrations are systematically correlated with the initial soil contents and with
the soil pH. The best model was found for Cu, explaining 96 % of the common variations.
The As model explains 94 % of the common variations but it presents some strong
differences between measured values and modelled values. We could not modelise the Cr
leaching. Relationships are also proposed to link batch with columns results. With care and
verification, such models may be used to assess the CCA leachate concentrations by simple
measures of few soil parameters.
Les pratiques industrielles du traitement du bois aux CCA (Cr, Cu et As) conduisent
souvent à une forte contamination des sols de ces sites industriels, et leur lixiviation naturelle
par les eaux de pluie constitue un risque potentiel pour les nappes phréatiques et pour la
chaîne alimentaire. Afin de contribuer à mieux évaluer ce risque, nous nous proposons de
quantifier expérimentalement et de modéliser statistiquement les concentrations en CCA
lixiviables à partir de ces sols.
Dans le but de concilier les conditions du terrain avec les contraintes du laboratoire,
nous avons choisi d'expérimenter la lixiviation des CCA sur des colonnes de sols pollués et
non déstructurés, prélevées sur des sites industriels ayant connu une longue activité.
Toutefois, des prélèvements de sol déstructuré (plus simples) effectués simultanément, ont été
expérimentés en batch (plus aisés à mettre en oeuvre que les colonnes), afin d'évaluer la
pertinence d'un diagnostic effectué en batch en lieu et place des colonnes. A partir de cinq
sites préalablement reconnus, quatorze zones parmi les plus contaminées ont été
sélectionnées, représentant quatorze sols différents. Sur chaque zone, nous avons délimité une
surface d'environ 800 cm2 pour y échantillonner 3 ou 4 répliques du sol conditionné en
colonnes (10 cm de diamètre et de hauteur).
La gamme des teneurs initiales en CCA dans ces sols s'étend de quelques dizaines à
plusieurs milliers de mg/kg de sol sec, et montre généralement la prépondérance du Cu devant
le Cr et l'As (Cu > Cr > As). De fortes variations latérales des teneurs et une atténuation
verticale très rapide du signal (> 10 fois) ont été observées. De telles hétérogénéités dans le
sol peuvent résulter de l'association d'une fixation rapide le long d'une verticale dans les
macropores, et d'une diffusion plus lente dans les micropores opérant dans toutes les
directions du sol.
Les évènements pluvieux ont été simulés en enchaînant plusieurs cycles de lixiviation
en conditions de circulation saturée en eau. Les concentrations en CCA mesurées dans chacun
de ces cycles atteignent rapidement un état quasi-stationnaire qui permet de proposer une
moyenne des concentrations pour chaque élément, pour chacun des 14 sols.
En mesurant les concentrations de différentes espèces de CCA en solution aqueuse
(spéciation), nous avons constaté que l'ordre des concentrations en CCA lixiviés est le
suivant : Cr(VI) < Cutot / Cu2+ < As(V). La plupart des concentrations en Cr(VI) restent en
dessous de la limite de la valeur-guide de 50 μg/l. Les proportions de Cu2+ restant variables
suivant les sols (elles peuvent atteindre plusieurs mg/l pour les sols dont les teneurs sont les
plus élevées). L'As(V) présente de fortes concentrations (> 50 μg/l) pour la majorité des sols.
L'analyse statistique par régressions linéaires multiples nous a permis de relier les
concentrations en CCA lixiviés avec certaines des caractéristiques essentielles des sols. Les
concentrations en Cu et en As lixiviés sont systématiquement corrélées aux teneurs initiales
du sol et aux pH du sol. Le meilleur modèle a été établi pour le Cu, expliquant 96% des
variations en commun, alors que le Cr n'a pu être modélisé. Le modèle de l'As explique
quant-à lui 94 % des variations en commun avec néanmoins de fortes variations possibles
entre les valeurs mesurées et les valeurs calculées par le modèle. Des relations ont aussi pu
être proposées pour relier les résultats des batchs à ceux des colonnes. Avec certaines
précautions et vérifications, ces modèles pourraient être utilisés pour estimer les quantités de
CCA lixiviés par la simple mesure de quelques paramètres du sol.
souvent à une forte contamination des sols de ces sites industriels, et leur lixiviation naturelle
par les eaux de pluie constitue un risque potentiel pour les nappes phréatiques et pour la
chaîne alimentaire. Afin de contribuer à mieux évaluer ce risque, nous nous proposons de
quantifier expérimentalement et de modéliser statistiquement les concentrations en CCA
lixiviables à partir de ces sols.
Dans le but de concilier les conditions du terrain avec les contraintes du laboratoire,
nous avons choisi d'expérimenter la lixiviation des CCA sur des colonnes de sols pollués et
non déstructurés, prélevées sur des sites industriels ayant connu une longue activité.
Toutefois, des prélèvements de sol déstructuré (plus simples) effectués simultanément, ont été
expérimentés en batch (plus aisés à mettre en oeuvre que les colonnes), afin d'évaluer la
pertinence d'un diagnostic effectué en batch en lieu et place des colonnes. A partir de cinq
sites préalablement reconnus, quatorze zones parmi les plus contaminées ont été
sélectionnées, représentant quatorze sols différents. Sur chaque zone, nous avons délimité une
surface d'environ 800 cm2 pour y échantillonner 3 ou 4 répliques du sol conditionné en
colonnes (10 cm de diamètre et de hauteur).
La gamme des teneurs initiales en CCA dans ces sols s'étend de quelques dizaines à
plusieurs milliers de mg/kg de sol sec, et montre généralement la prépondérance du Cu devant
le Cr et l'As (Cu > Cr > As). De fortes variations latérales des teneurs et une atténuation
verticale très rapide du signal (> 10 fois) ont été observées. De telles hétérogénéités dans le
sol peuvent résulter de l'association d'une fixation rapide le long d'une verticale dans les
macropores, et d'une diffusion plus lente dans les micropores opérant dans toutes les
directions du sol.
Les évènements pluvieux ont été simulés en enchaînant plusieurs cycles de lixiviation
en conditions de circulation saturée en eau. Les concentrations en CCA mesurées dans chacun
de ces cycles atteignent rapidement un état quasi-stationnaire qui permet de proposer une
moyenne des concentrations pour chaque élément, pour chacun des 14 sols.
En mesurant les concentrations de différentes espèces de CCA en solution aqueuse
(spéciation), nous avons constaté que l'ordre des concentrations en CCA lixiviés est le
suivant : Cr(VI) < Cutot / Cu2+ < As(V). La plupart des concentrations en Cr(VI) restent en
dessous de la limite de la valeur-guide de 50 μg/l. Les proportions de Cu2+ restant variables
suivant les sols (elles peuvent atteindre plusieurs mg/l pour les sols dont les teneurs sont les
plus élevées). L'As(V) présente de fortes concentrations (> 50 μg/l) pour la majorité des sols.
L'analyse statistique par régressions linéaires multiples nous a permis de relier les
concentrations en CCA lixiviés avec certaines des caractéristiques essentielles des sols. Les
concentrations en Cu et en As lixiviés sont systématiquement corrélées aux teneurs initiales
du sol et aux pH du sol. Le meilleur modèle a été établi pour le Cu, expliquant 96% des
variations en commun, alors que le Cr n'a pu être modélisé. Le modèle de l'As explique
quant-à lui 94 % des variations en commun avec néanmoins de fortes variations possibles
entre les valeurs mesurées et les valeurs calculées par le modèle. Des relations ont aussi pu
être proposées pour relier les résultats des batchs à ceux des colonnes. Avec certaines
précautions et vérifications, ces modèles pourraient être utilisés pour estimer les quantités de
CCA lixiviés par la simple mesure de quelques paramètres du sol.
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