Long-term Behavior, Characterizing Operational and Environmental Assessment of Organic Contaminants in Sediments from Dredging

Comportement à long terme, caractérisation opérationnelle et évaluation environnementale des contaminants organiques des sédiments de dragage

Benoit Charrasse (1)

1 INERIS - Institut National de l'Environnement Industriel et des Risques

Each year, 65 million m3 of sediment are removed by dredging of harbors, canals, rivers and French rivers. These materials are often contaminated with heavy metals, pesticides and other organic pollutants accumulated over time, and should be stored ashore. The re-use of contaminated sediments under various scenarii is supervised by technical guidelines and regulations. These guides offer an evaluation methodology and thresholds for protecting human health and the environment, using the total solid concentrations of hydrophobic organic compound (HOC). This work evaluates the long-term environmental behavior of contaminated sediments and precisely what are the parameters and mechanisms controlling the mobility of organic pollutants, to assess risk rather than hazard. Five marine, canal and storm basin sediments were monitored in the laboratory for 18 months, and various methods of measuring solid, colloidal and dissolved fractions were performed. The organic matter in sediments is heterogeneous and has a multitude of sorption sites. The presence of exogenous origin of soot and condensed organic matter (Black Carbon) and hydrocarbons is responsible for the high retention of HOC in the sediment (high partition coefficients Kd and very slow desorption kinetics). In the solid phase, PCBs are mainly adsorbed on condensed fraction of organic matter and on the hydrocarbon phase, and nearly 80 % of PAHs are retained on the condensed fraction of organic matter. The dissolved concentrations in the porewater were obtained by passive sampler (LDPE). The results obtained in the liquid phase in batch leaching and percolation column shows, particularly for PAHs, an important colloidal vectorization (> 80 % and up to > 99.9 % of the heaviest PAHs). A simple method for the detection of the colloidal fraction of COH was tested. Classical modeling of the dissolved phase by partition coefficients, even refined, may significantly under-estimate the environmental risk (factor up to 1000) because the mobility of COH through colloids or dissolved macromolecules is not taken into account in the conventional transmission and transport models. In the study of sediment stored on the ground, the issue of dissolved (colloïdal) organic matter should be measured by a percolation test in the laboratory, and modeling of the transfer should be based on this result.

Chaque année, 65 millions de m3 de sédiments sont extraits par dragage des ports, des canaux, des rivières et des fleuves français. Ces matériaux sont souvent contaminés par des métaux lourds, pesticides et autres polluants organiques accumulés au cours du temps, et doivent être stockés à terre. La valorisation des sédiments contaminés selon divers scénarii est encadrée par des guides techniques et par la réglementation en vigueur. Ces guides proposent une méthodologie d'évaluation et des valeurs seuils protectrices pour la santé humaine et l'environnement, utilisant les teneurs totales en composé organique hydrophobe (COH). Ce travail évalue le comportement environnemental à long terme de sédiments contaminés et précise quels sont les paramètres et les mécanismes contrôlant la mobilité des polluants organiques, afin de passer d'une étude du danger à une évaluation du risque. Cinq sédiments marins, de canal et de bassin d'orage ont été suivis au laboratoire pendant 18 mois, et diverses méthodes de mesure des fractions solides, colloïdales et dissoutes ont été pratiquées. La matière organique des sédiments est hétérogène et possède une multitude de sites de sorption. La présence d'origine exogène de suie et de matières organiques condensées (Black Carbon) et d'hydrocarbures est responsable de la forte rétention des COH dans le sédiment (coefficients de partage Kd élevés et cinétiques de désorption très lentes). En phase solide, les PCB sont majoritairement adsorbés sur la phase matière organique condensée et la phase hydrocarbure, et près de 80% des HAP sont retenus sur la phase matière organique condensée. Les concentrations en contaminant dissous dans les eaux interstitielles ont été déterminées par échantillonnage passif (LDPE). Les résultats en phase liquide obtenus en lixiviation par lot et en percolation en colonne montrent, notamment pour les HAP, une vectorisation colloïdale importante (>80% et jusque > 99,9 % des HAP les plus lourds). Une méthode simple de mise en évidence de la fraction colloïdale des COH a été testée. Une modélisation à partir des coefficients de partage, même avec des estimations très fines, peut largement sous-évaluer le risque environnemental (facteur 1000) car la mobilité des COH au travers des colloïdes ou macromolécules dissoutes n'est pas prise en compte dans les modèles d'émission et de transport classiques. Dans l'étude d'un sédiment stocké à terre, l'émission de la matière organique dissoute devrait être mesurée par un essai de percolation au laboratoire, et la modélisation du transfert devrait être basée sur ce résultat.

Mots clés: dredged sediments; organic contaminants; environmental assessment; bioavailability; bioaccessibility; modeling

Mots clés: Sédiments dragués; contaminants organiques; caractérisation environnementale; biodisponibilité; bioaccessibilité; spéciation; émission; modélisation

Domaines: Chimie analytique; Ingénierie de l'environnement

Benoit Charrasse. Comportement à long terme, caractérisation opérationnelle et évaluation environnementale des contaminants organiques des sédiments de dragage. Chimie analytique. Université d'Aix-Marseille, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00948250⟩