Thèse de doctorat

Chimie de l'eau et transport particulaire en sol contaminé : de la zone non saturée à la zone saturée, application au site atelier de Châteauneuf (42)Doctorante: Orianne Houecande (2012-2016)

Contacts : Orianne Houecande (houecande @ emse.fr), Jacques Moutte (moutte @ emse.fr)

Directeur de Thèse : Jacques Moutte (moutte @ emse.fr)
Co-encadrement : Didier Graillot (Didier.GRAILLOT @ emse.fr), Mariem Kacem (mariem.kacem @ enise.fr), Véronique Lavastre (veronique.lavastre @ univ-st-etienne.fr)

Résumé

Les laitiers sont des sous-produits de la fabrication de l’acier. L’industrie sidérurgique a mis en place ces dernières années plusieurs voies de valorisation de ces matériaux, mais ces méthodes concernent les laitiers récents et homogènes et restent difficiles à appliquer aux crassiers anciens. Ces accumulations de matériaux hétérogènes non valorisables sont laissés sur place, et l'on doit comprendre quel impact ils peuvent avoir sur leur environnement à moyen et à long terme. L’objectif de ce travail est de comprendre les mécanismes qui interviennent dans le transport, en solution et sous forme particulaire[l1] , dans des déchets sidérurgiques stockés sur le long terme, de la zone non saturée vers la zone saturée.

Pour élucider les mécanismes de mobilisation des particules de déchets sidérurgiques dans ces deux zones, nous avons d’abord effectué une caractérisation complète de leur composition minéralogique et chimique en couplant plusieurs techniques analytiques. Ces résultats ont conduit à sélectionner pour les études expérimentales deux laitiers de fusion et un mélange de déchets (laitiers, réfractaires et sables). Le comportement de ces matériaux face à des évènements pluvieux successifs (cycles d’infiltration/drainage) a été étudié sur deux mois via des essais en colonne. Leur cinétique de dissolution a été également déterminée à l’aide d'essais en batch. Le modèle ARXIM nous a permis d’identifier les équilibres chimiques dans la solution du sol et les phases en sur ou sous-saturation. Les éléments métalliques transportés ont été simulés avec le logiciel HYDRUS-1D.

Les analyses MEB et DRX montrent que ces déchets sont constitués de phases de haute température typiques des laitiers (brownmillérite, wustite, wollastonite, larnite, périclase, etc) et de phases d’altération météorique telles que brucite, portlandite, hématite, dolomite et calcite. Les chemins préférentiels dominent l’écoulement dans la zone non saturée. La caractérisation des eaux de percolation des différents déchets étudiés montre des pH élevés, dus à des teneurs élevées en calcium, et des teneurs importantes en aluminium, et silicium; les teneurs en chrome et molybdène, et ponctuellement en vanadium, sont élevées dans les lixiviats de laitiers de fusion. L’analyse en granulométrie laser des particules mobilisées pendant les évènements pluvieux indiquent que leur taille moyenne est de 200 µm ce qui laisse prévoir une faible mobilité dans les formations sous-jacentes moins perméables.

Les calculs de spéciation montrent que les lixiviats sont saturés ou proches de l'équilibre vis à vis des silicates calciques hydratées et souvent sursaturés en molybdate de calcium (CaMoO4). Le transport de solutés, principalement le chrome, a pu être simulé avec HYDRUS et montre des écarts importants en début de courbe entre les valeurs mesurées et simulées.

Mots clés : laitiers, acier, déchets sidérurgiques, zone non saturée, zone saturée, caractérisation, expérimentation, colonne, cycles d’infiltration/drainage