Intervenants: C. Dumat (ENSAT): Gestion des sites et sols pollués; Biotechnologies. C. Combes (A7): Techniques physico-chimiques. + colloque, films, visite… Sommaire : SolRem-2015 2-Typologies. 4-Analyses, Evaluations et gestion des risques. 3-Politique. 5-Remédiation. 1-Contexte. 6-Etudes de cas. 7-Conclusions et perspectives. ► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle: - Quizz et exercices. - Cours + dossier de documents complémentaires. 2014-2015 [email protected] [email protected] INPT-ENSAT Phytotechnologies appliquées aux sites et sols pollués 2 Vos connaissances ? Vos expériences ? 3 Plan du cours II) Applicabilité des phytotechnologies III) Phytostabilisation IV) Phytoextraction V) Phyto et rhizodégradation [email protected] INPT-ENSAT I) Notions générales VI) Conclusions et perspectives ► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle: - Quizz et exercices. - Cours + dossier de documents complémentaires. 4 Sources • Morel (2012). Phytoremédiation des sols contaminés. EDP Sciences, Chimie et Nature. • Bert (2012). Les phytotechnologies appliquées aux sites et sols pollués. EDP Sciences. • Foucault (2013). Réhabilitation écologique et gestion durable d’un site industriel urbain: cas d'une pollution historique en éléments inorganiques toxiques. Doctorat INPT. • Etc. [email protected] INPTENSAT • Dumat et Austruy (2014). Phytotechnologies pour la gestion des sols pollués. Techniques de l’ingénieur. 5 I-1) Contexte des Phytotechnologies • Importance du compartiment sol Couche supérieure de la croûte terrestre Constitué de particules minérales, organiques, eau, air, organismes vivants Compartiment complexe, abrite majeure partie de la biosphère • Qualité des sols : « Capacité d'un type de sol donné à fonctionner, au sein d'écosystèmes naturels ou aménagés, pour supporter une production végétale et animale, maintenir ou améliorer la qualité de l'eau et de l'air et assurer l'habitat et la santé humaine » (société américaine de science du sol, 1992) 4 composantes principales Fertilité Etat sanitaire Externalité Résilience • Sol ressource essentielle et non renouvelable Nécessité d'en assurer la protection afin de permettre un développement durable des sociétés 6 [email protected] INPT-ENSAT Techniques de dépollution 7 Techniques de dépollution Traitement hors-site (1 772 440 tonnes) Installation de stockage de déchets inertes (867 800 t) Installation de traitement biologique (434 000 t) Installation de stockage de déchets non dangereux (241 200 t) Installation de stockage de déchets dangereux (63 800 t) Installation de désorption thermique (62 600 t) Cimenterie (44 300 t) Installation de stabilisation physico-chimiques ( 33 300 t) Installation d’incinération (17 600 t) Installation de lavage de terres (7 800 t) Traitement sur site (653 900 tonnes) Traitement in-situ (846 400 tonnes) Ventilation forcée des sols (430 100 t) Traitement biologique (215 000 t) Oxydation chimique (115 700 t) Confinement in-situ (77 600 t) Stabilisation physico-chim in-situ (8 000 t) Lavage des terres in-situ (nd) Phytotechnologies (nd) Stabilisation physico-chimiques sur site (370 900 t) Traitement biologiques par biotertre sur site (197 600 t) Confinement sur site (69 000 t) Lavage des terres sur sites (12 000 t) Désorption thermique sur site (3 500 t) ADEME, 2012 8 Différents procédés de phytoremédiation et rôle des plantes (Morel, 2010) 9 Les plantes utilisées • La végétation présente sur les sites pollués est caractérisée par (Whiting et al., 2004) : • une spécialisation écologique • une fréquence de rareté • un risque d'extinction élevé • Conditions écologiques extrêmes Formation de phytocénose originale • Végétation composée : • D’espèce endémiques apparues par l’isolement écologique et/ou géographique • D’espèces locales provenant d’habitats voisins non pollués • La flore caractéristique des habitats pollués : • • • • • Une rareté et un faible recouvrement des phanérophytes Une surreprésentation des espèces à stratégie stress-tolérante Une sous-représentation des arbres Un recouvrement total souvent < 100 % Une faible productivité 10 Les espèces tolérantes aux métaux : les (pseudo)métallophytes Catégorie écologique A: non métallophytes B : pseudométallophytes (+NM ; –M) C : pseudométallophytes (-NM ; +M) D : métallophytes absolues Population non métallicole (NM) Population métallicole (M) Pollard et al., 2002 Les espèces (pseudo)métallophytes doivent être compétitives et tolérantes à la contamination et à des conditions agronomiques défavorables. Catégories des plantes présentes sur des contaminés par des ETM (Prasad et Hagemeyer, 1999) sols • Plante excluante • mécanisme d’exclusion racinaire des ETM • Plante indicatrice • [ETM]pl=k[ETM]sol • Plante accumulatrice • forte biomasse • enracinement important Augmente surface de contact sol et capacité de prélèvement • Plante hyperaccumulatrice La sélection d'espèces métallophytes est dépendante : • FT > 1 • [ETM]pl > 0,1% MS Type de polluant Conditions de culture (climatiques et édaphiques) Caractéristiques de l'espèce sélectionnée (vivaces ou pérenne, non invasive...) Nombre réduit d'espèces potentiellement utilisables à l'échelle industrielle. 12 Solutions technico-financières adaptées aux vastes sites ou alternatives douces lorsque la durée de traitement n’est pas une contrainte. Complément aux techniques conventionnelles dans le cas de pollution à grande échelle. [email protected] INPT-ENSAT Techniques émergentes in situ de gestion et dépollution des sols. Large variété de sols pollués: agricoles, friches industrielles, sédiments excavés… 13 Expériences soutenues en France par l’Ademe → retours d’expérience dans différents contextes → vision concrète des avantages et limites des différentes solutions testées. [email protected] INPT-ENSAT Souvent évoquées lors des opérations de réhabilitation de friches industrielles ou urbaines, mais plus rarement utilisées par manque de recul opérationnel. 14 Deux phénomènes socio-économiques se combinent pour rendre prioritaire la gestion des sites pollués : (1) Les évolutions structurelles du secteur industriel conduisent à l’arrêt de nombreuses exploitations et donc augmentation des friches industrielles. (2) Les pressions démographique et foncière en zones urbanisées incitent à reconvertir ces friches. [email protected] INPT-ENSAT Héritage de plusieurs décennies d’activités industrielles et préoccupations sociétales / sols pollués et impacts sanitaires. 15 La gestion des sites pollués, priorité du Grenelle de l’Environnement Depuis les années 90, politique de gestion qui s’est attachée à recenser et hiérarchiser les sites pollués en fonction de leur niveau de pollution. La gestion actuelle s ’appuie sur l’évaluation des risques en fonction de l’usage des sites → compatibilité de l’état des milieux avec les usages (constatés et futurs) et la nécessité de rétablir cette compatibilité pour maitriser les impacts sanitaires et environnementaux (après réhabilitation). [email protected] INPT-ENSAT La pollution des sols par les activités industrielles: question environnementale. 16 Achever l’inventaire des sites pollués «historiques » afin d’établir les priorités d ’action (présence de points d’eau, populations sensibles exposées…). Renforcer les moyens dévolus à l’état pour réhabiliter les stations services fermées et les sites pollués orphelins. Les techniques de dépollution par les plantes seront de préférence utilisées, car elles impactent positivement les fonctions et la structure du sol. [email protected] INPT-ENSAT Loi Grenelle II : 17 18 [email protected] INPT-ENSAT Acquérir des connaissances sur les mécanismes de tolérance et accumulation des plantes candidates en phytotechnologies pour connaitre, améliorer leurs capacités (à tolérer, immobiliser, extraire les polluants). Recherches: (i) Mécanismes au niveau physiologique, biochimique, moléculaires / adsorption et exclusion des polluants, leur transfert des racines vers les parties aériennes, stockage, détoxification… (ii) Niveau d’application atteint par la phytostabilisation, la phytoextraction et la phyto- et rhizodégradation via la synthèse des travaux de recherche menés en parcelles, pilotes et plein champ. [email protected] INPT-ENSAT I-2) Applications dans le monde 19 Des travaux de recherche appliquée de grande envergure (certains intégrés dans des projets d’aménagement) sont en cours de réalisation au niveau français. [email protected] INPT-ENSAT Mettre en œuvre et optimiser les itinéraires techniques (du semis à la récolte) et les filières de valorisation de la biomasse collectée dans une approche intégrée de de gestion durable des sols pollués. 20 En Europe (2010), ≈ 40 essais de phytostabilisation et ≈ 40 essais de phytoextraction, sur des sols agricoles, des friches industrielles, des sites miniers et des sédiments excavés pollués (Pb, Cd, Zn, Cu, Ni, As, Cr, Sb…) avec des surfaces variées: qques m2 à dizaines d’hectares. Nb de sites traités par des phytotechnologies ↑. [email protected] INPT-ENSAT Faible volume de terres traitées en 2010 par phytoremédiation en France (étude Ernst & Young: 0,3% des volumes de terres traitées en 2010): le marché est naissant. 21 En 2010 en Europe et aux US: une quinzaine de sites: sédiments, mangroves avec des plantes de milieux humides ou tolérant la salinité. Sols agricoles, diverses activités industrielles (production de voitures, d’explosifs) avec des arbres, herbacées sélectionnées ou colonisatrices. [email protected] INPT-ENSAT Moins de résultats issus de recherches appliquées sont disponibles pour la phytodégradation. 22 [email protected] INPT-ENSAT Essais de phytotechnologies en plein champ, France 23 [email protected] INPT-ENSAT Essais de phytotechnologies en plein champ, France 24 I-3) Enjeux des Phytotechnologies Selon les REX, technique en phase de démonstration à l’échelle du champ. Améliorer les connaissances : écologie, fonctionnalité des sols, biodiversité, écotoxicité… Les enjeux concernent les phases de suivi et surveillance pour garantir un niveau de maitrise des impacts équivalent / techniques conventionnelles. Viabilité économique: l’espace immobilisé peut bénéficier d’une valorisation économique via l’utilisation de la biomasse produite dans une filière non alimentaire ou d’une valorisation écologique en aménagement paysager. [email protected] INPT-ENSAT I-3-a) PHYTOSTABILISATION 25 I-3-b) PHYTOSTABILISATION Elle doit prouver son efficacité et présenter des avantages par rapport aux autres solutions disponibles. Aux US, la viabilité économique de la phytoextraction du Ni et sa récupération a été démontrée. En Europe: viabilité économique de filières potentielles Zn, Ni, Mn, Cu et fabrication de nouveaux éco-matériaux catalytiques et réactifs de synthèses organiques ou phytoextraction de Zn, Cd et valorisation de la biomasse en bois-énergie ou méthanisation. [email protected] INPT-ENSAT Progrès réalisés au niveau expérimental, mais l’application pratique démarre à peine. 26 I-3-c) PHYTOSTABILISATION Les potentiels d’utilisation des plantes et microorganismes associés dans la dégradation des polluants organiques sont nombreux, mais aussi limités par les caractéristiques physico-chimiques des polluants qui conditionnent leur persistance et leur biodisponibilité dans l’environnement. L’application de la phyto-dégradation passe par la démonstration de l’efficacité in situ et l’acquisition de connaissances sur les interactions complexes entre les polluants, le sol, les microorganismes et les plantes. [email protected] INPTENSAT Application pratique à ces débuts. 27 Plan du cours II) Applicabilité des phytotechnologies III) Phytostabilisation IV) Phytoextraction V) Phyto et rhizodégradation [email protected] INPT-ENSAT I) Notions générales VI) Conclusions et perspectives ► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle: - Quizz et exercices. - Cours + dossier de documents complémentaires. 28 II-1) Compétences nécessaires L’équipe projet doit démontrer sa compétence dans le domaine des phytotechnologies, elle se composera de personnes aux compétences: phytotechnologies; gestion des sites et sols pollués. Ces personnes seront à même de déterminer les besoins supplémentaires (hydrologie, biologie végétale, toxicologie, aménagement paysager, écologie, agronomie...) spècifiques à chaque site ; un bureau d’études spécialisé ou des spécialistes des domaines pourront être consultés. [email protected] INPT-ENSAT Dans le cahier des charges d’un projet d’aménagement, l’utilisation des phytotechnologies pour gérer tout ou partie des sols pollués du projet peut être mentionnée. 29 Le chef de projet veillera à informer ces personnels non habitués à travailler sur des sols pollués aux pratiques des professionnels des sols pollués (ex. : vêtements à usage unique ou dédiés au chantier, port de gants et de masque anti- poussière). Plus d’informations : projet PHYTOPERF 2012. [email protected] INPT-ENSAT L’équipe de travaux pourra être composée de professionnels des espaces verts et de la foresterie et de professionnels agricoles. 30 La caractérisation du site est indispensable pour valider l’applicabilité des phytotechnologies sur le site et présélectionner la (ou les) phytotechnologie appropriée à partir de la connaissance de paramètres simples du site, usages actuels et choisis, le(s) polluant(s) et le sol et identifier les paramètres susceptibles de limiter la faisabilité et les performances des techniques. Après avoir rassemblé les informations sur l’historique du site, il convient de le caractériser: topographie, géologie, hydrogéologie, patrimoine (inventaire faune/flore, intérêt écologique du terrain). Le diagnostic pollution se fait sur la base d’un échantillonnage de sol à différentes profondeurs et selon le référentiel réglementaire. [email protected] INPT-ENSAT II-2) Caractérisation du site et paramètres clefs 32 Le diagnostic pollution pourra être complété par d’autres analyses pour évaluer les limitations que pourraient rencontrer les phytotechnologies: texture, pH, matière organique, carbonates, N total et assimilable, calcul du rapport C/N, P assimilable, mesure de la teneur en eau du sol, CEC. Des éléments climatiques tels que le taux de précipitation annuel sur le site, la répartition annuelle des précipitations et les températures sont aussi des éléments à considérer. La connaissance de ces paramètres doit servir à orienter le choix des espèces, les travaux du sol (décompactage, etc.) et les pratiques agronomiques éventuelles à mettre en place (fertilisation, irrigation, etc.). Pour en savoir plus : Guide traitabilité, ADEME (2009) ; ITRC phytotechnology technical and regulatory guidance and decision free, http ://itrcweb.org/Documents/PHYTO-3.pdf [email protected] INPT-ENSAT En fonction des activités historiques sur le site, les polluants recherchés sont inorganiques (éléments traces, cyanures, sulfates, etc.) ou organiques (HAP, PCB, pesticides, halogénochlorés, etc.). 33 Plusieurs variantes de protocole sont à envisager en fonction de l’état initial du sol (nu ou déjà végétalisé), de l’incorporation ou non d’amendements et de l’usage prévu de la biomasse produite. Cependant toutes les techniques de phytoremédiation possèdent les mêmes principales étapes (cf. schéma). Lors de la définition du protocole de mise en place et d’entretien, les aspects réglementaires pour les étapes de mise en œuvre et de récolte et valorisation de la biomasse seront à considérer. L’entretien dépend: (i) des espèces plantées (arbre, arbuste, herbacée); (ii) de l’objectif (valorisation de la biomasse, restauration de la biodiversité. ..). Dans le cas des plantations de saules et de peupliers, des désherbages réguliers sont à envisager pour maitriser la concurrence herbacée. [email protected] INPT-ENSAT II-3) Protocole de mise en place et d’entretien 34 Principales étapes de la mise en œuvre d’une phytotechnologie 35 II-4) Avantages et limites des phytotechnologies la possibilité d’une valorisation foncière (ex. : aménagement paysager pérenne et de la gestion in situ des terres par rapport aux techniques nécessitant excavation et transport. De plus, l’apport d’une couverture végétale ↓ l’érosion, l’envol de poussières, le lessivage des polluants et leur transfert vers la nappe phréatique; maintient ou restauration µflore/faune adaptée garante de la fonctionnalité des sols. [email protected] INPT-ENSAT Les principaux avantages de ces techniques sont leur adéquation avec les principes du développement durable (ex. : le site est faiblement perturbé, utilisation à bon escient des ressources de la nature) → écho favorable de l’opinion publique ; 36 Les plantes n’ont accès qu’à une partie de la fraction totale d’éléments traces. Les mécanismes de rechargement de cette fraction et d’absorption par les plantes sont encore largement méconnus → la phytoextraction est une technique de dépollution partielle et cette limitation impacte le temps nécessaire pour diminuer la contamination. La phytostabilisation peut se révéler efficace dans un délai court, mais sa mise en place est réalisée pour une durée permettant de justifier l’investissement: aménagement paysager pérenne, gestion de la pollution en attendant de décider de l’usage futur, gestion de la pollution couplée à l’exploitation de la biomasse… [email protected] INPT-ENSAT On peut citer quelques limites: les plantes n’ont accès qu’aux polluants qui se trouvent dans le sol colonisé par leurs racines (de 30 cm à 1,5 m de profondeur selon l’espèce végétale). 37 Cette hypothèse est testée en Europe. L’objectif des phytotechnologies n’est plus seulement de dépolluer ou maitriser les risques mais aussi d’apporter une plus-value au site en générant une activité rentable: culture énergétique, hydrométallurgie, synthèse écocatalysée de principes actifs. Cas spécifique de la multicontamination (polluants inorganiques et organiques: HAP, PCB, solvants chlorés, dioxines, etc.). Les plantes et les microorganismes rhizosphériques ou endophytiques associés peuvent simultanément dégrader tout ou partie des polluants organiques présents dans le sol. [email protected] INPT-ENSAT La durée, qui peut apparaitre comme une contrainte, pourrait être compensée par la valorisation du foncier via la valorisation économique de la biomasse produite sur le site pollué ou la valorisation écologique (aménagement paysager, restauration des services écosystémiques). 38 II-5) Evaluation de la performance Concentrations en polluants dans les parties aériennes pour confirmer le choix des espèces végétales et surveiller les concentrations pour les espèces qui ont colonisé le milieu (en mg de polluant / kg de poids sec de plante). Mobilité des polluants: les polluants sont mesurés dans la solution du sol par rhizons ou extractions chimiques. Rendement en biomasse lorsque l’exploitation de la culture est envisagée (en t/ha). Indicateurs physico-chimiques et agronomiques: pH, taux de matières organiques, CEC…pour apprécier l’amélioration des propriétés du sol. [email protected] INPT-ENSAT % de recouvrement au sol des espèces végétales (critère en lien avec les objectifs de limitation d’érosion, envol des poussières, lessivage), méthode de calcul visuelle. 39 Identification et quantification des µorganismes inoculés pour vérifier l’efficacité des amendements biologiques. Transferts dans les chaines trophiques terrestres; la biodisponibilité ainsi que l’efficacité de remédiation peuvent être évaluées par des méthodes utilisant des bioindicateurs tels que l’escargot vivant à l’interface sol/ plante/ air (méthode ERITME). [email protected] INPT-ENSAT Indicateurs de biodiversité µflore, flore, faune (richesse spécifique, indice de Shannon…) si l’augmentation/restauration biodiversité visée. 40 Exemples • Indice PhytoMet intègre les anomalies concernant les concentrations foliaires As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn et tient compte de l’écotoxicité potentielle de chacun de ces éléments. • Méthode ERITME qui permet d’évaluer le risque global de transfert de métaux du sol vers un organisme indicateur (escargot) avant et après réhabilitation du site. Pour en savoir plus : Outils biologiques d’évaluation des risques pour les écosystèmes (éRé). [email protected] INPTENSAT • RHIZOtest développé pour déterminer la phytodisponibilité des ETM. Essais inter-laboratoires → normalisation. 41 II-6) Arbre de décision Dans le cadre du plan de gestion du site pollué considéré, cet arbre de décision intervient à l’étape du choix de la ou des techniques à mettre en œuvre pour assurer la maitrise ou le traitement des polluants en place, les étapes d’identification de l’usage futur du site, de diagnostic de pollution du sol et d’évaluation des risques sanitaires étant réalisées en amont. L’arbre de décision proposé ici vise à identifier parmi les phytotechnologies disponibles, celle qui serait la plus pertinente au regard des objectifs de gestion fixés pour le site (maitrise ou réduction de(s) source(s) de pollution) et de la nature des polluants présents sur la zone concernée. [email protected] INPT-ENSAT La caractérisation du site a permis de déterminer si les phytotechnologies pouvaient s’appliquer. Les limitations induites par l’utilisation des plantes sont donc connues et acceptées. 42 [email protected] INPT-ENSAT Arbre de décision 43 Cet arbre de décision ne compare pas les phytotechnologies aux techniques couramment utilisées en gestion des sites pollués. Des outils d’aide à la décision sont en cours à l’échelle européenne (ex : projets REJUVENATE et GREENLAND). http://www.greenland-project.eu/ [email protected] INPT-ENSAT L’utilisation d’une technologie n’est pas exclusive sur un site. Il peut s’avérer pertinent de gérer de manière différenciée des zones du site. 44 Circulaire du 8 février 2007 relative aux ICPE Prévention de la pollution des sols — Gestion des sols pollués, précise l’activité industrielle autorisée notamment via : (i) la prévention de la pollution ; (ii) la maîtrise des sources de pollution; (iii) la maîtrise des risques induits par une situation de pollution au regard des usages constatés ou des futurs usages du site dans le cas d’une reconversion. Principes de gestion mis en œuvre en particulier lors de la cessation d’activité des ICPE. Modalités de gestion et de réaménagement des sites pollués → principes de gestion et méthodologie. [email protected] INPT-ENSAT II-7) Aspects règlementaires ► Gestion des sites pollués 45 http://w3.sites-pollues.ecologie.gouv.fr http://www.developpement-durable.gouv.fr/ Législation/Cadre juridique • Mise en place d’une politique de gestion et de protection du sol Identifier, quantifier et limiter les perturbations et modifications du sol Revaloriser et requalifier les sites pollués • Cadre juridique européen, adopté en 2007 par le Parlement Européen • Directive cadre sur les sols (COM(2006)232) • Stratégie thématique sur les sols (COM(2006)231) Enonce les principes communs de protection des sols dans l’UE • Cadre juridique français dans la gestion des sites et sols pollués • Principe du pollueur payeur adopté en France par l'article 110-1, II, 3° en 2010 (1ère adoption en 2000) • Evolue vers une politique de gestion des risques au cas par cas avec • • Evaluation simplifié des risques (ESR) définissant des seuils de pollution (VCI et VDSS pour ETM) En 2008, évolution vers une démarche d’Interprétation de l’Etat des Milieux (IEM) prends en compte voie d’exposition et les milieux • Installations Classées pour la Protection de l'Environnement (ICPE) par le code de l'environnement, article L 511-1, alinéa 1er (dernière modification en 2011) • Existence d’un portail « Sites et sols pollués » gérer par l’ADEME, l’INERIS, le BRGM et l’IRSN • Loi Grenelle 2 portant « engagement national pour l’environnement » fait référence à la maitrise des risques et à la prise en charge des déchets 46 Veiller à ce qu’il ne soit pas source de pollution (environnement et personnes); dresser un schéma conceptuel, conduire un diagnostic et des investigations pour caractériser les milieux (sol, eaux. . .), rechercher les sources de pollution et interpréter l’état des milieux (IEM): s’assurer que l’état des milieux étudiés ne présente pas un écart significatif par rapport à la gestion sanitaire en place pour l’ensemble de la population française. Pour des installations en fonctionnement, parfois nécessaire de réaliser un contrôle ponctuel ou une surveillance de l’environnement (étude d’impact). Les résultats obtenus sont ensuite comparés: (i) à l’état de milieux naturels voisins de la zone d’investigation ou à l’état initial si disponible; (ii) aux valeurs de gestion réglementaires mises en place par les pouvoirs publics; (iii) aux valeurs de gestion et aux dispositions réglementaires en vigueur. S’il apparait que le milieu est dégradé, une évaluation quantitative des risques sanitaires est réalisée. A l’issue de l’lEM, dans le cas où certains milieux présentent des niveaux de contamination conduisant à une incompatibilité d’usage, alors un plan de gestion doit être mis en place. [email protected] INPT-ENSAT A) Site sans projet d’aménagement 47 B) Site qui fait l’objet d’un projet d'aménagement futur avec nouvel usage Des travaux de dépollution, des aménagements spécifiques peuvent être engagés pour s’assurer que le site, une fois réhabilité, sera sain pour les futurs usagers. Cette démarche s’inscrit dans un plan de gestion basé sur la maitrise des sources de pollution et de leurs impacts. Il est mis en place dans deux cas: (i) arrêt d’une ICPE et lorsqu’une requalification d’usage est envisagée; (ii) si les résultats d’une IEM concluent à une mise en œuvre de mesures de gestion. Nécessité de produire un bilan coûts/avantages. Si une pollution résiduelle subsiste à l’issue des travaux ou aménagements → analyse des risques résiduels menée pour valider la compatibilité de cette pollution résiduelle avec les nouveaux usages. [email protected] INPT-ENSAT L’objectif est de caractériser l’état des milieux en recherchant les contaminations à prendre en compte dans le projet de réhabilitation. 48 La mise en place d’une technique de phytoremédiation sur un sol pollué peut nécessiter des travaux préalables de défrichement ou de déboisement → examen par la Division Protection de la Nature, Paysages et Biodiversité de la DREAL du respect de la réglementation en matière de protection de la nature. Les textes stipulent la nécessité de faire une expertise écologique qui caractérise l’état initial des milieux concernés par le projet. Si cette expertise met en évidence la présence d’espèces protégées, le demandeur du projet a 3 choix: (i) renoncer au projet; (ii) le modifier pour supprimer les impacts directs et indirects sur les espèces protégées, leurs conditions de vie et habitats; (iii) maintenir son projet en réduisant les impacts sur les espèces protégées et leur habitat → conception d’un dossier relatif à une autorisation exceptionnelle portant sur des espèces protégées. [email protected] INPT-ENSAT II-7) Aspects règlementaires ► Travaux de préparation du terrain 49 Les amendements sont utilisés pour assurer ou améliorer la nutrition des végétaux ainsi que les propriétés des sols et non pas pour stabiliser ou extraire les éléments traces ou dégrader les polluants organiques. Réglementation et normalisation (norme européenne engrais, homologation, autorisation provisoire de vente ou importation du Ministère Agriculture et Pêche) encadrant leur utilisation peuvent constituer une contrainte sur le choix du type et quantité max. d’amendement à épandre pour obtenir l’effet souhaité sur les polluants. [email protected] INPT-ENSAT II-7) Aspects règlementaires ► Amendements 50 Le statut de la biomasse produite sur sol pollué (biomasse ou déchet ?) constitue une question essentielle pour décider de son mode de valorisation, et donc du coût ou du bénéfice qui pourra en découler. Cette question n’est pas encore tranchée au plan réglementaire (http://www.greenland-project.eu/) La biomasse produite sur un site phytostabilisé contient peu de polluants: les plantes excluent les polluants ou présentent un transfert limité dans leurs parties aériennes. Il est donc envisageable que cette biomasse soit récoltée et valorisée comme une biomasse dite « naturelle », dans le cadre, par ex. de la filière bois-énergie ou d’une filière industrielle non alimentaire. [email protected] INPT-ENSAT II-7) Aspects règlementaires ► Gestion de la biomasse produite sur sols pollués 51 Plan du cours II) Applicabilité des phytotechnologies III) Phytostabilisation IV) Phytoextraction V) Phyto et rhizodégradation [email protected] INPT-ENSAT I) Notions générales VI) Conclusions et perspectives ► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle: - Quizz et exercices. - Cours + dossier de documents complémentaires. 52 PHYTO-STABILISATION: III-1) Descriptif technique ● Technique in situ de gestion : immobilisation, stabilisation mécanique et (bio)chimique des polluants inorganiques, et non dépollution (cependant les risques sont réduits). Transfert inexistant ou réduit vers les parties aériennes. Peupliers Les parties aériennes sont pas ou peu contaminées → susceptibles d’être consommées ou valorisées. [email protected] ● Combinaison possible (plantes + amendements) : phytostabilisation aidée ou assistée. (Dumat, 2014) Les polluants sont immobilisés dans les racines et/ou la rhizosphère. ↓ transferts horizontaux et verticaux (lessivage) des polluants et de leur biodisponibilité. Les polluants sont concentrés dans les racines et/ou rhizosphère. 53 54 [email protected] Choix des espèces végétales • Utilisation de plantes vivaces tolérantes aux ETM et non accumulatrices présentant • Un système racinaire dense et profond • Une tolérance aux polluants présents • Une faible translocation des polluants vers les parties aériennes • Une croissance rapide • Un fort taux de reproduction • Des avantages commerciaux/économiques pour rentabiliser le site contaminé Privilégier des espèces locales adaptées aux conditions climatiques du site 55 • Possibilité de valoriser la biomasse aérienne Exemple de dépollution par phytostabilisation Miscanthus - Projet Phytener Metaleurope, en cours Peuplier - ANR Phytopop, en cours Phytostabilisation sur un site d’enfouissement de déchets – Québec, 2011 Chanvre industriel – Phytostabilisation d’un site industriel en Haute Loire, 2010 Composition plante prairial – Projet de phytostabilisation INERIS, 2009 56 III-2) Préconisations Les plantes doivent être de préférence : - espèces locales, adaptées aux conditions climatiques du site, rustiques et ubiquistes, sauf si le site a des conditions particulières (basique, salinité) ; - vivaces pour que le sol soit recouvert quelque soit la saison. De plus, il est préférable que leur système racinaire soit dense et profond pour augmenter le contact avec les particules de sol et les polluants. Plantes herbacées, arbustes ou arbres (on met alors en place une couverture herbacée en plus). Les espèces invasives sont à proscrire. Le choix des espèces se base sur le futur usage du site (aménagement paysager, culture de plantes non alimentaire) puis sur le type de valorisation retenue. [email protected] INPT-ENSAT Les espèces végétales utilisées en phytostabilisation doivent posséder 2 caractéristiques: (i) peu ou pas de transfert vers les parties aériennes; (ii) résistance aux polluants présents (nature et concentration). C’est le cas des plantes de la famille des poacées. 57 Association des filières de valorisation et des espèces de plantes utilisées pour la phyto-stabilisation [email protected] Miscanthus 58 [email protected] INPT-ENSAT Association des polluants avec des amendements (préconisés ou à éviter) 59 [email protected] INPT-ENSAT Exemples de coûts de mise en œuvre de phyto-stabilisation (sur une surface de un hectare) 60 Description des trois exemples de situation de phyto-stabilisation (état initial / état final) Protocole de mise en œuvre d’une phyto-stabilisation assistée ou non 61 • La réussite de la phytostabilisation dépendra des choix des espèces végétales et amendements, potentialités du sol (qualité du sol ; réserves en eau et O2), conditions climatiques, attaques des ravageurs... Il est recommandé de faire réaliser les travaux par des professionnels (agriculture, agro-foresterie, espaces verts). Puis protection éventuelle des cultures (gibiers, etc.), entretien de la culture, récolte, transport, valorisation éventuelle de biomasse; surveillance à réaliser pour vérifier l’efficacité de la phytostabilisation. • Les itinéraires techniques envisagés correspondent aux itinéraires existants pour les cultures fourragères, grandes cultures, taillis à courte (ou très) rotation (TCR; TTCR). Les engins et matériels utilisés sont identiques à ceux des espaces verts, l’agriculture et la foresterie. • Durée effective des travaux de mise en place de la phytostabilisation aidée sur un hectare: 1-3 semaines. La mise en place de la phytostabilisation sur le site se calera sur les optimums de semis ou de plantations des boutures: (i) graminées, les semis en septembre-octobre; (ii) boutures de saules ou rhizomes de miscanthus en mars-avril. [email protected] INPT-ENSAT Faisabilité technique et financière 62 • Mesure du couvert végétal qui doit être de l’ordre de 100 %; transferts des polluants (ex. : plantes, sol, nappe) qui doivent être réduits a une valeur minimale. Eventuellement, rendement en biomasse. La performance dépend, tout comme l’entretien, des objectifs de valorisation (économique ou écologique). • La phytostabilisation étant une solution de gestion sur le long terme des sites et sols pollués → évaluation régulière de l’efficacité des plantes et des éventuels amendements. • Pour évaluer les effets positifs de la phytostabilisation, des indicateurs biologiques sont utilisés (plantes, vers de terre). Suivis: (i) qualité du couvert végétal (nombre d’espèces, occurrence, recouvrement du sol); (ii) teneur en N, P…; (iii) transfert résiduel des polluants (ex. : plantes, sol) ; (iv) apports éventuels des polluants à la nappe et aux eaux de ruissellement. Suivi de l’écosystème via l’étude de la biodiversité et de la fonctionnalité du sol. [email protected] INPT-ENSAT Performance - Analyse des risques et surveillance 63 III-3) Applications • Chaux, calcaire, compost, grenaille d’acier, zéolites, cendres volantes, boues rouges, oxydes de Fer, fer zéro-valent, grenaille de fer, boues de papeteries, déchets de l’industrie betteravière et vinicole, charbon, bio-solides, dolomite, amendement sidérurgique, tourbe, apatites, etc.). • Poacées (agrostide, pâturin, fétuque, ray-grass, canche, blé, orge, maîs, etc.) seules ou en mélange avec d’autres espèces herbacées, arbustives ou arborées (cytise, luzerne, lotier, bouleau, aulne, saule, peuplier, pin, etc.). Des légumes racines ou feuilles ont également été testés. • Les REX → possible de sélectionner un couple plante-amendement efficace pour une situation donnée: phytostabilisation assistée opérationnelle. [email protected] INPT-ENSAT • En Europe, trois-quarts des projets ont permis de tester des amendements en combinaison avec des plantes (phytostabilisation aidée). 64 Ex1: Phytostabilisation aidée sur le site de Salsigne Nature de l’activité et pollution: Flottation, pyrométallurgie et cyanuration. As Société : S.M.P.C.S. puis S.E.P.S. Usage envisagé du site : retour en espace naturel. 66 [email protected] INPTENSAT 67 [email protected] INPTENSAT [email protected] INPTENSAT Ex2 : Phytostabilisation aidée sur le site de Fresne sur Escault 68 69 [email protected] INPTENSAT 70 [email protected] INPTENSAT Plan du cours II) Applicabilité des phytotechnologies III) Phytostabilisation IV) Phytoextraction V) Phyto et rhizodégradation [email protected] INPT-ENSAT I) Notions générales VI) Conclusions et perspectives ► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle: - Quizz et exercices. - Cours + dossier de documents complémentaires. 71 PHYTOEXTRACTION IV-1) Descriptif technique Utilisation in situ de plantes qui accumulent les polluants inorganiques dans leurs parties aériennes récoltables → réduction des concentrations de polluant dans les sols: dépollution assistée ou non. Translocation des polluants vers les parties aériennes suite à l’absorption racinaire. Polluants absorbés par les racines. (Dumat, 2014) Les parties aériennes sont contaminées . Voir même hyperaccumulation → Récolter et traiter. ↓ quantités de polluants dans le milieu. - Mais ↑ possible de la biodisponibilité. 73 [email protected] Choix des espèces végétales: transfert significatif de polluants vers les parties aériennes; croissance rapide et production de biomasse élevée; résistance aux polluants (nature et concentration); facilement récoltables. Plantes herbacées, arbustes , arbres. Les espèces invasives sont à proscrire. • Hyper-accumulatrices stockent dans leurs parties aériennes des concentrations de polluants dix fois plus élevées que celles habituellement rencontrées. Peu fréquentes dans le règne végétal, en général un seul élément est hyper-acc : sélectionner plusieurs espèces aux capacités de stockage complémentaires. A l’exception de quelques espèces, les hyperaccumulateurs sont des plantes à croissance lente et à plus faible biomasse que les non hyperaccumulatrices. [email protected] INPT-ENSAT IV-2) Préconisations 74 • Plantes à cycle court ou pérenne → plusieurs récoltes des parties aériennes enrichies en polluants dans l’année; espèces locales, adaptées aux conditions climatiques du site ; non appétantes, pour ne pas être mangées par les animaux herbivores: empêcher le transfert des polluants clans la chaine alimentaire. [email protected] INPT-ENSAT • Accumulatrices à forte biomasse: herbacées à croissance rapide utilisées en grande culture ou arbres à croissance rapide dont le système racinaire est profond. Ces espèces ne stockent généralement pas plus de 2 polluants dans leurs parties récoltables. Les arbres, en particulier, présentent une forte variabilité dans leur capacité de stockage des éléments traces. 75 [email protected] INPT-ENSAT Association des polluants avec des plantes pour la phytoextraction et leurs valorisations potentielles. 76 Amendements chimiques ou biologiques • Plantes non hyperaccumulatrices à forte production de biomasse: maïs, colza; possible d’extraire des métaux peu mobiles (Pb, U). Variation selon l’espèce. Les mécanismes responsables de cette augmentation ne sont pas élucidés. • Substances chimiques: agents chélatants, acides organiques: citrique ou oxalique…), engrais acidifiant les sols (ex. sulfate d’ammonium). acide éthylene diamine tétra-acétique (EDTA); éthylene-diamine-di-succinate (EDDS / solubilisation de Cu, Zn), acides diéthylene triamine pentaacétique (DTPA) et nitrilotri-acétique (NTA). • Pour compenser les carences dans les sols agricoles, des complexes EDTA-métaux ajoutés dans les fertilisants (Fe-EDTA par ex.). L’ensemble des produits est utilisé en arboriculture, maraichage, horticulture, viticulture, pépinières et grandes cultures. Certains des produits (ex. acides organiques) entrent dans la composition de produits phytosanitaires ou biocides appliqués sur le sol, les feuilles et par incorporation dans les substrats. [email protected] INPT-ENSAT • ↑ rendement de phytoextraction: ↑ mobilité des polluants dans le sol, absorption racinaire puis translocation. Augmentation de la biomasse des plantes. 77 • Bactéries et champignons mycorhiziens (bio-augmentation). Certains µorganismes produisent des bio-surfactants, des sidérophores ou des acides organiques qui augmentent la mobilité des polluants dans le sol. D’autres µorganismes agissent sur la biomasse des plantes en produisant des phytohormones qui vont faciliter leur croissance ou des antibiotiques qui vont inhiber les agents pathogènes. • Bactéries rhizosphériques induisant la croissance des plantes (Plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR) ou bactéries endophytiques et champignons mycorhiziens. • Etudes de laboratoire: un inoculum de µorganismes (culture pure ou coculture) est injecté dans le sol proche des racines de la plante test ou dans lesquelles l’inoculation est réalisée par trempage ou par injection directe des µorganismes dans les racines ou dans les graines. Les résultats de ces études sont contrastés. Ex. inoculation d'une espèce de saule avec champignon a augmenté la biomasse du saule (racines et parties aériennes) et la quantité de Cd et Zn stockée dans sa biomasse aérienne, par rapport au contrôle non inoculé. [email protected] INPT-ENSAT Amendements biologiques 78 Etude de faisabilité technique et financière • La réalisation d’un diagnostic de la pollution sur une profondeur d’environ 50 cm (zone moyenne accessible par les racines des plantes) ainsi qu’une caractérisation agronomique du sol permettra la sélection des plantes appropriées en fonction de la nature des polluants présents et en adéquation avec la typologie du sol. • De ce diagnostic découlera la nécessité d’utiliser ou non un amendement pour augmenter la mobilité des polluants dans le sol ou le rendement en biomasse des plantes. • Les facteurs environnementaux comme les conditions climatiques, les attaques de ravageurs, les maladies, etc. peuvent diminuer le rendement attendu en biomasse des plantes. [email protected] INPT-ENSAT • La réussite de la phytoextraction dépendra du choix des espèces, mais surtout des propriétés du sol (fertilité du sol, pH, CEC, réserves en eau, O2) qui affectent la mobilité des polluants. 79 • Pour réussir l’établissement et le maintien des cultures et obtenir le rendement attendu, il est recommandé de faire réaliser les travaux par des professionnels (agriculture, agroforesterie, espaces verts). • Des modèles permettent d’estimer la durée nécessaire (en années) pour diminuer la concentration totale de polluant dans un sol. • Le coût dépend des conditions initiales du site qui vont conditionner les travaux a réaliser, du diagnostic initial du site en termes de pollution, de la surface du site, de l’incorporation ou non d’amendement, du type et de la quantité d’amendement à incorporer et du type de végétation à implanter. A cela, il faudra ajouter l’entretien de la culture, le coût de la récolte et son transport éventuel et les éventuels coûts ou bénéfices liés à la valorisation de la biomasse ou des polluants contenus dans la biomasse. [email protected] INPT-ENSAT Etude de faisabilité technique et financière 80 Analyse des risques et surveillance • Plusieurs paramètres sont à suivre: (i) qualité du couvert végétal mis en place pour vérifier le rendement en biomasse et phytoextraction attendu; (ii) éléments nutritifs (Ca, Mg…) dans les parties aériennes car les amendements chimiques peuvent entrainer des carences en éléments nutritifs; (iii) (Transfert de produits (polluants ou chélatants) vers les eaux; (iv) Concentrations des polluants dans les parties aériennes des plantes. [email protected] INPT-ENSAT • Pour évaluer les propriétés écotoxicologiques des sols, on peut citer les bioessais normalisés utilisant des plantes ou des vers de terre. Dans le cas ou il n’y a pas de désherbage prévu, des espèces végétales autres que celle(s) sélectionnée(s) sont susceptibles de s’établir sur le sol pollué: mesurer les concentrations en polluants (Cd, Zn) dans les parties aériennes des plantes les plus abondantes en fonction aussi de leur appétence pour les animaux herbivores. 81 • La plante idéale pour la phyto-extraction doit être tolérante aux concentrations d’éléments traces accumulés, accumuler les polluants dans les parties aériennes, avoir une croissance rapide, une biomasse importante et être facilement récoltable. • Un protocole de phytoextraction possible est : culture des espèces de plantes appropriées sur le site pollué, fauchage de la biomasse récoltable enrichie en polluants et valorisation ou élimination de la biomasse récoltée. • Plantes hyper-accumulatrices: Noccea, T. caerulescens, Arabidopsis, Alyssum murale, différents genres et cultivars de saules et peupliers, des herbacées à forte biomasse du type tabac, tournesol, maïs, colza, sorgho, moutarde indienne, Pelargonium, etc. • Quelques essais encourageants pour modifier génétiquement des plantes (tournesol, tabac) et les rendre plus efficaces en phytoextraction. Production de mutants non génétiquement modifiés obtenus par mutagénese et sélection in vitro. [email protected] INPT-ENSAT IV-3) Applications 82 Exemple de coûts pour la mise en œuvre d’une phytoextraction (sur une surface d’un hectare) 83 Protocole de mise en œuvre d’une phyto-extraction (assistée ou non) 84 Evaluation de la performance • La quantité de polluants extraite par la plante par unité de surface et de temps est mesurée pour évaluer la performance. • La plante performante pour extraire les polluants du sol a un système racinaire dense et profond, un facteur de bioconcentration > 1, un facteur de translocation > 1 et un rendement en biomasse comparable a celui obtenu sur sol non pollué. • La phytoextraction étant une solution de dépollution sur le long terme, l’évaluation de l’efficacité doit être régulière. [email protected] INPTENSAT • Calcul des facteurs de bioconcentration (calculé à partir de la fraction totale ou échangeable dans le sol) et de translocation. 85 Ex3 : Phytoextraction sur le site de Avinières Usage envisagé du site: nouvelle filière verte. Société Recylex (ex-Metaleurop): recyclage Zn, Pb et plastique. 87 [email protected] INPTENSAT 88 [email protected] INPTENSAT Plan du cours II) Applicabilité des phytotechnologies III) Phytostabilisation IV) Phytoextraction V) Phyto et rhizodégradation [email protected] INPT-ENSAT I) Notions générales VI) Conclusions et perspectives ► Compléments en ligne sur le site de l’INPT et moodle: - Quizz et exercices. - Cours + dossier de documents complémentaires. 89 PHYTO et RHIZOdégradation PHYTO et RHIZOdégradation ► assistée ou non PHYTOdégradation dégradation ou transformation des polluants organiques par la plante. Translocation éventuelle des polluants vers les parties aériennes suite à l’absorption racinaire. RHIZOdégradation dégradation ou transformation des polluants organiques par des µorganismes (Dumat, 2014) [email protected] INPT-ENSAT Récolte de la biomasse éventuellement enrichie en polluants. V-1) Descriptif technique 90 91 [email protected] Deux modes: (i) Rhizodégradation des polluants organiques grâce à la stimulation de l’activité des µorganismes de la rhizosphère: la plante fournit la source de C nécessaire à la croissance de la µflore rhizosphérique (bactéries, champignons saprotrophes) via son exsudation racinaire et permet l’aération du sol. (ii) Phytodégradation des polluants organiques dans la plante elle-même, à travers son activité métabolique, au niveau des parties aériennes et/ou racinaires (ce qui suppose alors l’absorption du polluant au préalable), ou en dehors de la plante via la production d’enzymes extraracinaires (exsudats). [email protected] INPT-ENSAT Technique in situ utilisant des plantes et µorganismes pour dégrader des polluants organiques en constituants élémentaires (minéralisation). Enzymes impliquées dans la biodégradation: deshalogénases, oxygénases, laccases, peroxydases, nitrilases, nitroréductases. 92 Les paramètres influant la biodégradation des polluants organiques sont la fertilité du sol : structure, teneur en matières organiques, rapport C/N, pH, biodisponibilité des polluants. Les plantes agissent sur les polluants organiques en les absorbant et les dégradant ou pour les polluants organiques faiblement absorbés en favorisant la croissance et l’activité des µorganismes (bactéries et champignons saprotrophes) qui les dégradent. Les champignons mycorhiziens peuvent aussi favoriser la rhizodégradation en favorisant survie et croissance des plantes. [email protected] INPT-ENSAT Traiter de larges surfaces de sols faiblement contaminés (phytotoxicité des polluants). Horizons de surface colonisés par les racines. Elle peut aussi être utilisée sur site sur des terres excavées, en complément d’autres techniques de remédiation ou dans une phase finale de re-végétalisation. 93 V-2) Préconisations 96 V-3) Applications Ex4: Rhizodégradation (atténuation naturelle assistée) sur le site de Homecourt (usage envisagé: plate forme expérimental) 98 [email protected] INPTENSAT 99 [email protected] INPTENSAT VI) Conclusions et Perspectives • Avantages des phytotechnologies • • • • • • Faibles couts : 10 à 100 fois moins couteuse que les procédé classique Un traitement d’une gamme diversifiée de polluants (ETM, HAP, solvants produits phyto) Intérêt paysager Technique passive aucun apport énergétique Maintien de la structure du sol En adéquation avec la politique de développement durable et les engagements du Grenelle de l’Environnement • Inconvénients • • • • • Durée de traitement (plus de 5 ans) Spécificité des techniques vis-à-vis polluants / milieux / climat Profondeur d’enracinement technique adapté pour le traitement de l’horizon supérieur Importance de la fluctuation saisonnière Risque de transfert sur la chaîne alimentaire. Re-fonctionnalisation des sols moyennement pollués, zones urbaines… 100 Pour aller plus loin • ADEME :Agence De l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie • ANSES : Agence Nationale de Sécurité Sanitaire Alimentation, Environnement, Travail • APPA : Association pour la Prévention de la Pollution Atmosphérique • INERIS : Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques • InVS : Institut de Veille Sanitaire • IRSN : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire • BRGM • Etc… 101