MOBILITÉ ET SPÉCIATION DU CHROME DANS UN SYSTÈME À PHRAGMITES AUSTRALIS DE TRAITEMENT DES EAUX USÉES DE TANNERIES Chromium mobility and speciation in a Phragmites australis system used for tannery wastewater treatment

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  MOBILITÉ ET SPÉCIATION DU CHROME DANS UN SYSTÈME À PHRAGMITES AUSTRALIS DE TRAITEMENT DES EAUX USÉES DE TANNERIES Chromium mobility and speciation in a Phragmites australis system used for tannery wastewater treatment
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  Érudit  est un consortium interuniversitaire sans but lucratif composé de l'Université de Montréal, l'Université Laval et l'Université du Québec àMontréal. Il a pour mission la promotion et la valorisation de la recherche. Érudit  offre des services d'édition numérique de documentsscientifiques depuis 1998.Pour communiquer avec les responsables d'Érudit :erudit@umontreal.ca   Article  Souad Tiglyene, Abderrahim Jaouad et Laila Mandi Revue des sciences de l'eau / Journal of Water Science  , vol. 21, n° 1, 2008, p. 1-16. Pour citer cet article, utiliser l'information suivante :  URI:http://id.erudit.org/iderudit/017927ar DOI: 10.7202/017927ar Note : les règles d'écriture des références bibliographiques peuvent varier selon les différents domaines du savoir.Ce document est protégé par la loi sur le droit d'auteur. L'utilisation des services d'Érudit (y compris la reproduction) est assujettie à sa politiqued'utilisation que vous pouvez consulter à l'URIhttp://www.erudit.org/apropos/utilisation.html Document téléchargé le 27 April 2013 12:44 « Mobilité et spéciation du chrome dans un système à phragmites australis  de traitement deseaux usées de tanneries »  MOBILITÉ ET SPÉCIATION DU CHROMEDANS UN SYSTÈME À  PHRAGMITES AUSTRALIS  DE TRAITEMENT DES EAUX USÉES DE TANNERIES Chromium mobility and speciation in a Phragmites australis system used for tannery wastewater treatment  Souad TIGLYENE 1 , Abderraim JAOUAD 2 , Laila MANDI 1 *1 Unité Écotoxicologie-Traitement des Eaux et Décets, Laboratoire d’ydrobiologie, écotoxicologieet assainissement, Département de Biologie, Faculté des Sciences, Semlalia, Marrakec, Maroc 2 Unité d’analyse et de contrôle de qualité, Laboratoire de cimie organique appliquée,Département de Cimie, Faculté des Sciences, Semlalia, Marrakec, MarocReçu le 31 octobre 2006, accepté le 9 mai 2007 *Auteur pour correspondance : Télépone: 212-0-24-43-46-49   Télécopie : 212-0-24-43-74-12  Courriel : mandi_laila@yahoo.fr  Revue des Sciences de l’Eau 21(1) (2008) 1-16  ISSN : 1718-8598 RÉSUMÉ L’objecti de ce travail est l’étude de la répartition, la migration, la spéciation et la biodisponibilité du Cr dans lesdiérents horizons du sol au niveau d’un pilote à  Phragmites australis  (Cav.) rin ex Steudel de traitement du rejet dutannage au chrome. Les résultats obtenus sont comparés à ceux d’un pilote non planté. La spéciation chimique du Cr totala été réalisée par cinq extractions séquentielles. L’extractiondu chrome biodisponible est eectuée par CaCl 2 (0,1 M).Les résultats de la répartition du Cr montrent que l’horizonsuperciel renerme des teneurs élevées en Cr 80 % et quecette accumulation est statistiquement diérente entre lesdeux pilotes (p<0,05) : 48 ± 4 g∙kg  -1 pour le système plantéet 39 ± 7 g∙kg  -1 pour le système non planté. Les résultats dela spéciation chimique totale du Cr indiquent qu’il est trèslié à la phase oxydable : 36 ± 10 % pour le système planté(PP) et 54 ± 9 % pour le système non planté (NPP). La teneuren Cr retenue dans la raction résiduelle présente 26 ± 3 %et 25 ± 2 % respectivement pour le système PP et NPP. La proportion du Cr retenue dans la raction carbonate est de19,5 ± 5 % pour le système PP et 10,7 ± 5 % pour le systèmeNPP. La part du Cr associée à la phase réductible présente18 ± 6 % et 10 ± 4 % respectivement pour le système PP etNPP. Pour les deux pilotes le Cr total est peu échangeable et sa teneur biodisponible est aible. En outre, les résultats montrentque la présence de Phragmites australis  a provoqué la libérationpartielle du Cr de la raction organique mobile vers les ormescarbonate et réductible relativement stables dans le systèmeplanté. Les résultats trouvés montrent que Phragmites australis   présente une accumulation assez importante en Cr au niveaudes racines : 1690 ± 124 mg∙kg  -1 en matière sèche. Le calcul dubilan global de l’épuration révèle que le Cr est surtout retenupar le sol (94 %) et que 5 % du Cr est prélevé par la plante.Cependant, la présence de Phragmites australis  assure uneporosité susante pour la percolation des eaux en traitementet permet le traitement d’un volume d’eau usée plus grand.  Mots clés : chrome, tannerie, sol, mobilité, spéciation, bio-disponibilité, Phragmites australis.   Mobilité et spéciation du Cr dans un lit à Phragmites australis  2 SUMMARY  Te present study illustrates the distribution, mobility,bioavailability and speciation o total chromium (Cr) in thevarious strata o a constructed reed bed soil in comparison tounplanted soil under arid climate conditions. Te operationally determined speciation o Cr was investigated using a ve-stepsequential extraction method using CaCl 2 (0.1 M) to extractbioavailable Cr.Te results indicated that there was a signicantaccumulation o total Cr, reaching 80% in the surace strata or the planted (PP) and unplanted (NPP) systems. Analysiso variance (ANOVA) showed a signicant dierence (p<0.05)in Cr accumulation in the surace o the soil between the PPsystem (48 ± 4 g∙kg  -1 ) and the NPP system (39 ± 7 g∙kg  -1 ). Tepartitioning results indicated that the percentage o Cr in theexchangeable phase was very low. Te Cr was mainly associatedwith the oxidizable phase: 36 ± 10% or the PP system and54 ± 9% or the NPP system. Te residual phase contained26 ± 3%, 25 ± 2% o the Cr or the PP and NPP systems,respectively. Te carbonate raction represented 19.5 ± 5% orPP system and 10.7 ± 5% or NPP system, whereas the reducibleraction represented 18 ± 6% or the PP system and 10 ± 4%or the NPP system. Te sequential extraction results showedthat Phragmites australis  had the ability to partially transer Crrom the mobile oxidizable raction to the less mobile reducibleand carbonate ractions. Indeed, Cr was relatively unavailableto the plant but the results did show that Phragmites australis   accumulated an appreciable amount o Cr in the roots (1690mg∙kg  -1 dry matter). Furthermore, ater 13 months, the soilhad accumulated high amounts o chromium (94%) with only 5% o the Cr accumulated in Phragmites australis  . Te presenceo plants ensures a sucient porosity or the percolation o water or treatment, which makes it possible to treat a largervolume o wastewater and to reduce the required soil suracearea needed or treatment. Key-words: chromium; tannery; soil; mobility; speciation;bioavailability; Phragmites australis. 1. INTRODUCTION Le chrome est présent dans l’environnementprincipalement sous deux ormes : le Cr(III) et le Cr(VI). La orme hexavalente est plus toxique que la orme trivalente etégalement davantage soluble dans l’eau. Le chrome trivalentest la orme la plus stable mais ayant des propriétés chimiquesplus complexes que le chrome hexavalent. Le chrome trivalenta peu d’anité pour l’oxygène, c’est pour cette raison qu’ila tendance à ormer nombre de complexes avec des ligandsorganiques. Le chrome hexavalent est un puissant oxydant. Onle retrouve sous des ormes d’oxyanions qui sont très solubles.L’oxydation de Cr (III) en Cr (VI) peut se aire dans les solshumides (BARLE et JAMES, 1979) et sera avoriséeavec l’élévation du pH du sol (SOMBERG et al. , 1984).La spéciation du chrome (VI) et (III) dépend de plusieursparamètres comme le pH, leur concentration et la disponibilitéen ligand.Le secteur industriel marocain est composé de6 070 unités dont 31 % sont des industries du textile etdu cuir. Les industries du cuir consomment 120 t Cr/an(SCANDIACONSUL INERNAIONAL, 1999).Dans l’industrie du cuir, il y a essentiellement deux types de procédés de tannage : le tannage végétal et letannage au chrome. Les traitements des euents issusde ces deux procédés de tanneries peuvent être acquissoit par moyen physico-chimique, soit par procédébiologique ou par combinaison des deux (KABDASLI et al. , 1993; NOZAKI et al. , 1993; SZPYRKOWICZ et al. , 1995; ALINI, 1994; ÜNAY  et al. , 1994). La plupartdes processus biologiques reconnus ont été recommandésou utilisés souvent après un prétraitement pour diminuerla charge en chrome. Des études ont développé desprotocoles de traitement de ce type d’euent par des litsà macrophytes (ALDRICH et al., 2003; BARRERA-DIAZ et al., 2004; BEGG et al., 2001; HOW  et al., 2003;POLPRASER et al., 1996; QIAN et al., 1999; SHUES et al., 2001; SINHA  et al., 2002; IGLYENE et al.,  2005). En eet, une étude eectuée par IGLYENE et al. (2005) a montré qu’après passage de l’euent detannerie à travers des colonnes plantées de Phragmites australis   en écoulement vertical (88 % du sable), une éliminationde 99 % en Cr total et un abattement de 74 % en DCOtotale sont obtenus. Les macrophytes jouent un rôle clédans le onctionnement des stations de traitement utilisantles plantes aquatiques ( Phragmites australis  , Typha latiolia  , Cyperus exaltatus  , etc.). Dans ces systèmes de traitement,plusieurs processus sont responsables de l’élimination desmétaux. Ils incluent un ensemble de réactions physico-chimiques, biologiques et microbiologiques qui se déroulentdans les sites aérobies et anaérobies des zones humides (EGER,1994). Ces éléments métalliques sont retenus dans ces systèmespar absorption par les plantes, par les micro-organismes dela rhizosphère, par immobilisation au niveau du sol via  desmécanismes tel que l’adsorption au niveau des sites d’échanges,xation à la matière organique, incorporation dans la structuredu sol et précipitation sous ormes de composés insolubles(EGER, 1994; WIEDER, 1990).Par ailleurs, la connaissance de la concentration en métaltotal est souvent insusante pour évaluer le risque dû à sa présence dans le sol (GUPA, 1984). Les métaux lourds  S. Tiglyene    et al. / Revue des Sciences de l’Eau  21(1) (2008) 1-16  3 peuvent, à partir de l’horizon supérieur, présenter une certainemobilité le long des horizons des sols et regagner les nappesphréatiques (BAVEYE et al. , 1999; KAFKA et KURAS, 1994;LEGRE et al. , 1988). Le chrome en général et le chrome (VI)en particulier peuvent migrer jusqu’à des horizons proonds dusol (LOSI et al. , 1994 ; SELIM et al. , 1989).La spéciation chimique des éléments métalliques en tracesrenseigne sur leur comportement probable dans le milieu. Ellepeut être acquise en analysant la distribution des élémentsdans les diérentes phases chimiques du sol : carbonate(acido-soluble), réductible (oxydes de Fe et de Mn), oxydable(organique et sulure), échangeable et résiduelle. En pratique,cette compartimentation peut se aire à partir des extractionschimiques simples ou séquentielles utilisant des réactisd’agressivité croissante. De nombreux extractants peuvent êtreutilisés pour dénir un compartiment du sol (LEBOURG et al. , 1996). outeois, le degré de xation ou de relargage desmétaux est lié à leurs ormes chimiques et à leurs associations avecles diérentes phases constitutives du sol qui conditionnentleur disponibilité pour les végétaux ainsi que leur mobilitédans les solutions du sol (LEGRE et al. , 1988). Dans cesens, sous une orme adsorbée sur des hydroxydes métalliques,le chrome est peu disponible aux plantes. La concentration enCr des végétaux est principalement contrôlée par sa teneur ensolution dans le sol. Le chrome, dans un sol neutre ou basique,sera plus disponible vis-à-vis des plantes que dans un sol acide(INERSI, 2004). Cependant, plusieurs auteurs ont rapportéque les teneurs en éléments dans les tissus des plantes varientavec la concentration et la orme auxquelles la plante est exposée(BLAKE et al. , 1987; JACKSON et al. , 1991; NAKADA  et al. , 1979). En eet, CARY  et al. (1977) ont montré qu’il y a une meilleure translocation du chrome vers la tige à partird’une solution du Cr (VI) qu’avec une solution de Cr (III).L’objecti de ce travail est : i) d’étudier la rétention et la migration du Cr dans le prol du sol, ii) de déterminer la spéciation chimique du Cr au niveau d’un pilote planté detraitement du rejet de tannage au chrome; et iii) d’évaluer la biodisponibilité du Cr et sa bioaccumulation dans la plante.L’intérêt est porté plus particulièrement sur la comparaisond’un pilote planté par Phragmites australis  (Cav.) rin ex Steudelavec un pilote non planté. 2. MATÉRIEL ET MÉTHODES Le pilote expérimental est constitué de pots (capacité :120 litres; diamètre : 50 cm) remplis sur une épaisseur de15 cm de gravier et de 60 cm de sol. rois pots sont plantés de jeunes tiges de Phragmites australis  (36 tiges m -2 ). rois autrespots non plantés sont pris comme témoin.Le matériel végétal utilisé est Phragmites australis  (Cav.)rin ex Steudel ou roseau des marais. C’est une espèce trèsproductive, qui s’adapte acilement aux diérentes conditionsdu milieu (NÈGRE, 1961).Le sol utilisé a une texture : limono - argilo - sableuse[argile : 3,5 %; limon : 8,5 %; sable : 88 % (sable grossier +sable n : 72,1 %; sable très n : 15,9 %)]. C’est un sol basiquequi est riche en matières organiques. Sa conductivité électriqueest élevée (ableau 1). Les teneurs en métaux lourds du solsont dans les normes de l’OMS (1989) : Zn=300 mg∙kg  -1 ;Pb=100 mg∙kg  -1 ; Cr=150 mg∙kg  -1 et Cu=100 mg∙kg  -1  (GODIN, 1983). Le choix s’est porté sur ce sol sachant qu’ila une capacité de rétention de l’eau (14 %) et des matièresdissoutes dans ses espaces intercellaires. D’après SOLNER (1990), il s’agit d’un sol basique biologiquement acti quiavoriserait la proliération d’une fore bactérienne assurant la décomposition, l’humication et la minéralisation des matièresorganiques. En eet, des études ont montré que certains micro-organismes, souvent isolés à partir du sable qui constitue leurhabitat naturel, sont les principaux décomposeurs de la matièreorganique et ils sont capables d’exsuder des substances trèsvariées à action antibactérienne, antiongique ou antiparasitaire(BARAKAE et al. , 2002; BARAKAE et al. , 2003; BEHAL,2000; CHEN, 1995; KHAABI et al. , 2002; WU et CHEN,1995). Tableau 1. Caractéristiques physico-chimiques du sol (nombred’échantillons = 4). Table 1. Physico-chemical characteristics o soil (number o  samples = 4). paramètresTeneurs ph8,63 ± 0,25% M.O4,7 ± 1,3% humidité21 ± 7CE (  µ s ∙ cm -1  )400 ± 45Cl (mg  ∙ Kg  -1  )71 ± 33Na (mg  ∙ g  -1  )2,7 ± 1,2Mg (mg  ∙ g  -1  )0,36 ± 0,2Ca (mg  ∙ kg  -1  )760 ± 261Zn (mg  ∙ kg  -1  )12 ± 4Pb (mg  ∙ kg  -1  )1,2 ± 0,7Fe (mg  ∙ kg  -1  )71 ± 37Cr (mg  ∙ kg  -1  )0,6 ± 0,1Cu (mg  ∙ kg  -1  )0,35 ± 0,12   Mobilité et spéciation du Cr dans un lit à Phragmites australis  4 Les eaux usées à traiter sont srcinaires d’une tanneriesemi-moderne, implantée dans le quartier industriel de la ville de Marrakech. Ces euents présentent un pH acide(ableau 2). Ils ont une conductivité électrique élevée refétantleurs richesses en sels. La concentration en chlorures enregistrée(20,6±1,3 g∙L -1 ) et en chrome (1 230±123 mg∙L -1 ) dépasselargement celle recommandée par les normes de l’OMS(1989) de rejets d’euents qui sont de 0,7 g∙L -1 et de 2 mg∙L -1  respectivement.(AFNOR, 90-101). La demande biologique en oxygène(DBO 5 ) est aite selon la méthode respirométrique par DBO-mètre (AFNOR, 90-103). Les chlorures sont dosés selonla méthode de Mohr (RODIER, 1984). Le dosage des ionsammoniums s’eectue selon la méthode colorimétrique au bleud’indophénol (RODIER, 1984). Le dosage du chrome totalest eectué par spectrophotométrie d’absorption atomique(AFNOR, 90-112). Pour chaque paramètre quatre répétitionsont été eectuées. 2. FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUEDU SYSTÈME PILOTE La ville de Marrakech est soumise à un climatméditerranéen aride, chaud, à hiver rais, caractérisé par unepluviométrie aible et variable. La saison sèche s’étend du moisde mars jusqu’au mois d’octobre. La particularité du climat dela ville de Marrakech est le passage sans transition de la périodechaude de longue durée (mars à octobre) à la période roide(novembre à évrier) de courte durée (Figure 1). L’étude duonctionnement hydrologique des deux pilotes testés a montréque le débit moyen à la sortie du système planté est trois oisplus élevé que celui du lit non planté, ce qui permet de traiterun volume d’eau usée plus important ou bien de réduire la supercie nécessaire par équivalent habitant (ableau 3). Aucun signe de colmatage n’a été détecté aussi bien dans lespots plantés de Phragmites australis  que dans les pots nonplantés (IGLYENE et al. , 2005).  2.2 Évolution de la concentration du Chrome total  La concentration moyenne en Cr total dans l’euentappliquée à l’entrée des diérents pilotes varie de 534 mg∙L -1  à 1 000 mg∙L -1 avec une teneur moyenne de 780±196 mg∙L -1 .Les teneurs en Cr total enregistrées à la sortie du lit à  Phragmites   varient de 2,2 mg∙L -1 à 3 mg∙L -1 avec une concentrationmoyenne de 2±0,5 mg∙L -1 . La concentration en chrome totaldes eaux usées à la sortie du sol non planté varie de 2,5 mg∙L -1 à 4 mg∙L -1 avec une valeur moyenne de 2,4±1,3 mg∙L -1 .Le taux d’élimination du chrome total calculé sur la basedes charges en tenant compte des pertes d’eau par chaquesystème est représenté dans la gure 2. Pour les deux systèmes,la rétention du chrome total varie de 97 % à 100 % avec uneélimination moyenne de 99 % (IGLYENE et al. , 2005).L’analyse de la variance au seuil de 5 % indique qu’il n’y a pasde diérence signicative pour l’abattement du Cr entre lesdeux systèmes planté et non planté et que l’eet de saison estnégligeable pour les deux systèmes (p>0,05). Tableau 2. Caractéristiques physico-chimiques de l’eau usée detannerie (nombre d’échantillons = 20). Table 2. Physico-chemical characteristics o tannery wastewater (number o samples = 20). paramètresTeneurs ph3,08 ± 1,16CE (ms ∙ cm -1  )118 ± 50MES (mg  ∙ L -1  )233 ± 24DBO 5 (mg  ∙ L -1  )45 ± 2DCO (mg  ∙ L -1  )2500 ± 13Cl - (g  ∙ L -1  )20,6 ± 1,3Nh 4+ (mg  ∙ L -1  )520 ± 19Cr (g  ∙ L -1  )1,23 ± 0,12CE (ms ∙ cm -1  ) : conductivité électrique en millisemens par centimètre L’expérience a été menée durant 13 mois, s’étalant dumois d’août 2002 au mois d’août 2003. out au long decette période d’étude, les 2 pilotes ont été irrigués par l’eau dutannage diluée à 50 % (Cr=780±196 mg∙L -1 ) qui correspondd’après les tests réalisés à la teneur maximale de tolérance auchrome de Phragmites australis  (IGLYENE et al. , 2005).L’alimentation des deux systèmes se ait par bâchée de 30 litresractionnée en 3 bâchées élémentaires de 10 litres/jour pendant3 jours successis suivis d’une période de repos de 4 jours.L’écoulement se ait par translation verticale à travers le sol. Lesdilutions ont été eectuées par une eau de puits.La mesure du potentiel d’hydrogène (pH) est eectuéeavec un pH-mètre de type ORION. La conductivité électrique(CE) est mesurée à l’aide d’un conductivimètre type acussel(RODIER, 1984). La détermination des matières en suspension(MES) consiste à séparer les phases solide et liquide parltration sur ltre de porosité 0,45 µm. Le ltre est pesé aprèsséchage à 105 °C (AFNOR, 90-105). La demande chimiqueen oxygène (DCO) est estimée par oxydation par un excèsde bichromate de potassium à chaud et en milieu acide
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