The industrial waste land of Mortagne-du-Nord (59) - II - Oxidizing alteration of the slags, hydrochemistry, geochemical modelling and remediation proposal

• Autores: Jean-Michel Schmitt, Sabine Huet-Taillanter, Médard Thiry
• Localización: Bulletin de la Société Géologique de France, ISSN 0037-9409, Vol. 173, Nº. 4, 2002, págs. 383-393
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • La friche industrielle de Mortagne-du-Nord (59) - II - Altération oxydante des scories, hydrochimie, modélisation géochimique, essais de lixiviation et proposition de remédiation
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• Resumen
  • English

    The slag backfills of the former sulfuric acid factory of Mortagne-du-Nord (59) are sulfide- and metal-rich (Zn, Pb, Cd). Sulfide oxidation leads to acidification of surficial groundwater and the dispersal of the metals into the environment, by flow towards the rivers which run along the site. The surficial groundwater pHs fall between 2.5 and 6.8 and the metal content is very high, reaching in places 6 000 mg/L of Zn, 2.5 mg/L of Pb and 600 mg/L of Cd. To conceive a remediation scenario, we tried beforehand to understand the phenomena that govern the oxidation of the sulfides. For this purpose, water levels and water compositions have been surveyed every 2 months during 4 years, a geochemical simulation of the alteration/oxidation has been proposed and leaching tests have been performed.

    The survey of the water table level and periodical chemical analyses of the groundwater have shown that the slag alteration is reactivated when the water table drops until the sulfide-bearing "fresh" slags are unsaturated.

    The analysed waters always show an unbalanced negative ionic charge. Geochemical calculations allow to propose several equilibrium models of the waters and to conclude that the presence of thiosulfates (S2O23-) in the original waters most likely explains the observed ionic disequilibrium.

    The geochemical modelling of the slag alteration, first by percolation in unsaturated conditions (allowing O2 supply) and then under saturated conditions (without O2 renewal), reproduces satisfactorily the chemistry of sampled groundwaters.

    Leaching tests of the slags have been performed in the laboratory both by percolation (unsatured environment) and by cirulation (saturated and closed environment). These tests allowed to obtain alteration solutions comparable to the waters sampled on site, with progressive "aging" of the material, in agreement with the decrease of the dissolved metals observed on site during the 4-year survey. Moreover, the tests confirm the importance of the oxygen supply in the reactivation of the alteration.

    The evolution of the groundwater chemistry, the thermodynamic modelling, as well as the leaching experiments allow to determine with some details the alteration/oxidation mechanism and show that: (1) alteration is actived or reactived after a drop of the water table within the sulfide-bearing facies, (2) the oxygen supply by diffusion in the poral air is the driving force of slag oxidation, and (3) maintaining the backfills in saturated conditions practically stops alteration.

    The geochemical evolution of the site is directly related to its history, with successive re-profiling of the channels which have lead to a lowering of the water table of about 2 m. The remediation should be focused on in-situ processing (water treatment aimed to lower acidity, active barriers, ...) rather than on ex-situ (excavation) solutions.

  • français

    Les remblais rencontrés sur le site de l'ancienne usine d'acide sulfurique de Mortagne-du-Nord (59) sont riches en sulfures et en métaux (Zn, Pb, Cd). L'oxydation de ces sulfures conduit à une acidification du milieu puis à une dispersion des métaux dans l'environnement par les flux vers les drains fluviaux qui bordent le site. Les eaux de la nappe superficielle ont des pH compris entre 2,5 et 6,8 et de très fortes teneurs en métaux, atteignant localement 6 000 mg/L de Zn, 2,5 mg/L de Pb et 600 mg/L Cd. Pour envisager une remédiation à ce problème, nous avons cherché à comprendre, au préalable, les principaux phénomènes qui régissent cette oxydation des sulfures. Pour cela, le niveau de la nappe et la composition des eaux ont été relevés environ tous les 2 mois pendant 4 ans ; une simulation géochimique des altérations/oxydations a été proposée et des essais de lixiviation ont été mis en oeuvre.

    Le suivi de la piézométrie du site et les analyses périodiques des eaux ont montré que l'altération est réactivée après un abaissement du niveau de la nappe qui dénoie des scories "fraîches" riches en sulfures.

    Les eaux analysées présentent toujours un fort déséquilibre négatif de la balance ionique. Le calcul géochimique qui permet de remonter à l'équilibre initial des eaux indique que la présence initiale de thiosulfates (S2O23-) pourrait expliquer le déséquilibre observé.

    La simulation géochimique de l'altération des scories par percolation en zone non saturée (réalimentée en O2) et poursuivie en zone saturée (milieu anoxique) reproduit de façon satisfaisante le chimisme des eaux prélevées.

    Des essais de lixiviation des scories au laboratoire, à la fois par percolation (milieu non saturé) et par circulation (milieu saturé, fermé) ont permis d'obtenir des solutions d'altération comparables aux eaux prélevées sur le site. On observe en plus un épuisement progressif de la réactivité des scories, comparable à la diminution de charge en métaux observée sur le site durant les 4 années de suivi. De plus, les essais au laboratoire confirment l'importance de l'apport d'oxygène au système pour permettre la réactivation des réactions.

    L'évolution du chimisme de la nappe, les modélisations thermodynamiques ainsi que les essais de lixiviation ont permis d'appréhender avec un certain détail ces mécanismes d'altération/oxydation des scories et ont montré que: (1) l'altération est activée ou réactivée après un abaissement du niveau de la nappe dans les faciès sulfurés, (2) l'apport d'oxygène par diffusion dans l'air des pores est le moteur de l'oxydation des scories et (3) le maintien des remblais en milieu saturé est un frein à l'altération.

    L'évolution géochimique du site est très fortement corrélée à son historique, avec des réaménagements successifs du Canal de la Scarpe qui ont conduit à une baisse du niveau de la nappe d'environ 2 m. Les solutions de réhabilitation devraient s'orienter vers des traitements in-situ (traitement des eaux visant à réduire l'acidité, mise en place de barrières actives, etc...) plutôt que vers un traitement ex-situ nécessitant la reprise d'un volume de remblais très important.