Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2003. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 254-260.

Les représentants de l'ordre des Thermotogales se trouvent généralement dans les puits pétroliers et les sources hydrothermales aquatiques et terrestres. Récemment, des études moléculaires basées sur l'analyse des gènes codant l'ARNr 16S ont prouvé l'existence de représentants thermophiles, mais également mésophiles de cet ordre dans les boues de bioréacteurs et dans les sédiments contaminés par des composés toxiques. Les expériences que nous avons conduites pour traiter notamment le lactosérum en présence de phosphogypse ou de sulfate dans des bioréacteurs anaérobies mésothermiques nous ont permis de mettre en évidence de nouvelles populations de bactéries et plus précisément de Thermotogales par des approches moléculaires et culturales, avec la description de deux nouveaux genres, « Mesotoga sulfurireducens » et Defluviitoga tunisiensis. En ce qui concerne « M. sulfurireducens», il correspond à la première bactérie mésophile isolée chez les Thermotogales avec un métabolisme original centré sur la sulfo-réduction. Toujours dans le but de traiter le phosphogypse, mais cette fois-ci en utilisant les margines comme composantes organiques dans le procédé anaérobie, une nouvelle espèce du genre Fusibacter a pu être isolée, F. tunisiensis. Globalement, nos résultats démontrent le rôle important joué par les Firmicutes fermentaires et sulfato-réductrices (ordre des Clostridiales) et celui des Proteobacteria sulfato-réductrices (deltaproteobacteria) chez les Bacteria, mais également par les Methanoarchaea acétoclastes aux côtés des Thermotogales dans la digestion anaérobie de la matière organique lorsque les effluents sont riches en sulfate. / The representatives of the order Thermotogales are usually found in oil reservoirs and hot aquatic and terrestrial springs. Recently, the existence of thermophilic and mesophilic representatives of the Thermotogales was proved by analysis of SSU rRNA genes of clones from bioreactors sludges and sediments contaminated by toxic compounds.Experiments which were led to treat lactoserum in the presence of phosphogypsum or sulphate in the mesothermic anaerobic digesters permitted to detect new populations of bacteria, in particular, Thermotogales by molecular and cultural approaches, with the description of two new genera, “Mesotoga sulfurireducens” and “Defluviitoga tunisiensis”. “Mesotoga sulfurireducens” is the first mesophilic bacterium isolated in the order of Thermotogales with an original metabolism axed on sulfo-reduction. During the treatment of phosphogypsum in the presence of margines as organic compounds in the anaerobic processus, a new species of Fusibacter was isolated: F.tunisiensis, sp. nov.Our results show the important role played by fermentative and sulphate-reducing Firmicutes (order Clostridiales) and sulphate-reducing Proteobacteria (deltaproteobacteria) within the Bacteria, but also by the acetoclastic Methanoarchaea beside Thermotogales in the anaerobic digestion of organic matter when the effluents are rich in sulphate.

Le travail exposé dans ce mémoire est une approche pour la réutilisation d'un sous produit industriel: Le PHOSPHOGYPSE. Nous avons commencé par un rappel du cadre géo-politique de cette étude en précisant l'origine du matériau, son mode de stockage et son incidence sur l'environnement de la ville de SFAX (Tunisie). En deuxième partie, nous avons étudié la possibilité de l'utilisation du phosphogypse en remblai en effectuant une série d'essais géotechniques dont le paramètre principal est la teneur en eau. Nous avons placé cette étude dans le cadre climatique de la ville de SFAX. La troisième partie de ce travail est une étude préliminaire de la possibilité de la fabrication d'un clinker de ciment portland à partir de phosphogypse. Pour cela, nous avons effectué une série d'analyses pour déterminer les compositions, chimique et minéralogique, de ce matériau. Ceci nous a permis de proposer une composition corrigée d'un cru à base de phosphogypse qui tient compte de la présence des phosphates dans sa composition.

Le phosphogypse est un sous-produit de la synthèse de l'acide phosphorique (utilisé pour la fabrication d'engrais). Ce travail de thèse a consisté à étudier l'influence des impuretés majoritaires, à savoir les ions monohydrogénophosphates HPO₄^2- et fluorophosphates FPO₃^2- sur les propriétés des phosphogypses et sur la réactivité des phosphoplâtres, de manière à les valoriser dans l'industrie plâtrière. <br />Pour cela, nous avons cherché : <br /> * à déterminer le rôle de ces ions sur le diagramme de phases CaO-SO₃-H₂0 à température ambiante ; <br /> * à déterminer l'effet de la température (simulation de la cuisson de gypse en plâtre) sur ce diagramme de phases ; <br /> * à comprendre la différence de réactivité entre les différents échantillons après cuisson.<br />Les ions HPO₄^2- et FPO₃^2- peuvent se substituer aux ions sulfates et entraînent une cristallisation du gypse avec une morphologie en "roses des sables". Lorsque la totalité des ions sulfates est substituée par les ions HPO₄^2- (ou FPO₃^2-), de nouvelles phases apparaissent : l'ardéalite (Ca(SO₄)_1-x(HPO₄)_x.2H₂O avec 0.42< x < 0.54 puis la brushite : CaHPO₄.2H₂O (ou le fluorophosphate de calcium dihydraté : CaFPO₃.2H₂O). La déshydratation des phases pures (brushite et fluorophosphate de calcium dihydraté) et solutions solides a été étudiée. Nous avons retenu que lors de la calcination de la brushite à 150°C, il n'y a ni déshydratation totale, ni passage par une phase sous-hydratée mais obtention d'un mélange de deux phases : la brushite (24%) et la monétite (76%) ayant des propriétés différentes de la brushite et de la monétite seules. A cette même température, la déshydratation du fluorophosphate de calcium dihydraté provoque un dégagement d'acide fluorhydrique (gaz responsable de la corrosion prématurée des fours) et de l'apparition d'une phase de phosphate de calcium amorphe. La réactivité de nos échantillons après calcination (sous forme de plâtre) a pu être interprétée à partir des résultats obtenus par couplage de la conductimétrie avec la pH-métrie et ponctuellement des mesures d'extraction de solution et analyse du solide résiduel au cours de l'hydratation. Nous avons pu conclure que : <br />- les ions HPO₄²⁻ syncristallisées ou appartenant aux produits de déshydratation de la brushite (soit un mélange brushite et monétite) entraînent un retard à l'hydratation (ce retard est maximal pour une température de calcination de la brushite à 160°C). Ces retards sont accentués si l'on opère en milieu alcalin. (Ainsi, les traitements de neutralisation à la chaux des phosphogypses contenant des impuretés phosphatées sont néfastes pour lhydratation). <br />- les ions FPO₃²⁻ appartenant à la phase fluorophosphate de calcium augmentent la durée d'hydratation, mais syncristallisés, ils accélèrent les temps de prise s'ils sont issus d'une cuisson "flash", ou bien se transforment en ions HPO₄²⁻ syncristallisés (avec dégagement d'acide fluorhydrique) pour un mode de calcination plus lent et lon est alors ramené au cas précédent. Ces travaux de thèse ont donc permis de mettre en place des méthodes de caractérisation des phosphogypses, de comprendre certains phénomènes observés en usines telles que des fins de prise très longues, la corrosion rapide des fours, et d'établir un classement pour connaître leur aptitude à une valorisation dans l'industrie plâtrière.

Le Golfe de Gabès, situé dans le bassin méditerranéen oriental, réunit plusieurs traits distinctifs lui conférant une forte sensibilité vis à vis des contaminations d'origine anthropique. D'une part, l'influence des courants Atlantiques y très limitée, d'autre part, son orientation et sa morphologie caractérisée par une faible profondeur sur une grande étendue ne permettent qu'un faible taux de renouvellement des eaux. Dans cet environnement vulnérable, plus de 200 millions de tonnes de phosphogypse (sous- produit résultant de la production d'acide phosphorique) ont été rejetés dans l'environnement marin depuis près d'un demi-siècle en ayant comme conséquence une dégradation conséquente de l'écosystème benthique en particulier des herbiers de posidonies. La caractérisation du phosphogypse conduit à identifier les différentes modalités des transferts au sein des milieux marins des métaux contenus initialement dans le phosphate. Sa charge en métaux toxiques est essentiellement associée à la matière organique qui s'agrège lors de son transfert dans l'émissaire industriel pour former une mousse se déplaçant à la surface de la mer. Cette mousse présente une structure complexe constituée de matière organique amphiphile jouant le rôle de tensioactif au contact de l'eau de mer et de gypse synthétique qui en constitue le squelette auxquels s'ajoutent halite, sphalérite et francolite. Elle se dégrade en fonction de l'état d'agitation du milieu marin via la dissolution du gypse relarguant ainsi sa charge polluante selon l'amplitude de la houle. Une fraction limitée des métaux passe directement en solution transportés par l'action des courants côtiers. Enfin, des grains de phosphate brut sont transportés soit par roulement-saltation soit en suspension. Ils s'accumulent surtout au niveau de la plage de Chatt Essalam du fait des impacts hydrodynamiques des structures portuaires du site. Les métaux toxiques affectent également les sédiments de surface et les organismes benthiques. En particulier, les mattes posidonies jouent le rôle d'archivage de la contamination permettant ainsi de retracer l'évolution de la contamination métallique des eaux marines depuis le début du développement industriel de la côte en 1972. Enfin, une première évaluation des pertes financières associées aux services écosystémiques fournis par les herbiers de Posidonies à l'activité économique de la pêche côtière, conduit à mettre en perspective le coût d'une partie des externalités négatives associées à la contamination chronique à l'échelle de la partie centrale du Golfe de Gabès. / The Gulf of Gabes, located in the oriental Mediterranean basin, has many particular properties making it very sensitive to anthropogenic contaminations. One of the distinguishing features of Gabes Gulf is low water flush-activity related mainly to its orientation and morphology marked by its largely-extended shallow plateau as well as to the limited influence of Atlantic water currents. For more than 50 years, than 200 million tons of phosphogypsum (by-product of phosphoric acid production) have been continuously dumped in this vulnerable environment leading to an accentuated degradation of the local benthic habitat represented mainly by the seagrass meadows of Posidonia oceanica. Within this context, knowing the characterization of phosphogypsum will certainly help to identify the different transfer modalities of the metals (composing the initial phosphate ore) within the marine environment. The pollutants load of phosphogypsum is mainly associated to the organic matter which aggregates during the transfer process via the evacuation channel leading to the formation of floating foam. These latter foams are passively transported by winds and local currents to distant areas and are found to be rich in organic matter with an amphipathic character that makes them act as a surfactant in contact with seawater. The skeleton of phosphogypsum foam was also found to be composed of synthetic gypsum as well as halite, sphalerite and francolite. The degradation of the phosphogypsum foam is accentuated by the degree of agitation/hydrodynamics of the marine environment through the dissolution of gypsum, leading to the release of its polluting components following the swell amplitude. It is worth noting that a limited metal fraction passes directly into solution. These latter metals are hence transported by the coastal currents. As for the phosphate grains, they are trained towards the south either by rolling-saltation or in suspension, and end by accumulating mainly in Chat Essalam beach due to the hydrodynamics effects exerted by the ports structures leading to modify the coastline. In addition, the toxic metals affect also the surface sediments as well as the benthic organisms and hence these latter can inform about the health status and the contamination history of the local marine environment. Within this context, the mats of Posidonia oceanica meadows can be used as an archiving tool of the contamination history in the Gulf of Gabes and allow hence retracing the evolution of metallic contamination of sea waters since the set-up of the coastal industrial complex in Gabes city (i.e. 1972). Finally, a first assessment of the financial losses linked to the ecosystemic services provided by Posidonia oceanica seagrass beds to coastal fisheries activity was conducted allowing to evaluate the cost of a part of the negative consequences linked to the industrial chronic pollution at the central part of Gabes Gulf.

L'utilisation des engrais chimiques phosphatés, et les usines de fertilisants, ayant comme matière première la roche phosphate et rejetant du phosphogypse, contribuent à l’élévation des teneurs des radionucléides naturels et des éléments traces métalliques dans l’environnement. Ces contaminations risquent d’affecter l’écosystème et la santé humaine.Cette étude évalue l’impact sanitaire des radionucléides naturels émetteurs gamma des séries de désintégration de 238U, 232Th, de l’élément naturel radioactif 40K et du Pb, présents dans la matière première et les produits d’une usine de fertilisants au Liban.L’objectif principal est de caractériser la contamination diffuse de ces polluants dans une optique d’évaluation du risque sanitaire dans 9 sites résidentiels, non-cultivés autour de l’usine. Un focus est spécifiquement porté sur l’évaluation quantitative du risque sanitaire lié à la consommation de la plante sauvage Dittrichia viscosa et l’ingestion accidentelle de poussières de sol pour les habitants de la zone étudiée. La notion de bioaccessibilité du Pb des sols et des plantes est intégrée dans ces évaluations. Des extractions chimiques par EDTA et le Physiologically Based Extraction Test (PBET) ont été utilisés pour une estimation in vitro, des fractions disponibles et bioaccessibles du Pb. Ces dernières ont été intégrées dans les calculs des risques. Les risques radiologiques relatifs aux rayonnements ionisants gamma des radionucléides ont également été estimés via les paramètres radiologiques.L’ensemble des travaux a montré que l’usine de fertilisants engendre une contamination diffuse qui augmente les niveaux de radionucléides et du Pb dans l’environnement proche, plus précisément dans les sols (pour 238U, 226Ra et leurs descendants 214Pb, 212Pb et 210Pb, ainsi que pour Pb), et dans les parties aériennes des plantes Dittrichia viscosa (pour Pb et 210Pb). L’étude de la distribution du 210Pb et les fractions PbEDTA apportent des informations complémentaires pour caractériser l’apport en Pb dû à l’activité de l’usine. Les résultats ont montré que les valeurs moyennes des concentrations d’activité des radionucléides dans les échantillons de sol étaient légèrement supérieures à ceux déterminés dans d'autres régions libanaises et aux valeurs moyennes mondiales. D’après les paramètres radiologiques, aucun risque significatif n’a été identifié pour la population fréquentant la zone.Les concentrations en Pb pseudo-total de sol ont été inférieures aux seuils applicables. Des dépassements de seuil ont été constatés pour les teneurs en Pb dans les feuilles de Dittrichia viscosa.Deux schémas d’évaluation de risque sanitaire du Pb ont été étudiés : un premier schéma classique basé sur l’hypothèse de l’ingestion des teneurs totales en Pb dans les sols et les plantes ; un deuxième schéma où seulement les fractions pouvant atteindre la circulation systémique ont été évaluées et considérées dans les calculs de risque. Ces deux schémas ont été appliqués à deux scénarios de terrain à forte exposition. La prise en compte des concentrations de Pb bioaccessible dans les calculs réduit considérablement (au moins d’un facteur de 10) le risque potentiel pour les deux scénarios alors que les calculs du risque selon le schéma classique montrent un risque significatif pour les enfants. Quel que soit le schéma de calcul de risque retenu, l’ingestion des plantes reste la voie principale d’exposition pour les deux scénarios maximalistes. / The use of phosphate fertilizers and phosphate rock as raw material by fertilizer plants, and the by-product phosphogypsum, contribute in increasing the levels of natural radionuclides and trace metals in the environment. This may affect the ecosystem and human health.This study evaluates the radiological impact of natural gamma-emitting radionuclides, mainly 238U, 232Th and their decay product, and 40K. As well as, it evaluates the health impact of Pb, present in the raw material and fertilizers produced by a fertilizer plant in Lebanon.The main objective is to characterize the diffuse contamination of these pollutants with a view to assess the health risk in 9 non-cultivated residential sites around the plant. A focus on the quantitative assessment of the health risk is specifically linked to the consumption of the wild plant Dittrichia viscosa and the accidental ingestion of soil dust for the inhabitants of the study area. The concept of bioaccessibility of soil and plant Pb is integrated into these assessments. Chemical extractions using EDTA and the Physiologically Based Extraction Test (PBET) were used for in vitro estimation of available and bioaccessible Pb fractions. These were incorporated into the risk calculations. The radiological risks related to gamma ionizing radiation from radioelements were also estimated via radiological parameters.All of the work has shown that the fertilizer plant generates diffuse contamination that increases the levels of radionuclides and Pb in the near environment, specifically in soils (for 238U, 226Ra and their decay products 214Pb, 212Pb and 210Pb, as well as for Pb), and in the aerial parts of Dittrichia viscosa plants (for Pb and 210Pb). The study of the distribution of 210Pb and PbEDTA fractions provide additional information to characterize the Pb contribution due to the activity of the plant. The results showed that the mean values of activity concentrations of radioelements in soil samples were slightly higher than those determined in other Lebanese regions and worldwide average values. Based on the radiological parameters, no significant risk has been identified for the population frequenting the area.The pseudo-total soil Pb concentrations were below the applied thresholds. Threshold exceedances were observed for Pb levels in Dittrichia viscosa leaves.Two health risk assessment schemes for Pb were studied: a first classical scheme based on the hypothesis of the total ingestion of total Pb levels in soils and plants; a second scheme where only fractions reaching the systemic circulation have been measured and considered in risk calculations. These two schemes were studied for two high-exposure field scenarios. Taking into account the bioaccessible Pb concentrations in the calculations greatly reduces (at least by a factor of 10) the potential risk for both scenarios, whereas the classical risk calculations show a significant risk for the children. Whatever the chosen risk calculation scheme, ingestion of plants remains the main route of exposure for the two maximalist scenarios.

Afin d'établir l'impact et le risque lié aux fertilisants chimiques depuis leur fabrication jusqu'à leur amendement sur la contamination des sols par les éléments traces métalliques, une étude de leur mobilité et leur transfert s'avère nécessaire. L'objectif de ce travail de thèse était d'évaluer la source de contamination du sol par les éléments traces autour de l'industrie des fertilisants chimiques et suivre l'évolution temporelle de la mobilité et du transfert de ces éléments dans un profil du sol agricole amendé par des engrais phosphatés du type simple superphosphate (SSP) ou du phosphogypse. Pour cela nous avons utilisé des techniques permettant la caractérisation structurale et minéralogique des sols collectés comme la diffraction des rayons X et la microscopie électronique. Puis une caractérisation chimique des sols collectés concernant la concentration totale des éléments traces et des éléments majeurs a été établie. Comme la mobilité n'est pas stable au cours du temps dépendant de plusieurs paramètres physico-chimiques comme le pH, le potentiel redox, la teneur en matière organique, une extraction séquentielle a été adoptée le long de l'étude au cours du temps et dans le profil du sol amendé jusqu'à une profondeur de 55 cm. En outre, l'absorption des éléments traces par les plantes cultivées sur le terrain agricole amendé par les engrais ou le phosphogypse a été analysée au cours du temps afin d'évaluer le risque lié à la chaîne alimentaire et plus particulièrement la chaîne alimentaire humaine induisant des effets négatifs sur la santé. Une comparaison entre l'application du phosphogypse et celle des engrais a été mise en évidence à la finalité de ce travail / To determine the impact and risk of chemical fertilizers, from their manufacture to their amendment, on soil contamination by trace metals, the study of their mobility and transfer would be necessary. The objective of this work was to evaluate the source of soil contamination by trace elements around the industry of chemical fertilizers, and to follow the temporal evolution of mobility and transfer of these elements in the profile of agricultural soil amended by superphosphate (SSP) fertilizers or phosphogypsum. To achieve our objective, we used techniques allowing the determination of structural and mineralogical characterization of collected soil samples, such as X-ray diffraction and electron microscopy. Chemical characterization related to the total concentration of trace and major elements of collected soils was established. As mobility was unstable over time, depending on several physico-chemical parameters such as pH, redox potential, and organic matter content, a sequential extraction was adopted throughout the study over time in the amended soil profile to a depth of 55 cm. In addition, the absorption of trace elements by agricultural crops cultivated over land amended with fertilizer or phosphogypsum was analyzed over time to assess the risk of their transfer to the food chain, especially the human food chain, imposing health hazards. A comparison between the effects of the application of phosphogypsum and phosphate fertilizer was carried out in concluding this work