Le lixiviat de la décharge de déchets urbains de Marrakech (Maroc)

Sur la décharge publique de Marrakech sont déversés chaque jour 450 tonnes de déchets urbains. De cette décharge s’écoule un rejet liquide ou lixiviat qui constitue une source de pollution des eaux de la nappe phréatique et de l’oued Tensift qui représentent un capital « eau » pour cette région semi-aride (Hakkou et al., 2001). Au Maroc, la loi nationale sur l'eau de 1995 (L95-10) et la loi sur la gestion des déchets, en cours d’élaboration, obligent tout gestionnaire d'une décharge à maîtriser les risques et les nuisances liés à la production des lixiviats. Le but de cette étude est de décrire le lixiviat de la décharge de Marrakech afin de préciser les contraintes dont il faudra tenir compte lors du choix du type de traitement du lixiviat et lors du fonctionnement de l'unité de traitement.

Après avoir présenté la décharge dans la première partie, la zone affectée par le lixiviat dans la deuxième partie, nous décrivons ses caractéristiques physiques et chimiques dans la troisième partie.

Présentation de la décharge et principe de l’étude du lixiviat

Présentation de la décharge

La ville de Marrakech élimine ses déchets uniquement par mise en décharge. Une unité de compostage a été mise en service dans les années 1970 pour réduire la quantité de déchets mise en décharge en valorisant la matière organique. Ce fut un échec. Jusqu’en 1987, la ville de Marrakech déversa ses

déchets dans la décharge d’Al Azzouzia. En 1987, elle abandonne ce site parce qu'il présentait des risques pour l’hygiène et la santé publiques et des gênes pour l'urbanisme et le tourisme. En effet, par suite du développement de Marrakech, la décharge s'est retrouvée dans l'agglomération. En remplacement, les décideurs ont retenu le site actuel, à 15 km au Nord (figure 1) sur des bases purement économiques, indépendantes de toutes contraintes liées à la protection de l’Environnement suite à une absence de lois et réglementations administratives. C’est une décharge non contrôlée.

Le site de la nouvelle décharge est un thalweg en bordure de l’oued Tensift. Le thalweg a une forme légèrement étalée et il est incliné vers le sud-ouest suivant une pente de 2,5 % en moyenne. D’une surface de 9 hectares, le substratum de la décharge chevauche deux terrains : pour un tiers à l’ouest des terrains limoneux quaternaires, pour deux tiers à l’est des terrains schisteux du paléozoïque (figure 2). La perméabilité du substratum est de l’ordre de 10⁻⁷ m/s.

Les déchets reçus sont pour l’essentiel des déchets des ménages. Les déchets autres sont des déchets des artisans et commerçants, des déchets des petites unités industrielles, de tannerie en particulier, des déchets de soins et des déchets inertes. Les déchets des ménages sont constitués entre 65 et 70 % en poids humide environ de matière organique fermentescible (Moumou, 1997). Les premiers déchets ont été déversés directement sur le substratum de la décharge. Les déchets suivants sont déversés et tassés avec un engin de travaux publics sans couches intermédiaires de terre. Actuellement la décharge reçoit 450 t par jour de déchets. La quantité estimée de déchets stockés depuis 1987 est de 0,6 million de tonnes (Hakkou et al., 2000). Cette estimation a été établie à partir de la quantité produite par jour et par habitant et de son évolution depuis 1987 à aujourd’hui, de la population de l'agglomération et de son taux de croissance, du taux de collecte, du pourcentage de dégradation de la matière organique et de la quantité évacuée par le lixiviat.

Principe de l'étude du lixiviat

L’étude a commencé par une recherche de puits dans les environs de la décharge et de cavités naturelles ouvertes sur la décharge dans lesquelles sont effectués les prélèvements. Treize endroits de prélèvements ont été retenus. Leurs emplacements sont donnés dans la figure 2.

Les analyses retenues sont celles effectuées généralement. Dans le tableau 1, nous donnons la liste des éléments analysés et les normes correspondantes.

L’étude des résultats d’analyse nous a permis de localiser le lixiviat.

Localisation du lixiviat

Pour localiser la zone affectée par le lixiviat, nous étudions les concentrations des ions majeurs tels Na⁺ pour les ions positifs et Cl⁻ pour les ions négatifs contenus dans les eaux des puits à l’extérieur de la décharge et dans les lixiviats prélevés dans les cavités de la décharge. Nous complétons cette étude par une étude de proximité croisée entre la nature du substratum, la localisation des points de prélèvements et l’évolution des teneurs en ions majeurs.

Tableau 1 : Les éléments analysés

Composition ionique des eaux de certains prélèvements déduite d'une application mathématique et positionnement géographique des puits correspondants.

La localisation du lixiviat

Puisque « la concentration en chlorures dans les eaux souterraines proches d'une décharge peut souvent être un indicateur d'une concentration relative en lixiviat de la décharge » (Cartwright in Herndon, 1990), nous comparons les concentrations en sodium (Na) des prélèvements. La comparaison montre deux populations. La première correspond aux prélèvements dans les puits 1 à 6, pour lesquels la teneur en sodium varie entre 100 et 1 160 mg/l. La deuxième correspond aux puits 7 à 13, pour lesquels cette teneur varie entre 4 000 et 14 200 mg/l. De plus, la première population ne contient pas d’ion NH₄⁺, excepté le prélèvement du puits 6.

L’étude de l’équilibre des charges ioniques confirme l’existence de ces deux populations. Dans les figures 3a et 3b sont reportés, en abscisse (respectivement ordonnée), le nombre de charges positives (respectivement négatives) par litre correspondant aux ions Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺ (respectivement Cl⁻, SO₄²⁻, HCO₃⁻). L’équilibre ionique est obtenu quand les nombres de charges positives et négatives sont les mêmes ; il est représenté par la première bissectrice. Il ressort que l’équilibre n’est atteint qu’avec la première population.

La population 2 correspond aux prélèvements sur la décharge (8 à 12) et en bordure mais à l’extérieur de la décharge (7 et 13). Nous expliquons la présence du lixiviat dans ces deux points de prélèvement par l’extension de la décharge, à l’ouest pour le point 7, à l’est pour le point 13, au-delà de la crête délimitant le thalweg qui constitue le site de la décharge.

À l’inverse, les puits 1 à 6, qui constituent la première population, ne sont pas des puits qui reçoivent du lixiviat. Cependant, le puits 6 est le seul à avoir du NH₄⁺ comme ceux de la population 2. Nous proposons une explication à partir de l’analyse du résultat obtenu lors de cycles de vidage par pompage de lixiviat et de remplissage d’un puits de la décharge mixte de Val-Saint-Germain (Millot in Maes, 1990), qui montre que NH₄⁺ est plus « mobile » que Na⁺. Nous expliquons cette « mobilité » par la valeur de a₀ figurant dans la relation de Debye-Hückel sur l’activité des ions en solution. a₀ est assimilable au diamètre de l’ion hydraté. Pour NH₄⁺, a₀ est égal à 2,5 × 10⁻⁸ cm et pour Na⁺, a₀ est compris entre 4,0 et 4,5 × 10⁻⁸ cm (Garrels et al., 1967). Cela signifie que le NH₄⁺ rencontré dans l’eau du puits 6 proviendrait du lixiviat du puits 7 et, par voie de conséquence, qu’il existe une zone à l’extérieur de la décharge où se trouve une partie des ions du lixiviat. Cette zone est dite sous influence du lixiviat.

La zone sous influence du lixiviat

Pour cette étude, nous utilisons l’Analyse en Composantes Principales (ACP) pour établir la proximité mathématique du chimisme des eaux caractérisées par leurs concentrations en ions positifs et prélevées dans les puits 1 à 6, à différents moments. Nous comparons ces proximités avec celles liées au positionnement géographique des puits. L’ACP a été menée sur les ions Na⁺, K⁺ et Ca²⁺; Mg²⁺ est un facteur redondant (figure 4).

La figure 4 montre une évolution du chimisme des eaux des puits 4 vers le puits 1 en passant par les puits 5, 6 et 3, suite à l’augmentation des concentrations en Na⁺ et Ca²⁺ d’une part, une proximité entre les puits 4, 5 et 6 et une entre les puits 1 et 3 d’autre part. Nous analysons ce résultat avec le positionnement géographique des puits décrit dans la figure 2. La figure montre que les puits 1 et 2 sont proches, que les puits 1 et 3 sont éloignés, que le puits 4 est à part, fortement éloigné du puits 5 lequel est proche du puits 6. Excepté les puits 5 et 6, les proximités entre les deux études ne correspondent pas. Les cas des puits 1, 2, 3 s’expliquent pour les puits 1 et 3 par le fait qu’ils sont en bordure de l’oued Tensift qui est l’exutoire de 77 000 m³/j d’eaux usées de Marrakech, dans des terrains limoneux, pour le puits 2 par le fait qu’il se trouve dans un terrain granitique à feldspaths potassiques lui conférant une teneur élevée en potassium (K). Concernant les puits 4, 5 et 6, ils ne sont pas affectés par la nappe de l’oued, en particulier le puits 4 qui est dans la montagne. Suivant la remarque sur la mobilité de l’ion NH₄⁺, nous considérons que les puits 4 et 5 ne sont ni affectés par la décharge, ni par la pollution de l’oued.

Comme les teneurs en Na et Ca du puits 6 sont plus fortes que celles des puits 4 et 5, que du NH₄⁺ est présent dans ce puits, nous concluons qu'il se trouve dans la zone d’influence du lixiviat. Nous résumons ces différentes remarques avec la figure 5.

Étude des lixiviats

Nous montrons que le lixiviat correspond à un milieu réducteur qui évolue dans le temps.

[Tableau 2 : Les concentrations en métaux

Concentration (µg / l)

]

Milieu réducteur et évolution

Les pH et Eh des eaux des différents lixiviats sont reportés dans le diagramme Eh/pH de la figure 6. Ce diagramme décrit l'état d’équilibre de l'eau qui influence les réactions physiques et chimiques des éléments accompagnateurs. Les eaux des lixiviations sont comprises entre des eaux de transition et des eaux isolées de l’atmosphère, excepté les eaux des lixiviations du puits 12 prélevées entre mars et mai. Ces eaux sont à la limite de l’hydrolyse. De plus, si nous complétons le positionnement des Eh-pH par leur date de prélèvement (voir figure 9), nous constatons que les eaux deviennent de plus en plus réductrices avec le temps comme le montre le sens des flèches (figure 6).

Une étude par ACP a été menée sur les ions : SO₄²⁻, NH₄⁺, Ca et HCO₃⁻. Le résultat est décrit par la figure 7. L’inertie des plans V1, V2 est de 79 %. Si nous nous référons aux flèches, nous constatons que SO₄²⁻ décroît dans le temps, à l’inverse de HCO₃⁻ qui augmente. Ceci s'explique par la présence de bactéries sulfato-réductrices qui réduisent SO₄²⁻ et rejettent H₂S et CO₂ (Widdel, 1988). Une partie du gaz carbonique CO₂ se dissout et forme du HCO₃⁻, qui caractérise aussi la biodégradation de la fraction organique lors de la phase de méthanisation (Hamsem, 1983). Ce phénomène n’apparaît pas avec le puits 8 bien que celui-ci soit très près géographiquement. Nous expliquons cette différence par la perméabilité du déchet tassé liée à l’épaisseur de la couche de déchet (figure 8) et à la pluviométrie (figure 9).

Comme l'épaisseur des déchets au regard du point 12 est de –2 m et celle du point 8 de 4 m (figure 8) et que la surface des déchets est plane, cela signifie que la surface du substratum est une surface gauche caractérisée par un dôme au n° 12. De fait, les déchets au niveau du n° 12 sont plus compactés que ceux du n° 8 (figure 10), à cause de la proximité du substratum (zone dure). Cette différence de compactage joue sur la perméabilité de la couche.

Cette explication va servir à l'étude des variations des concentrations des métaux du lixiviat.

Les métaux du lixiviat

Les métaux étudiés sont le fer (Fe), le manganèse (Mn), le zinc (Zn), le cuivre (Cu) et le plomb (Pb). Dans le tableau 2 figurent les valeurs extrêmes des concentrations rencontrées et celles du lixiviat de décharges mixtes en France, pour comparaison.

Zn, Cu et Pb des lixiviats de Marrakech présentent pratiquement les mêmes maximum. Pour les décharges françaises, seuls Zn et Pb ont de fortes valeurs et vont dans le sens du constat d’Assmuth, à savoir que Zn et Pb sont des métaux lessivables tandis que Cu est difficilement extractible (Assmuth, 1992). De plus, les maximums de Cu et Pb des lixiviations de la décharge de Marrakech dépassent largement ceux des décharges mixtes françaises. Nous expliquons les fortes concentrations en cuivre par les déchets des artisans qui se trouvent dans les déchets urbains (Hakkou et al., 2000). Pour le plomb nous avons une autre explication établie sur le cycle saisonnier et la perméabilité du déchet tassé. Nous le montrons à partir…

[Figure 6 : Équilibre de l'eau du lixiviat]

[Figure 7 : Étude des proximités chimiques]

[Figure 8 : L'isoépaisseur des déchets]

[Figure 9 : La pluviométrie]

D’une A.C.P. sur les 3 métaux Fe, Cu et Pb qui suffisent à décrire le positionnement mathématique des concentrations en métaux des prélèvements (figure 11), il ressort que :

• les puits 7 et 13, à l’extérieur de la décharge, ont très peu de Pb ;
• il existe un accroissement du Pb des lixiviations des points de prélèvements situés dans les zones de faible épaisseur ou zone tassée (n° 12) vers ceux des zones de forte épaisseur ou zone peu tassée (n° 9).

Ces remarques s’expliquent par une mobilité plus faible du Pb quand le milieu se réduit. Le milieu est le plus réducteur en fin de période humide, et pour un fort tassement des déchets qui limite la circulation du lixiviat.

L’estimation de la quantité rejetée

Dans le bilan hydrique défini par la relation :

ETR = P + Ed – L

L est la quantité de lixiviat rejetée dont l’estimation est l’objet de cette étude. L correspond au retrait de l’eau gravifique qui s’évacue par percolation en horizon profond. ETR est l’évapotranspiration réelle. Des mesures de ETR ont été effectuées par l’ONEM sur un site que nous considérons comparable.

P est l’apport d’eau gravifique lié aux précipitations. Ed est l’apport de la partie disponible de l’eau provenant des déchets.

L’eau provenant des déchets est pour l’essentiel celle des déchets organiques fermentescibles qui représentent 65 à 70 % en poids des déchets humides et dont l’humidité est de l’ordre de 85 %.

La part disponible est égale à l’eau cellulaire, assimilée à de l’eau gravifique, qui représente 60 % de l’eau totale contenue dans les cellules végétales (Gomarin, 1974) d’une part, et à une partie de l’eau physiologique dont la part s’élève à 20 % d’autre part. Les 20 % restants de l’eau physiologique ne sont mobilisables que dans des conditions d’étuvage et, de fait, ne sont pas disponibles dans les conditions naturelles.

Dans la relation ne figurent pas les échanges latéraux d’eau parce qu’ils sont négligeables.

Nous envisageons trois cas correspondant à trois régalages des déchets entraînant une différence dans la production de lixiviat.

• Premier régalage : passes d’étalement et de compactage des déchets produits annuellement sur toute la décharge. La hauteur de déchets est de 15 cm, établie à partir d’une masse volumique de 1 t/m³ (la masse volumique normale des déchets marocains bruts est de 0,5 t/m³). L’intégralité de l’eau disponible intervient dans la relation du bilan hydrique. La lame d’eau mensuelle Ed est estimée à 61 mm.
• Deuxième régalage : les déchets produits annuellement sont étendus et compactés sur une moitié de la décharge. L’autre moitié, non recouverte, se dessèche.
• Troisième régalage : identique au précédent, sauf que la surface recouverte pendant l’année n’est plus la moitié mais le quart de la décharge.

La hauteur de déchets sur la première moitié est de 60 cm ; la hauteur de l’autre moitié est nulle. Lors du déversement des déchets sur la moitié non recouverte l’année précédente et desséchée, une partie de l’eau gravifique est aspirée par les déchets desséchés afin que l’humidité de la couche inférieure soit égale à 40 % pour permettre une activité bactérienne. La quantité d’eau aspirée est égale à 33 % de l’eau gravifique. Dans ce cas, la lame d’eau mensuelle Ed pour la demi-surface de la décharge est de 91 mm.

Pour le troisième cas, le quart de la décharge reçoit une hauteur de 60 cm de déchets ; la lame d’eau disponible est de 184 mm.

Tableau 3 : Estimations de quantité de lixiviat produit

part et le fort desséchement naturel, la faible pluviométrie d’autre part influent sur la production du lixiviat.

Pour estimer la quantité de lixiviat rejeté nous analysons les 3 cas. Le premier cas est peu probable à cause de la hauteur de déchets qui est de 15 m. Le troisième cas est aussi peu probable à cause de l’équilibre de l'eau du puits 9 qui devrait être plus réductrice que celle analysée. Le cas le plus probable est le deuxième cas à la fois avec la hauteur de déchet et la perte de débit de lixiviat en juillet et août qui modifie l'état d’équilibre de l'eau.

En conséquence, nous estimons la quantité de lixiviat produite annuellement à 15 000 m³, soit 1700 m³/ha/an. À titre de comparaison la quantité moyenne pour les décharges françaises est de 1500 m³/ha/an (TSM, 1990).

Conclusion

La qualité et la quantité du lixiviat sont liées à la forte proportion de matière fermentescible des déchets urbains déversés sur la décharge (65 % en poids humide). La fermentation de cette matière fortement humide associée à la pluviométrie en période humide et au tassement inégal des déchets à cause de la surface gauche du substratum produisent un lixiviat qui a un pouvoir oxydo-réducteur variable.

Eh varie entre +0,5 mV en début de période humide pour tendre vers des potentiels négatifs pouvant atteindre –0,4 mV en fin de période humide, le pH variant entre 6,5 et 7,5. Le lixiviat a des concentrations élevées en Cu et Pb qui peuvent atteindre respectivement 16 500 mg/l pour Cu et 30 500 mg/l pour Pb. Son débit est estimé à 1700 m³/ha/an.

Remerciements à la société REMINEX, ONA Managem (Marrakech) pour la réalisation des analyses ICP-AES et absorption atomique.