Application d'une méthode d'analyse du cycle de vie dynamique pour l'évaluation de l'impact toxique des métaux

Dans la société actuelle, l'impact toxique des substances chimiques sur la santé humaine et l'environnement est de plus en plus marqué. La complexité des mécanismes d'action des divers contaminants fait qu'il est difficile de relier les sources de pollution liées aux activités humaines et les dommages observés sur les individus et les écosystèmes, d'autant plus que ceux-ci peuvent se produire à court ou à long terme. L'analyse du cycle de vie fait partie des outils reconnus permettant d'évaluer les impacts potentiels de produits ou services. En ce qui concerne les impacts écotoxiques sur les milieux aquatiques, l'ACV s'efforce de caractériser l'effet des composés chimiques relâchés dans l'environnement en tenant compte de leur devenir et de l'exposition des différents organismes au moyen d'un facteur de caractérisation. L'écotoxicité s'avère être une catégorie de dommages particulièrement sensible aux aspects temporels, car les modes d'émissions de polluants sont très variables et leur devenir dans l'environnement dépend de phénomènes physico-chimiques dynamiques. Cependant, les modèles actuels supposent des régimes permanents. Alors que l'impact toxique des substances augmente au cours du temps à cause de leur persistance dans l'environnement, seule la valeur finale de l'impact, correspondant à une intégration pour un horizon de temps infini, est connue. Les métaux dont la durée de vie est quasi infinie obtiennent des facteurs de caractérisation très élevés qui paraissent disproportionnés par rapport à ceux obtenus pour les composés organiques. Plusieurs travaux visent actuellement à réduire les incertitudes reliées à la variabilité temporelle en ACV, qu'il s'agisse de la phase d'inventaire des émissions ou de la phase de caractérisation. L'objectif de ce mémoire est de développer une méthode d'ACV dynamique pour l'évaluation de l'impact des métaux sur l'écosystème aquatique en ÉICV. Pour cela, de nouveaux facteurs de caractérisation dépendants du temps ont été calculés et permettent d'obtenir la distribution temporelle des impacts. La spéciation des métaux et la régionalisation ont été prises en compte dans les calculs afin de discuter de leur influence sur l'ampleur, mais aussi sur le profil, des impacts. L'étude de cas de la fertilisation à l'oxyde de zinc pour l'agriculture vise à montrer que l'adoption d'une méthodologie d'ACV dynamique apporte de nouvelles informations pertinentes pour l'interprétation des impacts. La comparaison entre ACV dynamique et ACV traditionnelle permet de mettre en évidence l'influence des aspects temporels pour la prise de décisions. vi Dans un premier temps, des facteurs de caractérisation dynamiques ont été estimés pour 18 métaux (Ag, As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Tl, V et Zn) en introduisant la variable temporelle dans la modélisation du devenir des substances. Les facteurs d'exposition et d'effet ont été considérés comme constants au cours du temps. Le modèle multimédia USEtox a été utilisé afin d'effectuer un bilan de masse sur l'environnement après une émission de 1 kg de chaque métal. Un système d'équations différentielles a ainsi été établi puis résolu en régime dynamique et non plus en régime permanent. La région d'émission, la dissolution et la spéciation qui sont des aspects déterminants pour le devenir des métaux sont pris en compte. Pour cela, un modèle régionalisé de USEtox, des cinétiques de dissolution et différents archétypes d'eau ont été considérés. Deux types de facteurs de caractérisation ont été obtenus : un facteur de caractérisation instantané correspondant à l'impact au temps t écoulé depuis l'émission et un facteur de caractérisation cumulatif correspondant à l'impact total cumulé entre les temps 0 et t. L'étude de cas de la fertilisation à l'oxyde de zinc pour la culture du maïs comprend les étapes de production, de transport et d'épandage de l'engrais. L'évaluation dynamique des impacts écotoxiques causés par les émissions de zinc repose sur la désagrégation de l'inventaire, (répartition des émissions en fonction du temps) et la caractérisation dynamique (utilisation des nouveaux facteurs de caractérisation dépendants du temps). Ces deux étapes ont permis d'obtenir la distribution des impacts du zinc au cours du temps. L'analyse des facteurs de caractérisation dynamiques révèle que le devenir des métaux dépend du compartiment d'émission (air, eau douce, mer ou sol ) et de la nature du métal. Ces deux paramètres influencent aussi bien la quantité maximale de contaminants présente dans le milieu aquatique que leur persistance. Pour des horizons de temps très élevés, les facteurs de caractérisation dynamiques et traditionnels sont égaux ce qui démontre la validité de la méthodologie. Le temps nécessaire pour que les valeurs des facteurs de caractérisation dynamiques convergent vers leur valeur non dynamique dépasse plusieurs centaines voire milliers d'années pour tous les métaux. Neuf métaux seulement produisent plus de la moitié de leur impact dans les 100 premières années suivant l'émission. La distribution des impacts en fonction du temps est significativement influencée par la région d'émission des métaux et en moindre mesure par la spéciation. Les impacts se produisent plus rapidement dans les pays caractérisés par des temps de résidence dans l'eau courts tels que le Brésil. Les résultats de l'étude de cas confirment que l'horizon de temps considéré dans une ACV est décisif. Seuls 4% des vii impacts ont lieu une fois la durée totale du traitement au zinc écoulée, soit 20 ans. Leur totalité n'est atteinte qu'après 1400 ans. Le profil temporel des impacts change avec la fréquence d'épandage et la prise en compte ou non de la dissolution de l'oxyde de zinc, qui est un composé très peu soluble. La démarche traditionnelle provoque une surestimation des impacts pour des horizons de temps courts. L'approche dynamique permet, quant à elle, de fournir des résultats de caractérisation cohérents avec la perspective temporelle choisie par l'utilisateur tout en lui apportant des informations supplémentaires concernant l'intensité et l'étendue des impacts. Une des limites de la mise en pratique de l'approche dynamique est qu'elle demande un grand nombre de données, telles que les fréquences et les formes d'émission ou la connaissance de cinétiques de dissolution. Néanmoins, l'ensemble de ce travail confirme l'intérêt d'une telle démarche qui s'était auparavant avérée concluante pour l'évaluation des impacts sur le réchauffement climatique. Pour la catégorie d'impact de l'écotoxicité aquatique, elle parait particulièrement appropriée pour l'étude des systèmes comportant à la fois des composés organiques et des métaux. Finalement, son application pourrait facilement être envisagée pour d'autres catégories de dommages dont la caractérisation est fortement influencée par les phénomènes dynamiques de l'environnement.

Abstract

Nowadays, toxic impact of chemicals on human health and environment are more and more pronounced. Chemical mechanisms are so complicated that both environmental damages and human diseases are not easily related to the origins of pollution due to human activities. Moreover, impacts may occur in short terms as much as in long terms. Life cycle analysis is a recognized tool to assess potential impact of products and services. Regarding impacts on aquatic ecosystems, LCA resorts to a characterization factor which act as an indicator of the effect of chemical compounds released into the environment, with considering fate and exposition. Category of aquatic ecotoxicity is particularly sensitive to temporal aspects on account of the variability of emissions patterns and because fate depends on dynamic processes. However current physico-chemical models are performed under steady state assumption. Even though toxic impact of persistent contaminants increases over time, only the final value of the impact for infinite time horizon is known. Metal which are long-lived compounds get disproportionately high characterization factors compared to organic ones. Reseachers are undergoing efforts to reduce temporal variability in both inventory and characterization phase. The aim of this essay is to develop a dynamic LCA methodology to assess metal impact on aquatic ecotoxicity. New time dependant characterization factors have been calculated to provide the distribution of impact over time. Metals speciation and region of emissions have been taken into account in order to point out their influence on the intensity but also on the time extent of the impacts. A case study of fertilization by zinc oxide for agricultural purpose has been carried out to highlight relevant temporal information for the interpretation of results brought by dynamic LCA. Comparison between dynamic LCA and traditional LCA put in evidence the importance of considering time in decision making. First, dynamic characterization factors have been assessed for 18 metals (Ag, As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Tl, V et Zn) introducing time in fate calculations. Exposition factors and effect factors are assumed as constant variables. Mass balances of chemicals after 1 kg emission in the environment are based on the USEtox multimedia model. The subsequent differential system of equations has been dynamically solved instead of using steady state assumption. Parametrized version of USEtox and use of kinetic laws of dissolution and water archetypes accounts respectively for region of emission, dissolution phenomenon and speciation ix which are determining fate parameters. Two types of characterization factors are obtained : an instantaneous CF providing the impact of metals at the time “t” following a pulse emission and a cumulative CF providing the total time-integrated impact since the pulse emission occurred. Case study of zinc oxide fertilization includes production, transport and spreading of the fertilizer. Dynamic assessment of zinc ecotoxic impact is based on inventory temporal disaggregation and time-dependent characterization. Characterization factors analysis reveals that fate of metals depends on the compartment of emission (air, freshwater, sea and soil) and on metal itself. Maximal mass reaching freshwater compartment and persistence time are particularly influenced by these two variables. Dynamic methodology is validated as dynamic and traditional characterization factors are equivalent after very long time horizons. Dynamic values of characterization factors needs hundreds of years to converge toward non dynamic ones. Only 9 metals produce more than the half of their total impact on the first 100 years that follow the emission. The path of each metal impacts is strongly correlated with the region of emission and in lesser extent with metal speciation. Impacts quickly occur in countries with short residence time of water such as Brasil. Case study results confirm that time horizon is a LCA determining parameter. Actually, only 4% of total impact take place within a time horizon of 20 years which corresponds to the total duration of zinc oxide treatment. 1400 years are required to complete the totality of the zinc impact. Change in spreading rate but also choice of kinetic laws for dissolution of zinc oxide which is a sparingly soluble fertilizer significantly modify distribution of the impacts. Traditional LCA approach involves the overestimation of impacts for short time horizons. On the contrary, dynamic LCA approach provides exhaustive characterization results which are consistent with the selected time perspective of each users. Implementation of dynamic LCA is currently restricted as it requires a high number of data, such as rate and form of emissions or kinetic law of dissolution. In addition to previous research concerning global warming impact assessment, this project confirm how relevant is the dynamic methodology. In the case of category of aquatic ecotoxicity, consideration of temporal aspects improve comparison between metallic and organic compounds. Eventually, dynamic LCA could be easily applied to other categories of impact which characterization is highly influenced by dynamic processes of the environment.