Faculté des sciences

Geogenic arsenic in groundwater of Burkina Faso

Bretzler, Anja Maria ; Schirmer, Mario (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2018.

Dans les régions sahéliennes semi-arides d’Afrique de l’Ouest, l’eau souterraine des aquifères fracturés permet de satisfaire les besoins en eau potable des populations rurales. Au nord du Burkina Faso, des études récentes ont montré que l’eau de certains forages contient de l’arsenic (As) à des concentrations supérieures à la norme de 10 μg/L définie par l’Organisation... Plus

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    Résumé
    Dans les régions sahéliennes semi-arides d’Afrique de l’Ouest, l’eau souterraine des aquifères fracturés permet de satisfaire les besoins en eau potable des populations rurales. Au nord du Burkina Faso, des études récentes ont montré que l’eau de certains forages contient de l’arsenic (As) à des concentrations supérieures à la norme de 10 μg/L définie par l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) et également adoptée par le Burkina Faso. Cet arsenic serait d’origine géogénique (c’est-à-dire naturelle) et trouverait en particulier sa source dans des sulfures présents dans les gisements de minerais. L’arsenic a un fort potentiel cancérigène: une exposition à long-terme, même à de faibles concentrations, augmente le risque de cancers des organes internes (poumons, vessie, reins), ainsi que d’autres effets néfastes pour la santé.
    Au Burkina Faso et plus généralement en Afrique de l’Ouest, les données sur la présence d’arsenic géogénique sont extrêmement rares, contrairement à d’autres régions telles que l’Asie ou l’Amérique du Sud, où de nombreuses études ont été effectuées sur ce sujet. Cependant, avant d’évaluer les risques pour la santé humaine et de développer des solutions à grande échelle, il est nécessaire de déterminer les sources, la dynamique et l’ampleur de la contamination des eaux souterraines à l’arsenic. Cette thèse a pour but de répondre à ces questions en étudiant: 1. quelles sont les régions du Burkina Faso où le risque de contamination des eaux souterraines à l’arsenic est élevé; 2. comment la concentration en arsenic est influencée par des paramètres temporels tels que le temps de résidence des eaux souterraines et la saisonnalité; 3. la faisabilité des technologies de traitement basées sur l’élimination de l’arsenic par oxydation du fer à valence zéro, simples et peu coûteuses.
    Une base de données compilant 1’498 mesures d’échantillons d’eau, anciennes et nouvelles, provenant de forages de diverses régions du Burkina Faso montre que dans 15% des forages, la concentration en arsenic est supérieure à 10 μg/L. Ces données ont été utilisées comme points de calibration, et les cartes géologiques et minières existantes comme variables indépendantes d’une régression logistique multivariée. Cette modélisation a permis la création de cartes de prédiction de la présence d’arsenic dans les eaux souterraines. Les meilleurs prédicteurs d’une haute concentration d’arsenic dans l’eau souterraine sont les schistes et les roches volcaniques de la formation birimienne, qui ont subi une minéralisation importante, se développant ainsi en gisements de minerais de haute qualité. Les cartes de risques ainsi obtenues, couplées aux données sur la densité de population, nous permettent d’estimer qu’environ 560'000 personnes au Burkina Faso (soit 3% de la population) sont exposées au risque de consommer de l’eau pouvant contenir une concentration d’arsenic supérieure à 10 μg/L.
    Les mesures réalisées ont montré une grande variabilité spatiale de la concentration en arsenic dans les eaux de forages. C’est la raison pour laquelle des recherches supplémentaires concernant les origines, les mécanismes de libération de l’arsenic et l’influence des systèmes hydrologiques ont été nécessaires. Une campagne d’échantillonnage hydrochimique et de traçage avec des gaz nobles (3H, 2H, 18O) a été réalisée dans une zone d’étude (~80 km2) au sud-ouest du pays. Ce tout premier jeu de données de gaz nobles dissous dans les aquifères en milieu fracturé dans le socle cristallin de l’Afrique occidentale a permis de montrer qu’à des profondeurs inférieures à 50 m, il existe des eaux souterraines ayant un temps de résidence supérieur à 1000 ans, correspondant à des rapports isotopiques d’hélium (3He/4He) d’environ 10-8. Cette découverte inattendue met en question la durabilité des ressources en eau souterraine dans un contexte d’augmentation rapide de la population. Les concentrations élevées en arsenic (> 10 μg/L) détectées dans les eaux souterraines où des conditions oxiques et de pH neutre prédominent ne sont liées à aucun autre paramètre hydrochimique mesuré ni au temps de résidence. Cela renforce l’hypothèse que la proximité de sulfures (Fe(As,S)2, FeAsS) dans les zones minéralisées est probablement le principal facteur influençant les concentrations en arsenic dans les eaux souterraines. Cependant, les mécanismes exacts engendrant la concentration excessive aqueuse d’arsenic sous ces conditions de E-pH ne sont pas encore bien connus et demandent davantage de recherche.
    Lorsqu’il est impossible de s’approvisionner à une source d’eau non contaminée à l’arsenic, le traitement de l’eau est nécessaire. Un essai pilote sur le terrain avec des filtres à sables contenant des clous en fer comme source d’oxyde de fer pour l’adsorption et la co-précipitation de l’arsenic a été mené dans une zone rurale au nord du Burkina Faso où les concentrations en arsenic dans l’eau souterraine oscillaient entre 400 et 1350 μg/L. Parallèlement, des essais en colonnes au laboratoire ont révélé que l’air piégé dans la couche de clous peut drastiquement réduire le rendement d’élimination de l’arsenic dans les filtres, à cause de la diminution du temps de contact entre l’eau et les clous et des écoulements préférentiels. Grâce à une modification des filtres sur le terrain, une saturation en eau de la zone des clous a pu être obtenue et les rendements d’élimination de l’arsenic ont ainsi atteint 75 à 90%. Cependant, dans la majorité des cas, l’eau traitée gardait une concentration en arsenic supérieure à 50 μg/L, ce qui n’est pas conforme aux normes de potabilité de l’eau. Ces filtres peuvent donc s’avérer efficaces pour traiter l’arsenic lorsque les concentrations en entrée sont relativement basses (10 – 100 μg/L). Ils pourraient également être employés comme une solution d’urgence pour diminuer l’exposition totale à l’arsenic. Le remplacement des clous en fer par de l’hydroxyde ferrique granulaire (GEH) a permis d’obtenir une concentration en arsenic dans l’eau traitée systématiquement inférieure à 10 μg/L. La construction d’un filtre avec ce type de média adsorbant industriel est néanmoins limitée par son coût élevé et son manque de disponibilité sur le marché local, menaçant ainsi la durabilité et de viabilité financière à long terme de cette solution dans les pays à bas revenus.
    La présente thèse a visé à caractériser la présence géogénique de l’arsenic dans les eaux souterraines du Burkina Faso et à mieux comprendre le fonctionnement des aquifères fracturés soumis à cette contamination. Les résultats obtenus sont utiles pour d’autres régions d’Afrique occidentale ayant des conditions géologiques et hydrogéologiques similaires à celles du Burkina Faso. Un demi-million de personnes sont à risque de consommer de l’eau contaminée à l’arsenic à une concentration supérieure à 10 μg/L : cette première estimation devrait inciter le lancement de nouveaux travaux de recherches scientifiques mais également encourager les acteurs de la santé, de l’approvisionnement en eau potable et du développement rural à s’impliquer pour la mise en œuvre de solutions de traitement. Vu les conséquences sociales et économiques liées à l’empoisonnement chronique par l’arsenic, réduire l’exposition à ce poison représente un investissement important dans la santé et la productivité des générations futures.
    Summary
    In the semi-arid West African Sahel belt, rural populations often rely on groundwater from fractured aquifer systems for their drinking water needs. Recent evidence has shown that some tube wells in northern Burkina Faso are affected by arsenic (As) concentrations above the World Health Organisation’s (WHO) 10 μg/L guideline value. Arsenic is hypothesised to stem from geogenic (naturally occurring) sources, specifically sulphide minerals occurring in ore zones. Arsenic is a potent carcinogen and long-term exposure even to low concentrations can lead to greatly increased risks of developing cancers of the internal organs (lung, bladder, kidney), as well as a range of other serious adverse health effects.
    Compared to the widely reported and intensely studied cases of geogenic As in Asia and Latin America, Burkina Faso and the greater West African region are noticeably data-scarce. However, before risks to human health can be assessed and mitigation measures initiated on a large scale, a comprehensive assessment of the origins, dynamics and magnitude of groundwater As contamination is necessary. This dissertation aims to contribute to these issues by investigating i) which regions in Burkina Faso are most at risk of As-contaminated groundwater, ii) whether temporal aspects such as groundwater residence time and seasonality influence As concentrations and iii) the suitability of low-cost, low-tech zero-valent iron-based technologies for As removal.
    A comprehensive dataset encompassing both new and existing measurements of tube well As concentrations from different regions of Burkina Faso (n = 1498) revealed that 15% were above 10 μg/L. By using these measurements for calibration, as well as data extracted from readily available geological and mineral deposit maps as independent predictor variables, As prediction models were computed using multivariate logistic regression. The best predictors for high As were schists and volcanic rocks belonging to the Birimian formation, which has undergone considerable mineralisation resulting in high-class metal ore deposits. Combining the resulting hazard maps with population density data led to the estimation that ~560,000 people in Burkina Faso, roughly 3% of the population, are potentially exposed to As > 10 μg/L in their drinking water.
    The high spatial variability in tube well As concentrations observed in the above-mentioned dataset highlighted the need for a more detailed investigation regarding As sources and release mechanisms, as well as the influence of the hydrological system on As concentrations. Hydrochemical and multi-tracer (noble gases, 3H, 2H, 18O) sampling was performed in a small study area (~80 km2) in South-Western Burkina Faso. This first dataset of dissolved noble gases in West African fractured crystalline bedrock aquifers gave the unexpected insight that groundwater bodies with residence times > 103 a can already be found at depths less than <50 m, as suggested by 3He/4He ratios of ~10-8. This finding questions the sustainability of future increasing groundwater extraction in light of a rapidly growing population. Elevated As concentrations > 10 μg/L, found in oxic groundwater of circum-neutral pH, were not correlated to any other analysed parameter, nor related to groundwater residence times. This corroborates the hypothesis that the proximity to sulphide minerals (Fe(As,S)2, FeAsS) in mineralised zones is likely the principal factor influencing As concentrations in groundwater. Nevertheless, the exact mechanisms controlling excess aqueous As concentrations under these pH/Eh conditions remain elusive and require further investigation.
    Where switching to an uncontaminated water source is not feasible, water treatment to remove As is necessary. Sand filters with small iron nails as a Fe-oxide source for As sorption and co-precipitation were tested in remote rural households in northern Burkina Faso with groundwater As concentrations of 400 – 1350 μg/L. Laboratory column experiments revealed that entrapped air in the nail layer can severely lower As removal efficiency due to decreased water/nail contact time and preferential flow paths. Modification of the field filters to avoid these issues and ensure constant nail saturation resulted in As removal efficiencies of 75 – 90 %, but effluent As still remained mostly > 50 μg/L, therefore not adhering to drinking water guidelines. These filters may be suitable to remove As when input concentrations are lower (10 – 100 μg/L), or as an emergency measure to lower total As exposure. A household filter containing granular ferric hydroxide (GEH® consistently removed As to below 10 μg/L. Such commercial adsorbents however are expensive and not locally available, leading to challenges of affordability and long-term financial sustainability in these low-income settings.
    This dissertation has exposed the widespread occurrence of geogenic As in groundwater of Burkina Faso and advanced understanding of As-affected fractured aquifer systems. These results are relevant to the greater West African region, where similar geological and hydrogeological conditions occur. A first estimation of more than half a million people exposed to As > 10 μg/L in Burkina Faso alone should spur the initiation of further scientific research, as well as mitigation activities involving stakeholders from the health, water supply and rural development sectors. Considering the social and economic burden induced by As-related mortality, reducing As exposure is an investment in future generation’s health and productivity.