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Caractérisation de sites de tir à l'arme légère militaires canadiens, enlèvement des métaux et suivi hydrogéologique des contaminants.

Laporte-Saumure, Mathieu (2010). Caractérisation de sites de tir à l'arme légère militaires canadiens, enlèvement des métaux et suivi hydrogéologique des contaminants. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 251 p.

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Résumé

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Cette thèse se concentre sur l'étude de sites de tir à l'arme légère militaires canadiens. Il existe un grand nombre de sites de tir à l'arme légère dans les différentes bases militaires à travers le canada, qui sont utilisés par les militaires pour les exercices de tir au petit calibre (arme légère). Dans ces sites de tir, les balles se concentrent dans des buttes d'arrêt, situées derrière les cibles. Les balles utilisées étant composées d'un coeur en alliage de plomb (Pb) et antimoine (Sb), et d'un revêtement externe en alliage de cuivre (Cu) et zinc (Zn), les sols des buttes contiennent des concentrations très élevées en ces métaux. L'étude se divise en trois principaux aspects: (1) la caractérisation de la contamination des sols des buttes d'arrêt et la disponibilité des métaux; (2) la réalisation d'essais de traitement physico-chimique pour l'enlèvement des métaux; et (3) un suivi hydrogéologique des contaminants par une évaluation de la qualité de l'eau interstitielle dans la zone non-saturée sous une butte de tir en opération, et dans une butte de tir expérimentale. Les sols des buttes d'arrêt de sites de tir à l'arme légère provenant de quatre Bases des Forces Canadiennes (BFC) soit les BFC Wainwright (Alberta), Shilo (Manitoba), Valcartier (Québec) et Gagetown (Nouveau-Brunswick) ont été caractérisés selon différents aspects: les concentrations des sols en Cu, Pb, Sb et Zn, la distribution granulométrique, leur minéralogie, la distribution verticale en profondeur de la contamination (BFC Valcartier), et une caractérisation au microscope électronique à balayage (SEM-EDS). La disponibilité des métaux dans les sols a également été évaluée à l'aide de trois tests de lixiviation: le toxicity characteristics leaching procedure (TCLP), qui représente le lixiviat d'un site d'enfouissement sanitaire; le synthetic precipitation leaching procedure (SPLP) qui représente des conditions de terrain; et le test de simulation du suc gastrique (TSSG), qui représente le lixiviat de l'estomac humain au cours du processus de digestion, donc le transfert potentiel de métaux dans l'organisme en cas d'ingestion de sols. Les concentrations en métaux des sols totaux des différentes buttes de tir atteignent 27 100 mg Pb/kg, de 7 720 mg/kg Cu/kg, de 1080 mg Zn/kg et de 570 mg Sb /kg. Les résultats de l'échantillonnage des sols en profondeur (0 à 90 cm) démontrent que la contamination se concentre principalement dans les 30 premiers cm sous la surface pour le Pb et le Cu, et dans les 15 premiers cm dans le cas du Sb et du Zn. L'étude des sols au SEM-EDS a montré la présence de quantités significatives de carbonates de Pb résultant de l'altération des particules initiales de Pb métallique. L'évaluation de la disponibilité des métaux à l'aide des tests de lixiviation a démontré que les critères du TCLP pour le Pb et le Sb ont été dépassés. Pour le SPLP et le TSSG, les critères de l'eau potable du Ministère du Développement durable, de l'Environnement et des Parcs du Québec (MDDEP) ont été dépassés pour le Pb et le Sb. La caractérisation de la disponibilité des métaux montre que les buttes d'arrêt des sites de tir à l'arme légère posent un risque potentiel pour l'environnement, l'eau souterraine et les humains; et a des conséquences sur la gestion de ces sols dans le but de minimiser la dispersion potentielle des métaux dans l'environnement. Pour les essais de traitement physico-chimiques des sols, deux filières de traitement (FT-1 et FT-2) ont été évaluées. La FT-1 consiste en des essais de jig et de table de Wilfley (TW) respectivement sur les fractions granulométriques (FG) 0,5-3 mm et 53-500 µm, des essais de lixiviation chimique sur la FG <53 µm. La FT-2 a consisté en des essais de jig sur la FG 1-4 mm, de spirale et de TW sur la FG 250 µm-1 mm, et enfin des essais de Kelsey jig sur la FG <250 µm. L'objectif des essais de traitement était l'atteinte du critère commercial C du MDDEP, ou de façon plus réaliste d'atteindre des concentrations inférieures au critère de l'enfouissement D du MDDEP. Pour les deux FT, les FG non-traitées (>3 mm pour la FT-1 et >4 mm pour la FT-2), ainsi que les concentrés de séparation gravimétrique pourraient être recyclés dans des fonderies. Les résultats montrent que les FG fines ont été très difficiles à traiter. Même avec des proportions massiques de métaux enlevées atteignant 78% pour le Pb, les concentrations dans la FG <53 µm étaient encore très élevées suite à la lixiviation chimique. Le Kelsey jig sur la FG <250 µm a montré des résultats des proportions d'enlèvement massiques des métaux décevantes, atteignant 47% pour le Pb. Pour les deux FT, le jig et la TW, les proportions massiques de métaux enlevées ont atteint 98% pour le Pb, alors que jusqu'à 77% de la masse initiale des FG respectives a été traitée. Les calculs de l'efficacité de tout le procédé dans les sols traités ont démontré que la FT-1 a permis de traiter 65% de la masse initiale de sol contaminé et la FT-2, 36%. Les FT 1 et 2 ont démontré que la TW a été efficace pour traiter des sols de FG variant de 53 µm à 1 mm, et jig pour les sols de FG variant de 1-4 mm. Les essais de traitement ont démontré que les techniques de concentration gravimétrique sont prometteuses pour le traitement des sols des buttes; et que d'avantage de recherches devraient être faites concernant le traitement des FG inférieures à 53 µm. Pour l'étude de la qualité de l'eau interstitielle dans la zone non-saturée, des instruments d'échantillonnage (lysimètres cylindriques de Teflon®) et de mesure de l'infiltration (lysimètres passifs) ont été installés sur deux sites de la BFC Valcartier: la butte d'arrêt du site de tir en opération Nicosie et une butte de tir expérimentale, construite avec du sable propre dans laquelle 2 000 balles ont été tirées. Dans la zone non-saturée des buttes Nicosie et expérimentale, trois lysimètres cylindriques et deux lysimètres passifs ont été installés. Les concentrations en métaux de l'eau interstitielle étaient sous les critères pour l'eau potable du MDDEP pour le Cu et le Zn, tandis que les concentrations en Pb et Sb étaient supérieures aux critères dans de nombreux cas; ce qui indiquerait une migration verticale de ces métaux dans la zone non-saturée. Les résultats pour la butte expérimentale montraient la présence de concentrations en Pb et en Sb supérieures critères pour l'eau potable du MDDEP après 6 mois, ce qui indique que ces métaux sont rapidement disponibles dans l'eau interstitielle. Les concentrations des métaux observées dans l'eau interstitielle, en ordre croissant, était Zn>Sb>Pb>Cu pour la butte en opération de Nicosie et Pb>Sb>Cu>Zn pour la butte expérimentale, qui indiquerait une augmentation des concentrations en Zn avec le temps. Les taux de dissolution annuels de métaux calculés pour les essais ont démontré que seulement une petite portion des métaux des sols étaient solubilisés dans la zone non-saturée et que les métaux étaient une source potentielle de pollution pour une très longue période de temps; ce qui souligne l'importance de trouver des façons de réhabiliter les sols des butte d'arrêt des sites de tir à l'arme légère, ou de trouver des façons de limiter la mobilité potentielle des métaux. De la modélisation de l'équilibre chimique a été faite sur trois échantillons d'eau interstitielle de la butte Nicosie dans le but d'établir la spéciation aqueuse des métaux, et démontre que ces derniers étaient principalement sous forme de Pb2+, de Cu2+ et de Zn2+, avec de petites quantités de complexes de sulfates et d'hydroxydes solubles de Pb, Cu et Zn. Le Sb était sous forme de Sb03 -. Le pH de l'eau interstitielle s'est montré un paramètre qui a influencé de façon très importante la spéciation aqueuse du Pb, Cu et du Zn.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Martel, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mercier, Guy
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: sol; environnement; métaux; granulométrie; lixiviation; sites de tir; arme légère; hydrogéologie; contaminant
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 07 nov. 2013 22:00
Dernière modification: 23 nov. 2015 20:02
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1721

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