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Développement d'un procédé de traitement des sols d'une butte d'arrêt de tir à l'arme légère contaminés à l'antimoine, au cuivre, au plomb et au zinc.

Lafond, Stéphanie (2012). Développement d'un procédé de traitement des sols d'une butte d'arrêt de tir à l'arme légère contaminés à l'antimoine, au cuivre, au plomb et au zinc. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 320 p.

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Résumé

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L'armée canadienne possède de nombreux champs de tir de petit calibre situés dans différentes bases militaires dispersées à travers le Canada. Les projectiles utilisés lors des entraînements à ces différents sites de tir sont principalement composés dans leur partie interne de Pb (>90%) et d'un alliage de Pb-Sb (<5%). Le revêtement extérieur des balles est pour sa part composé d'alliage de Cu-Zn (<5%). Conséquemment, une problématique de contamination en Cu, Pb, Sb et Zn est associée à ce type d'installation. la contamination en métaux est principalement concentrée au sein des buttes d'arrêt constituant la zone d'impact des projectiles lors des exercices de tir. la règlementation environnementale a encouragé le développement de nouvelles technologies de traitement pour la décontamination des sols: le développement de nouvelles techniques a été principalement concentré sur des sols contaminés avec les polluants organiques. Peu de technologies innovatrices ont été développées et appliquées à l'échelle commerciale pour la remédiation des sols chargés de métaux. les métaux peuvent être enlevés par des méthodes physiques (dimension particulaire, séparation par gravité, flottation) ou des méthodes chimiques impliquant l'application de solutions de lixiviation appropriées au sol contaminé. L'objectif de cette recherche est de développer un procédé de décontamination de la fraction fine (<250 µm) des sols contaminés au Cu, Pb, Sb et Zn qui soit simple et peu coûteux. la caractérisation des sols pollués d'une butte d'arrêt de tir à l'arme légère a permis de déterminer les teneurs (mg/kg) des différents éléments constituants les sols de 0-20 cm et de déterminer les pourcentages de carbone organique et inorganique ainsi que la surface spécifique et la granulométrie des sols. Cette caractérisation a aussi permis de déterminer certaines caractéristiques des sols tels que la capacité d'échange cationique (CEC), le pH, la teneur en matière organique et les proportions d'argile, de silt et de sable. les résultats de cette caractérisation incluent aussi les teneurs en métaux dans les différentes fractions granulométriques, la répartition massique des différentes fractions granulométriques et les teneurs en métaux en fonction de la profondeur. les résultats des tests TClP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure) et SPLP (Synthetic Precipitation Leaching Procedure) ont montré que les concentrations obtenues suite au test TCLP sont plus élevées que dans le cas du SPLP avec des valeurs de 10,8 mg Cu/L, 637 mg Pb/L, 4,56 mg Sb/L et 3,51 mg Zn/L. Une valeur limite de 5 mg/L (USEPA) sert de référence pour le Pb. Pour le SPLP, les concentrations en Cu, Pb, Sb et Zn varient de 1,53 à 4,27 mg/L. D'après les résultats de ces tests, les risques de lixiviation sont très élevés en ce qui concerne le Pb particulièrement. Pour le Sb le risque semble plus faible mais n'est pas pour autant négligeable. Les résultats aux tests TSSG (Test de Simulation des Sucs Gastriques), pour leur part, démontrent que d'importantes quantités de Pb et de Cu peuvent être transférées dans l'organisme humain via l'estomac si des particules fines du sol des buttes d'arrêt étaient absorbées par le personnel de la base militaire. Il faut donc que des précautions soient prises à cet effet lors de la manipulation de ces sols, tel que l'utilisation de masques adéquats. Afin de sélectionner un réactif de lixiviation pour l'extraction du Sb et des autres métaux de la fraction fine des sols de buttes de tir, des essais de lixiviation ont été réalisés à l'aide de 20 g de sols (fraction <125 µm), 1M de différentes solutions (CH3COOH, HCI, H2S04 + NaCl, H2S04, H2S04 + H202 et EDTA) et d'eau dans un volume total de 200 mL. Les résultats obtenus ont montré que parmi les conditions les plus efficaces, la combinaison H2S04 + NaCI semble se démarquer légèrement. Il a donc été décidé que le H2S04 + NaCI était la combinaison d'extractants à utiliser pour l'ensemble des essais. Plusieurs essais ont été réalisés pour optimiser la concentration des réactifs, la densité de pulpe, le temps, la température et le nombre d'étapes d'extraction et de rinçage. Il en ressort que des concentrations de 1M H2S04 et 4M NaCI sont les conditions optimales pour la lixiviation des métaux. Pour sa part, la densité de pulpe (DP) optimale est de 10%. Un temps de réaction d'une heure est suffisant pour la solubilisation de la plupart des métaux. Une température élevée (T = 80°C) a favorisé la solubilisation mais les coûts associés à cette option' sont trop élevés pour l'envisager. Cinq étapes de lixiviation suivies de deux étapes de rinçage permettent de solubiliser une plus grande quantité de métaux qu'une seule étape de lixiviation. Afin de mettre au point une filière de récupération du Sb et des autres métaux solubilisés par voie chimique (précipitation/co-précipitation), des essais furent réalisés à l'aide de NaOH et Ca(OH)2. les résultats ont montré que les quatre métaux à l'étude sont éliminés par précipitation, soit à 95,3% pour Cu, 99,3% pour Pb, 99% pour Sb et 99,1% pour Zn, à pH 8, à l'aide de NaOH (200 g/L). Avec le Ca(OH)2, les taux d'enlèvement sont encore plus élevés mais la trop grande quantité de boues produites rend les coûts de disposition trop élevés pour envisager cette option. Les résultats concernant la précipitation du Sb ont aussi montré que celui-ci co-précipiterait avec le Fe, le Pb ou les deux, contenus dans les lixiviats. Deux procédés de lixiviation sans et avec traitement des lixiviats ont ensuite été réalisés dans le but d'économiser l'eau et les réactifs utilisés. Dans un premier temps, un procédé de lixiviation à contre-courant sans traitement des Iixiviats fut réalisé, en dix cycles (1M H2S04 et 4M NaCl, DP=1O%, T=20°C, volume final=200 mL, cinq lixiviations (1 h) et deux rinçages (1 h)). Dans un deuxième temps, un procédé de lixiviation à contre-courant avec traitement des lixiviats par précipitation avec NaOH à pH 2, fut réalisé, en sept cycles (10 lots de sol) (1M H2S04 et 4M NaCl, DP=10%, T=20°C, volume final=2 L, trois lixiviations (1 h) et un rinçage (1 h)). Les résultats du procédé de lixiviation à contre-courant sans traitement des lixiviats ont montré des moyennes d'enlèvement de 98,3% pour Cu, 99,5% pour Pb, 75,5% pour Sb et 29,1% pour Zn. les performances du procédé en termes d'enlèvement des métaux n'ont pas diminué au cours des dix cycles du procédé. Ce procédé réduit la consommation d'acide et de sels d'approximativement 68% ainsi que la consommation d'eau de 60%, en comparaison à un procédé standard sans recyclage des lixiviats. Les résultats du procédé de lixiviation à contrecourant avec traitement des lixiviats ont montré des moyennes d'enlèvement de 93,2% pour Cu, 91,5% pour Pb, 82,2% pour Sb et 30% pour Zn. Ce procédé réduit la consommation d'acide et de sels d'approximativement 69% ainsi que la consommation d'eau de 78%, en comparaison à un procédé standard sans recyclage des lixiviats. Suite à l'étude du procédé à contre-courant sans et avec traitement des lixiviats, il a été possible de préparer un bilan massique complet des filières technologiques les plus prometteuses et réaliser une étude technico-économique de ces filières. Le procédé retenu pour la réalisation de l'étude économique comporte trois étapes de lixiviation (O,25M H2S04 + 4M NaCl, DP = 10%, t = 1 h, T = 20°C) et deux étapes de rinçage (DP = 10%, t = 5 min, T = 20°C), en 10 cycles, avec traitement des lixiviats par précipitation avec NaOH (200 g/L), à pH 2. Les résultats de l'analyse économique ont montré que le bilan d'exploitation de ce procédé incluant trois étapes de lixiviation, deux étapes de rinçage et la récupération des lixiviats par précipitation, à pH 2 avec NaOH, a permis d'établir les coûts globaux du procédé qui sont de l'ordre de 200 $/t. Pour évaluer le niveau de contamination de l'eau de la zone non-saturée et de la nappe phréatique ainsi que l'effet d'une réhabilitation des sols contaminés de la butte d'arrêt avec du sol propre, la qualité de l'eau de la zone non-saturée (à l'aide de Iysimètres installés à différentes profondeurs) et la qualité de l'eau des puits fut suivie entre les mois de juillet 2008 et janvier 2012. Les résultats montrent que dans tous les cas, les concentrations en Cu et en Zn sont systématiquement inférieures aux critères pour l'eau potable (1000 µg Cu/L et 5000 µg Zn/L) depuis le début du suivi de la qualité de l'eau et ce, à toutes les profondeurs. Les résultats ont aussi montré que le Sb se retrouvait très fréquemment en concentrations très importantes en surface des sols (900 µg Sb/L), concentrations supérieures à la limite acceptable pour la qualité de l'eau potable de 6 µg Sb/L. À une profondeur de 1,5 m, on ne retrouve qu'une concentration en Sb près de la limite de détection. La majorité des concentrations en Pb depuis le reprofilage de la butte sont inférieures à la limite de détection de l'appareil bien que pour certains échantillons les concentrations en Pb dépassent la limite acceptable de 10 µg/L et ce, même en profondeur. Les concentrations en Pb dans l'eau des Iysimètres sont beaucoup plus faibles que les concentrations en Sb trouvées même si le Pb est présent en plus grande concentration dans le sol. Le reprofilage de la butte en octobre 2009 a permis de réduire les concentrations dans l'eau des puits à un niveau près de la limite de détection et ce, pour les quatre métaux à l'étude. Le suivi de la qualité de l'eau de la zone non-saturée ainsi que le suivi de la qualité de l'eau des puits à proximité du site de tir demeurent essentiels afin de mieux comprendre les déplacements du Cu, Pb, Sb et Zn. Dans cette optique, d'autres métaux tels que As et Ni pouvant aussi provenir des balles, devraient être suivis afin de déterminer l'impact de ces métaux sur la qualité de l'eau de la zone non-saturée et de la nappe phréatique. Des travaux supplémentaires concernant la précipitation du Sb à partir de lixiviats acides devraient aussi être envisagés afin de mieux comprendre le phénomène de précipitation du Sb sans ajout de chlorure ferrique. Il serait tout aussi essentiel de procéder à des essais à plus grande échelle afin de prouver l'efficacité du procédé de lixiviation à contre-courant avec traitement des lixiviats.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mercier, Guy; Martel, Richard
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: plomb, antimoine, champs de tir, traitement chimique, lixiviation, précipitation, contre-courant, modèle économique, sols contaminés, eau souterraine
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 juill. 2014 12:52
Dernière modification: 20 nov. 2015 20:55
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2272

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