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Développement d'un modèle informatique prédictif de traitement par précipitation des effluents métalliques.

Djedidi, Zied (2009). Développement d'un modèle informatique prédictif de traitement par précipitation des effluents métalliques. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 344 p.

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Résumé

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Au début du 21ème siècle,la pollution par les métaux lourds des eaux souterraines et de surfaces, continue de représenter un défi pour les autorités responsables de la protection de l’environnement. Les rejets incontrôlés de métaux et de métalloïdes dans les écosystèmes comme l’Ag, As, Be, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sb, Tl et Zn, constituent de graves menaces pour la santé humaine et animale. Plusieurs méthodes de traitement des eaux contaminées par les métaux ont été proposées au cours des dernières décennies. Cependant, la technique de précipitation des métaux reste l’option la plus favorable, à l’échelle industrielle, pour des raisons technico-économiques. Dans ce contexte, le présent projet de recherche a été entrepris pour développer un outil informatique qui permet de prédire la spéciation chimique des métaux lors de la précipitation chimique d’un effluent ayant une caractéristique donnée, tout en tenant compte des normes de rejets à atteindre et des coûts totaux de traitement. Dans un premier temps, les caractéristiques de déshydratation des boues (décantation, filtration et centrifugation), générées à la suite du traitement par précipitation des solutions monométalliques (0.02 mol/L), ont été évaluées. Les tests de précipitation effectués pour 15 différents métaux, ont donné des rendements d’élimination généralement comparables à ceux prédits par le logiciel MINEQL+. La précipitation sous forme d’hydroxydes à pH 10.0 était la technique la plus efficace pour l’élimination de huit ions (Al3+, Cd2+, Co2+, Fe2+, Fe3+, Mg2+, Mn2+, Ni2+), alors que la précipitation sous forme de phosphates (à pH 6.0 avec l’addition de 0.0133 mol de PO4 3-/L) a donné des taux d’enlèvement les plus élevés pour Ba2+, Ca2+, Cr3+. La précipitation sous formes de sulfures (à pH 7.0 en utilisant 0.02 mol S2-/L) a été la technique de précipitation la plus efficace seulement pour le Cu2+ et Sn2+, alors que la précipitation sous formes de carbonates (à pH 8.0 en utilisant 0.02 mol CO3 2-/L) a donné les meilleurs rendements d’élimination pour Pb2+. Les résultats ont montré également que les précipités de phosphates, ont généralement les meilleures caractéristiques de déshydratation (indice de volume des boues (IVB), capacité de filtration (CF), résistance spécifique à la filtration (RSF) et siccité (ST)) par rapport aux carbonates, aux sulfures et aux hydroxydes. La précipitation par formation de carbonates est particulièrement intéressante pour les solutions contenants Mn2+ et Pb2+. Dans un deuxième temps, cette étude a exploré les caractéristiques de déshydratation des boues générées à l’issue du traitement par précipitation de solutions multimétalliques équimolaires et de solutions synthétiques représentatives de drainages miniers acides (DMA). Les résultats ont révélé que les propriétés de déshydratation des boues métalliques varient, en fonction de la matrice utilisée (Cl- ou SO4 2-), de l’agent précipitant et des métaux présents dans l’effluent à traiter. Des analyses aux rayons X (DRX) ont montré que les hydroxydes métalliques (pH 10.0) et les phosphates métalliques (pH 7.0) sont de nature amorphe, donc difficile à déshydrater. Pour ces deux méthodes de traitement, la substitution de la matrice chlorure par la matrice sulfate améliore considérablement les propriétés de déshydratation (RSF = 6.60 × 1013 et 2.35 × 1013 m/kg, respectivement pour les matrices chlorures et sulfates). Dans les cas des traitements par les sulfures et les carbonates (à pH 8.0), les précipités obtenus sont respectivement de nature semi-cristalline et cristalline et aucune influence significative sur les caractéristiques de déshydratation n’a été détectée. La troisième partie du projet a porté sur l’effet de trois matrices réelles sur les caractéristiques de séparation solide-liquide des boues générées par les différentes techniques de précipitation, soit un lixiviat de sol contaminé, un lixiviat de cendres d’incinération et un lixiviat de boues de station d’épuration. Les valeurs de RSF obtenues suite à la filtration sous pression des précipités de traitement du lixiviat de sol suivent l’ordre croissant suivant: sulfures (4.3 × 1012 m/kg) < phosphates (6.4 × 1012 m/kg) < hydroxydes [Ca(OH)2] (14.2 × 1012 m/kg) < hydroxydes [NaOH] (19.7 × 1012 m/kg) < carbonates (26.5 × 1012 m/kg). Pour le traitement du lixiviat de cendres, les résultats obtenus sont similaires et ce, quelque soit le mode de traitement utilisé; les valeurs de RSF varient entre 5 et 7 × 1012 m/kg, alors que IVB est compris entre 39 et 50 mL/g. Les meilleures caractéristiques de déshydratation des précipités issus du traitement du lixiviat de boues d’épuration ont été obtenues par précipitation avec les phosphates (IVB = 180 mL/g et SRF = 7.6 × 1012 m/kg). Dans tous les cas, la méthode de filtration sous pression [ST = 11 à 73% (p/p)] s’est avérée plus efficace que la centrifugation [ST = 5 à 11% (p/p)] pour la déshydratation des précipités métalliques. Dans la dernière partie du projet un nouveau progiciel portant l’acronyme PITEM (Programme Informatique de Traitement des Effluents Métalliques) a été développé pour la prédiction du traitement des effluents métalliques par les techniques de précipitation. PITEM intègre, dans un premier temps, un modèle de spéciation chimique se basant sur la méthode de constante d’équilibre, afin de calculer les concentrations en métaux résiduelles et les types de précipités métalliques formés. PITEM utilise les données thermodynamiques fournies par la base de données du logiciel MINEQL+ couplé avec le code informatique nommé EST (Equilibrium system tool). PITEM inclut également un modèle mathématique pour la prédiction des caractéristiques de déshydratation et de production de boues développé à partir des résultats expérimentaux de cette thèse, et un module économique pour l’évaluation du coût total de traitement par précipitation. PITEM est écrit en langage Visual Basic sous la plate-forme de Microsoft EXCEL et il est conçu sous forme d’outil informatique facile à utiliser à des fins industrielles et/ou académiques. Les résultats de simulation montrent que les valeurs de ST sont généralement en accord avec celles obtenues expérimentalement. Le coût unitaire de traitement estimé par le programme pour les quatre scénarios de traitement par précipitation, suit l’ordre ascendant suivant : carbonates (Na2CO3) < sulfures (Na2S) < phosphates (Na3PO4) < hydroxydes (NaOH). Dans les cas étudiés, la neutralisation par les carbonates est apparue la technique la plus économique et ce, en raison des bonnes caractéristiques de déshydratation des boues générées. Cette étude doctorale a permis, pour la première fois, de mettre au point un modèle informatisé permettant à la fois de prédire l’équilibre des espèces chimiques en solution et des précipités formés lors du traitement d’effluents métalliques, ainsi que de prédire le comportement de déshydratation des boues métalliques. De plus, ce modèle permet d’estimer les coûts de traitement de ces effluents et de gestion des boues métalliques, ce qui permet d’établir la technique de précipitation à privilégier, selon la situation rencontrée (concentrations et types de métaux en solution, normes en vigueur, coûts des produits chimiques et de disposition des boues métalliques). Ce modèle simple d’utilisation facilite la prise de décision en ce qui à trait au choix technologique en matière de traitement des effluents pollués par les métaux toxiques.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Co-directeurs de mémoire/thèse: Blais, Jean-François; Mercier, Guy
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: précipitation; prédiction; modèle informatique; boues; métaux
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 nov. 2012 16:25
Dernière modification: 17 nov. 2015 18:55
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/476

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