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Optimisation des procédés minéralurgiques de traitement des sols contaminés par des cendres d’incinération et des résidus métallurgiques et établissement de modèles et d’outils de prédiction du rendement.

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Mouedhen, Ikbel (2018). Optimisation des procédés minéralurgiques de traitement des sols contaminés par des cendres d’incinération et des résidus métallurgiques et établissement de modèles et d’outils de prédiction du rendement. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 247 p.

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Résumé

Les législations environnementales sévères du Québec exigent l’instauration de plans de gestion des volumes importants des sols contaminés par des composés organiques et/ou inorganiques. Les sols aux prises avec une contamination par des métaux lourds sont souvent destinés à l’enfouissement sécuritaire en raison de l’absence des techniques de traitement concurrentes en termes de coûts, permettant d’enlever efficacement ce type de contamination et de stratégies de valorisation des terrains traités ou du résidu concentré en métaux généré. Dans un esprit de développement durable de « traitement-valorisation », l’intégration de la séparation physique dans la filière de remédiation permet d’extraire efficacement les métaux lourds des matrices contaminées au plus faible coût. Cependant, le défi majeur du traitement consiste à l’hétérogénéité de la pollution sur les sites, résultante de la diversité des sources de contamination et de l’évolution physico-chimique et minéralogique des métaux au cours du temps. Les conditions de traitement de chaque sol sont ainsi uniques. Chaque cas problématique requière un lourd travail d’optimisation des conditions opératoires de traitement. L’objectif majeur de ce travail de recherche est de réduire l’effort dépensé à l’étape d’optimisation à travers l’établissement et l’exploitation d’outils de prévision et de conduire ainsi à une meilleure application des procédés de séparation physique quelque soit le niveau et le type de la pollution inorganique. Pour ce faire, les fractions 0,250-4 mm de trois sols, caractérisés par des niveaux de contamination avec des résidus d’incinération variés (MSW1, MSW2 et MSW3) et d’un sol contaminé par des résidus de fonderie (MR1), ont subi une caractérisation densimétrique et minéralogique permettant de déterminer le contenu total en métaux lourds séparables, les minéralogies des particules de Pb, Cu, Sn et de Zn, leur masse volumique (MV) moyenne et le critère de concentration (CC) correspondant. Les résultats de caractérisation ont confirmé l’utilité de l’application du jig et de la table à secousses pour séparer les métaux des particules non contaminées. Ces résultats de caractérisation densimétrique et minéralogique ont été utilisés afin de prédire l’efficacité maximale des procédés gravimétriques (jig et table à secousses) et leurs éventuelles limites. La méthodologie des plans de surface de réponses de type Box-Behnken a permis à travers 29 expériences l’établissement d’un modèle de prévision de l’efficacité d’enlèvement du Cu, du Pb et du Sn de la fraction 1-2 mm d’un sol moyennement contaminé par des cendres d’incinération (MSW2) par la table à secousses. Le modèle est tributaire des paramètres opératoires de l’appareil indiquant que, l’inclinaison et le débit d’eau de lavage sont les paramètres d’influence majeure sur le processus de séparation des particules contaminées. Sous les conditions optimales, déterminées à travers l’exploitation du modèle de prévision, la majorité de la fraction lourde séparable, identifiée lors de la caractérisation densimétrique, a été enlevée par un seul passage à travers l’appareil. Le taux d’enlèvement du concentré métallique représente 21% de la masse initiale du sol à traiter et les rendements d’enlèvements du Pb, du Cu et du Sn obtenus sont supérieurs à 54,6%. Le modèle de prévision préétabli, a été exploité à travers cinq conditions, permettant des enlèvements graduels des particules contaminées de la fraction 1-2 mm du MSW2. Ces conditions ont, en effet, conduit au traitement de la fraction fine (0,250-1 mm) de MSW2 et des fractions 1-2 mm et 0,250-1 mm des sols MSW1, MSW3 et de MR1. L’effet de ces conditions, couplé aux outils de prédiction par caractérisation densimétrique, ont permis l’établissement d’une démarche d’optimisation du processus de traitement par la table à secousses. Sous les conditions optimales déterminées, les taux d’enlèvement du Cu, du Pb et du Sn de la fraction 1-2 mm des sols contaminés par des cendres d’incinération varie de 48,5 à 77,7%. L’enlèvement de la masse du concentré métallique (MV > 3 g.cm-3) varie, quant-à-elle, de 14 à 45%, dépendamment du niveau de la contamination initiale. D’autre part, le taux d’enlèvement du Cu et du Zn de la fraction 1-2 mm du sol MR1 est de 73,8 et 78,9%, respectivement, avec un enlèvement du concentré métallique de 38,4%. Des taux d’enlèvements satisfaisants (compris entre 23,0 et 54,8%) du Cu, du Pb et du Sn ont également été obtenus lors du traitement de la fraction 0,250-1 mm des sols MSW1, MSW2 et de MSW3. La masse enlevée du concentré métallique varie de 10 à 25%, dépendamment du niveau de la contamination initiale. Les taux d’enlèvement du Cu et du Zn de la fraction 0,250-1 mm de MR1 varient de 47,1 à 63,9% et la masse du concentré métallique enlevée est de 17,1% de la masse initiale. Par ailleurs, l’utilisation des outils de prédiction par caractérisation densimétrique a permis d’optimiser le fonctionnement du jig et de déterminer les limites de traitement pour décontaminer la fraction 2-4 mm des sols MSW1, MSW2, MSW3 et MR1. Selon de simples comparaisons entre la masse du concentré métallique enlevée par le jig et la masse du concentré métallique enlevée par la liqueur dense, il a été possible d’estimer que 3, 5, 10 et 20 passages à travers l’appareil sont requis pour enlever la majorité de la partie des métaux séparables des sols MSW1, MSW2, MSW3 et MR1. Globalement, la filière de traitement physique proposée pour décontaminer la fraction > 0,250 mm des sols contaminés par des cendres d’incinération et par des résidus métallurgiques, comprend une étape de lavage à l’eau combinée à la séparation magnétique (fraction > 4 mm), d’attrition combinée au jig (fraction 2-4 mm) et, d’attrition combinée à la table à secousses (fraction 0,250-2 mm). Cette filière de traitement a permis d’enlever 42,1 à 83,4% du Ba, du Cu, du Pb, du Sn et du Zn de la fraction > 0,250 mm de sols contaminés par des cendres d’incinération. La masse traitée récupérée de la fraction > 0,250 mm varie de 57 à 73%. L’application de ces procédés gravimétriques et minéralurgique a conduit à un enlèvement de plus de 57,5% du Cu et du Zn initialement présents dans la fraction > 0,250 mm de MR1. La masse traitée récupérée de fraction > 0,250 mm est de 64,8%. Le coût estimatif du procédé de traitement physique du sol moyennement contaminé par des cendres (MSW2) d’incinération (comprenant la main d’oeuvre d’opération, l’électricité, l’eau du procédé, les frais d’excavation et de transport, la disposition des extrants contaminés, l’entretien et la réparation, les frais de laboratoires, les frais indirects...etc. et considérant le revenu de valorisation du Fe) est de 64,0 $ par tonne sèche du sol.

Abstract

Severe environmental legislations in Quebec force polluters to develop efficient and long-term satisfactory solutions for treating soils contaminated by inorganic and/or organic contaminants. Heavy metals contaminated soils are generally intended for safe landfill owing to the lack of low-cost and effective remediation alternatives. As well, no valorization plan is generally available for both treated matrix and metallic concentrate emerging from gravimetric processes. Under a green management context, mineralurgical techniques such as physical separation processes, can show high efficiencies for heavy metal removals and are economically competitive compared to actual options available to manage contaminated soils. However, physical separation processes must address challenge related to the large heterogeneity of inorganic pollution relative to the diversity of pollution sources and the physical, chemical and mineralogical transformations in soil. Specific settings of physical treatment parameters are required for each case of soil contaminated by inorganic compounds, making hence, the workload of pre-treatment and optimization heavy and time consuming. The major objective of the current research is to lighten the effort devoted to the optimization step. It aim to establish and exploit prevision tools in order to enhance the application of physical processes for several types and levels of inorganic contamination. At first, densimetric and mineralogical characterization of the 0.250-4 mm fraction of soils contaminated by municipal solid waste ashes (MSW1, MSW2, MSW3) and metallurgical residues (MR1) was performed. The total content of separable metals, the approximate mineralogy of Pb, Cu, Sn and of Zn, their estimated mean density and the corresponding concentration criterion, were determined. The exhaustive characterization supported the usefulness of the jig and wet shaking table for treating these soils and predicted their efficiency and limits in separating metals from uncontaminated particles. According to wet shaking table trials (29 assays), the response surface methodology (Box-Behnken) allowed for the establishment of prevision model about Cu, Pb and Sn removals from the 1-2 mm fraction of MSW2. The mathematical model developed, which is dependent on operating parameters of the gravimetric device, showed that metal separation is mostly affected by the tilt and washing water flow. Under optimal conditions, defined using the mathematical model, the concentrate removal rate and the Cu, Pb and Sn removal yields corresponded to 21% (w.w⁻¹) and were higher to 54.6%, respectively. In fact, the wet shaking table removed an important part of the separable metals content identified by the dense media separation method. Five conditions defined according the pre-established model and permitting for a gradual separation of the concentrate from the 1-2 mm fraction of MSW2 were performed to treat the 1-2 mm of MSW1, MSW3, MR1 and, the 0.250-1 mm of MSW1, MSW2, MSW3 and MR1. The selected conditions, coupled to prediction tools, specifically dense media separation data, led for the establishment of a methodology for predicting and improving the performance of wet shaking table for treating these different contaminated matrix. Consequently, under the optimal setting, Cu, Pb and Sn removals from the 1-2 mm fraction of MSW1 and MSW3 varied from 48.5 to 77.7%. The mass of concentrate removed varied from 14 to 45%, depending on the level of the inorganic contamination in soils. Cu and Zn removals from the 1-2 mm fraction of MR1 varied from 73.8 to 78.9%. The mass of concentrate separated corresponded to 38% (w.w⁻¹). In the other hand, satisfactory removals of Cu, Pb and Sn were achieved when treating the 0.250-1 mm fraction of MSW1, MSW2 and MSW3. The mass of concentrate removed varies from 10 to 25% (w.w⁻¹). The removal rate of Cu and Zn removals when treating the 0.250-1 mm of MR1 were estimated at 17.1% (w.w⁻¹). In the other side, the prediction tools, based on densimetric characterization, allowed for optimizing the jig operation to remove most part of the separable metals from the 2-4 mm fraction of MSW1, MSW2, MSW3 and MR1. Based on these results, approximately 3, 5, 10 and 20 passages through the jig were required for MSW1, MSW2, MSW3 and MR1, respectively. Finally, the global decontamination scheme proposed to treat the > 0.250 mm fraction of soils using water washing and magnetic separation ( > 4 mm soil fraction), attrition scrubbing and jig (2-4 mm soil fraction) and wet shaking table (0.250-2 mm soil fraction). The whole process allowed to remove between 42.1 and 83.4% of Ba, Cu, Pb, Sn and Zn when treating MSW1, MSW2 and MSW3. The treated mass recovered from the > 0.250 mm fraction varied from 57 to 73% (w.w⁻¹). Up to 57.5% of Cu and Zn removal yields were obtained when treating the > 0.250 mm fraction of MR1. The treated mass recovered corresponds to 65% (w.w⁻¹) of the initial soil to be treated.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Mercier, Guy
Co-directeurs de mémoire/thèse: Blais, Jean-François; Coudert, Lucie
Mots-clés libres: métaux; caractérisation minéralogique; caractérisation densimétrique; outils de prédiction; modèle de prédiction; optimisation; procédés physiques; étude technico-économique; inorganic contamination; mineralogical characterization; densimetric characterization; prediction tools; prediction model; optimization; physical separation; cost study
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 04 mars 2019 16:00
Dernière modification: 04 mars 2019 16:00
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7881

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