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 Thèse |
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Directeur de mémoire/thèse: | Blais, Jean-François |
Co-directeurs de mémoire/thèse: | Mercier, Guyet 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: | 23 juill. 2024 13:43 |
URI: | https://espace.inrs.ca/id/eprint/2272 |
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