MÉTHODE COMBINÉE COAGULATION À L’ALUN ET …
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MÉTHODE COMBINÉE COAGULATION ÀL’ALUN ET RECOUVREMENT ACTIF:
PRINCIPES ET SIMULATIONS
par Rosa GALVEZ-CLOUTIER,Ph.D. Ing.
Professeur titulaire, Département de génie civil, Faculté des sciences et de génie,
Université Laval, QcAvec la collaboration de S. Leroueil, S. Arsenault et J. Locat
1. Principes et systèmes à simuler -études antérieures
L’étude de la pollution des lacs est un
domaine complexe faisant intervenir
des processus physiques,
chimiques et biologiques souvent en
interaction dans un milieu non
homogène. La manière de réduire
l’impact d’un polluant passe par
la connaissance des processus qui
régissent sa transformation
locale (réactivité) et son transport dans les pores.
Couche calcaire encourage la précipitation des ETM et P coût faibleaccès faciletampon l’acidification
matériel qui semble compatible avec la biota
2. Schéma conceptuel: cas du Lac St-Augustin
2. Approche de développementObjectif:Concevoir et dimensionner une méthode innovatrice qui combine la coagulation à l’alun avec le recouvrement actif comme solution permanente, sécuritaire et environnementalement acceptable de restauration des lacs pollués et à l’état eutrophe. Deux sites modèles: lac St-Augustin et baie Missisquoi.
Étapes de développement1. Diagnostic global du lac 2. Manipulation de la roche calcaire afin d’optimiser ses capacités de rétention
(adsorption). 3. Optimisation de la coagulation en fonction des conditions in-situ du lac.4. Simulation en colonnes (échelle réduite & pilote) en laboratoire:
modélisation numérique de la rétention et transport des contaminants ciblés (ETM et P).
5. Évaluation de l’écocompatibilité de la méthode (CEAEQ).
3. Diagnostic de la qualité
Camping Keno
VergerFerme
Hydravions
Autoroute 40
puits 1
puits 2
puits 3
puits 4
3. Qualité de l’eau*Paramètre Unité
Eau deSurface
Eau souterraine
Température °C 18,5 – 20,8 15,4 – 17,5
pH UnitépH 8,0 – 8,4 7,4 – 7,5
Conductivité µs/cm 741 – 743 875 – 877Redox mV 102 - 200 196 - 222
Turbidité NTU 4,45 – 4,68 < LD
P Total µg/l 50 60
Métaux (Cd, Cu, Pb & Zn) mg/l < LD < LD
QC: 500 µs/cm
Seuil eutrophisation: 20 - 30µg PT/L* Moyenne de 5 stations
3. Contamination des sédiments
Métaux: Cd, Cu
98% du total de sites > SEM 88% du total de sites > SEM
0
1
2
3
4
5
A1 A3 B2 CD C2
DE D2
D4 E1 E3 FG F2 F4 G1
G3
G5
HI X
TRA H2
H4 II I2
Stations d'échantillonnage
Con
cent
ratio
n C
d (m
g/kg
)
Cd SEM
01020304050607080
A1 A3 B2 CD C2
DE D2
D4 E1 E3 FG F2 F4 G1
G3
G5
HI X
TRA H2
H4 II I2
Stations d'échantillonnageC
once
ntra
tion
Cu
(mg/
kg)
Cu SEM
SEM: Seuil Effet Mineur (CSL et Menviq, 1992)
3. Contamination des sédiments
Métaux: Pb, Zn
86% du total de sites > SEM 84% du total de sites > SEM
050
100150200250300350400450
A1 A3 B2 CD C2
DE D2
D4 E1 E3 FG F2 F4 G1
G3
G5
HI X
TRA H2
H4 II I2
Stations d'échantillonnageC
once
ntra
tion
Zn (m
g/kg
)Zn SEM
0
20
40
60
80
100
120
A1 A3 B2 CD C2
DE D2
D4 E1 E3 FG F2 F4 G1
G3
G5
HI X
TRA H2
H4 II I2
Stations d'échantillonnage
Con
cent
ratio
n Pb
(mg/
kg)
Pb SEM
SEM: Seuil Effet Mineur (CSL et Menviq, 1992)
4. Processus et interactions
Corrélation Positive entre % argile et le Cu et ZnCu
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A1
B1
CD C3
D2
EF E3 F1 F4 G2
G5
H2
H5 I2
Échantillon
Arg
ile (%
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Con
cent
ratio
n C
u (m
g/K
g)
Argile (%)Cu (mg/kg)
Zn
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A1
B1
CD C3
D2
EF E3 F1 F4 G2
G5
H2
H5 I2
Échantillon
Arg
ile (%
)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Con
cent
ratio
n Zn
(mg/
Kg)
Argile (%)Zn
R2: 0.37 R2: 0.46
4. Processus et interactions
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Cd Cu Pb Zn
Dist
ribut
ion
Solubles Échangéables CarbonatesOxydes/hyd M.organique Résiduel
Carbonates
MOOx/hyd
Dist.homog.
Dans le site, les ETM sous forme solide
Phosphore dans les sédiments Potentiel naturel d’atténuation4. Processus et interactions
Station Total P (mg/kg)
A3 1200CD 1300E4 1100F2 1300H2 1200
Moyenne 1200
CEC AEC
cmol[+]/kg cmol[-]/kg6,8 19,38 1,38
6,3 17,81 1,48
5,6 15,33 1,72
7,4 20,39 1,28
9,2 22,90 0,96
pH
P extractible (NaHCO3) : 200 mg/kg CEC: Potentiel élevé de rétention MLAEC: Faible potentiel de rétention de P
5. Simulation en petite colonne - modélisation
V1V2
V3V4
Eau percolée
1PV = 458 ml
pH 2 - 9
PISTON
SÉDIMENTS
SABLE
ROCHE CALCAIREGÉOTEXTILE
50 mm1,5 mm
320 mm
20 mm
10 mm
120 mm
GRILLAGE
5 kPa (5,76 Kg)
CHARGE HYDRAULIQUE 400mm (4 kPa)
PURGE
D'EAUENTRÉE
EAU
80mm
600mm
D'EAUSORTIE
5kPa
4 kPa
SédimentsCalcite
Géotextile
Eausouterraine
Sable
OUTPUT
Direction du fluide5 cm
1 cm2 cm
p H 3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
V 1 V 2 V 3 V 40306090120150180210240270300
R .ca lc E a up H 7
0
10
20
30
40
50
60
70
80
V 1 V 2 V 3 V 40306090120150
180210240270300
R .ca lc E a u p H 9
0
10
20
30
40
50
60
70
80
V 1 V 2 V 3 V 403060
90120150180210
240270300
R .ca lc E a u
P m
g/kg
C
alci
te r
ock
PT µ
g/l
Col
onne
d’E
au
P naturel dans la calcite
5. Résultats: P retenu par la calcite & P relargué
-La calcite a retenu du P (30 et 70 mg/kg)
- Peau (30 – 200 ug/L) > CQ (20 ug/L)
- Peau percolé > P eau souterraine
∴ P relargué par les sédiments
P dans Esou
5. Simulation en colonne: effet de l’hauteuret de la vitesse d’écoulement
R2 = 0,96
R2 = 0,88
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8% P retained
calc
ite h
eigh
t (m
m)
Première série de mesures Deuxième série de mesuresTemps de séjour = 2 j Temps de séjour = 10j
-Perméabilité des sédiments:1.2 – 1.6 x 10-7 cm/s-Perméabilité de la couchecalcaire ~ 10-5 cm/s
Pour h = 7,5 cmPT dans l’eau est de 15 µg/L
Carbonates de cuivre
Carbonates de zinc
5. Adsorption sur calcite validée par MEB
Précipité de carbonates de cuivre Précipité de carbonates de zinc
6. Résultats – Essais de coagulation à l’alunOptimisation en Jar test de:
Forme et dose du coagulant.Gradients de mélanges rapide et lent (dispersion, formation du floc).pH optimal.Vitesse de sédimentation.Enlèvement du phosphore total et des orthophosphatesEnlèvement de la Turbidité
6. Résultats – tests de coagulation
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
concentration en alun (en mg/L)
Turb
idité
(NTU
)
02468
10121416
0 25 30 35 40
concentration en alun (en mg/L)
Con
cent
ratio
n en
P (e
n ug
/L)
objectif
Bonne réduction de P en dessous du QC de 20 µg/L même lorsque la floculation est incomplète
7. Modèles de rétention & transport - prédiction
Advection: mouvement induit par un gradient hydraulique, déplacement en forme de piston le long des lignes de l’écoulement
Flux Darcien Loi de Darcy
Dispersion mécanique: mouvement causé par un gradient de vitesse à l’échelle des pores (micro vs macro)
Flux Dispersif 1er Loi de Fick
Diffusion moléculaire: transport induit par des gradients de concentration
Flux Diffusif 2ième Loi de Fick
7. Modèles de rétention et transport
Adsorption/rétention:Le modèle Freundlich considère un milieu hétérogène à trois phases: solide, liquide et gaz
neFs CKmxC
1== Cs = Concentration dans le sédiments
Ce = Concentration dans l’eau
FKn
R ρ+=1 R= Coefficient de transport retardé
7. Modélisation de la rétention & transport de contaminants
Expression de la concentration f(x, t)
C(x,t) = Concentration d’un contaminant à une distance x de la source et à un t donné (M/L3)D’= Coefficient de diffusion effectif, dépend du régime d’écoulement et de la substance. Substances retardées, D’= D/R [L2/T]R = Facteur de retard →v’ = v/R vitesse réelle du fluide [L/T]
( )⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ +⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −=
tDtvxerfc
Dxv
tDtvxerfcCtxC o
'2'
''exp
'2'
2,
Kdnρ
+1
8. Conclusions concernant la solution combinée
• Nos essais montrent que les ETM sont bien retenus par les sédiments et/ou par la roche calcaire, donc il y a faible potentiel de solubilité.
• Le phosphore est très mobile et facilement relargable à partir des sédiments mais la roche calcaire peut retenir entre 30 et 70 mg P/kg. On cherche àaméliorer sa capacité de rétention, en augmentant sa SS.
•À seulement 7,5 cm de hauteur et à grande perméabilité, la calcite a retenu de grandes quantités de P. En diminuant la perméabilité de la couche (ex.↑ le temps de séjour) on peut améliorer sa performance.
• La coagulation avec des doses comprises entre 15 et 25 mg/L d’alun, peut réduire le Peau sup. < 10 µg/L.
9. Travaux en coursÉtude pilote en colonne (4 m)•Simulation du recouvrement seul •Simulation du recouvrement + coagulation• Modélisation du comportement: Cd,P, traceur• Prédiction de la durabilité/stabilité de la couche
Collaborations et demande de fonds-Demande au CRSNG- stratégique consortiumU. Laval – CEAEQ – EXXEP et ++ partenaires.-Demande au NRC-USA avec le Lake Champlain Research Consortium pour un projet intégrale à Baie Missisquoi.
10. Considérations sur l’application en pilote de terrain
1. Zones d’accumulation – ‘hot spots’2. Zone isolée par enrochement ou rideau de
géomembrane. 3. Traitement par micro zones en colonne de béton.
1
3
2
Lac St-Augustin Baies Missisquoi et Venise-en-Québec
12. Prédiction et suivi des changements - Consolidation et d’érosion par modèles traditionnels.- Suivi de la bathymétrie, des déplacements et de l’intégrité de la couche en utilisant un sonar à faisceaulatéral.
Spéciation des ETM par extraction séquentielle sélective
Métaux lourds en solution
Sulfites deMétaux
MétauxÉchangeable Carbonates
métalliquesOxydes/hydroxydes
métalliques
Métaux Adsorbécomplexes
Organométallique
Soluble sous Variations de pH
Échangeable
Associé auxcarbonates
Associé aux oxydes/hydroxydes
Associé à la Matière Organique
espèces géochimiques
i
ii
iii
iv
v
i) H2O, ii) KNO3, iii) NaOC+ HOAc, iv) HH, v) H2O2
AAS
Résiduel vi