De : Services publics et Approvisionnement Canada
L’oxydation chimique des sédiments contaminés est une technologie basée sur l’établissement d’un contact entre un oxydant et les contaminants présents dans les sédiments afin de transformer les contaminants en formes chimiques moins toxiques pour la santé humaine et l’environnement. Elle peut servir à traiter des contaminants oxydables, dont les composés organiques volatils (COV) tels que le dichloroéthène (DCE), le trichloroéthène (TCE), le tétrachloroéthène (PCE), le benzène, le toluène, l’éthylbenzène, le xylène (BTEX) et les composés organiques semi-volatils, tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques et les biphényles polychlorés (BPC). Dans la plupart des cas, les produits de dégradation générés sont l’eau et le dioxyde de carbone, et dans le cas des composés chlorés, le chlore inorganique. Certaines réactions génèrent également de l’oxygène résiduel pouvant favoriser la biodégradation des contaminants résiduels après l’oxydation chimique.
Plusieurs oxydants différents peuvent être utilisés. Les plus communs sont le permanganate (MnO4-), le peroxyde d’hydrogène (H2O2) avec ou sans fer ferreux (Fe2+) comme catalyseur (réactif de Fenton), le persulfate de sodium (Na2S2O8), le persulfate (S2O82-) et l’ozone (O3). Un tableau abordant une variété d’oxydants et leur efficacité sur une variété de contaminants se trouve dans Huling et Pivetz 2006. Le type et la forme de l’oxydant dictent le mode de manipulation et d’injection. Parmi les oxydants susmentionnés, seul l’ozone est à l’état gazeux, bien qu’il puisse aussi se dissoudre dans un liquide. Tous les autres oxydants sont présents sous forme liquide ou de sel. La persistance de l’oxydant dans la matrice de sédiments est importante puisqu’elle a une incidence directe sur sa capacité à atteindre les contaminants. Par exemple, le MnO4- est relativement persistant (> 3 mois), ce qui permet une meilleure diffusion à travers les sédiments. Au contraire, le H2O2 est très labile (se transforme en l’espace de minutes ou d’heures), et sa diffusion se limitera à une petite zone autour du site d’injection. L’efficacité des oxydants dépend également de plusieurs facteurs, dont le pH des sédiments, la teneur en matières organiques, la présence de carbonates et de sulfures, la taille des particules, la température, la conductivité des sédiments et le dosage des réactifs.
Cette technologie n’est actuellement disponible qu’au stade d’essai en laboratoire, mais s’est avérée efficace dans des conditions bien contrôlées correspondant aux caractéristiques particulières des sédiments à traiter. L’un des plus gros défis est l’injection efficace d’agents oxydants dans les sédiments afin d’obtenir la répartition nécessaire à une oxydation efficace des contaminants cibles. Ce défi est amplifié par la nature dynamique des sédiments contaminés, généralement étalés sur de très vastes zones, et par la forte proportion de matières organiques dans les sédiments. Les composés hydrophobes organiques ont une grande affinité pour les matières organiques qu’elles tendent à absorber, les rendant ainsi moins disponibles pour des réactions aux agents oxydants. Les matières organiques réduisent également l’efficacité des agents oxydants puisqu’elles font concurrence aux contaminants pour la consommation des réactifs. De plus fortes doses d’agents oxydants peuvent être nécessaires afin d’obtenir le taux de dégradation désiré. Il convient donc de réaliser des essais en laboratoire avec des sédiments du site cible afin de déterminer l’agent oxydant optimal, le dosage requis, le mode d’injection et, au besoin, la nécessité d’un catalyseur, d’un acide ou d’un agent de stabilisation. La communauté benthique ne peut guère supporter d’applications importantes d’amendements; de multiples applications successives et une surveillance à long terme peuvent donc être de rigueur.
À l’heure actuelle, l’oxydation chimique est toujours à la phase de laboratoire pour ce qui est de l’assainissement des sédiments. En 2016, il n’existait aucune étude sur le terrain, et aucun processus d’application n’avait été adéquatement mis au point. Il est toutefois possible d’adapter de l’information à partir de l’application de cette technologie d’assainissement aux fins d’utilisation dans des aquifères et des sols contaminés, puisque la technologie est plus avancée pour ces médias. Les projets mettant en œuvre un assainissement à grande échelle ou à échelle pilote sur place peuvent nécessiter les mesures suivantes :
Les oxydants les plus communément employés dans l’oxydation chimique in situ sont le permanganate, le persulfate, le peroxyde d’hydrogène et l’ozone. En général, les oxydants comme tels ne sont pas inflammables, mais en cas d’incendie, ils peuvent fournir la source d’oxygène permettant la continuation de l’incinération. Les agents oxydants peuvent être très réactifs et devraient être entreposés et manipulés selon les recommandations du fabricant. Ils devraient toujours être entreposés dans un confinement secondaire, loin des produits inflammables ou combustibles.
Les travailleurs devraient porter des vêtements de protection, y compris des respirateurs, pendant la manipulation d’oxydants. Ils devraient continuer de porter l’équipement de protection sur le site jusqu’à écoulement du temps de réaction entre les oxydants et les sédiments contaminés.
Comme les sédiments sont traités in situ, peu de déchets sont générés sur le site. Les déchets du site peuvent se composer de détritus de construction typiques, comme des contenants en plastique, auxquels peuvent s’ajouter des absorbants carrés usagés. Les oxydants et les réactifs excédentaires peuvent être retournés à l’acheteur de produits chimiques ou éliminés de manière acceptable aux yeux de l’autorité réglementaire locale.
Comme les oxydants chimiques sont hydrophiles, ils peuvent être absorbés dans la colonne d’eau pendant la première injection, et à mesure que les oxydants migrent à travers les sédiments. Il convient de veiller à ne pas perdre d’oxydants dans le plan d’eau sus-jacent. Outre la perte d’oxydants, la perturbation des sédiments susceptible de résulter des injections peut entraîner la remise en suspension et la perte de sédiments dans le plan d’eau. Les efforts d’atténuation potentiels comptent de rythmes lents d’injection, afin de permettre la perméation à travers les sédiments profonds et de prévenir le cheminement préférentiel. Les injections en profondeur d’oxydants sont également à même de réduire la probabilité de perturbation des sédiments de surface et de perforation de la surface des sédiments due au cheminement préférentiel des oxydants. L’oxydation chimique peut être combinée au recouvrement des sédiments afin de réduire la perte d’oxydants sur les sites contaminés en surface (où une injection en profondeur ne suffit pas à assainir les sédiments).
Certaines réactions d’oxydation peuvent faire en sorte que les contaminants se dissocient des particules solides et se dissolvent dans l’eau interstitielle. Cela peut permettre aux contaminants de se mettre en suspension dans la colonne d&rsqu
Remarque :
Un essai à petite échelle sur le terrain est requis afin de déterminer l'efficacité de la technologie ainsi que le design adapté aux conditions spécifiques du site contaminé (temps de résidence, débit de pompage, nécessité d'un prétraitement).
Remarque : Des essais sur le terrain pour mesurer la conductivité hydraulique au niveau de la barrière gelée ainsi que le rayon d'influence des tubes frigorifiques sont nécessaires avant de procéder à l'installation d'une barrière gelée.
Remarques :
L’oxydation chimique s’applique à une vaste gamme de contaminants, dont les contaminants organiques, et à tout contaminant susceptible de s’oxyder. Certains essais ont donné de bons résultats pour le traitement du trichloroéthylène (TCE) et des BTEX. Des essais en laboratoire indiquent un succès similaire pour le traitement du dichloroéthène (DCE) et du tétrachloroethène (PCE), des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et des biphényles polychlorés (BPC).
L’oxydation chimique s’applique à :
Elle s’applique aux endroits :
L’assainissement des sites dans les environnements du Nord pose des défis particuliers. Les sites sont intrinsèquement éloignés et parfois difficiles d’accès. La majorité de l’équipement requis pour l’assainissement des sites doit être transportée par bateau ou avion, généralement en provenance d’endroits situés à des centaines de kilomètres, et à prix fort. Les restrictions climatiques (par exemple les températures froides et l’état des glaces) et les brefs créneaux saisonniers pour l’exécution des travaux peuvent limiter les options d’assainissement. Les populations locales comptent souvent sur les animaux aquatiques (par exemple les phoques et les baleines) et les poissons comme une importante source de nourriture. Pour cette raison, les restrictions et les limites imposées relativement à la consommation d’organismes indigènes, souvent nécessaires en présence de sédiments contaminés, peuvent avoir une incidence importante sur les communautés. L’ensemble de ces facteurs peut changer l’approche et les options d’assainissement pour les régions éloignées.
Étant donné que les techniques d’oxydation chimique sont toujours à la phase de test, aucun essai à grande échelle dans un milieu nordique n’a eu lieu à ce jour. Le coût et la difficulté logistique liés à la mobilisation de l’équipement et des oxydants chimiques nécessaires à la mise en œuvre de la technologie sont à même de limiter son application dans les environnements du Nord.
Remarques:
Les calendriers proposés ci-dessus sont théoriques. Le calendrier de traitement est largement tributaire du nombre d’applications, du délai requis entre les applications et des chances que les contaminants connaissent un effet de rebond. De plus, toute limite imposée quant au moment de l’application (par exemple éviter les applications durant les périodes sensibles pour le biote aquatique) augmentera la durée globale du traitement requis pour l’assainissement.
Commentaires : L’oxydation chimique s’est avérée une technologie viable pour l’assainissement du sol et de la contamination de l’eau souterraine. L’assainissement des sédiments par l’oxydation chimique demeure une technologie non éprouvée en dehors de l’expérimentation en laboratoire.
Une surveillance à long terme peut être nécessaire, lorsque la répartition homogène de l’oxydant chimique est difficile. Les essais pilotes de l’oxydation chimique dans les sols ont indiqué un potentiel d’effet de « rebond » des contaminants. On a établi un lien de causalité avec le mélange hétérogène de l’oxydant dans la matrice, qui laisse des poches de faible perméabilité (par exemple du limon ou de l’argile) non traitées. Puisque les contaminants demeurent sur le site, ils peuvent continuent de s’infiltrer et risquent de contaminer à nouveau les zones traitées. On s’attend à ce que ce phénomène se produise dans les sédiments semblables sur le plan structurel.
Dans la plupart des cas, les produits de dégradation générés sont l’eau et le dioxyde de carbone, et dans le cas des composés chlorés, le chlore inorganique. L’oxydation avec le O3 et le H2O2 accroît également la teneur en oxygène de la matrice, ce qui est susceptible d’accélérer la biodégradation des composés résiduels. Certaines réactions oxydatives sont exothermiques (par exemple H2O2), de sorte qu’elles peuvent augmenter la désorption et la dissolution des contaminants adsorbés sur la phase solide. Il arrive que les réactions exothermiques aient un effet positif sur l’efficacité du traitement, mais elles peuvent également faire migrer les contaminants dans la colonne d’eau. Qui plus est, une oxydation incomplète des contaminants peut engendrer des intermédiaires toxiques. Par exemple, la dégradation partielle des HAP peut produire des phénols, des aldéhydes, des acides carboxyliques, des cétones et des quinones (Ukise et al. 2013), qui sont très toxiques pour certains animaux vivant dans la zone benthique, tels que les poissons et la sauvagine (Grung et al. 2016).
Il a été montré que les réactifs amélioraient l’efficacité du traitement par divers oxydants. Les réactifs comprennent les catalyseurs, qui accélèrent la réaction chimique, les acides, qui stimulent la réaction en abaissant le pH, et les stabilisateurs, qui empêchent une réaction précoce avec le contenu organique. Par exemple, Feo et al. (2014) ont jumelé le peroxyde d’hydrogène avec un catalyseur à rayons UV pour un assainissement amélioré des sédiments contaminés par le décabromodiphényléther (déca-BDE) et Yang et al. (2014) ont démontré une meilleure dégradation des esters phtaliques dans les sédiments des rivières avec les oxydants Fe3O4 et S2O82- combinés, de concert avec les processus d’assainissement électrocinétique, afin de faciliter l’occurrence de la réaction. La stabilité des amendements employés peut être accrue par des modifications de leurs caractéristiques physiques, comme l’ajout de liants ou d’agents pondérés, dans le but de réduire les occurrences de remise en suspension et de perte d’amendements en raison de la migration de l’eau en dehors du site. Par ailleurs, il est possible de combiner l’oxydation chimique à d’autres méthodes telles que le recouvrement in situ, la biodégradation, la séquestration ou le suivi du rétablissement naturel (SRN), dans le but d’améliorer l’efficacité du traitement.
Aucun traitement secondaire n’est requis si les concentrations cibles du contaminant sont atteintes.
Après le traitement, il est possible de voir les concentrations de contaminants augmenter de nouveau (phénomène appelé « effet de rebond »). Dans ces circonstances, une deuxième ou une troisième injection d’oxydants est parfois nécessaire. L’effet de rebond se produit lorsque les oxydants n’atteignent pas toute la contamination ou lorsque les oxydants sont épuisés avant que toute la contamination n’ait pu être traitée.
Il n’existe aucun exemple d’essai à l’échelle pilote. On retrouve toutefois des exemples d’essais en laboratoire dans Ferrarese et al. 2008, Hong et al. 2008 et Brown et al. 2009.
Le rendement rapporté dans la documentation pendant les essais en laboratoire des sédiments contaminés ou des sédiments naturels enrichis reconstitués dans le laboratoire a indiqué une réduction de plus de 90 % des concentrations de HAP et de BPC. Le seul essai pilote effectué sur le terrain (Thomas et al. 2008) n’a indiqué aucune dégradation importante des contaminants organiques (hydrocarbures pétroliers), même si on a atteint des concentrations de 20 g de peroxyde par kg de sédiments à chaque endroit. De surcroît, la mobilisation des métaux contenus dans les sédiments a été observée dans l’eau interstitielle. Le rendement de cette technique à grande échelle est donc incertain à ce stade-ci.
Aucun essai sur le terrain à grande échelle recourant à l’oxydation chimique en vue d’assainir les sédiments contaminés n’a eu lieu à ce jour. Si cette technologie passe au stade des essais sur le terrain à pleine échelle, la durabilité de la technologie pourrait être améliorée au moyen d’une mise à l’essai et d’une conception méticuleuses des types d’oxydants, de la mise en œuvre de mesures d’atténuation afin de compenser l’incidence de l’oxydant sur la communauté benthique et de l’optimisation du nombre de sites à traiter par oxydants et injections pour atteindre les objectifs d’assainissement.
À très faibles doses, la plupart des oxydants chimiques ont très peu d’incidence sur la vie aquatique et benthique. Toutefois, à très fortes doses, les agents oxydants risquent de nuire aux communautés aquatiques et benthiques, ce qui pourrait accroître les taux de mortalité. Les organismes benthiques de plus petite taille ont une moindre capacité à supporter l’ajout d’oxydants et sont plus sujets à la mortalité précoce, comparativement aux organismes de plus grande taille et aux poissons. Les doses devraient donc être dictées par les volumes de contaminants et la capacité des organismes benthiques indigènes à supporter l’application d’oxydants. Lorsque la dose d’oxydant requise est supérieure à la quantité tolérable par la communauté benthique indigène, les oxydants peuvent être appliqués en couches minces consécutives, ce qui laisse du temps pour le rétablissement des milieux benthiques entre chaque application.
Traitement in situ
Oxydants chimiques (permanganate [MnO4-], peroxyde d’hydrogène [H2O2], persulfate de sodium [Na2S2O8], persulfate [S2O82-] et ozone [O3])
Contact avec la peau, inhalation de particules et ingestion accidentelle
Éducation du personnel concernant la sécurité et fourniture d’un équipement de protection individuel approprié et de matériel de protection (par exemple absorbants carrés), au besoin. Suivi des mesures en place pour l’entreposage et la manipulation en toute sécurité afin de réduire au minimum l’exposition, tel que l’énoncent les fiches techniques sur la sécurité du matériel.
Réactifs (réactif de Fenton [Fe2+])
Éducation du personnel concernant la sécurité et fourniture d’un équipement de protection individuel approprié. Suivi des mesures en place pour l’entreposage et la manipulation en toute sécurité afin de réduire au minimum l’exposition, tel que l’énoncent les fiches techniques sur la sécurité du matériel.
Fiche rédigée par : Bruno Vallée M.Sc, LVM inc.
Dernière mise à jour par : Bruno Vallée, M.SC., LVM inc. and Ashley Hosier, Ing., Collège militaire royal
Date de mise à jour : 8 décembre 2016
