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

11. Méthodes de déposition des couches

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