Techniques de dépollution : Cours introductif PDF

TECHNIQUES DE DEPOLLUTION : COURS INTRODUCTIF Par Dr Tidiane DIOP [email protected] Accueil Présentation du professeur et des étudiants Cours introductif Coordonnateur de projet de recherche et de prestation...

TECHNIQUES DE DEPOLLUTION : COURS INTRODUCTIF Par Dr Tidiane DIOP [email protected] Accueil Présentation du professeur et des étudiants Cours introductif Coordonnateur de projet de recherche et de prestation Client Date Désignation du projet Évaluation de la qualité des eaux et sols des stations de la SENELEC de Cap des SENELEC 2024-2025 Biches, Bel-Air, Boutoute et Kahone selon la norme NS05 061 2023-2024 Caractérisation minéralogique et biogéochimique de l’état initial des sols, eaux Mine de Sabodala avant l’installation d’une unité de traitement de l’or par biooxydation 2023-2024 Traitement des eaux arénifères de dénoyage de Massawa par un Drain Oxy- Mine de Sabodala Latéritique (DOL) Traitement des eaux de dewatering arséniennes et antimoniques de Massawa par 2022-2023 adsorption sur la latérite suivie de la phytoremédiation à l’aide de plantes Mine de Sabodala indigènes. 2021-2023 Évaluation de la qualité des sels alimentaires au Sénégal CRDI/MESRI  Cours I : Cours introductif Cours II : Traitement par enlèvement: précipitation, filtration, volatilisation Cours III : Dépollution par sorption Plan Générale Du COURS Cours IV : Dépollution par dégradation: oxydoréduction Cours V :Dépollution physique et thermique  Plan Du COURS introductif I-Types de dépollution II-Nature des polluants III- Exemples de pollution Pollution des eaux Pollution des sols Pollution de l’air IV- Techniques de dépollution V- Pourquoi remédier les matrices pollués ? VI- Impuretés dans l’environnement Pollutions Environnementales On peut classer les pollutions à partir de nombreux critères. - Selon la nature de l’agent polluant : Physique : rayonnements ionisants, réchauffement artificiel du milieu ambiant dû à une source de chaleur technologique Chimique : substances minérales, organiques abiotiques ou encore de nature biochimique Biologique : microorganismes pathogènes, populations d’espèces exotiques invasives introduites artificiellement par l’homme. Elles ne sont pas toujours le fait de l'activité humaine = l'activité anthropique (= les activités domestique + industrielle). Certains phénomènes naturels peuvent également y contribuer. 1) pollution naturelle de l’eau : le contact de l'eau avec les gisements minéraux peut, par érosion ou dissolution, engendrer des concentrations inhabituelles en métaux lourds et d'hydrocarbures peuvent aussi être à l'origine de pollutions aquatiques. 2) pollution naturelle de l’air par des irruptions volcaniques Les secteurs tertiaire et résidentiel Les secteurs tertiaires et résidentiels génèrent également des pollutions.  Analyse environnementale : pollution des sols, des eaux, des plantes,… Analyse des denrées alimentaires : Métaux dans le poisson, les céréales, l'eau, l’huile. Eaux Les aliments Sols agricoles  les pollutions liées aux transports, dont la pollution automobile et celle induite par les avions la pollution radioactive, (produits radioactifs exemple : le phosphogypse), la pollution électromagnétique, (pollution liée aux rayonnements ionisants et non ionisants). la pollution thermique la pollution lumineuse: désigne à la fois la présence nocturne anormale ou gênante de lumière et les conséquences de l'éclairage artificiel nocturne sur la faune, la flore, les écosystèmes ainsi que les effets sur la santé humaine. Elle est souvent associée à la notion de gaspillage d'énergie, dans le cas d'un éclairage artificiel mal adapté, s'il constitue une dépense évitable d’énergie. la pollution spatiale et la pollution par les armes ou explosifs I-Types de dépollution a- Dépollution hors site Les déchets ou terres polluées sont excavés et évacués vers un centre de traitement ou d’élimination externe (incinération, traitement physico - chimiques, centre d’enfouissement technique). b- Dépollution ex situ Les terres et/ou les eaux polluées et excavées sont traitées sur le site au moyen d’installations spécifiques. Une fois traitée, la terre peut être remise en place ou évacuée.  c- Dépollution in situ traitement sans excavation Le sol est laissé sur place, les polluants peuvent être extraits et traités en surface, dégradés dans le sol lui-même ou fixés dans le sol. Les eaux souterraines pollués sont généralement traitées sur place.  D- le confinement Il s’agit de maintenir dans un espace donné et pendant une durée donnée une pollution susceptible d’affecter le sol ou les eaux. Les zones de confinement peuvent être en surface ou en couches profondes.  II- Nature des polluants Les polluants sont issus des activités agricoles, urbaines et industrielles. Activités agricoles Produits phytosanitaires, éléments en traces, phosphore, azote… Activités urbaines et industrielles ✓ Polluants organiques : hydrocarbures pétroliers (supercarburant, gasoil, kérosène), hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), benzène, toluène, éthylbenzène, xylène (BTEX), polychlorobiphényles (PCB), solvants halogénés ; ✓ Éléments traces Métalliques (ETM) :cuivre, chrome, fer, manganèse, molybdène, nickel, zinc, cadmium, mercure, plomb, …), non-métaux (bore, sélénium, arsénique, …), radionucléides (Uranium, cadmium…). * BTEX: Benzène, Toluène, Éthylène, xylène  Différences entre polluant et contaminant Contaminant est la présence une substance étrangère potentiellement dangereuse dans un milieu naturel. Ne crée pas toujours des effets nocifs. Polluant est une substance de teneur potentiellement dangereuse lorsqu’elle atteinte les normes. Crée des effets nocifs. N.B: le polluant est toujours une substance nocive tandis que le contaminant n'est pas toujours nocif.  III- Exemples de pollution 1-Pollution des eaux Drainage minier acide (DMA) Le DMA est produit lorsque les sulfures (les métaux exploités sont sous forme de sulfures), contenus dans la roche, entrent en contact avec l’eau et l’air et produisent de l’acide sulfurique, qui engendre la libération des métaux. DMA caractérisé par un pH acide et la présence de métaux Conséquences du DMA: Site Lorraine, Canada  Pollution des cyanures dans les mines d’or L’arsenic est probablement le contaminant environnemental responsable des risques les plus élevés de morbidité et de mortalité à travers le monde, en raison de la combinaison de deux facteurs : ▪ son niveau de toxicité, ▪ nombre de personnes exposées. 18 moutons ont péri dans un site de traitement de minerais d’or ce dimanche 27 janvier 2019 au Burkina Fasso. Les animaux sont morts suite à une intoxication due à l’usage du cyanure. ✓ Blocage de l’ingestion de l’oxygène par les cellules vivantes ✓ Exposition à long-terme: cause des convulsions et la mort ✓ Les poissons sont 1000 plus sensibles que les humains  Pollution des thiosels et impacts environnementaux  Pollution des phosphates et nitrates Conséquences Eutrophisation Contamination des eaux par l’arsenic L’arsenic est probablement le contaminant environnemental responsable des risques les plus élevés de morbidité et de mortalité à travers le monde, en raison de la combinaison de deux facteurs : son niveau de toxicité, nombre de personnes exposées. Généralement, les composés d'arsenic(III) sont plus dangereux que les dérivés d'arsenic(V). L'hyper-pigmentation et les kératoses sur les paumes des mains et les plantes des pieds sont caractéristiques d'une ingestion chronique. Ces symptômes s'accompagnent souvent de problèmes respiratoires et hépatiques. De plus, l'ingestion d'arsenic augmente les risques de cancer des poumons, du foie, de la vessie ou de la peau entraîne des atteintes cardiovasculaires.  Cas d'hyperkératose et de mélanose chez des Personnes infectées La kératose, encore connue sous l’appellation de kératodermie, est un trouble cutané qui se caractérise par une excroissance de la couche superficielle de l’épiderme. Mélose: Accumulation anormale de pigment foncé dans les tissus. Le village de Tanlili (Burkina) est un village d’orpailleurs traditionnels. Il possède les forages les plus arséniés du Burkina Faso, ce qui a conduit les autorités à fermer 3 forages sur 4. Le dernier forage encore ouvert fournit une eau dont la teneur en As (>1000 µg/L) est bien supérieure à la norme au Burkina Faso de 10 µg/L. Les impacts sur la santé des populations (arsénicisme) sont visibles. Figure : Personnes infectées à Tanlili (Master II, OUEDRAOGO S. Bernard Elisée, 2015) Prétraitement du pétrole et contamination des eaux brut Le pétrole brut contient souvent : de l’eau, des sels inorganiques, des solides en suspension et des traces de métaux solubles dans l’eau. A son arrivée dans la raffinerie, le pétrole brut est stocké dans de grands réservoirs. Les pétroles bruts sont stockés et séparés selon leur teneur en soufre. La première étape du raffinage consiste à éliminer ces contaminants par dessalage pour réduire: la corrosion, et l’encrassement des installations, empêcher l’empoisonnement des catalyseurs dans les unités de production. Trois méthodes typiques de dessalage du pétrole brut sont utilisées: Le dessalage chimique, la séparation électrostatique et la filtration sont trois méthodes typiques de dessalage du pétrole brut Procédé de dessalage du pétrole brute (prétraitement) et traitement des eaux Dans le dessalage chimique, on ajoute de l’eau et des agents tensio-actifs au pétrole brut, on chauffe pour dissoudre ou fixer à l’eau les sels et les autres impuretés, puis on conserve ce mélange dans un bac pour que la phase aqueuse décante. Dans le dessalage électrostatique, on applique des charges électrostatiques de tension élevée pour concentrer les gouttelettes en suspension dans la partie inférieure du bac de décantation.  2-Pollution des sols Exemple de sols agricole contaminés par une mine (Zn, Pb; Chine)  Contamination des sols viticoles par le cuivre La bouillie bordelaise est un pesticide (algicide et fongicide) fabriqué par neutralisation d’une solution de sulfate de cuivre par de la chaux éteinte : CuSO4 + Ca(OH)2. 850 000 ha 6 traitements en moyenne jusqu’à 500 mg Cu kg-1 (valeur limite 100)  Sols de Guadeloupe contaminés par la Chlordécone Insecticide : contre le charançon du bananier (Cosmopolites sordidus). Utilisé entre 1971 et 1993 16 000 ha. Toxique, persistant, transféré dans les chaînes alimentaires. Une commission d’enquête parlementaire se penche sur Molécule de Chlordécone l’utilisation aux Antilles du chlordécone, un pesticide dangereux suspecté d’être à l’origine de nombreux cancers.  Des technosols (sols contenant des matériaux technologiques). Lorsqu’ils sont pollués, ils peuvent gravement menacer la ressource en eau. Cas de Mbeubeuss et l’eau provenant des pompes Diambar  3- Pollution de l’air Exemple pollution de l’air par le radon Une fois inhalé, le radon ainsi que ses descendants radioactifs irradient les tissus. A terme, cette irradiation liée au radon peut être la cause d’un cancer du poumon.  ❖ Exemple d’accidents causés par des produits chimiques toxiques ❑ Histoire de Minamata « Un jour, les chats se mirent à danser dans les rues. Trébuchant, nombreux se perdaient dans des convulsions brutalement figées par la mort. Ensuite ce fût le tour des oiseaux. Ils se cognaient contre les murs, s’emmêlaient dans les fils électriques et chutaient du ciel, incapables de contrôler leur vol. Quelques mois plus tard, les hommes qui, incrédules, ne comprenaient plus leurs animaux, perdirent leurs nerfs. Leurs articulations commencèrent se raidir dans des positions grotesques et très vite leurs doigts furent incapables de retenir les baguettes du repas. Les pêcheurs frappés par ce mal étrange ne furent plus capables de se tenir debout, ni même d’enfiler leurs bottes. La débilité conquit lentement leur esprit. Sur cent vingt et un, quarante-six s’éteignirent. Une décennie après, des enfants difformes, mentalement retardés, virent le jour. Cette histoire s’est déroulée entre les années 1950 et 1970 dans un port de pêche japonais nommé Minamata. Les rejets de mercure dans l’eau de mer de l’usine Shin Nippon Chisso Ainsi a été découvert l’empoisonnement au mercure, connu aussi sous le nom de « Maladie de Minamata ».  (1.13 partie 1) Année Emplacement Produit Détails Dommages Tératogène: Risque de Ingestion régulière malformation du fœtus. de poissons contaminés 107 décès, lésions cérébrales, 1956 Minamata, Japon Hg par les effluents d'une usine effet tératogène BPC : biphényles de produits chimiques Amérique Médicament prescrit polychlorés 1960 Thalidomide Effet tératogène et Europe pour faciliter le sommeil Dioxine: organochlorées, Acné chlorique, ongles noircis, hétérocycliques et Yusho, Japon gencives noircies, aromatiques 1968 BPC paupières enflées, Furanes: composé et furanes Huile de cuisson contaminée déficiences visuelle, 1979 QPC mortalité infantile augmentée hétérocyclique simple et Yu-Cheng, Taïwan Aromatiques déficience de développement. fondamental, constitué d'un Effets sur 10 ans. cycle aromatique de 5 atomes Utilisation d'huile contaminée dont un atome d’oxygène. Mort de 60 chevaux et petits animaux Dioxine, BPC pour rabattre la poussière 1970 Missouri É-U Mort de centaines d'oiseaux trichlorophénol dans les écuries USA Adultes malades. Ville fermée. et les chemins de terre IV- Techniques de dépollution Méthodes physiques: Ventilation de la zone non saturée, pompage et traitement, confinement par couverture et étanchéification, solidification/stabilisation …. Méthodes thermiques : Incinération, désorption thermique, vitrification Méthodes chimiques : Mise en solution et extraction chimiques, oxydation et réduction chimiques Méthodes biologiques : Bioréacteur, phytoremédiation  V- Pourquoi remédier les sols pollués ? Pour réduire les risques de transfert vers les cibles sensibles : Homme et écosystèmes Pour restaurer la ressource en sols VI- Impuretés dans l’environnement On s’intéresse aux impuretés pour plusieurs raisons: Elles présentent un risque pour la santé humaine Elles affectent l’esthétique (Apparence, goûts, odeur, couleur, etc.) Elles ont un impact sur l’environnement On peut les classer en différents groupes Gaz dissous dans l’eau Oxygène (O2): Supporte la vie Méthane (CH4): Décomposition anaérobie Ammoniac (NH3) Anhydride sulfureux (H2S) Eau dans l’air Degré d’humidité a un effet important sur le confort Cela peut affecter les activités humaines Impuretés inorganiques Les composés de carbone inorganique Les principales impuretés inorganiques dans l’environnement sont présentées au tableau 2-7 Il y a aussi quelques mesures globales intéressantes La force ionique L’alcalinité La dureté Principaux ions dissous dans les eaux naturelles Ions Symbole Eau de mer Eau de rivière (mM) (mM) Sodium Na+ 470 0,23 Magnésium Mg2+ 53 0,15 Calcium Ca2+ 10 0,33 Potassium K+ 10 0,03 Chlorure Cl- 550 0,16 Sulfate SO42- 28 0,07 Bicarbonate HCO3- 2,4 0,86  Les impuretés ◼Organiques: Toutes les impuretés qui contiennent du carbone à l’exception des formes suivantes de carbone inorganique : CO Carbone élémentaire CO2 Diamant HCO3- Graphite CO32- Charbon CIV1210-Génie de l'environnement 45  Électroneutralité Une solution ne peut pas avoir une charge électrique nette  Normalité des ions négatifs = Normalité des ions positifs  ( ions négatifs ) =  ( ions positifs ) En (eq/L)  Z   anions  =  Z  cations  i i i i En [mol/L] Expression utile pour : Relier les concentrations de tous les ions Pour vérifier si une analyse de l’eau est complète Exemple 2.12 Question: Une analyse de l’eau de mer a donné les résultats présentés sur la diapo suivante: 1. Vérifiez si l’electroneutralité est satisfaite. Vous pouvez supposer que les concentrations de H+ et OH- sont négligeables. 2. Cette analyse est-elle complète? Vous pouvez supposer que la mesure des matières totales dissoutes (MTD) a une précision qui se situe entre 10 et 20 %. Exemple 2.12 (Données) Ion Conc. Masse Conc. Molaire massique Molaire (mol/L) (g/L) (g) Na+ 10,8 23 0,468 Mg2+ 1,29 24,3 0,0532 Ca2+ 0,409 40 0,0102 K+ 0,399 39,1 0,0102 Cl- 19,3 35,5 0,545 SO42- 2,71 96 0,0282 HCO3- 0,146 61 0,0024 MTD 35,2  Solution 2.12 Concentrations Cations mol/L Z Nor. mg/L CaCO3 (eq./L) Na+ 0,468 1 0,468 23400 Mg2+ 0,053 2 0,106 5300 Ca2+ 0,010 2 0,020 2001 K+ 0,010 1 0,010 500 Total 0,604 31201  Solution 2.12 (Suite) Concentrations Anions mol/L Z Nor. mg/L (éq/L) CaCO3 Cl- 0,545 1 0,545 27250 SO42- 0,028 2 0,056 2800 HCO3- 0,002 1 0,002 100 Total 0,603 30150 Solution 2.12 (Suite) Σ (Anions) = 0,603 eq/L = 30150 mg CaCO3/L Σ (Cations) = 0,604 eq/L = 31201 mg CaCO3/L MTD = 35,2 g/L ± 3,52 (31,68 à 38,72 g/L) Σ(Ci) = 35,05 g/L Conclusion: Il ne manque pas d’élément important dans l’analyse de l’eau  La dureté Causée par l’ensemble des cations multivalents. Les plus abondants sont: Ca2+ et Mg2+. Les autres cations multivalents ont habituellement des concentrations très faibles. Dureté totale (DT) = (Ca2+) + (Mg2+). Dureté carbonatée (DC) = Dureté équivalente à de l’alcalinité. Dureté non carbonatée (DNC) = Dureté non équivalente à de l’alcalinité. Dureté (Suite) On peut exprimer la dureté en différentes unités: En mg CaCO3/L = 50 meq/L Ci ,CaCO3 = Ci ,mg / l  MECaCO3 MEi En mol/L En eq/L En degré français: 1°F= 10 mmol/L  Dureté: Exemple 2.13 Question: Une analyse complète d’une eau donne les résultats suivants: Ca2+: 40 mg/L HCO3- : 183 mg/L Mg2+: 24,2 mg/L SO4= : 57,1mg/L Na+ : 9,2 mg/L Cl- : 6,2 mg/L 1. Calculez la concentration de chacune de ces substances en mg CaCO3 /L. 2. Tracez le diagramme à barre de cette eau. 3. Quelles sont: 1. Dureté totale. 2. Dureté carbonatée. 3. Dureté non carbonatée. Solution exemple 2.13 La turbidité L’ensemble des particules qui gênent le passage de la lumière. Le nombre et la taille des particules ont un effet. Les tailles les plus efficaces pour disperser la lumière sont de 0,4 µm à 0,7 µm. La turbidité affecte surtout l’esthétique de l’eau. Pas de relation avec la santé. Utilisée comme indicateur de performance pour la filtration. Elle peut avoir un effet sur les écosystèmes. La couleur Causée par la solubilisation de la matière organique. Les particules de couleurs sont: Petites (matières dissoutes). Légères (Masse volumique faible). Chargées négativement.  Mesure des particules dans l’eau On divise les particules (matières solides en suspension) en plusieurs catégories: Toutes les matières solides: TS Toutes les matières dissoutes: TDS Les solides en suspension: SS Tous les solides volatils: TVS Les solides volatils en suspension: VSS  Les microorganismes (MO) Organismes vivants avec une taille < 100 µm. La plupart des MO sont utiles. Quelques MO pathogènes. Les MO jouent un rôle important dans l’environnement. Dégradation de la matière organique. Recyclage des éléments nutritifs. Carbone, azote, sulfures. Organismes essentiels dans le cycle de la vie. Classification des microorganismes Caractéristiques Nom Description Principale source de Autotrophe CO2 carbone Hétérotrophe Matière organique Source d’énergie Phototrophe La lumière Chémotrophe Réactions chimiques (Oxydation) Relation avec O2 Aérobie Nécessite de l’oxygène pour survivre et se reproduire Anaérobie Vivent en absence d’oxygène qui peut être un poison Aérobie facultatif Vivent et se reproduisent en absence ou en présence d’oxygène Organisation cellulaire Eukariote Le noyau cellulaire contient le matériel génétique Prokariote Pas de noyau cellulaire, le matériel génétique est dans la cellule  Les bactéries Leur nom est souvent basée sur leur forme. Coccus: Sphérique. Bacillus: Forme de bâtonnet. Spirillum: Forme de spirale. Elles ont une taille de l’ordre du µm. Elles sont très abondantes dans l’environnement. CIV1210-Génie de l'environnement 61  Les algues Eucaryotes pour la plupart phototrophes. Elles utilisent la chlorophyle pour convertir la lumière en énergie chimique. La plupart sont microscopiques et vivent dans l’eau. Elles jouent un rôle important dans le cycle du carbone. Croissance favorisée par les nutriments (Azote et phosphore): Bloom d’algues. Le jour, elles consomment du CO2 et rejettent de l’oxygène (O2). La nuit, elles consomment de l’oxygène (O2) et rejettent du CO2. Elles causent des variations cycliques importantes de pH et de concentration de O2. Lors des blooms d’algues: dégradation esthétique importante et possibilité de production de toxines algales et de substances responsables de goûts et odeurs. CIV1210-Génie de l'environnement 62  Les protozoaires Eucaryotes unicellulaires présents dans les eaux et les sols. Chimiotrophes, mobiles. Tailles de 2µm à 2 cm. Plusieurs protozoaires sont pathogènes: Giardia lamblia Cryptosporidium parvum Dans un environnement qui leur est hostile, ils forment des kystes (de 2 µm à 10 µm) et peuvent survivre en état végétatif pendant très longtemps. CIV1210-Génie de l'environnement 63  Microorganismes pathogènes La plupart des MO ne sont pas pathogènes. Pas de méthode globale permettant de détecter cette classe (pathogènes) de MO. La plupart des MO pathogènes proviennent des excréments humains ou animaux. D’autres MO, non pathogènes et très abondants viennent aussi des excréments (Microorganismes d’origine fécale). Ces “autres MO” sont utilisés comme indicateur. CIV1210-Génie de l'environnement 64  Les indicateurs Les plus utilisés sont les Coliformes totaux : Présents en faible concentration dans un environnement non pollué. Une concentration élevée indique une contamination. Coliformes fécaux (thermo-tolérants). La plupart: Ne sont pas pathogènes. Ont une espérance de vie dans l’environnement relativement courte. Proviennent des excréments. Indiquent donc une contamination récente par des excréments.  Les virus Fragments de molécules génétiques entourés de protéines. Ils sont à la limite du monde vivant. Sans une cellule hôte ils ne peuvent pas: Se reproduire. Générer de l’énergie. Faire d’autres activités. Pour se reproduire ils doivent infecter une cellule et en prendre le contrôle. Leurs tailles varient de 0,02 à 0,4 µm. Sont présents dans l’eau, l’air et les sols.