Optimal design and operation of HMs removal from soil by EDDS enhanced washing

par Alberto Ferraro

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Eric Van Hullebusch.

Soutenue le 17-12-2015

à Paris Est en cotutelle avec l'Università degli studi (Cassino, Italie) , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) (laboratoire) et de Laboratoire Géomatériaux et Environnement / LGE (laboratoire) .

Le président du jury était Piet N. L. Lens.

Le jury était composé de Eric Van Hullebusch, Giovanni Esposito, Massimiliano Fabbricino.

Les rapporteurs étaient Raffaella Pomi, Claudio Lubello.

  • Titre traduit

    Lavage de sols pollués par des métaux lourds : efficacité et optimisation du procédé


  • Résumé

    Ce travail de recherche porte sur l'optimisation des procédés de lavage de sol permettant le traitement des sites contaminés par des métaux lourds. Cette étude se concentre sur le cycle complet de ce type de traitement, incluant la possibilité de réutilisation et un traitement adapté de la solution de lavage de sol utilisée. La conception et l'exploitation d'un procédé de lavage de sol sont étudiées dans le but d'optimiser leur coût et leur efficacité. Dans ce but, les paramètres et la configuration du réacteur utilisé pour ce procédé sont étudiés en détail à travers des tests à l'échelle du laboratoire, et les cinétiques sont simulées par une modélisation mathématique. Les échantillons de sol utilisés au cours de cette étude proviennent de terres agricoles présentant une forte contamination en cuivre. Parmi plusieurs agents chélateurs de la famille des aminopolycarboxylates, il a été choisi d'utiliser l'acide éthylènediamine-N, N'-disuccinique (EDDS) pour sa biodégradabilité - largement rapportée dans la littérature – et son efficacité importante d'extraction des métaux lourds, y compris du cuivre. Le travail bibliographique a permis d'identifier les deux paramètres cruciaux pour l'optimisation du procédé de lavage de sol : le rapport molaire EDDS : Cu et le rapport liquide-solide (L/S). Des tests réalisés dans un réacteur à agitation continue (RAC) en fonctionnement discontinu ont permis d'étudier l'influence de ces deux paramètres sur le rendement et la cinétique d'extraction du cuivre. L’augmentation du rapport molaire EDDS : Cu a permis une meilleure amélioration de l'efficacité du procédé, comparée à l'augmentation du rapport L/S. Par ailleurs, les tests réalisés en discontinu ont clairement mis en évidence une première étape cinétique rapide au début du traitement, suivie d'une seconde étape d'extraction plus lente jusqu'à la fin du traitement. Il a donc été formulé un modèle empirique basé sur deux termes cinétiques. Les paramètres du modèle ont été calibrés puis validés grâce à deux séries de données expérimentales différentes. Ce modèle permet d'abord d'évaluer la validité de l'hypothèse d'un procédé reposant sur deux étapes cinétiques différentes. Cela représente aussi un nouvel outil pour prévoir l'efficacité du procédé en fonction de l'évolution du ratio molaire EDDS : Cu et du temps de traitement. Les coûts d'exploitation du procédé ont été minimisés en étudiant différentes configurations de traitement. En particulier, deux configurations en réacteur piston ont été analysées et comparées à celle en RAC. Les réacteurs pistons ont été simulés en utilisant plusieurs réacteurs en série et en variant les temps de rétention et le fractionnement de l'injection de la solution de lavage de sol. Comparés à la configuration en RAC, les résultats obtenus en réacteur piston ont montré une amélioration du rendement et de la cinétique d'extraction du cuivre, ainsi qu'une réduction de la quantité de solution de lavage utilisée. Pour finir, un procédé électrochimique a été mis en place pour le traitement et la récupération de la solution d'EDDS utilisée. Des tests en réacteur discontinu ont permis d'optimiser les paramètres de ce procédé (densité de courant, pH et conductivité de la solution de lavage de sol). La solution récupérée a ensuite été utilisée pour d'autres étapes de lavage de sol. Les résultats obtenus ont prouvé l'efficacité du traitement électrochimique pour la récupération de la solution d'EDDS, et permettent d'envisager l'application de cette technique pour réduire le coût des procédés de lavage de sol utilisant l'EDDS


  • Résumé

    The object of the present research work is the optimization of soil-washing processes applied to heavy metal contaminated soils. The work focuses on the whole cycle of these treatments, including the possible recovery and the proper disposal of the used washing solution. Both the design and the exploitation of a soil washing treatment are investigated, in order to maximize their efficacy, in terms of cost and process efficiency. At this aim process parameters and reactor configurations are studied in details through lab-scale tests, and the observed kinetics are simulated through mathematical modeling. Soil samples used for the experimental activity were collected from an agricultural field located in Southern Italy, mainly contaminated by copper. Among several Aminopolycarboxylate (APC) chelating agents, Ethylenediamine-N,N'-disuccinic acid (EDDS) was selected, for its recognized biodegradability, widely reported in literature works, and its efficiency as extracting agent towards several heavy metals, including Cu. Literature review allowed determining the two most important process parameters to be investigated for washing optimization. The two parameters were identified as EDDS : Cu molar ratio and liquid to soil ratio (L/S). In order to investigate the effect of these parameters on process kinetics and Cu extraction yield, batch washing tests in continuous-stirred tank reactor configuration (CSTR) were carried out. EDDS : Cu molar ratio increase was found to be able to enhance process efficiency more than L/S increase. Batch tests clearly displayed a first fast kinetic step at the beginning of the treatment, followed by a second slower kinetic extraction step, which lasted until the end of the treatment. According to this observation, an empirical mathematical model based on two-kinetic terms was formulated. Model parameters were firstly calibrated and then validated using two different sets of experimental data. The derived mathematical model was useful to assess the validity of the two-kinetic steps process hypothesis, and to provide a tool for process efficiency prediction depending on EDDS : Cu molar ratio and treatment time length. Exploitation costs of the process were minimized studying different treatment configurations. In details two Plug-Flow configurations were analyzed and compared to the CSTR one. The two Plug-Flow configurations were simulated using several reactors in series, varying the detention time of the reactors, and fractionating the injection of the washing solution. Achieved results displayed improvements in terms of Cu extraction yield and process kinetic for the tested Plug-Flow conditions compared to the CSTR one, and showed that the use of a Plug-Flow reactor allows to reduce the amount of required washing solution. Finally, an electrochemical process was tested for the treatment and the recovery of the spent EDDS solution. Batch tests were carried out to optimize electrochemical process parameters (e.g. current density, washing solution pH and conductivity). The recovered solution was also used for a multi-washing test. Results proved the effectiveness of the electrochemical treatment for EDDS solution recovery and its potential application as technique for EDDS-enhanced soil washing costs reduction


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