Mise en place des procédés électrochimiques d'oxydation avancée pour le traitement de solutions de lavage de sols contaminés par des hydrocarbures aromatiques polycycliques

par Clément Trellu

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Soutenue le 02-12-2016

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 (EA 4508)- UPEM (laboratoire) .

Le président du jury était Manuel A. Rodrigo.

Le jury était composé de Mehmet Ali Oturan, Eric Van Hullebusch, Piet N. L. Lens, Giovanni Esposito, Yoan Pechaud.

Les rapporteurs étaient Marie-Odile Nicolas-Simonnot.


  • Résumé

    La dépollution des sols contaminés par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) est un enjeu important de société, à la fois environnemental, économique et technologique, du fait du grand nombre de sites contaminés par ces composés toxiques et persistants. Les entreprises d’ingénierie de l’environnement utilisant des procédés conventionnels de bioremédiation font souvent face à des rendements trop faibles d’élimination des HAPs dans les sols historiquement contaminés. Il y a donc un besoin réel de développer des solutions innovantes.Dans cette étude, 6 sols historiquement contaminés par des huiles de goudron ont notamment été caractérisés par la présence de 42 à 86% des HAPs dans la fraction sableuse, adsorbés sur diverses particules de charbon/coke/bois ou intégrés à l’intérieur de particules d’huile de goudron résinifiées et altérées. Ainsi, en fonction du niveau de séquestration des HAPs, la séparation sélective de la fraction la plus contaminée ou l’utilisation de procédés de lavage de sol (LS) utilisant des surfactants apparaissent comme des alternatives prometteuses aux procédés de bioremédiation. Une attention particulière a ensuite été portée sur le procédé de LS utilisant des surfactants, qui est basé sur l’optimisation du transfert des HAPs du sol vers la solution de lavage. Ce procédé génère des solutions de LS contenant de grandes quantités de surfactants et de polluants. Celles-ci doivent être traitées dans le but d’éviter la contamination de l’environnement et d’améliorer le rapport coût-efficacité du procédé.L’oxydation anodique (OA) a été identifiée comme un procédé adéquat et prometteur pour le traitement de solutions de lavage de sol contenant des HAPs et du Tween® 80 comme agent d’extraction. La compréhension détaillée des mécanismes impliqués dans l’élimination des composés organiques présents dans les solutions de LS a permis de mettre en place deux stratégies de traitement différentes :• Tout d’abord, il a été mis en évidence que l’utilisation de l’OA à des courants faibles et pendant des temps de traitement longs (23 h) permet la dégradation sélective des polluants ciblés (les HAPs) et la réutilisation de la solution de LS pour des étapes supplémentaires de LS. La grande quantité de Tween® 80 ainsi économisée améliore fortement le rapport coût-efficacité et l’empreinte écologique des procédés de LS, en particulier lorsque la séquestration des polluants dans le sol requiert plusieurs étapes de LS et l’utilisation de fortes concentrations en surfactant.• En revanche, des rendements élevés d’élimination des composés organiques et la production de sous-produits plus biodégradables a été observée lors de l’utilisation de l’OA à faible intensité et pendant des temps de traitement court (3 h). Ainsi, des effets synergétiques ont été observés lors de la combinaison de l’OA avec un post-traitement biologique. D’importants rendements d’élimination avec des coûts opératoires optimisés peuvent être atteints. De plus, l’OA peut aussi être utilisée comme post-traitement pour l’élimination des composés faiblement biodégradables. Cette stratégie de traitement a pour but d’éviter toute contamination environnementale par les solutions de LS.Ces deux stratégies de traitement doivent être prises en considération pour une gestion optimale et appropriée des solutions de LS. Au vu des résultats prometteurs obtenus, les défis scientifiques reliés au changement d’échelle de ce procédé ont été discutés

  • Titre traduit

    Implementation of electrochemical advanced oxidation processes for the treatment of soil washing solutions from polycyclic aromatic hydrocarbon contaminated soils


  • Résumé

    Remediation of soil contaminated by polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) is an important societal, environmental, economical and technological challenge, due to the high number of sites contaminated by these persistent and toxic compounds. Environmental engineering companies using conventional bioremediation processes often fails to reach sufficient PAH removal rates from historically contaminated soils. Therefore, there is a real need for the development of innovative solutions.In the present work, the characterization of 6 historically tar oil-contaminated soils showed that 42 to 86% of PAH are located in the sand fraction, either adsorbed on various coal/coke/wood particles or integrated in resinified and weathered tar oil particles. Thus, either selective separation of the most contaminated fraction or surfactant-enhanced soil washing (SW) appears to be promising alternatives to bioremediation, according to the level of sequestration of PAHs. Further investigations were performed on the surfactant-enhanced SW process, which is based on the transfer of PAHs from the soil-sorbed fraction to the washing solution. This process generates SW solutions containing a large amount of surfactant and pollutant. They have to be treated in order to avoid environmental contamination and ensure the cost-effectiveness of the whole process.Anodic oxidation (AO) was identified as a suitable and promising process for the treatment of SW solutions containing PAHs and Tween® 80 as extracting agent. The detailed understanding of mechanisms involved in the removal of organic compounds from SW solutions during AO allowed the implementation of two different treatment strategies:• First, it was emphasized that the use of AO at low current intensity during long treatment times (23 h) allows the selective degradation of target pollutants (PAHs) and the reuse of the SW solution for additional SW steps. Thus, the large amount of Tween® 80 saved strongly improves the cost-effectiveness and ecological footprint of SW processes, particularly when the high sequestration of pollutants requires several SW steps using high surfactant concentrations.• In contrast, high removal rates of organic compounds and production of more biodegradable by-products was observed during short treatment times (3 h) by AO at high current intensity. Thus, synergistic effects were observed for the combination of AO with a biological post-treatment. High removal rates with optimized operating costs can be achieved. Moreover, AO can also be used as a post-treatment (polishing step) for the removal of hardly-biodegradable compounds. This treatment strategy aims at avoiding environmental contamination by SW solutions.Both treatment strategies have to be considered for a suitable management of SW solutions. In view of promising results obtained, scientific challenges related to the scale-up of this process were discussed


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