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 Halifax Convention Centre, 1650 Argyle Street, Halifax, Nouvelle Écosse
4-5 juin, 2019  

Recherche et développement, démonstration et validation d’une chaîne de traitement des SPFA par l’entremise des programmes des SERDP et de ESTCP du département de la Défense des États-Unis
Nathan Hagelin1, Steve Woodward2, Michelle Crimi3, Tom Holson3, Selma Mededovic3, Jennifer Guelfo4, John Karnuc5
1 Wood
2Emerging Compounds Treatment Technologies
3 Clarkson University
4 Texas Tech University
5United States Navy
L’objectif de cette présentation est de démontrer les progrès de la recherche et du développement dans le secteur de l’assainissement de l’eau souterraine et de l’eau potable contaminée par des substances polyfluoroalkyliques et perfluoroalkyliques (SPFA), y compris l’ajout d’une technologie de destruction sur site des déchets de SPFA concentrés.
Abstract

Introduction. Les technologies d’échanges ioniques (EI) ont été démontrées comme étant une méthode de traitement efficace pour l’élimination de substances polyfluoroalkyliques et perfluoroalkyliques (SPFA) des eaux souterraines et de l’eau potable. Plusieurs études ont démontré l’efficacité de l’utilisation des EI comparativement à l’utilisation du charbon actif granulaire. L’application à grande échelle de technologies d’EI régénérable et non-régénérable est maintenant en service. Le département de la Défense (DoD) des États-Unis vise à développer, raffiner, démontrer et valider davantage ces technologies dans le cadre de projets actuellement menés par les programmes de recherches environnementales du DoD, le Strategic Environmental Research and Development Program (SERDP) et le Environmental Security Technology Certification Program (ESTCP).

Objectif. L’objectif de la recherche est de mettre au point une chaîne de traitement efficace pour l’élimination des SPFA en phase aqueuse dans l’eau, ce qui comprend à la fois les substances perfluoroalkyliques à courte et à longue chaîne ainsi que de leurs précurseurs polyfluorés, ainsi qu’offrir une méthode de destruction sur les lieux. Une telle solution réduirait et éliminerait possiblement toutes les responsabilités hors sites associées à l’élimination de l’eau partiellement traitée et serait un soutien pour les sites de projets éloignés pour lesquels l’élimination hors site n’est pas une solution faisable ou rentable. La chaîne de traitement comprend le prétraitement, la séparation, la régénération, le rétablissement et la destruction. Le prétraitement améliore la transformation des précurseurs et la mobilisation des SPFA et accélère le traitement. De l’oxygène ou des oxydants chimiques sont introduits in situ pour transformer les précurseurs moins mobiles, les cations et les zwitterions, en des anions plus petits et plus mobiles qui sont généralement repoussés par la matrice du sol, ce qui améliore donc leur mobilité pour les processus de pompage et traitement. La séparation a lieu ex-situ dans des cuves de traitement d’échanges ioniques. Ces recherches sont axées sur des milieux d’échanges ioniques régénérables qui pourraient être utilisés indéfiniment. La régénération se produit sur place en contre-balayant le milieu d’échange ionique à l’aide d’une solution régénérante, pour ensuite le rincer et le remettre en service. Le rétablissement se produit sur les lieux par la distillation et la réutilisation de la solution régénérante. La destruction des résidus de distillation de SPFA concentrés se produit sur les lieux dans un réacteur à plasma de faible énergie à contact amélioré. Tout au long du processus, les SPFA sont concentrées dans plusieurs ordres de grandeur, de parties par billion à parties par mille pour ensuite être détruites de façon efficace sur place.

Méthodologie. La chaîne de traitement des SPFA fait l’objet d’une enquête dans le cadre de deux projets parallèles des programmes de SERDP et ESTCP par un consortium de partenaires universitaires, technologiques et du génie en collaboration avec un promoteur du DoD. Le projet du SERDP est une série d’essais en laboratoire pour améliorer et optimiser les méthodologies. Du sol et de l’eau souterraine provenant d’une zone source de SPFA sont traités avec différents oxydants. L’efficacité de la transformation et de la mobilité des composantes des SPFA est comparée. L’eau prétraitée est extraite et les SPFA sont séparées en des résines d’EI régénérables dans des colonnes et sont optimisées pour les meilleures configurations à lit et les meilleurs débits. La régénération des milieux d’EI est optimisée au moyen de la formulation de la solution de régénération, son volume et son temps de contact. La solution de régénération est récupérée et les résidus de SPFA sont concentrés par distillation. Les résidus concentrés sont détruits dans un réacteur à plasma optimisé selon la configuration et les taux d’écoulement. Les résultats des essais en laboratoire alimentent le projet de l’ESTCP, qui est une démonstration en grandeur réelle de la chaîne de traitement des SPFA.

Conclusions. Le résultat ouvrira la voie à une méthode plus rentable et plus efficace pour le traitement des SPFA dans l’eau qui pourrait être considérée comme un système sur place « en boucle fermée », ce qui réduira donc les responsabilités à venir. La démonstration sur les lieux validée comprendra une évaluation des coûts et du rendement qui renseignera la mise en œuvre de ces technologies à pleine échelle. À sa fin, la démonstration sera adaptée en un guide de l’utilisateur pour la mise en œuvre dans l’ensemble du vaste portefeuille de sites qui nécessiteront des méthodes d’assainissement de l’eau contaminée par des SPFA au cours des années à venir.

Nathan Hagelin, chef de programme du secteur de service, Wood
Nathan Hagelin est chef de programme du secteur de service pour Wood et travaille à Portland (Maine). Il est le chef de file des technologies d’assainissement du groupe de travail sur les contaminants émergents de Wood. Il est géologue certifié, professionnel de l’environnement agréé et chercheur environnemental agréé qui travaille depuis 29 ans dans le domaine de l’assainissement de sites industriels et d’installations militaires contaminés. Il possède de l’expérience antérieure en tant qu’hydrologue au sein de la division des ressources en eau du U.S. Geological Survey.

Solutions de biorestauration pour les contaminants émergents
Jeff Roberts, Phil Dennis, Sandra Dworatzek, Jen Webb, Alicia Hill
SiREM
L’objectif de cette présentation est de discuter des progrès récents de la biorestauration pour deux contaminants émergents (le 1,2,3-trichloropropane et le 1,4-dioxane). Les outils et les méthodes présentées devraient également être transférables à d’autres contaminants émergents présents aux sites contaminés fédéraux du Canada.
Abstract

Le 1,4-dioxane (1,4-D) et le 1,2,3-trichloropropane (TCP) sont des agents cancérogènes présumés et sont des contaminants communs des eaux souterraines et de l’eau potable. Ces composés possèdent les mêmes strictes limites réglementaires, les mêmes propriétés d’hydrosolubilité élevées et produisent de grands panaches dilués qui présentent des enjeux d’assainissement associés. Le TCP était historiquement utilisé comme décapant de peinture, comme agent de nettoyage et de dégraissage et est également une impureté dans les fumigants de sol. Le 1,4-D est utilisé dans le secteur de la fabrication, dans les produits de soins personnels et était utilisé comme stabilisateur de solvants. Les solutions de l’évaluation et de la mise en œuvre de processus de biorestauration durables pour ces deux contaminants émergents sont en pleine expansion; cette présentation examinera les progrès récents dans la biorestauration pour ces deux contaminants comme il le sera décrit dans une prochaine section.

Évaluation des processus de biodégradation. Les technologies spécialisées pour évaluer la biorestauration du 1,4-D et du TCP comprennent les analyses génétiques, l’analyse isotopique spécifique au composé (AISC) et des études de biotraitabilité. Ces outils sont particulièrement utiles pour le 1,4-D et le TCP, puisque les produits de dégradation peuvent être difficiles à détecter et les processus de dégradation particuliers aux sites sont fréquemment mal compris. La capacité de quantifier les substances biodégradantes essentielles à l’aide d’analyses génétiques ou de détection de la biodégradation à l’aide de l’enrichissement isotopique du composé d’origine (AISC) fournit des données nécessaires pour déterminer l’efficacité de la biorestauration améliorée. Ces technologies peuvent également être utiles pour l’évaluation de processus d’atténuation naturels. Les études de biotraitabilité permettent l’analyse de plusieurs stratégies et peuvent confirmer des solutions de biorestauration au laboratoire avant la mise en œuvre sur le terrain.

Biorestauration du 1,4-D. Le 1,4-D se dégrade principalement sous des conditions aérobies et la livraison efficace d’oxygène est un élément à considérer essentiel des approches d’assainissement in situ ou ex-situ. Néanmoins, les applications sur le terrain de la bioventilation cométabolique aérobie par l’ajout d’oxygène et de gaz d’alcanes à l’eau souterraine ont été mises en œuvre avec succès. La découverte de Pseudonocardia dioxanivorans CB1190, un microorganisme qui utilise le 1,4-D comme source d’énergie, a été un jalon important. Dans les milieux où les substances biodégradantes locales sont absentes, la bioaugmentation de cultures de dégradation du 1,4-D à rendement énergétique est efficace dans des études en laboratoire; des études pilotes sur le terrain sont en attente.

Biorestauration du TCP. Le TCP est dégradé principalement par des processus réducteurs anaérobies dont le Dehalogenimonas (Dhgm) est identifié comme étant un microorganisme essentiel. Une culture de bioaugmentation pour la biorestauration relative au TCP avec une grande abondance de Dghm a été mise au point. Les recherches ont révélé que la déchlrorination du TCP et la croissance du Dghm se sont produites sur une vaste étendue de concentrations de TCP. De plus, la culture a obtenu de bons résultats dans des études à l’échelle du laboratoire, tandis que les concentrations de TCP sont demeurées élevées dans les microcosmes non bioaugmentés. Selon ces résultats, le premier essai sur le terrain de la culture a été mené sur un site en Californie en 2016. Les premiers résultats sont prometteurs.

Cette présentation examinera une étendue d’approches de surveillance et d’assainissement axées sur des études de cas pour le TCP et le 1,4-D. Les outils et les méthodologies présentées devraient être transférables à d’autres contaminants émergents présents aux sites contaminés fédéraux du Canada.

Jeff Roberts, gestionnaire principal, SiREM
Jeff Roberts a obtenu sa maîtrise en sciences de la Terre de la Waterloo University. M. Roberts est gestionnaire principal au sein de SiREM avec une vaste expérience technique en évaluation en laboratoire et en mise en œuvre sur le terrain de technologies d’assainissement des sols, des sédiments et des eaux souterraines à des sites contenant des contaminants comme des solvants chlorés, des hydrocarbures pétroliers et d’autres composés récalcitrants. Au cours des 15 dernières années, il a dirigé et géré des centaines d’études de traitabilité par lot et en colonne à l’échelle du laboratoire et il possède également de l’expérience technique dans la croissance, la mise à l’échelle et la mise en œuvre sur le terrain de plusieurs cultures microbiennes anaérobies pour des solutions de biorestauration. M. Roberts possède plusieurs années d’expérience en méthodes d’échantillonnage passives et était un membre principal de l’élaboration et de la commercialisation de l’appareil d’échantillonnage SP3TM.

Élimination du 1,4-dioxane dans les approvisionnements en eau municipaux affectés par la contamination hors site des eaux souterraines
Katie Wolohan, Julia Macejkovic, Ali Ling
Barr Engineering Company
L’objectif de cette présentation est de fournir un aperçu d’un projet d’assainissement d’un approvisionnement en eau potable à un site contaminé par des composés organiques volatils et du 1,4-dioxane ainsi que de présenter les résultats des essais pilotes menés pour sélectionner une technologie de traitement de l’eau appropriée pour l’élimination du 1,4-dioxane. Cette présentation expliquera les étapes du projet pilote et des essais effectués et discutera des renseignements recueillis afin de réduire au minimum les risques associés à l’installation d’un système à pleine échelle de traitement du 1,4-dioxane dans l’eau.
Abstract

Le 1,4-dioxane (dioxane), un agent de stabilisation de solvants et un cancérogène humain probable selon les lignes directrices associées à la protection contre les risques possibles pour la santé humaine aux États-Unis et au Canada, est communément associé à la contamination des eaux souterraines par des solvants chlorés. Les caractéristiques chimiques du dioxane font qu’il est difficile de l’éliminer ou de le dégrader à l’aide de technologies traditionnelles d’assainissement ou de traitement de l’eau.

La ville de New Brighton (la Ville) est une banlieue de Minneapolis, Minnesota (États-Unis) possédant une population d’environ 21 000 personnes. Des composés organiques volatils (COV), y compris le trichloréthylène (TCE), ont été découverts dans les puits d’approvisionnement en eau de la Ville depuis 1981. La source de la contamination a été identifiée comme étant la Twin City Army Ammunition Plant (TCAAP), située à environ quatre kilomètres des puits de la Ville, où, historiquement, les activités de fabrication de munitions ont entraîné des libérations de solvants chlorés dans le sol et les eaux souterraines. Depuis 1988, l’installation de traitement de l’eau 1 (WTP1) de la Ville, qui possède une capacité de 27,6 mégalitres par jour, a fourni de l’eau potable et a servi de système d’assainissement pour le panache des eaux souterraines contaminées. La WTP1 utilise un système d’adsorption au charbon activé granulaire (CAG) pour traiter le TCE. La United States Army a remboursé la Ville pour la construction et l’exploitation de la WTP1 dans le cadre d’une entente de règlement des litiges qui oblige la Ville à pomper 12,1 à 26,1 mégalitres par jour à des fins d’assainissement du panache.

Des concentrations élevées de dioxane ont été découvertes dans les puits d’eau souterraine d’approvisionnement en eau de la Ville en 2014. En réponse, la Ville a déterminé qu’elle souhaitait mettre à niveau son installation existante afin de pouvoir éliminer le dioxane de son approvisionnement en eau et protéger la santé publique. La United States Army a déclaré qu’elle était engagée à collaborer avec la Ville et à fournir du financement pour l’évaluation et la mise en œuvre de technologies de traitement du dioxane.

Les procédés d’oxydation avancée (POA) sont les technologies les plus efficaces pour l’élimination du dioxane de l’eau, mais à ce temps n’avaient jamais été appliqués au Minnesota pour le traitement de l’eau potable. Puisque l’efficacité du traitement dépend fortement de la qualité de l’eau au site, un essai pilote d’une durée de six mois a été mené à l’aide de deux technologies de POA, le rayonnement UV à basse pression combiné au peroxyde et un traitement à l’ozone et au peroxyde, ainsi que des appareils pilotes de système de filtration sur sable vert et de système d’adsorption au CAG. Cette opération est l’évaluation la plus approfondie des méthodes de traitement du dioxane jamais menée au Minnesota. Les essais ont été effectués en plusieurs phases distinctes afin d’évaluer :

  1. Les conditions d’exploitation et les doses de produits chimiques nécessaires pour traiter les niveaux de dioxane actuels et élevés à un niveau cible d’élimination du dioxane;
  2. Les effets du changement de l’efficacité du système de filtration sur sable vert sur le traitement par le POA;
  3. L’estimation du temps de protection du CAG contre le peroxyde et les éthanes chlorés pour les carbones catalytiques et non catalytiques;
  4. La fiabilité des POA au cours de l’exploitation à long terme.

Les essais pilotes ont indiqué que les deux systèmes de POA éliminent le dioxane jusqu’à moins de 0,1 partie par milliard et que l’ajout d’un POA ne devrait pas avoir de répercussions sur l’exploitation des systèmes actuels de filtration sur sable vert et de système d’adsorption au CAG. Le traitement du dioxane par rayonnement UV à basse pression combiné au peroxyde a été recommandé pour cette application en plaçant ce système après le système de filtration sur sable vert et avant le système actuel d’adsorption par CAG. Le système de traitement à l’ozone et au peroxyde a été éliminé en raison de sa complexité opérationnelle plus élevée et des concentrations élevées de bromure dans les effluents du système causées par la réaction de l’ozone et du bromure naturel.

À la suite des essais pilotes, la conception finale a été achevée en 2017 et le démarrage de l’installation a eu lieu à l’automne de 2018.

Katie Wolohan, ingénieure en environnement, Barr Engineering Company
Katie Wolohan est ingénieure en environnement professionnelle et possède sept ans d’expérience en tant qu’experte-conseil, aidant les clients dans les domaines du traitement de l’eau et des eaux usées, du recyclage de l’eau et de la conformité et des permis en matière d’environnement. Elle a travaillé avec des clients industriels et municipaux afin d’examiner les solutions et les enjeux liés au traitement de l’eau contaminé par les SPFA et le 1,4-dioxane. Elle a obtenu un baccalauréat ès sciences en génie de l’environnement de la Michigan Technological University.

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