Sols pollués par les métaux lourds résultant de l'enfouissement de déchets industriels (Montréal, Canada): Géochimie, spéciation des métaux, et décontamination par flottation.

Les friches industrielles (brownfields) polluées par les métaux lourds sont des lieux
\npotentiellement toxiques pour l’environnement. De plus, la présence de ces terrains contaminés
\nen milieu urbain handicape largement l’aménagement du territoire. Dans la ville de Montréal,
\nplus de 200 sites présentent une forte contamination métallique des sols. Dans le cadre de cette
\nthèse, les travaux se focalisent sur un terrain situé à proximité du centre-ville de Montréal et
\naffecté par des déchets minéralurgiques riches en métaux lourds. Le défi actuel est de promouvoir
\ndes solutions technologiques pour traiter les sols pollués plutôt que d’avoir recours à des
\ntechniques d’enfouissement. Une revue exhaustive de littérature permet de faire un état des lieux
\nde la problématique des sols contaminés par les métaux et fournit l’éventail des techniques
\nconventionnelles et innovatrices pour immobiliser ou extraire les métaux des sols.
\nLe premier objectif de cette thèse est de déterminer la répartition spatiale des métaux dans
\nplusieurs profils du sol afin d’évaluer leur potentiel de mobilisation dans l’environnement. Le
\nsecond objectif est d’établir la spéciation et la répartition des métaux dans la phase solide du sol
\ndans une perspective de lavage de sol. Enfin, le troisième objectif est de déterminer l’efficacité de
\nl’enlèvement des métaux par flottation et d’évaluer les principaux paramètres (physiques et
\nchimiques) influençant le processus de séparation.
\nLe profil du sol est composé d’un horizon superficiel de remblais riches en déchets
\nminéralurgiques reposant sur le sol naturel initial, lequel est composé d’un horizon organique
\n(tourbe) et minéral calcaire (marne et sédiments lacustres). Dans l’horizon anthropique, les
\nteneurs en As, Cd, Cu, Pb et Zn dépassent largement les critères génériques des sols établis par le
\nMinistère du Développement durable, de l'Environnement et des Parcs du Québec (MDDEP,
\n1999). Les concentrations totales des métaux dans les horizons du sol naturel sont très souvent
\ninférieures au niveau de fond géologique (critère A) établi par le MDDEP. Cependant, le calcul
\ndu facteur d’enrichissement des métaux révèle une forte « contamination » de l’horizon organique
\npar rapport à l’horizon minéral. Cela suggère que la tourbe est contaminée par les métaux
\nprovenant d’une lixiviation potentielle des fragments de scories minéralurgiques.
\nLa distribution spatiale des contaminants dans l’horizon anthropique est très hétérogène.
\nLa concentration des métaux s’avère indépendante d’une composition géochimique particulière
\ndes échantillons de sol. Toute les fractions granulométriques étudiées sont affectées, et ce, même
\nsi les particules fines contiennent les plus hautes teneurs. L’étude micro-spectroscopique
\n(microscope électronique à balayage couplé à un analyseur de rayons X par spectrométrie en
\nénergie dispersive) d’environ 150 particules riches en métaux reflète une grande diversité de la
\nspéciation des métaux en phase solide. La forme prédominante du Zn est la sphalérite (ZnS),
\ntandis que le Cu et le Pb sont distribués dans un large panel de formes minéralogiques,
\nparticulièrement des oxydes/carbonates. La distribution du Cu, Pb et Zn est aussi évaluée selon la
\nlocalisation de la phase métallique au sein de la particule (libérée, associée, incluse ou localisée à
\nla surface). En outre, l’étude micro-spectroscopique montre que certaines particules auraient subi
\ndes altérations chimiques (weathering) importantes et que certaines phases riches en métaux
\nseraient issues d’un processus de re-précipitation (par exemple des phases oxydes/hydroxydes
\nriches en Cu, Pb et Zn sur la surface d’un grain de quartz). Ces observations consolident
\nl’hypothèse de la contamination de l’horizon organique par une mobilisation des métaux dans le
\nprofil de sol provenant de l’altération lente des fragments des scories métallurgiques.
\nParmi les technologies éprouvées dans le traitement des minerais, la flottation est une
\nalternative intéressante à explorer afin d’extraire les métaux des matrices environnementales. Le
\nrôle de la flottation est de concentrer les particules riches en métal dans un plus petit volume de
\nsol. Les expériences à l’échelle laboratoire ont permis de déterminer l’efficacité et les limites de
\ncette technologie en intégrant les problématiques spécifiques aux sols à traiter. Le taux
\nd’enlèvement des métaux, ainsi que la sélectivité de la séparation ont été évalués en fonction des
\nparamètres opératoires liés à la technologie de flottation et de la distribution des métaux dans le
\nsol (minéralogie et granulométrie). Le sol subit un prétraitement par broyage afin de traiter toutes
\nles fractions fortement contaminées <10 mm et d’obtenir une granulométrie appropriée (<250
\nµm). L’influence des conditions chimiques (type et concentration d’agent collecteur, pH,
\nprétraitement chimique, minéralogie) et des paramètres physiques (vitesse d’agitation, taille des
\nparticules, mode d’addition du collecteur, ultrasonication) a été évaluée dans le but de mieux
\ncomprendre les mécanismes de séparation des particules riches en métal.
\nEn général, la flottation a permis d’enlever suffisamment de métaux pour abaisser la
\nconcentration dans le sol résiduel du critère D au critère C. L’utilisation d’un agent tensioactif
\n(collecteur) anionique, le KAX, a permis d’obtenir un bon compromis entre le taux d’enlèvement
\ndes métaux (42–52%) et la réduction de volume (>80%). L’utilisation d’un collecteur non ionique
\n(le kérosène) a donné de meilleurs taux d’enlèvement, cependant la séparation est moins
\nsélective. Deux mécanismes contribuent à l’enlèvement des particules riches en métaux : (1) le
\nvrai mécanisme de flottation, basé sur la séparation sélective des particules hydrophobes; (2)
\nl’entraînement mécanique des particules fines qui se fait indépendamment des propriétés des
\nsurfaces des particules. L’effet d’entraînement est responsable d’une grande part de l’enlèvement
\ndes métaux puisque les particules fines (<20 µm) contiennent une part importante de la
\ncontamination et que l’effet d’entraînement est significatif dans les cellules de flottation agitée.
\nLa sélectivité de la flottation est améliorée avec un temps de processus inférieur à 5 min et une
\naddition en plusieurs étapes du collecteur. La sélectivité de la flottation est optimale pour la
\nfraction particulaire intermédiaire (20–125 µm).

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