La solidification/stabilisation

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1 ARTICLE technique La solidification/stabilisation au ciment : Un nouvel outil pour une gestion durable des sols contaminés Yves Brousseau, directeur développement commercial et services techniques, (ybrousseau@cqi.ca) Jean-Sébastien Dubé, professeur agrégé, Département de génie de la construction, École de technologie supérieure (jean-sebastien.dube@etsmtl.ca) Éric Hardy, chef de discipline environnement, Qualitas-Quéformat ltée (e.hardy@queformat.com) Mise en contexte La décontamination d anciens sites industriels peut imposer une lourde facture aux promoteurs et aux contribuables. Certains propriétaires choisissent même de ne pas réhabiliter leurs terrains contaminés, privant ainsi les collectivités d espaces nécessaires à leur développement. Au Québec, on favorise présentement l extraction, la transformation ou la destruction des contaminants contenus dans les sols jusqu à une certaine concentration qui est fonction de l usage du site. Plusieurs procédés sont utilisés à cet effet, principalement basés sur un traitement chimique, thermique ou biologique des sols. Cependant, il peut s avérer difficile, voire impossible, de réduire la concentration de certains contaminants inorganiques, notamment les métaux. Les statistiques du ministère du Développement durable, de l Environnement et des Parcs (MDDEP) montrent que depuis l entrée en vigueur du Règlement sur l enfouissement des sols contaminés (RESC) en 2001, le pourcentage de sol traité en centre de traitement a bondi de 44 % à 78 % (Hébert, 2006). Cependant, il est souvent difficile de valoriser ces sols traités sur leur lieu d origine et ils serviront souvent de matériau de recouvrement dans un lieu d enfouissement sanitaire (Hébert, 2006). Il peut donc devenir nécessaire d importer une grande quantité de sol propre pour réhabiliter les sites contaminés. 54 > Vecteur environnement > Mars 2009 La nécessité d une gestion durable des sols contaminés, un concept récemment intégré dans la réglementation de plusieurs législations nord-américaines et européennes, génère l obligation de développer de nouvelles méthodes de traitement des sols préalablement à leur acheminement vers un lieu d enfouissement désigné ou à leur remise en place sur le site. Le Règlement sur l enfouissement des sols contaminés au Québec, le Landfill Directive en Europe et les Land Disposal Restrictions des Hazardous and Solid Waste Amendments au Resource Conservation and Recovery Act (RCRA), aux États-Unis, sont tous des ajouts réglementaires visant à atteindre une réduction de l enfouissement des sols contaminés et favoriser leur traitement. Également, la certification LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) favorise l utilisation des technologies qui permettent le traitement et la réutilisation des sols contaminés sur le site (CBDC, 2004). Dans ce contexte, la solidification/stabilisation (S/S) au ciment est un outil additionnel pour les professionnels du traitement des sols ou sédiments contaminés au Québec. Dans le monde, ce procédé a été peu utilisé à cette fin, à l exception notable des États-Unis où il est utilisé pour la réhabilitation des sites depuis plus de vingt ans (EPA, 1999). En effet, ce procédé permettrait notamment de réhabiliter les sites ayant un impact notable ou potentiellement important sur l environnement ou la santé publique et pour lesquels les autres types de techniques de traitement montrent des limites. Un autre aspect important de cette technique est qu elle permet de remettre en place le sol contaminé tout en modifiant ses caractéristiques mécaniques (ex. : augmentation de sa capacité portante) et hydrauliques (ex. : diminution de sa perméabilité). Certains sols traités par S/S pourraient ainsi être réutilisés comme remblai dans les travaux de génie civil. Par exemple, le projet de reconstruction de l échangeur Turcot à Montréal nécessitera à lui seul plus d un million de mètres cubes de remblai (Labelle, 2008). Dans un tel contexte, la technique de S/S pourrait permettre de traiter sur le site Turcot, ou d autres sites similaires, de grandes Sol traité avec la S/S et réutilisé comme fondation granulaire pour pavage industriel

2 Le principe de la S/S est simple : l incorporation de ciment portland et autres additifs au sol contaminé vise à immobiliser les contaminants, principalement les métaux, et à les encapsuler dans une matrice monolithique stable. Il n est donc pas nécessaire, avec cette technique, d extraire les contaminants des sols jusqu aux critères génériques prévus dans la réglementation. En fait, l objectif principal du procédé de S/S est de réduire les caractéristiques dangereuses de la matrice en diminuant le potentiel de lixiviation des contaminants qu elle contient. Il s agit donc de diminuer la quantité de contaminants qui peut atteindre un milieu récepteur et que la concentration de ces contaminants ne dépasse pas la capacité d assimilation de ce milieu. Afin de mettre en œuvre le procédé, les caractéristiques physiques et chimiques du sol contaminé doivent d abord être déterminées. En effet, certaines caractéristiques comme la granulométrie et le type de contaminants peuvent affecter la formulation du procédé et le mûrissement du sol solidifié. Ainsi, des essais de traitabilité en laboratoire sont nécessaires pour ajuster la formule de mélange au type de sol à traiter et atteindre les performances spécifiées. Dans la version in situ du procédé à grande échelle, un coulis de ciment est directement mélangé au sol au moyen de grosses tarières d environ cinq mètres de diamètre. Dans sa version ex situ, le procédé consiste à excaver le sol contaminé Par ailleurs, la rapidité d exécution de la technique ex situ explique en partie pourquoi elle est souvent considérée pour traiter des sites avec de grands volumes de sol comme le projet du Sydney Tar Pond, en Nouvelle-Écosse, où la S/S sera utilisée pour réhabiliter un site de 77 hectares et traiter plus de mètres cubes de sol et de sédiments contaminés (ACC, 2008). Priorité aux métaux Aux États-Unis, la S/S est reconnue comme Best Demonstrated Available Technology (BDAT) pour les sols contaminés par les métaux par l Environmental Protection Agency (EPA) (EPA, 1997). La S/S d un sol contaminé par des métaux repose sur deux mécanismes principaux, soit 1) une stabilisation chimique des métaux présents dans le sol par leur incorporation dans les gels de silicate de calcium hydraté (CSH), accompagnée d une précipitation d oxydes, d hydroxydes et de carbonates de métaux, et 2) une encapsulation ou confinement du sol contaminé stabilisé dans une matrice monolithique (ex. : Moskowicz et Barna, 2001; Batchelor, 2006). Le premier mécanisme Procédé in situ sans excavation : un coulis de ciment est directement mélangé au sol au moyen de grosses tarières Portland Cement Association Principe de la technologie de S/S et à le mélanger au ciment dans une usine mobile (appelée pugmill) qui permet de traiter en continu de très grands volumes de sol dans un très court laps de temps (voir photo p. 56). Par la suite, le sol traité par S/S est compacté en place sur le site d une manière similaire au béton compacté au rouleau (voir qui est utilisé pour certains types de chaussées au Québec. Le monolithe de sol solidifié ainsi obtenu est normalement protégé de l eau atmosphérique, du gel et de l eau souterraine par un aménagement adéquat du site (ex. : recouvrement, drainage, profilage de la surface). Procédé in situ : excavation autour du sol traité pour montrer l augmentation de la capacité portante et la stabilité du matériau solidifié Portland Cement Association quantités de sols contaminés. Cette finalité serait tout à fait indiquée dans un contexte de développement durable. Par ailleurs, cette valorisation sur le site d origine permet de sauvegarder un espace d enfouissement de plus en plus restreint pour des matières résiduelles plus difficiles à traiter ou valoriser. Cet article a donc pour objectif de présenter les principes de la technique de S/S, son domaine actuel d applicabilité ainsi que les perspectives de son développement futur au Québec. Vecteur environnement > Mars 2009 > 55

3 Procédé ex situ avec excavation : sol traité au ciment dans une usine continue à haut débit de type pugmill vise globalement à rendre les contaminants insolubles et le second à réduire de manière significative la possibilité que le sol stabilisé entre en contact avec de l eau. Il semblerait cependant que l encapsulation physique dans une structure monolithique soit le mécanisme dominant la réduction de mobilité des contaminants, puisqu il diminue de manière significative leur contact avec l eau (Château, 2007). Ainsi, la stabilisation chimique ne se produit pas systématiquement, ce qui n est pas nécessairement contradictoire avec le respect de critères d acceptation à l enfouissement (Château, 2007). De cette manière, la S/S devient une solution raisonnable et économique par rapport à l excavation et à l enfouissement hors site des sols contaminés aux métaux. Les autres contaminants La technique S/S pourrait aussi être envisagée pour traiter d autres types de contaminants que les inorganiques, comme cela se fait présentement aux États-Unis pour traiter certains composés organiques persistants ou autres produits chimiques (biphényles polychlorés (BCP), les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), dioxines, furanes, etc.). La technique S/S ne vise cependant pas à traiter les contaminants organiques qui peuvent être extraits facilement et rapidement des sols, sauf peut-être comme deuxième méthode de 56 > Vecteur environnement > Mars 2009 traitement lorsqu il est économiquement et/ou techniquement difficile (impraticabilité technique) d extraire ces contaminants jusqu aux critères génériques spécifiés, et aussi dans les cas de contamination mixte (inorganique et organique). Il y a toutefois une nécessité de développer davantage les connaissances sur les mécanismes permettant de contrôler la mobilité des contaminants organiques à l aide de la S/S. Cadre réglementaire requis À notre connaissance, la S/S n a jamais été appliquée au Québec comme traitement de sols contaminés, que ce soit comme traitement préalable à une remise en place sur le site ou à une réutilisation à d autres fins (ex. : matériau de construction). Par contre, une technique similaire est couramment utilisée au Québec afin de solidifier et stabiliser au ciment des résidus miniers qui sont réutilisés comme remblai dans les galeries souterraines. Cette technique de remblai cimenté (cement backfill) fait toujours l objet de recherche et de développement (Benzaazoua, 2009). Le procédé de S/S est aussi utilisé, depuis plusieurs années au Québec, pour le traitement des matières résiduelles dangereuses préalablement à leur enfouissement sur le site même de l usine de traitement (ex. : usine de Stablex au Québec (Stablex, 2008)). Malgré l expérience industrielle avec ce type de ARTICLE technique procédé, son application au traitement des sols contaminés requiert non seulement des réajustements technologiques au procédé luimême, mais également une réglementation encadrant son utilisation. Tel que mentionné précédemment, puisque l objectif ultime est de limiter l enfouissement des sols, même traités, il serait désirable de pouvoir remettre le sol traité par S/S en place sur le site, voire le réutiliser à d autres fins. Toutefois, contrairement à l enfouissement du sol traité dans un lieu désigné, ceci implique que le sol traité soit remis dans l environnement dans des conditions qui varieront d un site à un autre. Ainsi, l encadrement réglementaire du procédé doit pouvoir s adapter aux différents scénarios de remise en place ou d utilisation. Quelques tests existent afin d évaluer les propriétés physiques d un sol traité par S/S. Il est important de noter que ces tests sont la plupart du temps normalisés, qu ils sont très similaires d un organisme de normalisation à un autre et qu ils sont généralement reproductibles et comparables. Les tests physiques les plus couramment prescrits sont la détermination de 1) la résistance à la compression de la matrice monolithique et 2) la conductivité hydraulique de la matrice monolithique. Ces deux tests peuvent constituer la base d un programme de test simple et robuste visant à déterminer les caractéristiques physiques du monolithe de S/S (Stegemann et Zhou, 2008). D autres tests peuvent être ajoutés au besoin pour l étude de faisabilité. Par ailleurs, un des principaux aspects du cadre réglementaire qui se doit d être particulièrement adaptable est celui encadrant l évaluation de l efficacité du procédé à immobiliser les contaminants à l intérieur du sol et à les empêcher d en migrer dans les conditions de remise en place ou d utilisation prévues. Généralement, cette évaluation se fait à l aide d un test de lixiviation visant à déterminer le potentiel de lixiviation des contaminants à partir du sol traité en simulant les conditions de lixiviation prévalant dans les scénarios de remise en place ou d utili-

4 sation prévus. Le principe général d un test de lixiviation est de mettre un échantillon de matrice granulaire en contact avec une solution de lixiviation pendant une période de temps fixe, de séparer les phases solide et liquide, puis de mesurer les concentrations des contaminants d intérêt dans le lixiviat, c est-à-dire la solution ayant été en contact avec la matrice une fois le test terminé. En considérant les tests actuellement en usage, la solution de lixiviation peut être, selon le test, un acide dilué, tamponné ou non, un agent chélatant ou simplement de l eau distillée. Par ailleurs, le mode de mise en contact de la matrice avec la solution peut également varier, selon qu il soit statique (ex. : réacteur complètement mélangé avec un seul volume de solution) ou dynamique (ex. : percolation en colonne ou immersion d une éprouvette monolithique dans une série de bassins afin de représenter un renouvellement de la solution de lixiviation dans le temps). Le test le plus courant, qui est généralement requis dans les différentes réglementations nord-américaines sur l utilisation de la S/S, est le Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP), un test statique de l EPA (EPA, 2007a). Toutefois, sa capacité à évaluer de manière représentative le stress de lixiviation auquel est soumise une matière contaminée (traitée ou non) dans une multitude d environnements a été remise en question par plusieurs experts indépendants, mais également par le Science Advisory Board s Environmental Engineering Committee (SAB- EEC) de l EPA (SAB-EEC, 1999). Parmi les problèmes connus associés au TCLP, le fait qu il corresponde à un scénario précis de relargage, soit le coenfouissement de matières résiduelles dangereuses et de matières résiduelles domestiques, le rend arbitraire lorsqu il est utilisé hors de son champ d application. Le TCLP est également considéré peu utile sans autre information sur les mécanismes de relargage des contaminants (SAB-EEC, 1999). Par ailleurs, l EPA a tenu une assemblée consultative sur les tests de lixiviation et le devenir du TCLP en 1999, mais n a pas tenu compte des recommandations de son propre SAB jusqu à récemment. Un autre test de l EPA, le Synthetic Precipitation Leaching Procedure (EPA, 2007b), ou SPLP, a été développé afin de simuler la lixiviation de contaminants dans un scénario de mono-enfouissement, par exemple dans le contexte d un site d enfouissement de matières résiduelles dangereuses traitées ou de sols contaminés. Le SPLP est donc considéré comme une solution de rechange au TCLP pour ce type d enfouissement et sert donc à couvrir des scénarios de lixiviation où le TCLP n est conceptuellement pas applicable. Cependant, au contact de matrices alcalines, tel qu un sol traité par S/S, l acidité de la solution de lixiviation prescrite par le SPLP sera rapidement neutralisée et le test ne se comportera pas différemment qu un test de lixiviation à l eau. Plusieurs autres tests de lixiviation existent et leur grande diversité est au centre de la problématique de l évaluation de l efficacité du traitement d un sol contaminé par S/S. Les différents tests existants ont des conditions opérationnelles fixées de manière souvent arbitraire qui peuvent différer grandement d un test à un autre. Par ailleurs, ces paramètres opérationnels ne permettent souvent pas de réaliser un test représentatif permettant d atteindre l équilibre chimique entre la matrice solide et la solution de lixiviation. Cette situation rend la comparaison de données de lixiviation très difficile et complique grandement la définition de critères de performance pour l utilisation de la S/S afin de réhabiliter les sols contaminés. Une question se pose alors : si le TCLP, voire le SPLP, ne sont pas toujours appropriés, quel test utiliser? La réponse à cette question n est pas aisée à établir, mais elle devra l être afin qu un cadre réglementaire permettant le développement de la S/S des sols contaminés voit le jour. D ailleurs, l Europe et les États-Unis ont déjà entrepris une révision de la pertinence du TCLP et du SPLP ainsi que des bases scientifiques sur lesquelles des tests de lixiviation appropriés devraient être développés. Il apparaît ainsi que la viabilité de la S/S au Québec passera par l établissement d un cadre réglementaire, lequel doit reposer sur un ensemble de tests de lixiviation conçus pour mettre en évidence les mécanismes contrôlant le relargage des contaminants à Vecteur environnement > Mars 2009 > 57

5 ARTICLE technique partir du monolithe de sol solidifié et également conçus de manière à être adaptables au contexte particulier de chaque site. Seuls de tels tests produiront des données sur la lixiviation des contaminants qui pourront être utilisées dans des modèles géochimiques prédictifs du comportement à long terme du monolithe. Conclusion Le procédé de S/S au ciment est une technique émergente pour la réhabilitation des sols contaminés au Québec. La technique de S/S est l une des plus utilisées (23 % des cas) pour contrôler les sources de contamination environnementale aux sites régis par le programme Superfund aux États-Unis (EPA, 2007c). Son utilisation au Québec pourrait être proportionnellement assez similaire à ce qui se fait aux États-Unis si l on considère qu environ 20 % du nombre de terrains contaminés au Québec le sont par des contaminants inorganiques ou par une contamination mixte (inorganique + organique) (Hébert, 2006). La S/S favorise le traitement et la réutilisation des sols sur le site même, ce qui est désirable dans une optique de développement durable, et cette approche est aussi favorisée par la certification LEED (CBDC, 2004). Au Canada, quelques projets de réhabilitation de sites contaminés ont été réalisés avec la S/S en Colombie-Britannique, en Alberta, au Manitoba, en Ontario et en Nouvelle-Écosse (ACC, 2009). Parmi ceux-ci se trouve la réhabilitation du plus important site contaminé au Canada, soit celui du Sydney Tar Ponds en Nouvelle-Écosse ( ca), un projet de plus de 400 millions de dollars qui est présentement en processus d appel d offres. Au Québec, plusieurs projets d importance pourraient sans doute profiter de cette technique; on a qu à penser au Technoparc de Montréal, aux projets dans et autour de la Cité du Havre à Montréal, à l échangeur Turcot, etc. Il est à noter que la S/S pourrait d ailleurs très bientôt faire son apparition au Québec dans le cadre d un projet de démonstration réalisé par la firme Qualitas-Quéformat, en partenariat avec le professeur Jean-Sébastien Dubé, de l École de technologie supérieure, la compagnie Ciment Québec ainsi que l Association Canadienne du Ciment. Ce projet concerne un site industriel dont les sols sont contaminés par du zinc. Dans le cadre de ce projet, il est planifié d excaver, de stabiliser et de solidifier les sols contaminés ainsi que de les conserver sur place dans un monolithe. Il est également prévu que ce projet sera géré par la procédure d évaluation des risques et impliquera des mesures de confinement, de contrôle et de suivi. Ce projet aura non seulement comme objectif de démontrer l applicabilité de la technique au Québec, mais également d établir les bases d une réflexion sur la manière de caractériser le potentiel de lixiviation du sol traité. Références Association Canadienne du Ciment (ACC). (2008). Solidification/stabilisation au ciment Assainissement d un bassin de refroidissement Sydney, N-É. pond_-_assainissement_dun_bassin_de_refroidissement.pdf. Association Canadienne du Ciment (ACC). (2009). Réhabilitation de sites contaminés, ca (section Utilisation du ciment et du béton/ Assainissement des sols). Pages consultées le 8 janvier Batchelor, B. (2006). «Overview of waste stabilization with cement». Waste Management, vol. 26, n 7, p Benzaazoua, M. (2009). Chaire de recherche du Canada sur la gestion intégrée des rejets miniers sulfureux par remblayage, Pages consultées le 13 janvier Château, L. (2007). Solidification/stabilisation des déchets dangereux Procédés à base de liants minéraux. 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