SYNTHESE / EXTENDED ABSTRACT FRANÇAIS / ENGLISH ET ENJEUX DE RECHERCHE POUR LE TRAITEMENT DES POLLUTIONS METALLIQUES

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1 ETUDE N /1A SYNTHESE / EXTENDED ABSTRACT FRANÇAIS / ENGLISH BARRIERES PERMEABLES REACTIVES (BPR) : RETOURS D'EXPERIENCES, PERSPECTIVES D'APPLICATION ET ENJEUX DE RECHERCHE POUR LE TRAITEMENT DES POLLUTIONS METALLIQUES PERMEABLE REACTIVES BARRIERS (BPR): INDUSTRIAL FEEDBACK, PERSPECTIVES OF APPLICATION AND RESEARCH PRIORITIES FOR THE TREATMENT OF METALLIC CONTAMINATION juillet 2010 S. COLOMBANO, A. ARCHAMBAULT - BRGM

2 Créée en 1989 à l initiative du Ministère en charge de l Envirnnement, l assciatin RECORD REseau COpératif de Recherche sur les Déchets est le fruit d une triple cpératin entre industriels, puvirs publics et chercheurs. L bjectif principal de RECORD est le financement et la réalisatin d études et de recherches dans le dmaine des déchets et des pllutins industrielles. Les membres de ce réseau (grupes industriels et rganismes publics) définissent cllégialement des prgrammes d études et de recherche adaptés à leurs besins. Ces prgrammes snt ensuite cnfiés à des labratires publics u privés. En Bibligraphie, le dcument dnt est issue cette synthèse sera cité sus la référence : RECORD, Barrières Perméables réactives (BPR) : Returs d'expériences, perspectives d'applicatin et enjeux de recherche pur le traitement des pllutins métalliques. Actualisatin de l'état de l'art RECORD 2004, 2010, 272 p, n /1A. Ces travaux nt reçu le sutien de l ADEME (Agence de l'envirnnement et de la Maîtrise de l'energie) Etude RECORD n /1A 2

3 RESUME Le dcument présente une synthèse de l utilisatin des Barrières Perméables Réactives (BPR) pur le traitement des métaux et/u métallïdes ainsi qu une analyse des freins limitant le dévelppement de cette méthde de dépllutin innvante et les axes de recherche qui permettraient de prmuvir sn dévelppement. L état des lieux de l applicatin de la technique BPR pur le traitement des eaux suterraines plluées par des métaux / métallïdes, mntre que cette technique est bien dévelppée aux Etats-Unis, ntamment pur le traitement des radinucléides et des drainages miniers acides. En Eurpe, peu de cas d applicatins snt recensés ; cependant les quelques cas d études existants mntrent le succès de cette technique et aussi, parfis, des situatins d échecs. Les freins principaux au dévelppement de ces BPR snt : les freins structurels à l innvatin, le manque de cmmunicatins (articles, guides, frum ) et de sites ateliers ainsi que les incertitudes liées au traitement (dimensinnement, cnditins d applicatins, limites de la techniques, matériaux réactifs, perfrmances à lng terme du traitement, cût de cnstructin, d pératin et de maintenance). Les principaux verrus scientifiques pur ce type de BPR snt le clmatage/déclmatage et le relargage (liés aux cnditins hydrgéchimiques mais aussi aux activités hydrbigéchimiques). Le besin de dnnées fiables sur les matériaux utilisables (fer à valence zér, matériaux végétaux u minéraux de faibles cûts) sur les perfrmances à myen et lng terme (clmatage, activité bactérienne, relargage) et sur les cûts, est réel. MOTS CLES Barrière Perméable Réactive, Pllutin, Panache, Métaux, Métallïdes, Eaux suterraines, Prcédé, Traitement in situ, Traitement passif SUMMARY This dcument reviews the use f Permeable Reactive Barriers fr the treatment f metallic and/r metallids cntaminatin. It als deals with the analysis f the resistance t the develpment f that innvative remediatin technlgy and the research pririties that wuld allw its develpment. The verview f the PRB applicatins fr the remediatin f metallic-cntaminated grundwater shws that this technlgy is well develped in the US, in particular fr the treatment f radinuclides and Acid mine Drainage. In Eurpe, few cases have been inventried and the knwn case studies bth illustrate hit and miss. The main resistance factrs t the develpment f these PRB are in relatin with the structural reluctance t innvatin, the lack f cmmunicatin (articles, guidance, frum..) and wrkshp sites, as well as the uncertainty in relatin with the treatment prcess (design and engineering, implementatin cnditins, limitatins f the technlgy, reactive fill materials, lng-term perfrmance, cnstructin, perating and maintenance csts). The key scientific difficulties faced by the PRB technlgy are mainly related the plugging/de-plugging prcess and the release f cntaminants in relatin with the hydrgechemical and the hydrbigechemical cnditins that prevail at the site. The need in reliable data is a real issue. It invlves data n adapted fill materials (zer valence-irn, bilgical materials r cst-effective minerals), n medium t lng-term hydraulic perfrmance (plugging, bacterial activity, releasing prcess) as well as n csts aspects. KEY WORDS Permeable Reactive Barriers, cntaminatin plume, metallic cntaminatin, grundwater, in situ remediatin technlgy, passive treatments. Etude RECORD n /1A 3

4 Parmi l ensemble des techniques passives de traitement/restauratin des eaux suterraines superficielles plluées, les Barrières Perméables Réactives (BPR) suscitent un intérêt très frt depuis un peu plus de 15 ans. Les premiers uvrages à l échelle industrielle (Amérique et Eurpe du Nrd) nt été réalisés au début des années Cnsciente de l intérêt crissant de cette technlgie, l assciatin française d industriels RECORD (Réseau Cpératif de Recherche sur les Déchets) a mandaté une première étude en 2004 sur l état de l art sur ce sujet. Celle-ci a permis de mettre en évidence que les BPR nt été jusqu à présent essentiellement dédiées au traitement des slvants chlrés (54 % des réalisatins industrielles en Eurpe) alrs que les BPR destinées à traiter les eaux suterraines plluées par les métaux/métallïdes ne représentent que 7 % des cas rencntrés. L bjectif de la présente étude est d apprfndir les perspectives d applicatin des BPR pur le traitement des pllutins métalliques et acides. Pur se faire, l étude s est dérulée de la manière suivante : analyse critique des travaux de recherches, des essais sur site et des returs d expérience industriels, identificatin des principaux verrus, freins scientifiques et techniques expliquant le faible dévelppement industriel dans ce dmaine, présentatin des rientatins de recherche les plus adaptées pur permettre l émergence et le dévelppement de technlgies innvantes relatives à ce dmaine. A titre de rappel, les principales caractéristiques à prendre en cmpte pur chisir le milieu réactif de la BPR snt les suivantes : i) réactivité : le temps de réactin et la cnstante d équilibre du/des plluant(s) avec le matériel réactif snt utilisés pur déterminer le temps de résidence nécessaire, et dnc les dimensins de la BPR ; ii) stabilité : le milieu réactif dit être efficace durant une péride suffisante pur permettre d atteindre les bjectifs de dépllutin fixés. Une fis qu il a été mis en place, le milieu réactif est difficile à manipuler en cas de perte d efficacité (clmatage), de plus ces manipulatins supplémentaires entrainent des cûts parfis cnséquents ; iii) dispnibilité et cûts : le milieu réactif dit être dispnible à un cût raisnnable pur que la technique reste écnmiquement avantageuse ; iv) perfrmance hydraulique : la perméabilité du matériel réactif dit être égale u supérieure à celle de l aquifère de manière à minimiser les mdificatins de l éculement ; v) cmpatibilité envirnnementale : le matériel réactif dit être bien cmpris de manière à minimiser les interactins avec les eaux suterraines. Des sus-prduits indésirables ne divent pas être créés lrs des réactins avec le panache de pllutin. Les quatre principes de base pur le traitement des pllutins inrganiques snt les suivants : i) cntrôle du ph et précipitatin ; ii) xyd-réductin ; iii) adsrptin et échange d ins ; iv) activatin bilgique. Les matériaux et additifs utilisés snt relativement diverses : cntrôle du ph et précipitatin : matériaux à base calcaires, matériaux à base de chaux, cmpst et matériaux cnstitués de carbnes rganiques, etc, xyd-réductin : fer, cmpst, dithinite de sdium, sulfure d hydrgène, acétate et carbhydrates, etc, adsrptin et échange d ins : charbn activé granulaire, charbn d s, cmpsés phsphatés, zélites, turbe, résines synthétiques, autres surces de carbnes (sciures de bis ), sable vert de fnderie, fer à valence zér, xyhydrxydes ferriques, etc. activatin bilgique : cmpsés slides libérant de l xygène u de l hydrgène, surces gazeuses d xygène u d hydrgène, surces de carbne slides u liquides (sciure de bis ), cmpst, carbne rganique granulaire, etc. L état des lieux de l applicatin de la technique BPR pur le traitement des eaux suterraines plluées par des métaux / métallïdes, mntre que cette technique est utilisée aux Etats-Unis, ntamment pur le traitement des radinucléides et des drainages miniers acides. En Eurpe, peu de cas d applicatins snt recensés, cependant les quelques cas d études existants mntrent, à plusieurs reprises, le succès de cette technique (Angleterre, Espagne, Allemagne, Hngrie et France) à des cûts plus intéressants que la technique cnventinnelle de «pmpage-traitement». La technique est Etude RECORD n /1A 4

5 utilisée principalement dans le cas de pllutins liées aux anciennes activités minières mais également sur des sites de traitement de l uranium, des anciens sites de prductin de teintures, des anciennes lagunes de déballastage L analyse des returs d expériences sur des tests en labratires, des tests piltes et des prcédés appliqués à l échelle industrielle nt été réalisés pur chacun des cmpsés/familles suivants : arsenic, chrme, radinucléides (uranium ), drainages miniers acides et pllutins cmbinées de métaux lurds / métallïdes. Ces returs d expériences nt permis de mettre en évidences les verrus et freins au dévelppement des BPR spécifiques aux traitements de ces cmpsés. Les freins principaux au dévelppement de ces BPR snt : les freins structurels à l innvatin, le manque de cmmunicatin (articles, guides, frum ), le manque de sites ateliers ainsi que les incertitudes liées au traitement (dimensinnement, cnditins d applicatins, limites de la techniques, matériaux réactifs, perfrmances à lng terme du traitement, cût de cnstructin, d pératin et de maintenance). Les freins structurels à l innvatin, le manque de cmmunicatin, le manque de sites ateliers ainsi que les freins financiers snt typiques des nuvelles techniques émergentes. Les freins techniques au dévelppement des BPR résident essentiellement dans l incertitude sur leur efficacité à lng terme. Cette prblématique est liée principalement au curt retur d expérience sur cette technique de dépllutin. Le suivi des BPR n a que quelques années (suivi de 10 ans maximum sur quelques BPR), il est dnc difficile d avir un retur d expérience sur un traitement cmplet qui peut durer 30 à 40 ans. Il existe également un manque de cmmunicatin sur les prjets, les expériences et les échecs (cnfidentialité des études). Cette incertitude sur l efficacité à lng terme des BPR est liée aux prblématiques de clmatage/déclmatage, de relargage (dépendant des cnditins hydrgéchimiques mais aussi de l activité hydrbigéchimique) et de perte de réactivité. Ntns qu une analyse détaillée des paramètres cntribuant à l échec des installatins de BPR de fer à valence zér, a mis en évidence que les causes les plus fréquentes d échecs snt les paramètres de dimensinnement (mauvaise caractérisatin hydraulique du site avant l installatin de la BPR). La perte de réactivité u le clmatage, via les précipitatins minérales, semblerait être une cause mins fréquente de l échec de la dépllutin, bien que ces facteurs limitent la durée de vie de la BPR sur le terrain. Ainsi, l éventualité d un remplacement du matériel dit être prise en cmpte dans la cnceptin de la BPR u tut du mins dans les risques de prjet. Le besin de dnnées fiables sur les matériaux utilisables (fer à valence zér, matériaux végétaux u minéraux de faibles cûts) sur les perfrmances à myen et lng terme (clmatage, activité bactérienne, relargage) et sur les cûts, est réel. Les rientatins techniques et axes de recherche adaptés pur permettre l émergence et le dévelppement des BPR pur les métaux/métallïdes peuvent être déclinés seln plusieurs axes : étude des prblématiques hydrgélgiques et de dimensinnement, etudes de pertes d efficacité des filtres : suivi de la perfrmance à lng terme, recherche cncernant l évaluatin de la perfrmance à lng terme (perte d efficacité de la barrière suite à la réductin de la prsité de la barrière via des batch tests, des tests accélérés en clnnes, des augmentatins des cncentratins en plluants, des suivis des cncentratins en plluants dans la clnne, des désrptins expérimentales et des mdélisatins hydrbigéchimiques), études relatives au prétraitements, étude de la regenératin des milieux réactifs, étude des milieux réactifs et de leurs assciatins, étude de l activité micrbienne. Etude RECORD n /1A 5

6 Amng all passive remediatin technlgies f cntaminated shallw grundwater, Permeable Reactive Barriers (PRB) raised strng interest fr the last 15 years. First industrial scale applicatins (in Nrthern America and Nrthern Eurpe) have been undertaken at the beginning f the 90s. Aware f the grwing interest fr this technlgy, the French industrial assciatin RECORD (Research cperative netwrk n wastes) cmmissined in 2004 an initial State f the Art study n PRBs. This desk study enabled t shw that PRBs have been up t date mainly used fr the treatment f chlrinated slvents (54% industrial applicatins in Eurpe) and that PRBs used t treat grundwater cntaminated by metals and metallids cmpunds represented nly 7% f the case studies. The aim f the current study is t imprve the perspectives f applicatin f BPR fr the treatment f metal and acid pllutin. In rder t d s, the study was perfrmed as fllws: critical analyse f existing research wrk, site trials and industrial feedback identificatin f main scientific and technical barriers explaining the weak industrial develpment in this field. presentatin f mst suited research actins t favur the utbreak and the develpment f innvative technlgies in this field. As a reminder the main characteristics t be taken in accunt t chse the reactive media f the PRBS are the fllwing: I) reactivity: the reactin time and the equilibrium cnstant between the pllutant(s) and the reactive material are used t determine the necessary residence time, and the dimensins f the BPR; ii) the stability: reactive media must remain efficient fr a whle duratin f the treatment in rder t achieve remediatin gals. Once implemented the reactive media is difficult t manipulate if it lses its efficiency (clgging); mrever additinal manipulatin lead t csts which may be high; iii) availability and csts: the reactive media must be available at reasnable cst in rder fr the technlgy t remain ecnmically advantageus; iv) hydraulic prperty: the permeability f the reactive material must be equivalent r higher t the permeability f the aquifer in rder t minimise flwing changes; v) envirnmental suitability: the reactive media must be well understd in rder t minimise its interactin with grundwater. Unwanted by-prducts must nt be prduced thrugh reactins ccurring in the plume. The fur basic principles fr the treatment f inrganic pllutins are the fllwing : i) cntrl f ph and precipitatin ; ii) xidreductin; iii) adsrptin r in exchange; iv) bilgical activatin. The materials and additives used are quite varied: cntrl f ph and precipitatin: limestne based material, lime based material, cmpst and rganic carbn nased material, etc. xydreductin: irn, cmpst, hydrgen sulfur, acetate, carbhydrate, etc. adsrptin r in exchange : granular active carbn, bne carbn, phsphate cmpunds, zelites, turf, synthetic resins, ther surce f carbn (sawdust..), green sand f metalwrks, zer valent irn, ferrus xihydrxides. Bilgical activatin: slid cmpunds releasing xygene r hydrgen, gazeus surces f xygen r hydrgen, surces f slid r liquid carbn (sawdust, etc.), cmpst, granular rganic carbn. Review n state f the art f PRB applicatins fr the treatment f grundwater plluted by metals f metallids shwed that this technlgy is used in the United States, particularly in the treatment f radinuclides r acid mine drainage. In Eurpe, a few case were listed, hwever a few existing case studies demnstrate, in several cases, the success f this technlgy (England, Germany, Spain, Hungary and France) csts being lwer than cnventinal techniques such as pump and treat. The technlgy is mainly used fr pllutin assciated with frmer mining activities, but als n sites needing uranium treatment, frmer dying sites, frmer lagn. Feedback n labratry, pilt scale and industrial scale testing were undertaken fr the fllwing cmpunds r grups f cmpunds: Arsenic, chrmium, radinuclide (uranium..), acid mine drainage and heavy metals / metallids cmbined pllutin. This study shwed the existence f barriers fr the develpment f BPR used specifically fr the treatment f these cmpunds. Etude RECORD n /1A 6

7 Main PRBs develpment barriers are: structural barriers t innvatin, lack f cmmunicatin (articles, guides, frum), lack f demnstratin site assciated with uncertainties linked with the treatment (scaling, cnditins f applicatin, technlgy bundaries, reactive material, lng term efficiency f the treatment, implementatin, peratin and maintenance csts). Structural barriers t innvatin, lack f cmmunicatin, lack f demnstratin site and financial barriers are cmmnly encuntered in the develpment f innvative technlgies. Technical barriers t the develpment f BPRs lie mainly in uncertainties assciated with lng term efficiency. This issue is mainly caused by a shrt term feedback n this remediatin technlgy. The mnitring f BPR has been carried ut fr a few years nly (a duratin f 10 years maximum in sme case), it is therefre difficult t have a feedback n the whle duratin f the treatment which can last fr 30 r 40 years. There is als a lack f experience sharing n the prjects (and their assciated drawbacks) due t prject cnfidentiality. This uncertainty n lng-term efficiency f PRB is assciated with the issues f clgging / unclgging, ptential release (depending n the hydrgechemical cnditins and the hydrbichemical activity) and lss f material reactivity. A detailed review f parameters cntributing t the unsuccess f PRB implementatin f zer valent irn, shwed that mst cmmn causes f failure are scaling parameters (bad hydraulic site characterisatin prir t barrier installatin). The lss f reactivity and the clgging, induced by mineral precipitatin, seems t be a less ften respnsible fr barrier failure, even thugh these parameters limit barrier life time. Thus, the likelihd f material replacement must be taken int accunt in PRB design r in prject risk assessment. There is a real need fr reliable data n barrier material (zer valent irn, lw cst material f vegetal r mineral rigin), n medium term and lng-term perfrmance (clgging, bacterilgical activity, release) and csts. The fllwing technical and research develpment may be prpsed t favur the emergence and the develpment f BPR fr metal and metallids: study n the issues related t hydrgelgy and scaling study f efficiency lss f reactive filter: Lng term perfrmance mnitring, Research n lng term perfrmance assessment (lss f barrier efficiency due t lss in prsity via batch tests and clumn tests with increasing cntaminant cncentratins, mnitring pllutant cncentratins, experimental desrptin, hydrbichemical mdelling) Study n pre-treatment Study f reactive media regeneratin Study reactive media Micrbial activity study. Etude RECORD n /1A 7