Électro-oxydation : Comment détruire durablement les SPFA dans l’eau

WSP* a réalisé une percée dans le développement d’une technologie innovante d’électro-oxydation.

Cette technologie résout un problème particulièrement difficile et urgent dans le traitement des eaux usées et des eaux souterraines : la destruction des substances per- et polyfluoroalkyles, ou SPFA. Ces composés sont largement utilisés depuis plus de 50 ans dans plusieurs produits industriels et ménagers, et leur présence dans l’environnement est désormais généralisée.

Compte tenu des besoins que nous constatons dans divers secteurs, il était primordial de trouver une solution pour la destruction des SPFA. L’équipe SPFA a donc entrepris de trouver une technologie durable, rentable, disponible dans le commerce, modulaire et évolutive, qui puisse être facilement appliquée à différents types de sites et d’eaux.

L’électro-oxydation : un moyen efficace de détruire les SPFA dans les flux d’effluents

Nous nous sommes concentrés sur la technologie d’électro-oxydation en utilisant un type unique d’électrodes en diamant dopé au bore (DDB) à longue durée de vie. Dans cette technologie, l’eau chargée en SPFA passe par un réseau d’électrodes, une anode chargée positivement et une cathode chargée négativement, et ressemble aux autres travaux pionniers de l’entreprise sur l’électrocoagulation.

Dans les électrodes en DDB, l’anode génère le processus d’oxydation et forme des radicaux oxydants et des électrons qui, par un processus chimique complexe, décomposent les molécules de SPFA en molécules plus courtes et éventuellement en dioxyde de carbone pour les molécules organiques et les fluorures. La cathode produit principalement de l’hydrogène gazeux et assure les réactions de réduction. L’électro-oxydation peut être considérée comme une combustion chimique de composés dans l’eau.

Les premiers essais d’électro-oxydation ont porté sur deux types de SPFA connus sous le nom de SPFO et APFO qui comptent parmi les plus persistants et les plus récalcitrants, et sont réglementés par les autorités sanitaires du monde entier. L’essai à grande échelle a permis d’éliminer 100 % des SPFO ainsi que 100 % des APFO afin de respecter les directives de Santé Canada et de l’Agence américaine de protection de l’environnement concernant l’eau potable pour ces deux substances.

Comme prévu, sur la base de l’expérience de l’équipe d’électro-oxydation des SPFA, on a constaté que le processus générait certains sous-produits, notamment de l’hypochlorite et du perchlorate. Cependant, en optimisant le processus, l’équipe a pu réduire considérablement ces composants problématiques, notamment en réduisant la formation de perchlorate de plus de 99 %.

Étant donné que le fluorure est l’un des éléments constitutifs de toutes les molécules SPFA, une certaine quantité de fluorure sera produite par le processus d’électro-oxydation en tant que produit de dégradation définitive de ces molécules. L’équipe s’est attachée à faire en sorte que l’effluent du processus présente des niveaux de fluorure conformes aux normes réglementaires applicables.

Tous les essais de traitabilité ont été effectués dans notre centre de traitabilité à Montréal. L’analyse de l’eau pour les SPFA a été effectuée par les laboratoires d’analyse de pointe du département de génie civil de l’Université McGill de Montréal, qui a soutenu le projet avec son expertise analytique des SPFA depuis le début en 2019.

On s’inquiète de plus en plus de l’incidence des SPFA sur l’environnement dans les zones où les mousses anti-incendie ont été utilisées, dans certaines installations de fabrication, dans les lixiviats des décharges et dans d’autres sites touchés. Cependant, la plupart des technologies actuelles utilisées pour éliminer les SPFA des eaux souterraines, des eaux usées industrielles et des lixiviats présentent des inconvénients importants.

• Le charbon actif, la technologie la plus couramment appliquée offre un faible coût d’investissement, mais des coûts d’exploitation élevés, car le milieu usagé, qui doit être régulièrement remplacé, doit être transporté vers une installation d’élimination accréditée où il est traité par incinération à haute température pour détruire les molécules problématiques de SPFA.
   
• Les résines échangeuses d’ions sont également en train de devenir une technologie courante pour l’élimination des SPFA dans l’eau. Cependant, la plupart du temps, il s’agit d’une résine à usage unique, qui doit ensuite également être incinérée. Si l’on utilise une résine régénérable, le flux de régénérant contaminé par les SPFA doit être transporté et éliminé à un coût élevé; là encore, dans une installation de gestion des déchets agréée.
  
  
• Les technologies membranaires, telles que l’osmose inverse, peuvent éliminer les SPFA de l’eau, mais elles nécessitent également l’élimination de leur flux de rejet contaminé par les SPFA. Il peut s’agir d’un volume important, selon le volume d’eau à traiter et la qualité initiale de l’eau, telle que sa concentration en solides dissous totaux. Pour les régions éloignées, cela pourrait tout simplement ne pas être applicable.

Réduction des coûts par rapport aux méthodes conventionnelles

L’une des clés du succès de notre utilisation de la technologie d’électro-oxydation a été l’utilisation d’électrodes uniques en diamant dopé au bore (DDB) à longue durée de vie. Bien que ces électrodes augmentent le coût d’investissement de l’équipement, elles devraient avoir une durée de vie allant jusqu’à 25 ans, de sorte que le coût initial est réparti sur une longue durée de vie opérationnelle. En outre, le coût d’investissement peut être atténué par la location de l’équipement. Ces électrodes spéciales permettent également de générer des concentrations plus faibles de sous-produits par rapport aux autres matériaux d’électro-oxydation.

Notre équipe a été encouragée de constater qu’en optimisant le processus d’électro-oxydation, nous avons pu fournir une solution compétitive en matière de coûts par rapport à la technologie du charbon actif sur le long terme. Le seul coût d’exploitation de l’électro-oxydation est l’électricité nécessaire pour charger les électrodes et faire fonctionner la pompe du procédé.

En bref, ce système d’électro-oxydation au diamant dopé au bore pour le traitement des SPFA :

• détruit les molécules de SPFA de sorte qu’il n’y a pas de transfert de SPFA vers d’autres milieux, ce qui élimine les coûts d’achat, de transport, d’élimination ou de régénération des médias;
• n’utilise aucun produit chimique, ne produit aucune boue et l’absence de milieu filtrant élimine les coûts d’élimination;
• offre une évolutivité facile avec davantage de réseaux de plaques ou de réacteurs en diamant dopé au bore et l’application d’une plus grande quantité d’électricité pour traiter un plus grand débit d’eau;
• offre de faibles coûts de fonctionnement en ne nécessitant que de l’électricité et aucune intervention humaine. En outre, les coûts en capital peuvent être atténués par la location de l’équipement.

L’électro-oxydation présente un grand potentiel pour le traitement des SPFA. Les principales applications de cette technologie sont les sites où de la mousse extinctrice contenant des SPFA a été utilisée, stockée ou éliminée, comme les décharges, les sites miniers, les usines pétrolières et gazières, y compris les plates-formes pétrolières; les sites de gestion des déchets, les sites militaires, les navires et les sites de transport, y compris les aéroports, les gares et les centres d’entretien des locomotives.

Le processus est efficace en énergie, durable, et sans déchet. Mieux encore, le traitement ne consiste pas simplement à concentrer ou à transférer les molécules, mais à les détruire réellement. Une unité pilote a été construite et les tests commenceront bientôt.

Notre équipe a réussi à détruire les SPFA dans deux eaux souterraines différentes et est maintenant impatiente de collaborer avec les propriétaires et les gestionnaires de sites qui veulent savoir comment cette technologie peut résoudre leurs problèmes de SPFA.

Communiquez avec notre équipe SPFA dès aujourd’hui pour plus d’informations sur ce traitement et d’autres traitements SPFA.

À propos de l’auteure

Valérie Léveillé, PhD, est ingénieure principale en traitement des eaux chez WSP à Montréal. Au cours de sa carrière, elle a inventé, mis sur pied, mis en service et optimisé des traitements d’eaux usées, d’eaux souterraines, d’eaux industrielles et d’eau potable pour des maisons, des collectivités isolées, des navires, des bases militaires, des écoles, des mines, des centres d’entretien de véhicules et pour les industries alimentaires et cosmétiques.

Remarque : Ce travail a été effectué par les professionnels de Golder qui se sont joints à WSP dans le cadre d’une acquisition réalisée en 2021.