La pollution des sols par les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) se présente habituellement sous forme de goudrons hydrophobes. Le lavage des sols s'effectue souvent avec des détergents ou des solvants organiques qui présentent des impacts environnementaux non négligeables. Ce travail propose une méthode alternative basée sur l'emploi de molécules cages d'origine naturelle, non toxiques et facilement biodégradables, les β-cyclodextrines qui solubilisent en milieu aqueux des polluants hydrophobes comme les HAP. Une méthode de recyclage des cyclodextrines a été mise au point (baisse des coûts en produits). Des essais ont été menés sur un panel de sols d'anciens sites industriels à l'échelle laboratoire et semi-pilote, avec deux tests concluants du procédé complet en fonctionnement continu. L'utilisation des cyclodextrines sera dans la plupart des cas une meilleure méthode que celles employant les surfactants ou les solvants organiques au regard de la directive IPPC de 1996.

Ce travail de recherche porte sur l'optimisation des procédés de lavage de sol permettant le traitement des sites contaminés par des métaux lourds. Cette étude se concentre sur le cycle complet de ce type de traitement, incluant la possibilité de réutilisation et un traitement adapté de la solution de lavage de sol utilisée. La conception et l'exploitation d'un procédé de lavage de sol sont étudiées dans le but d'optimiser leur coût et leur efficacité. Dans ce but, les paramètres et la configuration du réacteur utilisé pour ce procédé sont étudiés en détail à travers des tests à l'échelle du laboratoire, et les cinétiques sont simulées par une modélisation mathématique. Les échantillons de sol utilisés au cours de cette étude proviennent de terres agricoles présentant une forte contamination en cuivre. Parmi plusieurs agents chélateurs de la famille des aminopolycarboxylates, il a été choisi d'utiliser l'acide éthylènediamine-N, N'-disuccinique (EDDS) pour sa biodégradabilité - largement rapportée dans la littérature – et son efficacité importante d'extraction des métaux lourds, y compris du cuivre. Le travail bibliographique a permis d'identifier les deux paramètres cruciaux pour l'optimisation du procédé de lavage de sol : le rapport molaire EDDS : Cu et le rapport liquide-solide (L/S). Des tests réalisés dans un réacteur à agitation continue (RAC) en fonctionnement discontinu ont permis d'étudier l'influence de ces deux paramètres sur le rendement et la cinétique d'extraction du cuivre. L’augmentation du rapport molaire EDDS : Cu a permis une meilleure amélioration de l'efficacité du procédé, comparée à l'augmentation du rapport L/S. Par ailleurs, les tests réalisés en discontinu ont clairement mis en évidence une première étape cinétique rapide au début du traitement, suivie d'une seconde étape d'extraction plus lente jusqu'à la fin du traitement. Il a donc été formulé un modèle empirique basé sur deux termes cinétiques. Les paramètres du modèle ont été calibrés puis validés grâce à deux séries de données expérimentales différentes. Ce modèle permet d'abord d'évaluer la validité de l'hypothèse d'un procédé reposant sur deux étapes cinétiques différentes. Cela représente aussi un nouvel outil pour prévoir l'efficacité du procédé en fonction de l'évolution du ratio molaire EDDS : Cu et du temps de traitement. Les coûts d'exploitation du procédé ont été minimisés en étudiant différentes configurations de traitement. En particulier, deux configurations en réacteur piston ont été analysées et comparées à celle en RAC. Les réacteurs pistons ont été simulés en utilisant plusieurs réacteurs en série et en variant les temps de rétention et le fractionnement de l'injection de la solution de lavage de sol. Comparés à la configuration en RAC, les résultats obtenus en réacteur piston ont montré une amélioration du rendement et de la cinétique d'extraction du cuivre, ainsi qu'une réduction de la quantité de solution de lavage utilisée. Pour finir, un procédé électrochimique a été mis en place pour le traitement et la récupération de la solution d'EDDS utilisée. Des tests en réacteur discontinu ont permis d'optimiser les paramètres de ce procédé (densité de courant, pH et conductivité de la solution de lavage de sol). La solution récupérée a ensuite été utilisée pour d'autres étapes de lavage de sol. Les résultats obtenus ont prouvé l'efficacité du traitement électrochimique pour la récupération de la solution d'EDDS, et permettent d'envisager l'application de cette technique pour réduire le coût des procédés de lavage de sol utilisant l'EDDS / The object of the present research work is the optimization of soil-washing processes applied to heavy metal contaminated soils. The work focuses on the whole cycle of these treatments, including the possible recovery and the proper disposal of the used washing solution. Both the design and the exploitation of a soil washing treatment are investigated, in order to maximize their efficacy, in terms of cost and process efficiency. At this aim process parameters and reactor configurations are studied in details through lab-scale tests, and the observed kinetics are simulated through mathematical modeling. Soil samples used for the experimental activity were collected from an agricultural field located in Southern Italy, mainly contaminated by copper. Among several Aminopolycarboxylate (APC) chelating agents, Ethylenediamine-N,N'-disuccinic acid (EDDS) was selected, for its recognized biodegradability, widely reported in literature works, and its efficiency as extracting agent towards several heavy metals, including Cu. Literature review allowed determining the two most important process parameters to be investigated for washing optimization. The two parameters were identified as EDDS : Cu molar ratio and liquid to soil ratio (L/S). In order to investigate the effect of these parameters on process kinetics and Cu extraction yield, batch washing tests in continuous-stirred tank reactor configuration (CSTR) were carried out. EDDS : Cu molar ratio increase was found to be able to enhance process efficiency more than L/S increase. Batch tests clearly displayed a first fast kinetic step at the beginning of the treatment, followed by a second slower kinetic extraction step, which lasted until the end of the treatment. According to this observation, an empirical mathematical model based on two-kinetic terms was formulated. Model parameters were firstly calibrated and then validated using two different sets of experimental data. The derived mathematical model was useful to assess the validity of the two-kinetic steps process hypothesis, and to provide a tool for process efficiency prediction depending on EDDS : Cu molar ratio and treatment time length. Exploitation costs of the process were minimized studying different treatment configurations. In details two Plug-Flow configurations were analyzed and compared to the CSTR one. The two Plug-Flow configurations were simulated using several reactors in series, varying the detention time of the reactors, and fractionating the injection of the washing solution. Achieved results displayed improvements in terms of Cu extraction yield and process kinetic for the tested Plug-Flow conditions compared to the CSTR one, and showed that the use of a Plug-Flow reactor allows to reduce the amount of required washing solution. Finally, an electrochemical process was tested for the treatment and the recovery of the spent EDDS solution. Batch tests were carried out to optimize electrochemical process parameters (e.g. current density, washing solution pH and conductivity). The recovered solution was also used for a multi-washing test. Results proved the effectiveness of the electrochemical treatment for EDDS solution recovery and its potential application as technique for EDDS-enhanced soil washing costs reduction

L'objectif de cette thèse a été de développer une technologie pour l'assainissement des sols / sédiments sélénifères et d’étudier la réduction microbienne des oxy-anions de sélénium dans différentes conditions de respiration et de configurations du bioréacteur.Le sol sélénifère prélevé, dans les terres agricoles cultivées de blé au Pendjab (Inde), a été caractérisé et son lavage a été optimisé en faisant varier les paramètres tels que le temps de réaction, la température, le pH et le rapport liquide / solide. Afin de maximiser l'élimination et la récupération du sélénium à partir de ce sol, l'effet des ions compétiteurs et les composés oxydants comme les agents d'extraction pour le lavage du sol, ont également été étudiés. Bien que les agents oxydants aient montré une efficacité maximale d'élimination du sélénium (39%), la présence d'agents oxydants dans le lixiviat et le sol agricole peut augmenter le coût de leur post-traitement. Les plantes aquatiques, Lemma minor et Egeria densa ont été utilisées pour étudier la phyto-remédiation du lixiviat du sol contenant des agents oxydants. Cependant, l'efficacité d'élimination du sélénium par les plantes aquatiques a été significativement affectée par les fortes concentrations de ces agents oxydants dans le lixiviat du sol.Le rinçage du sol sélénifère a révélé un motif de migration du sélénium à travers la colonne du sol. La migration de la fraction de sélénium soluble de la couche supérieure vers la couche inférieure et sa réduction et son accumulation subséquentes dans les couches inférieures de la colonne de sol, ont été observées pendant le rinçage du sol. L'efficacité d'élimination du sélénium par la méthode de rinçage du sol a diminué avec une augmentation de la hauteur de la colonne. De plus, le lixiviat contenant des oxy-anions de sélénium obtenus à partir du lavage du sol, a été traité dans un réacteur UASB en faisant varier l'alimentation organique. Des effluents contenant moins de 5 μg de sélénium L-1 ont été obtenus, ce qui est conforme aux normes de l'USEPA pour la limite de rejet de sélénium dans les eaux usées.De plus, la bio-remédiation ex situ des oxy-anions de sélénium a été étudiée dans des conditions variables. Une bactérie aérobie (Delftia lacustris) capable de transformer le sélénate et le sélénite en sélénium élémentaire, mais aussi en composés d'ester de sélénium solubles jusque-là inconnus, a été isolée et caractérisée de manière fortuite. Alternativement, la bio-réduction anaérobie du sélénate couplé au méthane en tant que donneur d'électrons, a été étudiée dans des bouteilles de sérum et un filtre percolateur en utilisant des sédiments marins comme inoculum. Enfin, l'effet de la contamination d'autres oxy-anions chalcogènes, en plus du sélénium, a été étudié. La réduction simultanée de la sélénite et de la tellurite par un consortium microbien mixte ainsi que la rétention des nanostructures de Se et de Te biogènes dans l'EPS, ont été réalisées durant une opération de 120 jours dans un bioréacteur UASB / The aim of this Ph.D. was to develop a technology for the remediation of seleniferous soils/sediments and to explore microbial reduction of selenium oxyanions under different respiration conditions and bioreactor configurations.Seleniferous soil collected from the wheat-grown agricultural land in Punjab (India) was characterized and its soil washing was optimized by varying parameters such as reaction time, temperature, pH and liquid to solid ratio. In order to maximize selenium removal and recovery from this soil, effect of competing ions and oxidizing agents as chemical extractants for soil washing were also studied. Although oxidizing agents showed a maximum selenium removal efficiency (39%), the presence of oxidizing agents in the leachate and the agricultural soil may increase the cost of their post-treatment. Aquatic plants, Lemma minor and Egeria densa were used to study phytoremediation of the soil leachate containing oxidizing agents. However, the selenium removal efficiency by aquatic weeds was significantly affected by the high concentrations of these oxidizing agents in the soil leachate.Seleniferous soil flushing revealed the selenium migration pattern across the soil column. Migration of soluble selenium fraction from the upper to the lower layers and its subsequent reduction and accumulation in the lower layers of the soil column was observed during soil flushing. The selenium removal efficiency by the soil flushing method decreased with an increase in the column height. Furthermore, the soil leachate containing selenium oxyanions obtained from soil washing was treated in a UASB reactor by varying the organic feed. Effluent containing less than 5 μg L-1 selenium was achieved, which is in accordance with the USEPA guidelines for selenium wastewater discharge limit.Moreover, ex situ bioremediation of selenium oxyanions was studied under variable conditions. An aerobic bacterium (Delftia lacustris) capable of transforming selenate and selenite to elemental selenium, but also to hitherto unknown soluble selenium ester compounds was serendipitously isolated and characterized. Alternatively, anaerobic bioreduction of selenate coupled to methane as electron donor was investigated in serum bottles and a biotrickling filter using marine sediment as inoculum. Finally, the effect of contamination of other chalcogen oxyanions in addition to selenium was studied. Simultaneous reduction of selenite and tellurite by a mixed microbial consortium along with the retention of biogenic Se and Te nanostructures in the EPS was achieved during a 120-day UASB bioreactor operation