À 13 heures, heure locale, le 24 août 2023, la centrale nucléaire japonaise de Fukushima Daiichi a commencé à déverser dans la mer de l’eau contaminée par des matières nucléaires. Cette catastrophe a suscité de vives inquiétudes dans le monde entier. L’ambassadeur de Chine au Japon, Wu Jianghao, a adressé une protestation solennelle au gouvernement japonais concernant le rejet en mer des eaux polluées par le nucléaire de Fukushima ; l’Administration générale des douanes de Chine : Suspension totale des importations de produits aquatiques japonais ; Premier ministre sud-coréen : La Corée du Sud maintiendra inchangée l’interdiction d’importation des produits aquatiques japonais de Fukushima.
Les eaux usées nucléaires, comme leur nom l’indique, sont des eaux usées contenant de la radioactivité. Il s’agit par exemple d’eaux usées hautement radioactives produites lors d’accidents dus à des fuites nucléaires, ou d’eaux de refroidissement en contact direct avec du combustible nucléaire. Les experts affirment que les eaux usées nucléaires ne sont pas égales aux eaux usées nucléaires. Les eaux usées nucléaires sont encore plus nocives, car elles contiennent 64 types de substances radioactives nucléaires, dont le tritium.
Les eaux usées nucléaires contiennent de nombreux éléments radioactifs, tels que l’uranium, le plutonium, le césium, le strontium, l’iode et le cobalt. Certains d’entre eux ont une longue demi-vie, comme celle de l’uranium 238, qui est de 4,5 milliards d’années, et celle du plutonium 239, qui est de 24 000 ans. Ces éléments radioactifs présentent de graves dangers pour le corps humain et l’environnement, tels que la cancérogénicité, la tératogénicité et la mutagénicité. Selon les sources et les circonstances, les concentrations et les proportions de divers éléments radioactifs dans les effluents nucléaires varient, mais dépassent généralement de loin les normes internationales et les limites de sécurité.
Si les eaux usées nucléaires sont rejetées dans l’environnement sans traitement approprié, elles auront un impact sérieux sur l’écosystème et la santé humaine. Les substances radioactives peuvent être transmises par l’eau, le sol, l’air, les chaînes alimentaires, etc., ce qui entraîne une augmentation des doses de rayonnement dans les organismes, provoquant diverses maladies et mutations génétiques. Par conséquent, le traitement et l’élimination des eaux usées nucléaires doivent respecter des normes de sécurité strictes afin d’éviter toute fuite et tout accident.
Les technologies de traitement des eaux usées nucléaires couramment utilisées dans différents pays sont les suivantes :
- Méthode de précipitation chimique
La méthode de précipitation chimique est une méthode de coprécipitation de l’agent précipitant et des traces de radionucléides dans les eaux usées. Les hydroxydes, carbonates, phosphates et autres composés de radionucléides présents dans les eaux usées sont pour la plupart insolubles et peuvent donc être éliminés au cours du traitement. L’objectif du traitement chimique est de transférer et de concentrer les radionucléides présents dans les eaux usées dans un petit volume de boues, de sorte que les eaux usées déposées contiennent peu de radioactivité résiduelle et peuvent satisfaire aux normes de rejet.
Les avantages de cette méthode sont son faible coût, son bon effet d’élimination des radionucléides logarithmiques et sa capacité à traiter les composants non radioactifs et leurs concentrations, ainsi que les eaux usées fluidifiées avec une fluidisation considérable. Les installations de traitement et les technologies utilisées ont une expérience assez mûre.
À l’heure actuelle, les précipitants tels que les sels de fer, les sels d’aluminium, les phosphates et la soude sont les plus couramment utilisés. Afin de favoriser le processus de coagulation, des adjuvants de coagulation tels que l’argile, la silice activée et les électrolytes polymères sont ajoutés. Pour le césium, le ruthénium, l’iode et d’autres nucléides radioactifs concentrés qui sont difficiles à éliminer, des précipitants chimiques spéciaux doivent être utilisés. Par exemple, le césium peut être éliminé par coprécipitation de ferrocyanure ferrique et de ferrocyanure de cuivre. Certaines personnes utilisent le xanthate d’amidon insoluble pour traiter les eaux usées radioactives contenant des métaux. L’effet de traitement est bon, l’applicabilité est large et le taux d’élimination de la radioactivité est >90%. Il s’agit d’un floculant échangeur d’ions avec d’excellentes performances. Comme il n’y a pas de sulfure résiduel lors du traitement des eaux usées, il convient mieux au traitement des eaux usées.
- Méthode d’échange d’ions
De nombreux radionucléides sont ionisés dans l’eau, en particulier dans les eaux usées radioactives après traitement par précipitation chimique. En raison de l’élimination des radionucléides en suspension et colloïdaux, il ne reste que des espèces presque ioniques, dont la plupart sont des cations. En outre, les radionucléides existent en petites quantités dans l’eau et conviennent donc parfaitement au traitement par échange d’ions. En l’absence d’interférence d’ions non radioactifs, l’échange d’ions peut fonctionner efficacement pendant une longue période. La plupart des résines échangeuses de cations ont une capacité d’élimination élevée et une grande capacité d’échange pour le strontium radioactif. La résine cationique phénolique peut éliminer efficacement le césium radioactif, et la résine cationique microporeuse peut non seulement éliminer les cations radioactifs, mais aussi le zirconium, le niobium, le cobalt sous forme de colloïdes et le ruthénium sous forme de complexes par adsorption. Toutefois, cette loi présente une faiblesse fatale. Lorsque la teneur en nucléides radioactifs ou en ions non radioactifs du liquide résiduaire est élevée, le lit de résine pénètre rapidement et devient invalide. Habituellement, la résine utilisée pour traiter les eaux usées radioactives n’est pas régénérée, de sorte que lorsqu’elle est défaillante, elle doit être remplacée immédiatement.
La méthode d’échange d’ions utilise une résine échangeuse d’ions, qui convient aux liquides résiduaires à faible teneur en sel. Lorsque la teneur en sel est élevée, le coût du traitement par résine échangeuse d’ions est plus élevé que celui du processus sélectif. Cela est principalement dû à la faible sélectivité de la résine, qui présente une forte corrélation avec la teneur en sel.
- Méthode d’adsorption
L’adsorption est une méthode efficace pour éliminer les ions de métaux lourds de l’eau en utilisant des substances solides poreuses pour adsorber et éliminer les ions de métaux lourds. La technologie clé de la méthode d’adsorption est le choix de l’adsorbant. Les adsorbants couramment utilisés sont le charbon actif, la zéolite, le kaolin, la bentonite, l’argile, etc. Parmi eux, la zéolite est bon marché, sûre et facile à obtenir. Comparée à d’autres adsorbants inorganiques, la zéolithe a une plus grande capacité d’adsorption et un meilleur effet de purification. La capacité de purification de la zéolithe est 10 fois supérieure à celle des autres adsorbants inorganiques, ce qui en fait un agent de traitement de l’eau très compétitif. Elle est souvent utilisée comme adsorbant dans les processus de traitement de l’eau et sert également d’échangeur d’ions et d’agent filtrant.
Le charbon actif a une forte capacité d’adsorption et un taux d’élimination élevé, mais l’efficacité de la régénération du charbon actif est faible, et la qualité de l’eau traitée répond difficilement aux exigences de réutilisation. Le prix est élevé et l’application est limitée. Ces dernières années, divers matériaux adsorbants dotés d’une capacité d’adsorption ont été progressivement mis au point. Des études pertinentes ont montré que le chitosan et ses dérivés sont de bons adsorbants pour les ions de métaux lourds. Après réticulation, la résine de chitosane peut être réutilisée plusieurs fois sans que sa capacité d’adsorption ne diminue de manière significative. L’utilisation de sépiolite modifiée pour traiter les eaux usées contenant des métaux lourds présente une bonne capacité d’adsorption pour le Co et l’Ag, et la teneur en métaux lourds des eaux usées traitées est nettement inférieure à la norme globale de rejet des eaux usées.
- Évaporation et concentration
La méthode de concentration par évaporation présente un facteur de concentration et un facteur de purification élevés et est principalement utilisée pour traiter les eaux usées moyennement et hautement radioactives. Le principe de fonctionnement de la méthode d’évaporation est le suivant : les eaux usées radioactives sont envoyées dans le dispositif d’évaporation et, en même temps, la vapeur de chauffage est introduite pour évaporer l’eau en vapeur d’eau, tandis que les radionucléides restent dans l’eau. L’eau condensée formée au cours du processus d’évaporation est évacuée ou réutilisée, et le liquide concentré est solidifié. La méthode de concentration par évaporation n’est pas adaptée au traitement des eaux usées contenant des nucléides volatils et moussant facilement ; elle consomme beaucoup d’énergie thermique et a des coûts d’exploitation élevés ; en même temps, les menaces potentielles telles que la corrosion, l’entartrage et l’explosion doivent être prises en compte lors de la conception et de l’exploitation. Afin d’améliorer l’utilisation de la vapeur et de réduire les coûts d’exploitation, les pays n’ont pas ménagé leurs efforts pour développer de nouveaux évaporateurs, tels que les évaporateurs à compression de vapeur, les évaporateurs à couche mince, les évaporateurs sous vide et d’autres nouveaux évaporateurs, qui ont obtenu des résultats remarquables.
- Technologie de séparation par membrane
La technologie membranaire est une méthode relativement efficace, économique et fiable pour traiter les eaux usées radioactives. La technologie de séparation par membrane présente les caractéristiques suivantes : bonne qualité des effluents, pas de changement de phase des matériaux et faible consommation d’énergie, c’est pourquoi elle a fait l’objet de recherches actives.
Les technologies membranaires utilisées à l’étranger sont : la microfiltration, l’ultrafiltration, la nanofiltration, la filtration sur membrane à base de polymères solubles dans l’eau, l’osmose inverse (RO), l’électrodialyse, la distillation sur membrane, l’échange électrochimique d’ions, la membrane liquide, la séparation par membrane de filtration à adsorption de ferrite et la membrane de papier à échange d’anions, ainsi que d’autres méthodes.
La mousse de mélamine est une sorte de substrat de filtration organique tridimensionnel stable à l’échelle nanométrique, dont la taille des pores peut atteindre 1 nm, la capacité des pores 0,297 cm3/g et le taux d’ouverture des pores 98 %. Elle peut adsorber et filtrer efficacement les eaux usées nucléaires, même si la plupart des types d’adsorbants y sont ajoutés.
- Traitement biologique
Les méthodes de traitement biologique comprennent la phytoremédiation et les méthodes microbiennes. La phytoremédiation est une nouvelle technologie de traitement in situ qui utilise les plantes vertes et leurs micro-organismes indigènes de la rhizosphère pour travailler ensemble à l’élimination des polluants dans l’environnement.
D’après les résultats des recherches existantes, les types de technologies de biorestauration applicables comprennent principalement la technologie des zones humides construites, la technologie de filtration de la rhizosphère, la technologie d’extraction des plantes, la technologie de solidification des plantes et la technologie d’évaporation des plantes. Les résultats des tests montrent que la quasi-totalité de l’uranium présent dans la masse d’eau peut être enrichie dans les racines des plantes.
Le traitement microbiologique des eaux usées faiblement radioactives est une nouvelle technologie qui a commencé à être étudiée dans les années 1960. Quelques études sur l’élimination de l’uranium dans les eaux usées radioactives par cette méthode ont été menées dans le pays et à l’étranger, mais la plupart d’entre elles en sont encore au stade de la recherche expérimentale.
Avec le développement de la biotechnologie et l’étude approfondie du mécanisme d’interaction entre les micro-organismes et les métaux, on s’est progressivement rendu compte que l’utilisation de micro-organismes pour traiter la pollution des eaux usées radioactives était une méthode très prometteuse. Les cellules microbiennes sont utilisées comme agents de traitement biologique pour absorber, enrichir et récupérer les radionucléides tels que l’uranium dans une solution aqueuse, ce qui présente une grande efficacité, un faible coût et une faible consommation d’énergie. En outre, il n’y a pas de polluant secondaire, ce qui permet d’atteindre l’objectif de réduction des déchets radioactifs et de créer des conditions favorables à la régénération ou au stockage géologique des nucléides.
- Méthode des magnéto-molécules
L’Electric Power Research Institute (EPRI) des États-Unis a mis au point la méthode Mag-Mole-clue pour réduire le nombre de déchets radioactifs tels que le strontium, le césium et le cobalt générés. La méthode est basée sur une protéine appelée ferritine, qui est modifiée pour utiliser des molécules magnétiques afin de lier sélectivement les contaminants, qui sont ensuite retirés de la solution par des aimants, puis les métaux liés sont récupérés par un lavage à contre-courant du lit de filtre magnétique. La ferritine est une protéine multi-unités multifonctionnelle hautement conservée que l’on trouve couramment dans les organismes vivants et qui présente les caractéristiques particulières de résister aux acides dilués (pH<2,0), aux bases diluées (pH= 12,0) et aux températures élevées (invariante à une température de l’eau de 70～75°C). Avec l’approfondissement de la recherche sur la ferritine, de grands progrès ont été réalisés dans l’étude de nouvelles fonctions in vitro en utilisant le nano-espace de son enveloppe protéique. Des études in vitro ont montré que la ferritine a la capacité de stocker les ions de métaux lourds in vitro. En outre, des études antérieures se sont concentrées sur le mécanisme de stockage et de libération du fer par la ferritine en utilisant d’autres ions de métaux lourds comme sondes qui entrent en compétition avec les ions de fer. En revanche, des études récentes ont montré que cette propriété de la ferritine à capturer les ions métalliques et à résister à l’inversion peut être exploitée pour construire un réacteur à ferritine et l’utiliser sur le terrain pour surveiller en continu le degré de contamination de l’eau courante par les ions métalliques lourds. Dans des conditions spécifiques in vitro, certains métaux
- Méthode de durcissement inerte
L’université d’État de Pennsylvanie et le Savannah River National Laboratory ont mis au point une nouvelle méthode de traitement de certains déchets liquides faiblement radioactifs sous une forme solidifiée en vue d’une élimination sûre. Ce nouveau procédé utilise une méthode de coagulation à basse température (< 90°C) pour stabiliser les déchets radioactifs liquides hautement alcalins et de faible activité, c’est-à-dire pour les transformer en un corps solidifié inerte. Les scientifiques ont appelé le corps final durci une “hydrocéramique” (une céramique poreuse cuite au four à bisque). Ils affirment que le corps solidifié final est très dur, stable et durable, et qu’il peut fixer les radionucléides dans sa structure zéolitique. Ce processus de préparation est similaire au processus de formation des roches dans la nature.
- Technologie de paroi de réaction par percolation à base de fer zérovalent
La barrière réactive perméable (PRB) est une méthode émergeant dans les pays développés tels que l’Europe et les États-Unis pour l’élimination in situ des composants polluants dans les eaux souterraines polluées. Les PRB sont généralement installées dans les aquifères souterrains, perpendiculairement au sens d’écoulement des eaux souterraines. Lorsque les eaux souterraines polluées traversent le mur de réaction sous l’action de leur propre gradient hydraulique, les polluants sont éliminés par des réactions physiques et chimiques avec les matériaux de réaction dans le mur, de manière à atteindre l’objectif de restauration de la pollution.
Il s’agit d’une technique de restauration passive qui nécessite peu d’entretien et qui est peu coûteuse. En tant que branche importante de la technologie PRB, la technologie Fe0-PRB a fait l’objet de recherches et de développements dans de nombreux pays et dans de nombreux aspects du traitement de la pollution des eaux souterraines. Des résultats encourageants ont été obtenus dans l’étude du mécanisme de réaction, de la structure et de l’installation des PRB, ainsi que dans l’étude de nouveaux matériaux actifs. Les chercheurs chinois ont commencé à étudier la technologie de paroi de percolation active représentée par le fer zéro valent pour l’assainissement (traitement) des eaux usées radioactives des résidus d’uranium, et la recherche actuelle a obtenu certains résultats.
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