Atténuation naturelle contrôlée

La définition la plus utilisée à l’heure actuelle est celle proposée par l'Agence de la protection de l'Environnement des États-Unis (US EPA, 1997) :

«Processus se produisant naturellement dans les sols et les eaux souterraines, sans intervention humaine, visant à réduire la masse, la toxicité, la mobilité, le volume ou la concentration des contaminants dans ces milieux. Les processus pris en considération sont : la dispersion, la dilution, la volatilisation, l’adsorption, les mécanismes de stabilisation ou de destruction des polluants, qu’ils soient physiques, chimiques ou biologiques.»

En raison de l’absence de toute intervention humaine (hormis la surveillance), l’Atténuation Naturelle n’est pas considérée à proprement parler comme une technique de dépollution mais plutôt comme une mesure de gestion de la pollution. 

Il est important de considérer que l’atténuation naturelle doit inclure au minimum l’un des processus suivants :

• un processus destructif des molécules polluantes,
• un processus de séquestration des molécules polluantes (exemple : adsorption).

Ces processus, seuls ou combinés, doivent être dominants sur les autres processus.

Les processus destructifs ne doivent pas générer de sous-produits toxiques susceptibles de provoquer un transférer de la pollution ou d’en modifier défavorablement les caractéristiques.

Les processus séquestrants doivent opérer dans une large gamme de conditions physico-chimiques pour que leurs effets perdurent pendant une durée maximale.

Il est rappelé que la diminution des concentrations par dilution volontaire est interdite. De plus, dans le cas des eaux souterraines, cette pratique ne servirait pas l’intérêt des acteurs du dossier compte tenu de l'expansion du panache engendrée.

1. Généralités

L’Atténuation naturelle n’a de sens que si elle s’accompagne :

• d’une surveillance appropriée des milieux,
• d’une vigilance pérenne sur les changements d’usage éventuels à venir et d’une information systématique des différents acteurs.

L’Atténuation naturelle, pour être considérée valablement comme l’équivalent d’une technique de réhabilitation, doit remplir un certain nombre de critères d’ordre technique. Ces critères peuvent être exposés de la façon suivante :

• l’atteinte effective des objectifs de réhabilitation,
• la limitation de l’emprise spatiale,
• le respect de délais compatibles avec la gestion des risques.

Figure 1 - Evolution d'un panache soumis à l'atténuation naturelle (adaptée de Sinke et Le Hécho, 1999).

2. Atteinte effective des objectifs de réhabilitation

L’Atténuation naturelle doit permettre d’atteindre les objectifs de dépollution fixés, afin de rendre aux différents milieux d’exposition concernés les usages prévus dans la réhabilitation du site dans les temps impartis.

De plus la réhabilitation d’un milieu (exemple : sol) par atténuation naturelle ne doit pas s’accompagner, même temporairement, d’une dégradation d’un autre milieu (exemple : eaux souterraines). Or, ceci peut survenir si le recours à l’atténuation naturelle est envisagé avant la phase de résorption du panache. En effet, dans les nappes, le schéma classique d’évolution d’une pollution soumise à l’atténuation naturelle se fait en quatre étapes :

1. une phase de développement (généralement d'un panache),
2. une phase de stabilisation,
3. une phase de résorption,
4. une phase de disparition.

Jusqu’à la phase de stabilité du panache, il y a risque d’aggravation de la dégradation de la qualité de l’état de la ressource : ce n’est qu’à partir de la phase de régression du panache qu’une amélioration de la qualité de la ressource peut être constatée.

Dans le respect des objectifs de réhabilitation fixés et du souci de ne pas endommager la qualité d’un autre milieu, il est nécessaire de mettre en place un réseau de surveillance lorsque l’atténuation naturelle est considérée dans la réhabilitation d’un site contaminé.

3. Limitation de l'emprise spatiale

Dès lors que l’Atténuation naturelle concerne les nappes qui se caractérisent par un déplacement de l’eau souterraine, une notion d’espace intervient : pour traiter une nappe d’eau souterraine par l’atténuation naturelle, il faut pouvoir se permettre de « geler » les usages de la nappe non seulement pendant une certaine durée, mais également dans toute une certaine zone (d’où la mise en place de servitudes). Le processus d’atténuation naturelle se déploie sur des superficies et dans des volumes importants autour de la source de pollution. Il n’est envisagé que si l’extension du panache de pollution est raisonnable par rapport aux usages existants des milieux alentours.

4. Respect de délais compatibles avec une gestion des risques

L’Atténuation naturelle a besoin de temps pour être efficace, et ce temps doit être compatible avec le niveau de risque à gérer, les éventuels projets concernant le site (usage du sol) ou ses environs (usages de l’eau, voire de l’air), et la perception sociopolitique de la démarche.

L’échelle de temps est variable d’un cas à l’autre, et dépend de la nature du polluant, de la mise en place d’un traitement de la source ou non, et de l’ampleur de la pollution.

Il se compte en années, en décennies, voire plus pour certains panaches qui pourront alors se développer dans un important volume de l’aquifère pour lequel des restrictions d’usage devront être instituées.

Les moyens matériels nécessaires à l’Atténuation naturelle contrôlée sont uniquement composés d‘ouvrages de surveillance, essentiellement composés de piézomètres. Leur position dépend étroitement de l’hydrogéologie ainsi que du comportement des polluants et de leurs sous-produits.

La position théorique des ouvrages de suivi intègre :

• le(s) piézomètre(s) amont(s) afin de suivre le bruit de fond du site,
• les piézomètres au droit de la source de pollution ainsi qu’en aval immédiat dans l’axe de migration du panache (impact) afin d’évoluer le comportement de la source et de son impact (parties concentrées et moins concentrées),
• les piézomètres latéraux afin de vérifier la stabilité de l’étalement en largeur de l’impact,
• les piézomètres « sentinelles » en aval éloigné afin de confirmer que le panache est bien circonscrit dans la zone située en amont hydraulique de ces ouvrages.

Les paramètres nécessaires au suivi du mécanisme d’atténuation naturelle sont les suivants :

• les concentrations des polluants dans les sols (zone insaturée et saturée) et dans l’eau et, si nécessaire, des sous-produits de dégradation,
• la concentration en gaz dissous : oxygène, hydrogène, méthane, CO₂,
• la concentration en accepteurs d’électrons (TEAP - Terminal Electron Acceptor Process),
• la concentration en COT dans le sol et dans l’eau,
• le dénombrement bactérien (total ou anaérobie) dans les sols et dans l’eau,
• les paramètres physico-chimiques nécessaires au bon développement des bactéries : pH, température, conductivité, potentiel redox, nutriments, etc,
• la caractérisation des effets « rebonds ».

La seule variante à l’Atténuation naturelle contrôlée est la Biodégradation dynamisée (Atténuation naturelle dynamisée in situ).

L’Atténuation naturelle contrôlée s’applique essentiellement dans la zone saturée. Les résultats les plus probants ont été obtenus sur les hydrocarbures légers, les COV, les SCOV et certains COHV.

Dans certains cas, des résultats intéressants ont été obtenus avec certains pesticides, explosifs (trinitrotoluène), phénols et certains composés inorganiques. Dans ce dernier cas, l’atténuation naturelle consiste essentiellement à changer la valence des éléments et donc leur mobilité (Cr(VI) et Cr(III) ; As(III) et As(V)).

1. Faisabilité

La faisabilité d’un traitement est évaluée à l’aide d'essais :

• d’orientation qui visent à valider la possibilité de mettre en œuvre une technique de dépollution,
• d’évaluation des performances qui servent à vérifier l’atteinte des objectifs et permettent d'estimer la vitesse du traitement donc sa durée.

Les documents des projets ATTENA (2013) et le Guide ESTRAPOL (2019) vous donneront des éléments vous permettant de vérifier la faisabilité de la technique sur votre site.

2. Dimensionnement

Le dimensionnement relève d’un travail d’ingénierie en aval des essais de faisabilité. Les données nécessaires au dimensionnement sont celles relatives à la compréhension :

• de l’hydrogéologie,
• du comportement des polluants et de leur devenir dans le futur en étroite relation avec les conditions nécessaires à la biodégradation (TEAP, nutriments, température…).

L’Union des Professionnels de la Dépollution des Sites (UPDS) a déterminé les paramètres à fournir pour permettre le dimensionnement des traitements :

a. Définition du projet

• Délais,
• Objectifs de traitement (sols et/ou eaux et/ou gaz du sol),
• Seuils de dépollution,
• Profondeur,
• Surface et/ou volume à traiter.

b. Sol ou matériau à traiter

• Géologie /lithologie ou nature des sols.

c. Polluants

• Type (nature),
• Concentrations (cartographies de pollution dans les sols, l'eau, les gaz du sol),
• Présence de produit pur (flottant, coulant, piégé…),
• Estimation du stock.

L'Atténuation naturelle contrôlée présente les avantages suivants :

• technique éprouvée ayant démontré des résultats extrêmement significatifs lorsque les conditions optimales sont réunies,
• compétitivité en termes de coût par rapport aux techniques «actives»,
• technologie de soutien non négligeable après un traitement actif (partiel) de la source de pollution et de l’impact,
• applicabilité à de nombreux polluants,
• application générant peu de perturbation de sols,
• activité liée à la dépollution générant peu d’impact,
• applicable sous des bâtiments et dans le cas de pollutions à de grandes profondeurs (plusieurs dizaines de mètres),
• fiabilité lorsque les conditions sont réunies.

Ses inconvénients et ses facteurs limitants sont les suivants :

• l’hétérogénéité des répartitions des polluants et l’hétérogénéité des perméabilités des sols interfèrent énormément sur l’efficacité du traitement,
• la performance de cette technique est extrêmement variable suivant les conditions spécifiques du site.
• les durées de traitement sont importantes,
• les aspects sociopolitiques doivent être pris en considération le plus en amont possible,
• l’information des différentes parties prenantes et la transparence doivent être une priorité,
• certains polluants peuvent migrer avant d’être dégradés,
• les sous-produits de dégradations générés peuvent être plus toxiques et plus mobiles que les molécules mères ; il conviendra de suivre avec attention les sous-produits de dégradation et notamment de vérifier leur toxicité avant tout développement d’un traitement ayant recours à la biodégradation,
• de nombreuses molécules organiques ne peuvent pas être intégrées dans le processus d’Atténuation naturelle contrôlée (composés récalcitrants ou conditions hydrogéochimiques inadaptées),
• les concentrations élevées peuvent être toxiques pour les microorganismes,
• le procédé nécessite un bon contrôle des mouvements des polluants dans les zones saturée et non saturée, cette technique requiert donc une surveillance de la qualité des milieux importants pendant traitement.
• les concentrations élevées en métaux/métalloïdes sont incompatibles avec ce procédé,
• l’atténuation naturelle nécessite un suivi analytique et une interprétation des résultats analytiques très importants,
• une partie des usages des sols et/ou des eaux souterraines doit être « gelée » (et faire l’objet de servitudes) tout au long du traitement,
• les sols contenant de l’argile et un taux de matière organique élevé engendrent une grande adsorption des polluants sur la matrice solide, ce qui diminue les rendements épuratoires,
• des températures faibles diminuent considérablement l’efficacité du traitement.

Les coûts sont très disparates et dépendent étroitement de la durée du suivi. Si on les rapporte à une projection en surface de l’étendue de la nappe traitée, ils varient entre 12 à 65 €/m². L’Atténuation naturelle contrôlée est une technique relativement peu coûteuse.
(BRGM, 2010)

Répartition des coûts :

Le coût total a été réparti selon trois types de charges :

• Charges exceptionnelles correspondant au coût de la phase initiale (phase pilote, mise en place du chantier : installation d’une unité de traitement, préparation du terrain) et intervenant de façon unique (au démarrage du chantier par exemple) ;
• Charges récurrentes correspondant aux opérations de la phase « chantier » à renouveler au cours du traitement (matériel, main d’œuvre, réactifs ou produits) et pour l'élimination des déchets ;
• Charges liées aux études (hors études de risques sanitaires préalables au chantier) et au suivi de la dépollution correspondant aux coûts des analyses et prestations intellectuelles (rédaction de rapports, réunions sur site).

Les coûts initiaux sont principalement liés à l’installation du réseau de puits de surveillance. Ils peuvent être réduits de façon significative par l’utilisation de puits existants.

La mise en œuvre de l’Atténuation naturelle contrôlée nécessite un important travail d’étude, notamment de modélisation, qui peut s’avérer coûteux. Le suivi analytique de la dégradation de la pollution est également un poste important. Toutefois les frais de maintenance du procédé sont très limités.

Cette technique, pratiquée depuis de nombreuses années par plusieurs pays industrialisés, est actuellement de plus en plus utilisée en France.

Les rendements épuratoires sont très disparates. Néanmoins, il n’est pas rare de mettre en évidence des abattements des concentrations de polluant de plus de 70% quand les conditions sont optimales.

Les délais sont très importants et parfois de l’ordre de plusieurs décennies. C’est le traitement d’eaux souterraines qui demande le plus de temps. Il est donc totalement incompatible avec une valorisation immobilière immédiate.

1. Pour les sols

En 2012, aucun acteur n’a déclaré avoir utilisé l’Atténuation naturelle contrôlée. 

Cette même année, le traitement biologique a été la deuxième famille de traitement la plus utilisée (avec plus de 37% des tonnages de terres totaux), derrière les traitements physico-chimiques (plus de 55% des tonnages totaux de terres). Il est toutefois important de noter que les traitements physico-chimiques sont principalement liés à des chantiers de venting-bioventing (technique la plus utilisée pour traiter les sols, avec près de 35% des tonnages totaux à elle seule), chantiers généralement pluri-annuels ce qui peut entraîner une sur-estimation des volumes de sols réellement traités par venting-bioventing sur l'année 2012. Après le venting/bioventing et à part les évacuations en Installation de Stockage de Déchets Inertes (environ 10% des tonnages totaux), les 3 techniques les plus utilisées sont des techniques de traitement biologiques (Installation de traitement biologique hors-site (biocentre), bio-augmentation/bio-stimulation in situ, biodégradation sur site (biotertre)), avec respectivement 11%, 9% et 7% des tonnages de terres traitées. Les traitements biologiques sont des techniques éprouvées et maîtrisées par une grande partie des acteurs de la dépollution. Ces traitements sont efficaces sur un grand nombre de polluants organiques et en particulier les hydrocarbures et les solvants halogénés et ont l’avantage d’être peu coûteux.

2. Pour les eaux

En 2012, à l'exception d'un acteur industriel gérant "en propre" les eaux souterraines au droit d'un de ses sites, aucun acteur n’a déclaré avoir utilisé l’Atténuation naturelle contrôlée. Cette seule opération concerne environ 17 500 000 m3. Si l’on se réfère aux volumes d’eaux traitées, l’Atténuation naturelle contrôlée devient la technique principale de traitement pour ce milieu. Mais ce constat est biaisé dans la mesure où il ne concerne qu’une unique démarche. La considération des volumes d’eaux souterraines traitées est très sensible à cet effet « pépite » par l’effet d’un seul chantier particulièrement important. Cet effet est plus marqué pour le milieu « eaux souterraines » que pour le milieu « sol ».

(ADEME, 2015)

1. Bibliographie

ADEME (2015)
Taux d'utilisation et coûts des différentes techniques et filières de traitement des sols et des eaux souterraines pollués en France (Les)
Étude Ernst & Young
Synthèse des données 2012, 148 p.
https://librairie.ademe.fr/sols-pollues/1738-taux-d-utilisation-et-couts-des-differentes-techniques-et-filieres-de-traitement-des-sols-et-des-eaux-souterraines-pollues-en-france-les.html

ATTENA (2013)
Protocole opérationnel de gestion de sites par Atténuation Naturelle dans le contexte réglementaire français.
Phase 2, 90 p.
http://ssp-infoterre.brgm.fr/guides-attena

BRGM (Juin 2010)
Quelles techniques pour quels traitements - Analyse coûts-bénéfices
S. Colombano, A. Saada, V. Guerin, P. Bataillard, G. Bellenfant, S. Beranger, D. Hube, C. Blanc, C. Zornig et I. Girardeau
Rapport final BRGM/RP-58609-FR
http://ssp-infoterre.brgm.fr/quelles-techniques-quels-traitements
http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-58609-FR.pdf

ESTRAPOL (2019)
Essais de faisabilité de traitement de sols pollués
https://librairie.ademe.fr/sols-pollues/3966-projet-estrapol.html

Sinke A., Hecho I. (1999)
Monitored Natural Attenuation: Review of existing guidelines and protocols.
TNO-Nicole report TNO-MEP R99/313.

United States Environmental Protection Agency (US EPA) (1997)
Proceedings of the Symposium on Natural Attenuation of Chlorinated Organics in Ground Water, Dallas (Texas), 11-13 sept 1996.
Rapport EPA/540/R-97/504, 191 p.
https://cfpub.epa.gov/si/si_public_record_report.cfm?Lab=NRMRL&dirEntryId=125266

2. Liens

Designing Monitoring Programs to Effectively Evaluate the Performance of Natural Attenuation
2000. Wiedemeier, Todd H.; Mary A. Lucas; Patrick E. Haas,
AFCEE/ERT, 55 pages
https://www.researchgate.net/publication/329530895_Designing_monitoring_programs_to_effectively_evaluate_the_performance_of_natural_attenuation

How To Evaluate Alternative Cleanup Technologies For Underground Storage Tank Sites: A Guide For Corrective Action Plan Reviewers
https://www.epa.gov/ust/how-evaluate-alternative-cleanup-technologies-underground-storage-tank-sites-guide-corrective

• Chapter X. In Situ Groundwater Bioremediation, 1995. EPA 510-B-95-007, 41 pages.
• Chapitre IX. Monitored natural attenuation, 2004. EPA 510-R-04-002, 77 pages.

Characterization and Monitoring of Natural Attenuation of Chlorinated Solvents in Ground Water: A Systems Approach
2006. Tyler Gilmore (PNNL); B.B. Looney (SRNL); et al. Revision 1.
 WSRC-STI-2006-00084, 65 pages
http://sti.srs.gov/fulltext/WSRC-STI-2006-00084.pdf

A Decision Flowchart for the Use of Monitored Natural Attenuation and Enhanced Attenuation Sites with Chlorinated Organic Plumes
2007. Interstate Technology & Regulatory Council (ITRC).
Enhanced Attenuation/Chlorinated Organics Team. 13 pages
http://www.itrcweb.org/Documents/EACODecisionFlowchart_v1.pdf

Estimating Cleanup Times Associated with Combining Source-Area Remediation with Monitored Natural Attenuation
2008. M. Widdowson, F. Chapelle, C. Casey, and M. Kram.
NFESC TR-2288-ENV, 192 pages
https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a608370.pdf

A Decision Framework for Applying Monitored Natural Attenuation Processes to Metals and Radionuclides in Groundwater
2010. Interstate Technology & Regulatory Council (ITRC).
Attenuation Processes for Metals and Radionuclides Team. APMR-1, 204 pages.
https://www.itrcweb.org/GuidanceDocuments/APMR1.pdf

An Approach for Evaluating the Progress of Natural Attenuation in Groundwater
2011. EPA 600-R-11-204
http://nepis.epa.gov/Adobe/PDF/P100DPOE.pdf

Evaluation of in situ remediation methods in soils contaminated with organic pollutants
2016. Simpanen, Suvi.
University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences, Environmental ecology
42 pages
https://helda.helsinki.fi/handle/10138/168815

Technology guide: monitored natural attenuation
2018.
CRC for Contamination Assessment and Remediation of the Environment - Care National Remediation Framework. Version 0.1, 50 pages
https://crccare.com/wp-content/uploads/2022/09/JTechguide_MNA_Rev0.pdf

Nombreux guides, études de cas et informations complémentaires sur le site US-EPA - Clu-in
https://clu-in.org/techfocus/default.focus/sec/Natural_Attenuation/cat/Overview/