Biodégradation dynamisée

La Biodégradation dynamisée in situ ou l’atténuation naturelle dynamisée in situ nécessite l’ajout de composés spécifiques dans les sols ou les eaux souterraines afin de créer les conditions favorables à l’activité des microorganismes responsables de la biodégradation des contaminants.

Pour ce faire, les microorganismes sont maintenus dans les conditions optimales (oxygène, pH, température, potentiel d’oxydoréduction) et des nutriments sont ajoutés essentiellement sous forme liquide.

Le but de la Biodégradation dynamisée in situ est de maîtriser l’intégralité des paramètres pour obtenir les conditions favorables à l’activité des microorganismes responsables de la biodégradation des contaminants.

Les différents composés sont ajoutés dans la zone non saturée ou la zone saturée. Leur nature et leur concentration dépendent des conditions du milieu, des contaminants, des processus de biodégradation envisagée (oxydation aérobie, réduction anaérobie, cométabolisme ... ). Dans certains cas, un ensemencement avec des bactéries exogènes est réalisé.

Les nutriments sont souvent injectés sous forme dissoute via des sprinklers (diffuseurs), des puits d’injection ou des drains.

En cas de dégradation aérobie, l’oxygène peut être apporté sous forme gazeuse (par injection d’air, par ajout d’oxygène pur…) ou sous forme liquide (peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) ou solide (peroxyde de magnésium – MgO₂).

Figure 1 - Schéma de principe d’une biodégradation in situ dynamisée utilisant de l’oxygène pur.

Figure 2 - Schéma de principe d’une biodégradation in situ dynamisée utilisant du peroxyde d’hydrogène.

Les composés libérateurs d’oxygène (« Oxygen Release Compound » - ORC), comme le MgO₂, permettent de libérer lentement l’oxygène et présentent donc l’avantage de créer des conditions plus rémanentes.

Figure 3 - Schéma de principe d’une biodégradation in situ dynamisée utilisant un ORC.

La bioremédiation anaérobie nécessite l’ajout de nitrates, de fer(II), de sulfates, de CO₂ selon les conditions de biodégradation (principe du Terminal Electron Accepting Process - TEAP - Procédé de l'accepteur final d'électrons).

Pour les composés polychlorés à base d’éthylènes, d’éthanes et de noyaux aromatiques, il est nécessaire d’appliquer des conditions anaérobies. Pour ce faire, il convient d’ajouter des donneurs d’électrons (méthanol, éthanol, molasse, sucre, acides gras, huile, chitine, hydrogène). Ces composés produisent de l’hydrogène, qui agit comme donneur d’électrons dans les réactions de réduction anaérobie. L’injection de ces additifs est réalisée sous forme essentiellement liquide ou gazeuse.

Dans tous les cas, le traitement nécessite des systèmes d’injection et parfois de récupération des eaux souterraines et des gaz.

Tableau 1 - Composés utilisés pour la bioremédiation dynamisée (Sources : ITRC, 1998; Leeson, 1999; Sewell, 1998; U.S. Air Force, 1998).

La Biodégradation dynamisée in situ est mise en oeuvre à partir :

• d’un système de stockage/production d’accepteurs ou de donneurs d’électrons de configuration différentes selon qu’ils se présentent sous forme gazeuse, liquide ou solide (surpresseur, cuve de stockage, système de mélange avec l’eau, pompe, compteurs…),
• de matériel relatif aux nutriments : cuve de stockage, système de mélange avec l’eau, réseau de distribution,
• d’un système de points d’injections verticaux (puits d’injection) ou horizontaux (drains d’injection, tranchées, sprinkler …),
• si nécessaire d’un système de récupération et de traitement des effluents gazeux : points d’extraction gazeux verticaux (dénommés aiguilles d’extraction) ou horizontaux (dénommés drains d’extraction), réseau d’extraction permettant la mise en relation des points d’extraction et de l’extracteur, unité d’extraction (extracteur volumétrique, intermédiaire, centrifuge), un séparateur de condensats ou dévésiculeur et une filière de traitement des gaz,
• si nécessaire d’un système de récupération et de traitement des effluents aqueux : points d’extraction aqueux verticaux (puits verticaux, puits horizontaux, pompes, tuyauterie, tranchées, galeries, compteurs), filière de traitement des eaux usées récupérées en surface (et le cas échéant, système de réinfiltration),
• d’un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement,
• d’un système piézométrique permettant de suivre les écoulements et la qualité des eaux souterraines.

Les paramètres à suivre lors d’une opération de Biodégradation dynamisée in situ sont les suivants :

• la piézométrie en périphérie de la zone traitée et au droit des puits d’extraction et d’injection,
• les concentrations en polluants et sous-produits de dégradation dans les gaz des sols et dans les eaux souterraines ;
• les concentrations en polluants initialement absents dans les eaux souterraines mais pouvant éventuellement être produits ou mobilisés (sous-produits de dégradation, métaux …),
• les paramètres relatifs au bon développement des bactéries :
  • les paramètres pH, température, conductivité, potentiel redox,
  • la concentration en COT dans le sol et dans l’eau,
  • la concentration en gaz dissous : oxygène, CO₂, hydrogène, méthane,
  • les tests respirométriques : comparaison des teneurs en O₂ et en CO₂ avant et après le passage dans les sols,
  • les teneurs des éventuels additifs,
  • la concentration en accepteurs d’électrons (TEAP),
  • si nécessaire le dénombrement bactérien dans les sols et dans l’eau,
  • si nécessaire, les concentrations en polluants dans les rejets atmosphériques et les paramètres relatifs au traitement des gaz (débits, dépression, perte de charge, saturation du charbon actif….),
  • si nécessaire, les concentrations en polluants dans les rejets aqueux et les paramètres relatifs au traitement des eaux (débits, dépression, perte de charge, saturation du charbon actif….).
• la caractérisation des effets « rebonds ».

Les variantes de cette technique résident dans le type et le mode d’injection. L'injection peut être réalisée au moyen d'aiguilles ou de drains d'injection au droit de la source de pollution ou au niveau de l’impact.

Il faut aussi noter que des projets de R&D prometteurs ont montré que l’emploi de certains microorganismes permet de changer la valence des composés inorganiques provoquant ainsi leur précipitation, leur accumulation, leur immobilisation et leur adsorption.

Les deux variantes de la technique les plus utilisées sont le Biosparging et le Bioventing.

Ce procédé est utilisé de préférence en présence de matériaux perméables à semi-perméables comme le sable, le gravier, le limon grossier. Les polluants les plus concernés sont les hydrocarbures pétroliers à molécule courte à moyenne, les COV et les SCOV.

Certains solvants chlorés comme le TCE, le TCA, le DCE peuvent être dégradés par cométabolisme.

Certains HAP, SCOHV et SCOV ont pu être dégradés dans certaines conditions.

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 de traitement donc sa durée.

Le guide sur la « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009) 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 caractéristiques de la source de pollution, les seuils de dépollution et le contexte géologique vont permettre de définir :

• le rayon d’action des puits d’injection en fonction du type de surpresseur,
• la fréquence et le mode d’injection (continue ou intermittente),
• le rayon d’influence des points d’injection des nutriments et des autres additifs (accepteurs et donneurs d’électrons) en fonction des débits,
• le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’injection (profondeur, diamètre, tranchées, puits..),
• la gestion des rejets gazeux :
  • le rayon d’action des puits d’extraction en fonction de la dépression générée par l’extracteur,
  • le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’extraction (profondeur, diamètre, tranchées, puits..),
  • le type et la puissance de l’extracteur,
  • les dimensions de l’unité de traitement des rejets gazeux.

• la gestion des rejets liquides :
  • le rayon d’action des points d’extraction en fonction des cônes de rabattement,
  • le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’extraction (profondeur, diamètre, puits, tranchées pour les profils géologiques stratifiés ou très peu perméables....),
  • le type et la puissance des pompes,
  • les dimensions de l’unité de traitement des rejets aqueux.

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 ou profondeur/volume d'excavation,
• Surface et/ou volume à traiter.

b. Site

• Accessibilité : au site, au chantier, à la zone de travail,
• Obstacles aériens et de surface (y compris encombrants),
• Obstacles souterrains (réseaux enterrés, fondations, blocs ...),
• Présence d'ouvrages avoisinants, bâtiment, ...,
• Contraintes liées à l'environnement, aux riverains,
• Site en activité, coactivité,
• Durée de mise à disposition des terrains,
• Contraintes H&S et réglementaires liées au site,
• Topographie de surface,
• Surface disponible pour unité,
• Utilités et distance par rapport à la zone de traitement (eau, électricité - pour électricité : puissance),
• Gardiennage (prévu ? ou à prévoir ?),
• Ouvrages existants pouvant être réutilisés (coupe technique de l'ouvrage ou, à défaut : diamètre, profondeur et équipement).

Pour les traitements d'eau :

• Emplacement du point de rejet.

c. Sol ou matériau à traiter

• Géologie/lithologie ou nature des sols,
• Hétérogénéité,
• Perméabilité à l'air,
• Taux de matière organique,
• Humidité,
• Température des sols,
• Granulométrie,
• Teneur en métaux totaux.

d. 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,
• Taux de dégradation,
• Solubilité,
• Pression de vapeur,
• Constante de Henry,
• Point d’ébullition,
• Coefficient de partition air/eau/sols,
• Biodégradabilité (demi-vie, taux de dégradation),
• Densité,
• Gradient concentration verticale si d>1,
• Empreinte chromatographique (GC/FID).

e. Aquifère

• Données locales issues d'essai de pompage :
• Perméabilité,
• Coefficient d'emmagasinement,
• Porosité,
• Gradient,
• Épaisseur de la nappe,
• Profondeur,
• Niveau statique,
• Épaisseur de la ZNS,
• Amplitude des variations saisonnières,
• Anisotropies,
• Carte piézométrique/direction d'écoulement.

f. Géochimie nappe

Dans le cas d'un traitement des eaux souterraines :

• pH,
• Conductivité,
• Potentiel redox,
• MES,
• Teneur O₂ dissous,
• Carbonates et Hydrogénocarbonates,
• Sulfates,
• Fer dissous,
• Manganèse dissous,
• H₂S dissous.

g. Essais de traitabilité

Les documents suivants issus du guide sur la « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009) vous donneront des éléments vous permettant de vérifier la faisabilité de la technique sur votre site.

Cahier des charges : caractérisation et essais en vue de l'application d'un traitement par : biodegradation (PDF - 287 Ko) injection de réactif in situ (PDF - 821 Ko)

La Biodégradation dynamisée présente les avantages suivants :

• technique éprouvée ayant démontré une grande fiabilité et des résultats extrêmement significatifs,
• procédé destructif des molécules polluantes,
• technique pouvant être employée en soutien des techniques d’extraction physiques classiques (Venting, Barbotage in situ (Sparging), Pompage et traitement, Pompage-écrémage) lorsque ces dernières ont atteint leurs limites,
• compétitivité en termes de coût et de performance,
• fiabilité,
• applicabilité à de nombreux polluants,
• application générant peu de perturbation de sols,
• technique nécessitant moins de débits d’air ou d’eau que les techniques physiques classiques ; les débits d’air et d’eau à traiter (si nécessaire) sont donc plus faibles ;
• technique utilisable préalablement à d’autres dépollution afin de limiter les émissions de polluants volatils,
• applicable sous des bâtiments (forages horizontaux) et dans le cas de pollutions à grande profondeur (plusieurs dizaines de mètres).

Ses inconvénients et ses facteurs limitants sont les suivants :

• le procédé nécessite une expertise importante, et sa performance est extrêmement variable suivant les conditions spécifiques du site,
• la biodisponibilité limite l’accès aux polluants et donc leur biodégradation (néanmoins, cette biodisponibilité peut être améliorée par l’emploi de tensioactifs qui augmentent la solubilité des polluants),
• les technologies ne sont bien évidemment applicables qu’aux polluants biodégradables, qui ne sont ni inhibiteurs des microorganismes ni toxiques pour eux,
• l’hétérogénéité des sols de subsurface peut interférer sur l’homogénéité de la distribution et de la circulation d’air et donc sur l’efficacité du traitement,
• la faible perméabilité des sols (<10^-5 m/s) est une limite au traitement biologique,
• 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.
• un maillage très serré des puits d’extraction est nécessaire en cas de perméabilité plus faible,
• l’injection de certains oxydants à des teneurs importantes peut inhiber les microorganismes (par exemple, une concentration en peroxyde d'hydrogène supérieure à 100-200 ppm peut être néfaste),
• 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,
• l’injection d’oxygène peut provoquer le colmatage d’une partie des pores des sols (par précipitation de composés métalliques, de carbonate de calcium ou le développement de microflore colmatante) ; néanmoins des techniques permettent de lutter contre ces colmatages (injection de peroxyde d’hydrogène pour le colmatage bactérien), rythme d’injection alterné, emploi de gaz spécifique (azote),
• les émissions atmosphériques nécessitent parfois un traitement d’air (surcoût),
• les émissions aqueuses nécessitent parfois un traitement des effluents (surcoût) ;
• léger risque de tassement autour des ouvrages (fluidisation ou fracturation),
• les concentrations élevées en composés organiques peuvent être toxiques pour les microorganismes,
• les concentrations élevées en métaux/métalloïdes sont incompatibles avec ce procédé,
• des températures faibles diminuent considérablement l’efficacité du traitement,
• 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,
• les durées de traitement des procédés de biorémédiation sont souvent importantes,
• effet « rebond » : à l’arrêt du traitement, les concentrations sont faibles mais peuvent significativement augmenter quelques mois plus tard (remobilisation des polluants).

1. Pour les sols

En 2010, les coûts variaient entre 5 et 20 €/t de sols traités (hors taxes et TGAP, coûts d’excavation et de transport non inclus). Le cout moyen pondéré était de 10 €/t. (ADEME, 2012)

2. Pour les eaux

En 2009, il est admis que les coûts varient entre 25 et 60 €/m³ d’eaux traitées en place (estimés). (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 28 €/m³, la moyenne haute de 40 €/m³ et le maximum de 60 €/m³ d'eaux traitées en place (hors consommation électrique). 

La Biodégradation dynamisée n’entraine pas de coût de pompage et le coût des réactifs de traitement biologique est généralement peu élevé.

Pour mémoire, il est toutefois rappelé que ces tarifs ne sont que des estimations tirées du retour d'expérience des acteurs du domaine des Sites et Sols Pollués et pourront varier plus ou moins significativement d'un site à l'autre, notamment en fonction des polluants, des bilans massiques, de la complexité à atteindre la pollution et à intervenir sur le site. S'ils peuvent permettre d'obtenir une fourchette de prix avant la réalisation d'un projet, un budget réaliste ne pourra être obtenu qu'en faisant appel à un professionnel du domaine des Sites et Sols Pollués.

Évolution des coûts :

Entre 2009 et 2019, les coûts de la bioaugmentation/biostimulation sont restés globalement stables. 

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 au coût de la phase « chantier » (traitement (matériel, main d’œuvre, réactifs ou produits), élimination des déchets), à renouveler au cours du traitement ;
• 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 sont principalement liés aux charges d’installation de l’unité. Ceux-ci sont amenés à varier d’un chantier à l’autre selon le dimensionnement de l’installation. En outre, ces coûts peuvent être réduits par l’utilisation de puits existants.

Les charges récurrentes au cours du chantier sont principalement dues à la maintenance et à l’utilisation de nutriments/microorganismes ou encore à l’injection d’air.

Cette technique est couramment employée sur les sites présentant des hydrocarbures volatiles à semi-volatiles biodégradables ainsi que pour les solvants chlorés. Elle est en voie de développement avancé pour les composés plus récalcitrants (HAP, …).

Études de cas : Traitement des eaux souterraines par bioremédiation anaérobie (Déchloration réductrice des solvants chlorés) (PDF - 72 Ko) Traitement des sols par bioventing associé à une biostimulation et traitement des eaux de la nappe après pompage et écrémage avec réinjection sur site (PDF - 58 Ko) Bioremediation de solvants chlorés dans les eaux souterraines (PDF - 305 Ko)

Le rendement de ce procédé varie fortement en fonction des conditions du milieu, il peut dans certains cas atteindre plus de 90%.

La cinétique de biodégradation est le facteur limitant le plus contraignant.

La durée des traitements est très variable en fonction des caractéristiques du chantier. Le traitement peut s’étendre de 6 mois à 5 ans. Cette technique lente est plutôt adaptée à un traitement de site en activité. Elle n’est pas compatible avec une valorisation immobilière rapide.

1. Taux d'utilisation pour les sols

En 2012, la Biodégradation dynamisée a été utilisée à hauteur de 9,2% du total des terres traitées.

La Biodégradation dynamisée fait partie des cinq traitements in situ les plus utilisées en 2012 pour traiter les sols. 

Évolution 2010/2012 :

Les terres traitées in situ par des techniques de bio-augmentation ont augmenté d'environ 300% en masse.

(ADEME, 2012) (ADEME, 2015)

2. Taux d'utilisation pour les eaux

En 2012, la Biodégradation dynamisée a été utilisée à hauteur de 4% du total des volumes d'eaux traitées.

Évolution 2010/2012 :

Les eaux traitées in situ par des techniques de bio-augmentation ont diminuées de 95 % (en volume)

(ADEME, 2012) (ADEME, 2015)

1. Bibliographie

ADEME (2009)
Traitabilité des sols pollués - Guide méthodologique pour la sélection des techniques et l'évaluation de leurs performances. Guide méthodologique. Version 0 - 15 octobre 2009, 123 p.
https://librairie.ademe.fr/sols-pollues/5686-traitabilite-des-sols-pollues.html

ADEME (2012)
Les 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
Synthèses des données 2008 – 114 p.

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

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

Interstate Technology and Regulatory Cooperation Working Group (ITRC) (1998)
Technical and Regulatory Requirements for Enhanced In Situ Bioremediation of Chlorinated Solvents in Groundwater.
In Situ Bioremediation Group. 122 p.
https://www.cluin.org/download/toolkit/tdisb-6.pdf

Leeson A et Alleman B. (1999)
Engineered Approaches for In Situ Bioremediation of Chlorinated Solvent Contamination. Proceedings,
The Fifth International In Situ and On-Site Bioremediation Symposium; San Diego, Californie, April 19-22, 1999. Battelle Press.

Sewell G.W. and others (1998)
Designing and applying treatment technologies.
Remediation of Chlorinated and Recalcitrant Compounds. Battelle Press. Columbus, Ohio. pp. 9-14.

United States Air Force (US Air Force) (1998)
Installation Restoration Program, Aerobic Cometabolic In Situ Bioremediation Technology Guidance Manual and Screening Software User's Guide.
Center for Environmental Excellence, Juin 1998, 126 p.

2. Liens

How To Evaluate Alternative Cleanup Technologies For Underground Storage Tank Sites : A Guide For Corrective Action Plan Reviewers
US EPA
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.
• Chapter XII. Enhanced Aerobic Bioremediation, 2004. EPA 510-B-16-005, 79 pages.
• Chapter XIV. Enhanced Anaerobic Oxidative Bioremediation, 2016. EPA 510-B-16-005, 78 pages.

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

Best Practices for Injection and Distribution of Amendments
2013. Rosansky, S., W. Condit, and R. Sirabian.
R-NAVFAC-EXWC-EV-1303. 81 pages
https://clu-in.org/download/techfocus/chemox/Inject-amend-tr-navfac-exwc-ev-1303.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: bioremediation
2018.
CRC for Contamination Assessment and Remediation of the Environment - Care National Remediation Framework. Version 0.1, 44 pages
https://crccare.com/wp-content/uploads/2022/09/CTechguide_Bioremediation_Rev0.pdf