Biosparging

Le Biosparging est un traitement biologique aérobie qui consiste à stimuler la biodégradation dans la zone saturée et la zone capillaire par apport d’oxygène.

Le Biosparging est souvent couplé au Bioventing.

Le Biosparging, dérivé comme son nom l’indique du Sparging, consiste à augmenter les teneurs en oxygène dissous dans les eaux souterraines, en injectant la plupart du temps de l’air par le biais de puits d’injection. L'air injecté permet principalement le développement de la population microbienne aérobie mais il facilite aussi les contacts entre l'air, l’eau et l'aquifère, ce qui favorise désorption des polluants.

Le système d’injection est similaire mais de taille inférieure à celui du Sparging. En effet, les débits aérauliques nécessaires à un bon fonctionnement de l’activité biologique sont moins élevés que ceux du Sparging. De plus, le but recherché est d’oxygéner le milieu en évitant d’entraîner au maximum la volatilisation et la dispersion des polluants vers la zone non saturée.

Dans la majorité des cas, des puits de récupération des vapeurs sont installés afin d'en contrôler la migration et de favoriser la circulation d’air.

Figure 1 - Schéma de principe du biosparging.

Souvent, le Sparging et le Biosparging sont confondus. Le terme de biosparging est adapté lorsque la biodégradation est plus importante que la volatilisation.

Afin d’augmenter la biodégradation, il est parfois nécessaire de fournir des nutriments (N, P, K …) sous forme liquide par le biais de puits superficiels et/ou de drains.

Par ailleurs, des substrats spécifiques peuvent être parfois ajoutés afin de favoriser la dégradation par cométabolisme de certains composés récalcitrants.

Le Biosparging est mis en œuvre à partir :

• d’un surpresseur (volumétrique, intermédiaire, centrifuge...),
• de points d’injections verticaux (puits d’injection) ou horizontaux (drains d’injection),
• d’un réseau d’injection permettant la mise en relation du surpresseur et des points d’injections,
• si nécessaire du matériel relatif aux additifs : cuve de stockage, système de mélange avec l’eau, réseau de distribution,
• de points d’extraction verticaux (dénommés aiguilles d’extraction) ou horizontaux (dénommés drains d’extraction),
• d’un réseau d’extraction permettant la mise en relation des points d’extraction et de l’unité d’extraction,
• d’un séparateur de condensats ou dévésiculeur,
• d’une unité d’extraction,
• si nécessaire d’une filière de traitement des gaz,
• d’un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement.

Les paramètres à suivre lors d’une opération de Biosparging sont les suivants :

• la pression au niveau des puits d’extraction et d’injection,
• les concentrations en polluants dans les gaz des sols,
• la piézométrie,
• la qualité des eaux souterraines en amont, en aval et au droit de la source de pollution :
  • les paramètres pH, O₂, température, conductivité, potentiel redox,
  • les concentrations en polluants,
  • les concentrations en métabolites éventuels,
  • les concentrations en polluants initialement absents dans les eaux souterraines mais pouvant éventuellement être mobilisés (métaux …),
  • la concentration en accepteurs d’électrons (TEAP - Terminal Electron Acceptor Process),
• si nécessaire le dénombrement bactérien dans les sols et dans l’eau,
• la concentration en COT,
• les teneurs en éventuels additifs,
• les tests respirométriques : comparaison des teneurs en O₂ et en CO₂ avant et après le passage dans les sols,
• les concentrations en polluants dans les rejets atmosphériques (respect des normes de rejets),
• les paramètres relatifs au traitement des gaz (débits, dépression, perte de charge, saturation du charbon actif….),
• la caractérisation des effets « rebonds ».

Les variantes de la 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.

Les différents types de nutriments et additifs (accepteurs d’électrons …..) sont présentés dans la fiche technique « Biodégradation dynamisée (Atténuation naturelle dynamisée in situ) ».

Cette technique est particulièrement adaptée aux composés facilement biodégradables (carburants pétroliers, BTEX) sur des matériaux perméables à semi-perméables comme le sable, le gravier, le limon grossier. Il s’applique également sur certains COV, SCOV, SCOHV et COHV (comme le TCE, le TCA, le DCE qui peuvent être dégradés par cométabolisme - injection de méthane).

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 à estimer la vitesse du traitement donc sa durée.

Le document suivant issu du 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.

Cahier des charges : Caractérisation et essais en vue de l'application d'un traitement par biodégradation (PDF - 287 Ko)

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 en fonction des débits,
• le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’injection (profondeur, diamètre, tranchées, puits..),
• 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.

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
• Hétérogénéité,
• Perméabilité à l'air,
• Taux de matière organique,
• Humidité,
• Température 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,
• Solubilité,
• Pression de vapeur,
• Constante de Henry,
• Point d’ébullition,
• Coefficient de partition air/eau/sols,
• Biodégradabilité.

d. Aquifère :

• Porosité.

e. Essais de traitabilité :

Le document suivant issu du guide sur la « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009)  vous donnera 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 biodégradation (PDF - 287 Ko)

Le Biosparging 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 du sparging classique lorsque ce dernier à atteint ses limites,
• compétitivité en termes de coût et de performance,
• fiabilité,
• applicabilité à de nombreux polluants,
• application générant peu de perturbation de sols,
• utilisable préalablement à d’autres traitements de dépollution afin de limiter les émissions de polluants volatils,
• alternative au traitement classique par pompage / traitement,
• applicable sous des bâtiments (forages horizontaux) et dans le cas de pollutions à de grandes profondeurs (plusieurs dizaines de mètres),
• technologie nécessitant de moindre débits d’air que le sparging ; les débits d’air à traiter (si nécessaire) sont donc plus faibles.
• les composés faiblement volatils mais biodégradables sont potentiellement traitables par cette technique (acétone, cyclohexane, MEK …).

Ses inconvénients et ses facteurs limitants sont les suivants :

• l’hétérogénéité des sols de subsurface peut interférer sur l’homogénéité de la distribution de la circulation d’air et donc sur l’efficacité du traitement ; néanmoins un sol hétérogène pourra être traité si la perméabilité à l'air des différentes lithologies augmente en se rapprochant de la surface du sol,
• technique inapplicable pour des sols de perméabilité peu élevée (<10^-5 m/s),
• un maillage très serré des puits d’extraction est nécessaire en cas de faible perméabilité,
• application jusqu’à des profondeurs comprises entre 2 et 15-20 m,
• technique inapplicable à des aquifères confinés,
• effet « rebonds » : à l’arrêt du traitement, les concentrations sont faibles mais peuvent significativement augmenter quelques mois plus tard (remobilisation des polluants),
• la performance des techniques de biorémédiation est extrêmement variable suivant les conditions spécifiques du site,
• 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,
• 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 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 de l’aquifère (par précipitation de composés métalliques, de carbonate de calcium ou le développement d'une microflore colmatante) ; néanmoins des techniques permettent de lutter contre ces colmatages,
• les émissions atmosphériques nécessitent souvent un traitement d’air (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.

En 2009, il est admis que les coûts de traitement variaient entre 15-55 €/m³ d'eaux traitées en place (estimation). (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 20 €/m³, la moyenne haute de 32 €/m³ et le maximum de 55 €/m³ d'eaux traitées en place (hors consommation électrique). A noter que ces tarifs n'incluent pas le coût associé à la mise en place du Venting classiquement installé pour capter les vapeurs remontant de la nappe.

Pour mémoire, il est toutefois rappelé que ces tarifs ne sont que des estimations tirées du REX des acteurs du domaine des SSP 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 SSP.

Evolution des coûts :

Entre 2009 et 2019, les coûts du Sparging / Biosparging 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 êtres réduits par l’utilisation de puits existants.

Les charges récurrentes au cours du chantier sont principalement dues à la maintenance et aux consommations énergétiques. En outre, un bon dimensionnement permet d'optimiser ces consommations.

Un suivi analytique est nécessaire pour garantir un résultat durable. Son coût est néanmoins réduit.

Cette technique est couramment employée sur les sites présentant des hydrocarbures volatils à semi-volatils biodégradables. La maîtrise et la fiabilité de cette technique sont étroitement liées à la qualité de l’étude initiale sur la structure du sol et la caractérisation de la pollution.

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

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

Les temps de traitement nécessaires varient de 6 mois à 5 ans.

On considère ici le taux d’utilisation des deux techniques Sparging et Biosparging.

Le Sparging / Biosparging regroupe près de 19 % des volumes traités ou gérés en 2012, ce qui est en fait la deuxième technique la plus utilisée derrière le pompage et traitement (ADEME, 2015).

Evolution 2010/2012 :

Les volumes traités par Sparging / Biosparging ont augmenté de 480 % par rapport à 2010 (ADEME, 2012).

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

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 VIII. Biosparging, 1995. EPA 510-B-95-007, 40 pages.

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