Bioventing

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

Le Bioventing consiste à augmenter les teneurs en oxygène dans la zone vadose en injectant la plupart du temps de l’air par le biais de puits d’injection. Le système d’injection est similaire mais de taille inférieure à celui du Venting. En effet, les débits aérauliques nécessaires au bon fonctionnement de l’activité biologique sont moins élevés que ceux du venting.

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

Figure 1 - Schéma de principe du bioventing.

Souvent, le Venting et le Bioventing sont confondus. Le terme de Bioventing 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 Bioventing est mis en oeuvre à partir :

• de points d’extraction verticaux (dénommés aiguilles d’extraction) ou horizontaux (dénommés drains d’extraction),
• de points d’injection verticaux ou horizontaux (aiguilles d’injection ou drains d’injection),
• d’un réseau d’extraction permettant la mise en relation des points d’extraction et de l’extracteur,
• d’un réseau d’injection permettant le mise en relation d’un compresseur et des points d’injection
• d’une unité d’extraction (extracteur volumétrique, intermédiaire, centrifuge),
• si nécessaire du matériel relatif aux additifs : cuve de stockage, système de mélange avec l’eau, réseau de distribution,
• si nécessaire d’un séparateur de condensats ou dévésiculeur et 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 Bioventing sont les suivants :

• les débits et pression au niveau des puits d’injection et d’extraction,
• les concentrations en polluants et sous-produits de dégradation dans les gaz des sols,
• 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, (tests respirométriques : comparaison des teneurs en O₂ et en CO₂ avant et après le passage dans les sols),
  • les teneurs en éventuels additifs,
  • la concentration en accepteurs d’électrons (TEAP - Terminal Electron Acceptor Process),
• si nécessaire 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….),
• la caractérisation des effets « rebonds ».

Les variantes de cette technique résident dans différents types et modes d’injection. L’injection peut être réalisée via des aiguilles ou des drains d’injection au droit de la source de pollution ou au niveau de l’impact.

Ce procédé est utilisé de préférence dans la zone vadose lorsque celle-ci se compose de matériaux perméables à semi-perméables comme le sable, le gravier, le limon grossier. Les polluants potentiellement concernés par le Bioventing sont les COV et les SCOV.

Tableau 1 - Domaine d'application du bioventing en fonction de l’état physique de la pollution.

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

Dans la zone non saturée, le traitement par extraction sous pression réduite ne s’adresse qu'aux polluants en équilibre entre la phase solide et la phase gazeuse et éventuellement la phase dissoute. Une phase liquide non aqueuse peut également être concernée par ce traitement si elle est uniquement constituée de composés organiques volatils.

Une pollution constituée par la partie d’une phase organique libre retenue par le sol lors de sa migration en profondeur, peut être aussi à l’origine d’une saturation des pores. La présence d’une telle phase peut limiter très fortement l’efficacité du traitement en diminuant la perméabilité de la zone, l’air aura tendance à contourner cette zone.

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 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, le contexte géologique, les tests de biodégradabilité vont permettre de définir :

• le rayon d’influence des points d’injection d’oxygène en fonction des débits,
• 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..),
• la fréquence et le mode d’injection et d’extraction,
• le rayon d’action des points d’extraction en fonction de la dépression générée par l’extracteur en fonction des débits,
• le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’extraction (profondeur, crépine, massif filtrant, diamètre, tranchées, puits..),
• le type et la puissance de l’extracteur,
• éventuellement les dimensions de l’unité de traitement des rejets gazeux.

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. 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,
• Coefficient d’emmagasinement.

e. Essais de traitabilité

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)

Le Bioventing 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 venting classique lorsque ce dernier a atteint ses limites,
• compétitivité en termes de coût et de performance,
• fiabilité,
• applicabilité à de nombreux polluants,
• application générant peu de perturbation des sols,
• technologie nécessitant de moindres débits d’air que le venting ; les débits d’air à traiter (si nécessaire) sont donc plus faibles,
• technique utilisable préalablement à d’autres traitements de dépollution afin de limiter les émissions de polluants volatils,
• technique applicable sous des bâtiments (forages horizontaux) et dans le cas de pollutions à de grandes profondeurs (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,
• 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,
• la faible perméabilité hydraulique des sols (<10^-5 m/s),
• un maillage très serré des puits d’extraction est nécessaire en cas de perméabilité plus faible,
• un faible taux hydrique dans les sols entrainera une faible biodégradation,
• a contrario, l’élévation de la teneur en eau dans la zone non saturée des sols peut réduire la perméabilité à l’air et donc diminuer l'efficacité des techniques à éliminer les produits volatils de cette zone. Généralement, avec des niveaux de saturation en eau d’environ 85%, la circulation de l’air n’est plus possible car la perméabilité à l'air devient pratiquement nulle,
• 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 d'une 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 concentrations élevées 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,
• technique inefficace dans la zone saturée bien que le fait de baisser le toit de la nappe permette de dépolluer la zone rendue ainsi non saturée,
• la présence du toit de la nappe proche de la zone à traiter (< 1 m) complique la mise en oeuvre de cette technique,
• le procédé nécessite un bon contrôle des mouvements des polluants dans les zones saturée et non saturée, cette technique requiert donc un 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'âge de la pollution peut intervenir à deux niveaux :
  • on constate d’une part une altération du polluant au cours du temps. Sa composition change et cela peut affecter l’efficacité de l’extraction.
  • d’autre part, l’adsorption d’un polluant sur un sol se fait en deux étapes, une étape rapide et une étape lente qui peut aller de quelques semaines à quelques années. Le prolongement du temps de contact entraîne une plus forte adsorption et ainsi une plus grande résistance à la désorption. Les composés de faible solubilité dans l’eau restent longtemps en contact avec le sol et sont en général fortement adsorbés sur les particules de sol.

En 2009, il est admis que les coûts de traitement étaient de l’ordre de 15 à 50 €/t des sols traités (estimation). (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 20 €/t, la moyenne haute de 35 €/t et le maximum de 50 €/t de terres traités en place (hors consommation électrique). 

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.

Evolution des coûts :

Entre 2009 et 2019, les coûts associés à cette technique 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 » 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).

L’investissement initial correspond à l’installation de l’unité et du réseau de puits d’injection et d’extraction. En outre, l’utilisation des puits existants peut réduire de façon significative ces coûts.

Le coût de mise en œuvre important est principalement lié aux consommables pour le traitement des gaz et aux consommations d’énergie de l’unité. Cette technique exige un certain savoir-faire afin de trouver les paramètres de fonctionnement pertinents, en particulier le dimensionnement de l’installation et les débits d'air à injecter, pour optimiser ces coûts. La part de ce poste peut varier de façon significative selon les délais imposés.

Le Bioventing, comme le Venting, ne nécessite pas de maintenance spécifique. Il requiert un traitement des gaz extraits avant rejet à l’atmosphère et un suivi de la dépollution important pour garantir un résultat durable.

Cette technique est couramment employée sur les sites présentant des hydrocarbures volatils à semi-volatils biodégradables. Elle est utilisée par la majorité des acteurs. 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.

Étude de cas : 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)

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.

Cette technique de traitement est longue car elle peut mettre en jeu des réactions de biodégradations complexes. Elle est plutôt adaptée à un traitement de site en activité.

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

On considère ici les taux d’utilisation concernant le Venting et le Bioventing.

En 2012, le Venting-Bioventing a été la technique in situ la plus utilisée : elle représente plus de 71% des tonnages traités in situ bien que n’étant pas la technique la moins coûteuse. C’est une technique largement maîtrisée, simple à mettre en place et s’adaptant à tous les polluants volatils, d’où son taux d’utilisation élevé. Des chantiers de plus en plus techniques émergent, notamment sur les polluants chlorés.

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 surestimation 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 trois 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. Ils ont l’avantage d’être peu coûteux.

(ADEME, 2015)

Evolution 2010/2012 :

Les tonnages traités par Venting/Bioventing ont fortement augmenté entre 2010 et 2012 (+ 266 %)

(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

2. Liens

Bioventing Subsurface Performance Checklist
1999. U.S. Army Corps of Engineers, 7 pages.
https://www.hnc.usace.army.mil/Portals/65/docs/Directorates/EMCX/Checklists/BioventingSubsurfacePerformanceChecklist.pdf

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 III. Bioventing, 1995. EPA 510-B-95-007, 46 pages.

Engineering and Design: Soil Vapor Extraction and Bioventing
2002. U.S. Army Corps of Engineers, EM 1110-1-4001, 424 pages.
https://www.publications.usace.army.mil/Portals/76/Publications/EngineerManuals/EM_1110-1-4001.pdf

Guidance for Design, Installation and Operation of Soil Venting Systems
2002. Wisconsin Dept. of Natural Resources. PUB-RR-185, 64 pages.
http://nepis.epa.gov/Exe/ZyPURL.cgi?Dockey=50000R0W.txt

Principles and Practices of Bioventing
1995. A. Leeson, Battelle Memorial Institute. EPA 540-R-95-534a

• Volume 1: Bioventing principles
  https://www.clu-in.org/download/techfocus/bio/540R95534a.pdf
• Volume 2: Bioventing design
  https://www.clu-in.org/download/techfocus/bio/540R95534b.pdf

Procedures for Conducting Bioventing Pilot Tests and Long-Term Monitoring of Bioventing Systems
2004. D. Downey, R. Miller, & T. Dragoo, Parsons Denver, CO. NTIS: ADA423587, 80 pages
https://www.clu-in.org/products/tins/tinsone.cfm?num=58603258

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/