Le Lavage à l’eau est un procédé couramment employé après le tri granulométrique. Les contaminants adsorbés sur les particules fines, préalablement séparés des particules grossières, sont transférés vers la phase aqueuse (ou la solution extractante). Cette solution polluée est par la suite traitée. Afin d’augmenter les transferts des polluants des particules fines vers les eaux, il est couramment fait usage d’ajouts des agents chelatants, d’ajustement de pH, d’ajouts de surfactants (on parle alors de Mise en solution et extraction chimique).
Les techniques de Lavage à l'eau sur site, hors site sont essentiellement issues du traitement de minerais. Le principe repose sur la séparation des particules fines et l'extraction des polluants dans l'eau :
- concentration des polluants dans un petit volume de sols (les plus pollués) grâce à des séparations et des attritions utilisées dans la séparation granulométrique : précriblage ou calibrage, séparation magnétique, unité de désagrégation ou compacteur, criblage, tamisage, hydrocyclonage, séparation en spirales, unité de flottation, séparation gravitaire par sédimentation, filtration et déshydratation des particules fines …. Tout comme pour le tri granulométrique, le but est de séparer autant que faire se peut les fractions fines contenant la plus grande partie de la pollution,
- dissolution ou mise en suspension des contaminants dans la solution de lavage (notamment via l’ajout de divers additifs : changement de pH, agents chelatants, surfactant).
L’ajout de l’eau à la solution extractante ad hoc peut être réalisé à différentes étapes : unité de désagrégation ou compacteur, criblage, tamisage, hydrocyclonage, séparation en spirales, unité de flottation, séparation gravitaire par sédimentation, filtration.
En fin de traitement, les sols pollués (fractions les plus fines) sont récupérés à part, ainsi que les eaux de lavage polluées et les sols non/peu pollués (fractions les plus grossières). La solution extractante est récupérée, traitée et le plus souvent réutilisée (circuit pseudo-fermé), les fractions de sols grossières sont valorisées (réutilisation en remblai …), les fractions fines souillées sont traitées (lavage, extraction, traitement biologique …) ou enfouies.
Dans ses premières étapes, le Lavage ex situ est similaire au Tri granulométrique. Il peut, en fonction des chantiers, être constitué d’une filière de traitement très différente ; les étapes de séparation phase aqueuse/solvants/contaminants sont plus poussées (puisque le but est de transférer les polluants dans la phase liquide).
Les principaux éléments utilisés sont les suivants (par ordre de finesses de séparation) :
- le précriblage ou calibrage, réalisé à l’aide de grilles fixes et animées, permet de séparer les particules d’un diamètre supérieur à 100 mm (éléments grossiers de type briques, morceaux de béton…).
- la séparation magnétique est utilisée pour extraire les particules magnétiques. Il existe deux types de séparateurs magnétiques : les séparateurs magnétiques à basse intensité qui permettent de séparer les particules ferromagnétiques et les séparateurs magnétiques à haut gradient qui permettent d’extraire les matériaux paramagnétiques et diamagnétiques.
- l’unité de désagrégation ou décompacteur : de l’eau est additionnée aux sols afin de le désagréger et le fluidifier ; cette action permet la séparation des particules fines (agglomérées aux particules plus grossières) et un transfert partiel des polluants dans le milieu liquide. L’ajout d’eau est réalisé à l’aide de jets à haute pression, de nettoyeurs, de bassin à basse agitation …
- le criblage est réalisé à l’aide de trommels (cribles rotatifs), de cribles plans à secousses ou de cribles vibrants. Le criblage permet de séparer des sols présentant des granulométries comprises entre 100 et 1 mm. La séparation des fractions du sol est réalisée en fonction de leur densité.
- le tamisage, mettant en jeu des tamis vibrants ou des blutoirs rotatifs (tamis rotatifs hexagonaux), permet de séparer des sols présentant des granulométries comprises entre 1 et 0,04 mm. La séparation des fractions du sol est réalisée en fonction de leur taille.
- l’hydrocyclonage : cette technique séparative se base sur la différence de masse des particules ; la force centrifuge entraîne les particules lourdes vers la sortie inférieure alors que les particules légères sont dirigées vers la sortie supérieure.
- la séparation en spirales : les particules en suspension sont séparées dans des caniveaux en spirales, les forces centrifuges permettant de séparer les particules les plus lourdes.
- l’unité de flottation : elle permet de séparer les fractions en fonction de leur densité ; pour ce faire, des tensioactifs sont ajoutés et s’attachent aux particules les plus polluées (les plus fines et donc les plus légères), ce qui augmente leur hydrophobicité. Ces particules s’associent alors aux remontées des bulles d’air injectées au fond du bassin de flottation. Les fractions polluées sont in fine récupérées par écrémage.
- la séparation gravitaire par sédimentation : l’eau chargée en particules est dirigée vers un séparateur gravitaire dans lequel passe un contre-courant permettant de garder les particules fines en suspension en vue de leur récupération et de laisser décanter les particules les plus lourdes ; des opérations de coagulation/floculation sont souvent nécessaires au préalable.
- la filtration : les filtres permettent de séparer les particules les plus fines.
- la déshydratation des particules fines : les particules fines doivent être déshydratées à l’aide d’un centrifugeur ou d’un filtre presse.
- la séparation des contaminants, des agents mobilisateurs et de la phase aqueuse : Une fois les contaminants transférés dans la solution de lavage, il est nécessaire de séparer lesdits contaminants, les agents mobilisateurs et la phase aqueuse. Cette récupération peut être réalisée en différentes étapes : extraction par solvant, flottation, stripping, fractionnement à la mousse et le traitement photochimique. Les agents mobilisateurs sont la plupart du temps récupérés (notamment par distillation) et réutilisés.
Les ajouts de réactifs chimiques (agents mobilisateurs ou extractants) peuvent se faire à différentes étapes : unité de désagrégation ou décompacteur, criblage, tamisage, unité de flottation, séparation gravitaire par sédimentation. L’ajout se fait généralement à contre-courant. Différents agents peuvent être utilisés séparément et successivement. Pour améliorer la récupération, on utilise des détergents, des surfactants, des agents chelatants, des acides, des bases, de l’eau chaude ou même de la vapeur. Le procédé utilisant l’ajout de réactifs chimiques (extraction par solvant ou mise en solution) est apparenté à l’Extraction chimique.
Les sols sont parfois débarrassés des traces d’agents extractants dans des unités de circulation d’eau chaude (ou de vapeur d’eau à contre-courant).
Les paramètres suivis lors d‘une opération de tri granulométrique sont :
- la consommation électrique,
- la granulométrie, le taux d’humidité et les concentrations en polluants en entrée et en sortie des différentes unités de traitement,
- le bruit,
- la consommation en eau,
- la consommation et le dosage des réactifs (coagulant, floculant, détergents, surfactants, agents chelatants, acides, bases, eau chaude, vapeur),
- la consommation en air (flottation),
- les poussières,
- les concentrations en polluants dans les rejets atmosphériques si nécessaire (respect des normes de rejets) et les paramètres relatifs au traitement des gaz (débits, dépression, perte de charge, saturation des unités de traitement….),
- les concentrations en polluants dans les rejets liquides si nécessaire (respect des normes de rejets) et les paramètres relatifs au traitement des eaux (débits, pression, perte de charge, saturation du charbon actif….).
Les variantes du Lavage à l’eau résident dans les différents tris granulométriques à réaliser.
Les autres variantes consistent à la mise en solution et l’Extraction chimiques, l’Oxydation et la réduction chimique, ainsi que le traitement des rejets aqueux sur site.
Le Lavage ex situ s’applique principalement sur des sols hétérogènes afin de concentrer les fractions les plus fines, généralement les plus polluées. Il est principalement appliqué sur des sols contenant des hydrocarbures pétroliers, SCOV, SCOHV, COHV, COV, pesticides, métaux/métalloïdes et radionucléides. Le Lavage ex situ est particulièrement intéressant pour la séparation des composés peu dégradables et récalcitrants aux autres techniques de dépollution : HAP, PCB, dioxines et furannes, pesticides et métaux/métalloïdes. Il peut dans certains cas constituer une alternative économiquement rentable par rapport à l’Incinération.
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.
Le guide méthodologique « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009) et le Guide ESTRAPOL 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.
L’Union des Professionnels de la Dépollution des Sites (UPDS) a déterminé les paramètres à fournir pour permettre le dimensionnement des traitements :
a. Les caractéristiques des sols
-
Les caractéristiques physiques :
- la répartition granulométrique,
- l’abrasion,
- la densité,
- la vitesse de décantation,
- le magnétisme,
-
la charge électrique.
-
Les caractéristiques chimiques :
- la solubilité dans l’eau, les acides, les alcalins, les agents complexants,
- la volatilité,
- l’humidité,
- le pH,
- la chimie de surface,
- la capacité d’échange cationique,
- la matière organique,
- la teneur en argile.
b. Les caractéristiques de la source de pollution
- la géométrie,
- la concentration et l’hétérogénéité dans chaque fraction granulométrique,
- l’association des contaminants dans les sols : contaminant adsorbé, enrobage liquide ou semi liquide des particules, enrobage des particules sous forme de précipité chimique, particules incluses, parties de grains individuels, contamination interne aux pores.
c. Définition du projet
- Délais,
- Objectifs de traitement (sols et/ou eaux et/ou gaz du sol),
- Seuils de dépollution ou profondeur/ volume d'excavation.
d. Sol ou matériau à traiter
- Répartition granulométrique,
- Abrasion,
- Densité,
- Vitesse de décantation,
- Magnétisme,
- Charge électrique,
- Chimie de surface,
- Capacité d’échange cationique,
- Taux de matière organique,
- Teneur en argile.
e. Polluants
- Type (nature),
- Concentrations (cartographies de pollution dans les sols, l'eau, les gaz du sol),
- Estimation du stock,
- Concentration et l’hétérogénéité dans chaque fraction granulométrique,
- Association des contaminants dans les sols : contaminant adsorbé, enrobage liquide ou semi liquide des particules, enrobage des particules sous forme de précipité chimique, particules incluses, parties de grains individuels, contamination interne aux pores,
- Solubilité dans l’eau, les acides, les alcalins, les agents complexants,
- Volatilité,
- pH.
f. 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.
Le tri granulométrique présente les avantages suivants :
- les procédés et les moyens techniques et matériels sont éprouvés,
- le procédé permet de traiter une grande quantité de polluants,
- le procédé peut être facilement adapté pour toute sorte de granulométrie,
- une réduction importante de la quantité de sols contaminés permet de réduire les coûts de traitement et de transport ultérieurs,
- la réutilisation des fractions grossières non polluées permet d’économiser des coûts de fourniture de remblais,
- la séparation de la pollution en fonction de la granulométrie permet d’adapter plus efficacement les traitements ultérieurs,
- ce procédé est un des rares à pouvoir permettre de traiter des pollutions minérales ou mixtes,
- cette technique est moins onéreuse que l’incinération et peut être avantageuse d’un point de vue économique dans certains cas,
- le Lavage à l’eau permet de traiter l‘ensemble des terres contaminées et de s’affranchir partiellement des problèmes d’hétérogénéité des sols,
- les rendements épuratoires sont plus élevés que ceux rencontrés dans le Lavage in situ.
Ses inconvénients et facteurs limitants sont les suivants :
- ce procédé ne permet pas de détruire les polluants,
- ce procédé est le plus souvent utilisé en prétraitement,
- le procédé n’est pas rentable économiquement pour des petites quantités,
- le fait de changer la texture des sols peut générer des problèmes de réutilisation en tant que remblais,
- utilisé sur site, le procédé présente un encombrement important,
- les émissions atmosphériques et les nuisances sonores peuvent être importantes,
- l’utilisation d’eau (additionnée de diverses formulations chimiques) nécessite un traitement qui génère des surcoûts et un suivi technique non négligeable,
- la consommation en eau est parfois importante (de 0,4 à 3 l d’eau/kg de sol traités dans certains cas) ; il est donc d’usage de pratiquer la recirculation des eaux,
- le taux d’humidité résiduel après traitement est souvent un frein à une bonne revalorisation des sols ou un frein à sa mise en décharge. C’est pourquoi, des unités (souvent onéreuses) de déshydratation des particules fines sont souvent nécessaires,
- il est d’usage de considérer que trier des sols présentant une proportion de fractions fines supérieures à 20-40 % n’est pas rentable économiquement,
- le procédé est peu adapté aux sols et remblais poreux,
- le traitement de matériaux plus ou moins homogènes est économiquement plus rentable que ceux présentant une très grande diversité granulométrique,
- le contact entre l’eau et les particules fines polluées doit être important pour que le traitement soit efficace,
- pour des contaminations multiples, complexes et hétérogènes, il peut être parfois difficile de trouver la bonne formulation,
- des études poussées d’applicabilité sont nécessaires,
- les effluents gazeux, les réenvols de poussières et les effluents liquides générés lors d’un traitement doivent être recueillis et traités si nécessaire, ce qui génère des surcoûts,
- des essais poussés de décantation/flottation doivent être réalisés afin de bien dimensionner les procédés de séparations gravitaires,
- des mesures spécifiques doivent être prises pour gérer les problèmes d’odeur des boues issues de pollutions organiques,
- les sols présentant une grande capacité d’échange cationique, ou présentant une forte teneur en acide humique, de par leur grande capacité d’adsorption des polluants, vont présenter des problèmes d’extraction des contaminants et nécessitent souvent un prétraitement spécifique.
1. Sur site
Les coûts de traitement sur site (hors coûts d’amenée-repli) vont de 35 à 100 €/t de sols traités en fonction de la complexité et de la quantité de matériaux à traiter (BRGM, 2010)
D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 45 €/t, la moyenne haute de 55 €/t et le maximum de 100 €/t de sols traités après Excavation (hors excavation, tri des terres (avant traitement), transport interne et consommation électrique).
Pour mémoire, il est toutefois rappelé que ces tarifs ne sont que des estimations tirées du retoru 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.
Répartition des coûts :
Le coût total de traitement sur site a été réparti selon trois types de :
- 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 suivi de la dépollution correspondant aux coûts des analyses et prestations intellectuelles (rédaction de rapports, réunions sur site).
L’investissement initial est réduit. Il correspond principalement à la mise en place de l’unité de lavage.
Le coût de mise en œuvre est élevé et très variable selon le type de solution de lavage utilisé (eau ou solvant). Les consommations d’énergie représentent également un poste important.
Un suivi analytique est nécessaire afin de garantir le niveau de dépollution des terres.
Figure 2 - Répartition des coûts, Lavage des terres sur site.
2. Hors site
Les coûts de traitement hors site varient entre 75 et 220 €/t de sols traités. Le Lavage hors site est une technique très coûteuse qui diffère selon la solution de lavage (eau ou solvant) et les seuils d’acceptation des centres de traitement. Le coût de régénération des solutions de lavage est élevé. Cette technique est généralement plus avantageuse que le Lavage sur site pour des quantités inférieures à 10 000 tonnes. (BRGM, 2010)
D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 60 €/t, la moyenne haute de 90 €/t et le maximum de 130 €/t de sols traités après Excavation (hors excavation, tri des terres (avant traitement), transport interne et TGAP si applicable).
Répartition des coûts :
Le coût total de traitement hors site a été réparti selon les trois types de charges définies ci-dessus.
Les filières hors site se caractérisent par l’absence de coûts directement liés à l’investissement. En effet, les investissements initiaux de l’installation se répercutent indirectement dans les charges récurrentes qui intègrent l’amortissement des installations pour l’opérateur de traitement.
Les charges liées à la maintenance sont importantes, tout comme la consommation énergétique. Le coût de mise en œuvre est élevé et très variable selon le type de solution de lavage utilisé (eau ou solvant). Les consommations d’énergie représentent également un poste important.
Le traitement par Lavage ne nécessite pas de suivi analytique contraignant.
Figure 3 - Répartition des coûts, Lavage des terres hors site.
Le procédé est commercialisé et utilisé sur des unités fixes mais également, dans une moindre mesure, sur des unités mobiles. Néanmoins, son utilisation reste pour l’instant encore marginale.
Des rendements épuratoires de l’ordre de 95 % peuvent être obtenus dans des conditions optimales.
C’est une technique rapide grâce à l’Excavation des terres. Néanmoins, le fait que les terres soient traitées sur le site peut ralentir une valorisation immobilière.
Il existe des unités de traitement capables de traiter sans difficulté 20 tonnes par heure. Des unités plus importantes ou plus compactes existent dans le commerce.
En 2012, le Lavage des sols (sur site ou hors site) a concerné 1 % de toutes les terres traitées ou gérées en France et 2 % des terres traitées ou gérées sur site ou hors site.
(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 (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
Soil Washing Through Separation/ Solubilization: Guide Specification for Construction
2006.
U.S. Army Corps of Engineers. CEGS-02 54 23, 35 pp.
https://www.wbdg.org/FFC/DOD/UFGS/UFGS 02 54 23.pdf