Ventilation de la zone non saturée (venting)

Le Venting consiste à extraire des polluants volatils par mise en dépression de la zone non saturée.

Les composés volatils déversés dans les sols vont s'évaporer jusqu'à saturation des pores. Le Venting va, par mise en dépression au niveau de chaque point d’extraction, induire des circulations d’air et provoquer un renouvellement de l’air pollué dans les pores. Ce renouvellement d'air a pour conséquence de modifier les équilibres chimiques entre les différentes phases présentes (air, eau, sol). Ainsi, au cours de son passage à travers la zone polluée, l'air se "charge" en polluants. Le déplacement d’équilibre des phases permet de dépolluer ainsi les phases solides et gazeuses de la zone non saturée. Les vapeurs sont récupérées via les points d’extraction puis traitées en surface.

Le Venting est mis en œuvre 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 la pompe à vide (pression variant de 0 à 300 mbar) ; ce réseau est muni de compteurs et de vannes de réglage des débits,
• d’un séparateur de condensats ou dévésiculeur,
• d’une unité d’extraction,
• d’une filière de traitement des gaz dont la nature dépend des pourcentages d’épuration, des débits et des concentrations en polluants ; cette filière peut être constituée de colonne de lavage, de torchère, d’unité d'oxydation catalytique, d’unité d’adsorption (généralement sur charbon actif), de biofiltre,
• d’un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement.

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

• les débits d’injection,
• la dépression au niveau des puits d’extraction,
• les concentrations en polluants dans les gaz des sols (et éventuellement des sous-produits),
• 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….).
• si nécessaire, la qualité des eaux souterraines en amont et en aval de la source de pollution :
  • les paramètres pH, O₂, température, conductivité,
  • les concentrations en polluants,
  • les concentrations en métabolites éventuels.

Afin d'évaluer si le traitement touche à sa fin, le système est arrêté et la concentration en polluant est suivie dans les ouvrages de contrôle. Peu à peu, les concentrations vont de nouveau augmenter. Si les concentrations obtenues, à l’équilibre, c’est-à-dire après un laps de temps suffisant, sont conformes aux seuils de dépollution envisagés, l’opération peut être arrêtée. Ce suivi permet de caractériser les effets rebonds.

Différentes variantes au Venting sont disponibles sur le marché :

• l’air vacuum (Soil Vapor Extraction - SVE) : la zone non saturée est simplement mise en dépression via des puits d’extraction (sans injection d’air). Dans ce cas, la création de la dépression entraîne les phases gazeuses.

• le Bioventing : l’injection d’air (ou d’autres gaz) lors du Venting, associés à l’ajout de nutriments, permet d’enclencher une biodégradation des polluants, ce qui permet d’augmenter la performance de dépollution de la zone non saturée tout en diminuant les quantités de polluants gazeux à traiter,
   
• l’Extraction double phase (dual phase extraction, slurping ou multi-phase extraction) : une dépression importante est appliquée dans la zone non saturée juste au-dessus du toit de la nappe, ce qui a pour but d’extraire les gaz des sols, le surnageant (cas des produits flottants) et la phase dissoute. Dans ce cas, le système de traitement en aval des puits d’extraction doit tenir compte de la séparation et du traitement des liquides (phase dissoute et surnageant) et des gaz. Cette technique ne peut être employée que dans le cas d’une nappe peu profonde,
   
• le venting passif (passive venting) : le Venting est réalisé sans injection d’air et sans mise en dépression. Le transfert de gaz se fait par différence de pression (notamment lors des remontées de nappe) (Card, 1996).

• l’extraction sous vide avec injection thermique (SVE with thermal enhancement, in situ heating) : de la vapeur ou de l’air chaud est injecté via les puits d’injection permettant ainsi d’augmenter la volatilisation et l’extraction des polluants, notamment les polluants semi-volatils.

Si le sol à traiter ne présente pas une perméabilité à l'air suffisante pour l'extraction, on peut recourir à la fracturation pneumatique pour accroître le flux d'air et ainsi accélérer l'extraction.

L'extraction des vapeurs ne peut être utilisée que pour le traitement de la zone vadose lorsque celle-ci se compose de matériaux relativement perméables (sols sablo-limoneux à graveleux) et lorsque les polluants sont volatils (et dans une moindre mesure semi-volatils).

Le facteur limitant le plus contraignant pour l'utilisation de ce procédé est la tension de vapeur. Un composé ayant une tension de vapeur inférieure à 0,5 mm Hg (67 Pa) (à 20°C) ne sera pas remobilisable dans les conditions normales d’utilisation du Venting. De plus, la valeur limite de la constante de Henry pour une volatilisation significative est de 0,01 Pa.m³/mol (à 20°C).

Le Venting est très utilisé pour la réhabilitation de sites pétroliers ou pétrochimiques présentant des pollutions de types hydrocarbures pétroliers légers ainsi que pour des pollutions liées aux composés halogénés volatils et aux composés non-halogénés volatils. Cette technique est, dans certaines conditions, potentiellement applicable sur certains composés halogénés semi-volatils et certains composés non-halogénés semi-volatils.

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.

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 (2019) vous donneront des éléments vous permettant de vérifier la faisabilité de la technique sur votre site.

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 nombre, l’espacement et les caractéristiques des points d’injection,
• 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’unité d’extraction,
• 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 ou profondeur/volume d'excavation,
• Seuils de rejet,
• 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,
• Nature des sols (ZS - ZNS),
• Répartition granulométrique,
• Fraction argileuse.

Pour le Bioventing :

• Teneur en azote,
• Flore bactérienne.

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,
• Solubilité,
• Pression de vapeur,
• Constante de Henry,
• Point d’ébullition,
• Coefficient de partition air/eau/sol,
• Localisation,
• La pollution est-elle volatile (Venting) et biodégradable (Bioventing) ?,
• Représentativité des échantillons et variabilité des valeurs.

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.

Les avantages du Venting sont les suivants :

• cette technique est éprouvée et a démontré une grande fiabilité ainsi que des résultats extrêmement significatifs,
• elle est compétitive en termes de coût et de performance,
• elle est applicable à de nombreux polluants,
• elle génère peu de perturbation des sols,
• elle est utilisable préalablement à d’autres techniques de dépollution afin de limiter les émissions de polluants volatils,
• elle est applicable sous des bâtiments (forages horizontaux) et dans le cas de pollutions à de grandes profondeurs (plusieurs dizaines de mètres).

Les inconvénients et facteurs limitants sont les suivants :

• le procédé n’est pas destructif,
• 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 des sols constitue un facteur limitant (<10^-5 m/s),
• le maillage des puits d’extraction doit être très serré en cas de perméabilité plus faible,
• la présence du toit de la nappe proche de la zone à traiter est pénalisante (<1 m),
• 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’élévation de la teneur en eau dans la zone insaturée 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'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.
• la technique n’est pas applicable dans la zone saturée bien que le fait de baisser le toit de la nappe permette de dépolluer la zone rendue non saturée,
• 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 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 comme l’azote),
• les émissions atmosphériques nécessitent un traitement d’air (surcoût).

Coûts

En 2009, il est admis que les coûts de traitement étaient de l’ordre de 15 - 50 €/t des sols traités (estimations). (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 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 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 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 judicieux et suffisants, 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 Venting, comme le Bioventing, 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.

Délais

Les délais sont de l’ordre de 4 mois à 18 mois.

Maturité

Le Venting est une technique éprouvée, largement commercialisée et appliquée depuis de nombreuses années. Cette technique 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.

Efficacité

Dans des conditions optimales, le rendement de ce procédé peut dépasser 90%. Néanmoins, ce rendement peut être sensiblement affecté par l’hétérogénéité du milieu, la présence de matière organique et la présence de polluants semi-volatils.

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 chlorés.

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

En 2012, 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 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.

Évolution 2010/2012 :

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

(ADEME, 2012) (ADEME, 2015)

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://ssp-infoterre.brgm.fr/fr/guide/traitabilite-ssp-selection-techniques-evaluation-performances
NB : Guide méthodologique - Le tableau "Etat physique de la pollution dans la zone non saturée" p.28 a été corrigé et adapté par le BRGM pour les besoins de SelecDEPOL en 2024.

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. (Fichier PDF - 6,13 Mo)

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

Card G. (1996)
Protecting Development from Methane
Report 149. CIRIA, 190 p.

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

Liens

Evaluation of Soil Venting Application
DiGiulio, D.C.
EPA 540-S-92-004, 7 pp, 1992
https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-06/documents/eval_soilventing.pdf

Guidance for Design, Installation and Operation of Soil Venting Systems
1993
Wisconsin Dept. of Natural Resources, Madison, WI. PUB-RR-185, 64 pp.
http://nepis.epa.gov/Exe/ZyPURL.cgi?Dockey=50000R0W.txt

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 II. SVE, 1995. EPA 510-R-04-002, 43 pages.

Analysis of Selected Enhancements for Soil Vapor Extraction
1997
EPA 542-R-97-007,
https://www.clu-in.org/download/remed/sveenhmt.pdf

Innovative Site Remediation Technology: Design & Application, Volume 7: Vacuum Extraction and Air Sparging
1998
EPA 542-B-97-010, 392 pages.
https://www.clu-in.org/download/contaminantfocus/dnapl/Treatment_Technologies/542B97010.pdf

Off-Gas Treatment Technologies for Soil Vapor Extraction Systems
March 2006. State of the Practice
EPA 542-R-05-028
https://www.clu-in.org/download/remed/epa542r05028.pdf

Technology guide: Soil vapour remediation
2018.
CRC for Contamination Assessment and Remediation of the Environment - Care National Remediation Framework. Version 0.1, 43 pages
https://crccare.com/wp-content/uploads/2022/09/GTechguide_SVR_Rev0.pdf

United States Air Force Environmental Restoration Program: Guidance on Soil Vapor Extraction Optimization
Parsons Engineering Science, Inc., for the Technology Transfer Division of the Air Force Center for Environmental Excellence. NTIS: ADA392205, 90 pp
https://www.clu-in.org/download/contaminantfocus/dnapl/Treatment_Technologies/SVE-optimization.pdf

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