Lavage in situ

Ce procédé consiste à lessiver les sols sans excavation (zones saturée et non saturée) par injection d’eau (et d’agents mobilisateurs en solution) en amont ou au droit de la source de pollution. Par la suite, les eaux polluées sont pompées, traitées en surface puis rejetées dans les réseaux d’eaux usées/eaux pluviales, les eaux superficielles ou dans certains cas réinjectées dans la nappe.

Le Lavage in situ consiste à faire percoler des fluides, le plus souvent de l'eau avec des additifs (ex. agents extractants), dans le sol pour extraire les contaminants par désorption ou solubilisation ; l’injection se fait en amont hydraulique ou au droit de la source de pollution. Un mouvement de fluide est engendré à travers la zone contaminée et le fluide se charge en polluant. Le mélange eau / solution de lavage chargé en polluant est alors pompé. Les contaminants mis en solution dans les fluides sont ensuite recueillis dans des puits peu profonds ou dans des dispositifs de drainage souterrains, puis pompés jusqu'à la surface où ils sont traités.

Une fois débarrassés des contaminants qu'ils contiennent, les agents extractants peuvent être recyclés.

L’infiltration peut être réalisée à partir de tranchées, de puits verticaux, de drains horizontaux, de système d’arrosage ou de mares en surface. L’extraction se fait par des puits verticaux ou des drains horizontaux positionnés afin de récupérer la totalité de la pollution. Dépendamment des conditions locales, les eaux usées sont épurées puis sont réinjectées dans l’aquifère, dans les eaux superficielles, dans les réseaux d’eaux usées ou mieux, partiellement réutilisées (après séparation de l’agent extractant).

Figure 1 - Schéma de principe du lavage chimique des sols in situ (injection dans la zone non saturée).

Les moyens matériels nécessaires au Lavage in situ sont les suivants :

• matériel relatif aux additifs : cuve de stockage, système de mélange avec l’eau, réseau de distribution,
• matériel d’injection et d’extraction : puits verticaux, puits horizontaux, pompes, tuyauteries, tranchées, galeries, compteur...,
• une filière de traitement des eaux usées récupérées en surface,
• éventuellement un système de récupération des additifs,
• un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement,
• un système piézométrique permettant de suivre les écoulements et la qualité des eaux souterraines.

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

• 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,
  • les concentrations en polluants,
  • les concentrations en métabolites éventuels,
  • les concentrations en agents d’extraction,
  • les concentrations en polluants non présents initialement dans les eaux souterraines mais pouvant éventuellement être mobilisés (métaux …),
• les concentrations en polluants dans les sols au cours du lessivage, afin de mesurer son efficacité,
• si nécessaire, les concentrations en polluants gazeux,
• les concentrations en polluants dans les rejets aqueux (respect des normes de rejets),
• les paramètres relatifs au traitement des eaux (ex. : séparation, recyclage ….),
• la caractérisation des effets « rebonds ».

Le Lavage in situ s’applique essentiellement avec de l’eau, mélangée avec des solutions extractantes comme :

• des acides pour baisser le pH et mobiliser certains métaux,
• des bases, par exemple la soude en solution aqueuse pour induire par action sur les hydrocarbures des tensioactifs favorables à la mobilisation de ces derniers (ex. : alkylbenzène sulfonate),
• du surfactant (pour désorber les contaminants de la matrice sols),
• de l’eau aérée, eau oxygénée ou eau additionnée de peroxyde d’hydrogène pour augmenter la stimulation biologique.

Les différentes solutions extractantes couramment utilisées, solvants organiques, tensioactifs (ou surfactants), acides ou bases, sont présentées dans la fiche technique Mise en solution et extraction chimique (technique de dépollution ex situ / sur site). Il faut noter que l’utilisation des solvants organiques non biodégradables in situ n’est pas recommandée.

De plus, l’utilisation d’une eau chauffée permet d’accroître les taux de dépollution de manière significative. L’augmentation de la température diminue la viscosité des fluides et favorise leur mobilité. Par ailleurs, pour certains DNAPL, le fait d’augmenter la température permet de diminuer leur densité ; dans certains cas (densité obtenue < 1), il est alors possible de les récupérer au niveau du toit de la nappe.

Afin d’augmenter localement la perméabilité, il est possible de procéder à des fracturations (fracturations pneumatiques, hydrauliques, jet grouting..).

L’injection peut se faire en surface (cas du traitement de la zone vadose) ou en profondeur (cas du traitement de la zone saturée).

Le Lavage in situ concerne principalement les polluants organiques (hydrocarbures, solvants chlorés, HAP, PCB, explosifs)… Il peut aussi être employé sur des métaux non-volatils. La technique a été testée au laboratoire avec succès sur de nombreux pesticides aux États-Unis. Cette technique peut être utilisée pour une large gamme de contaminants en raison d’un large éventail d’agents chimiques potentiellement utilisables pour provoquer ou accélérer la mobilité des contaminants.

Dans le cas du traitement d’une pollution métallique par un lavage chimique, une solution destinée à neutraliser les agents d’extraction et à stabiliser / immobiliser les fractions métalliques résiduelles est injectée en fin de traitement.

La mise en œuvre du lavage chimique d'un sol pollué par des polluants volatils est préférable en réacteur plutôt qu'en tas ou in situ pour des raisons de maîtrise du transfert des polluants à l'atmosphère.

En zone non saturée, le traitement par lavage chimique concerne a priori toutes les phases dans lesquelles peuvent se trouver les polluants. Dans la zone saturée, les pores sont entièrement occupés par l’eau et la phase gazeuse n’est pas présente. Le lavage chimique in situ en zone saturée concerne donc des pollutions en équilibre avec les phases solide et liquide aqueuse ou dans une phase liquide non aqueuse.

Qu’ils soient appliqués en zone saturée ou en zone non saturée, les traitements par lavage au moyen d'agents tensio-actifs ont pour cible les contaminations liées aux constituants solides du sol ou aux phases liquides non aqueuses imprégnant le sol. Ils ne s’adressent pas aux pollutions des phases gazeuses ou dissoutes.

Tableau 1 - Domaine d'application du lavage en fonction de l'état physique de la pollution dans la zone non saturée.

Tableau 2 - Domaine d'application du lavage en fonction de l'état physique de la pollution dans la zone saturée.

Cette technique s’applique principalement dans des sols relativement perméables (sablo-limoneux à graveleux) et homogènes dans les zones saturée et non saturée. Le lavage in situ s’applique difficilement aux zones sources siégeant dans des terrains de perméabilité inférieure à 10^-5 m/s.

Tableau 3 - Domaine d'application du lavage in situ en fonction du contexte pédo-géologique et de l'état physique du polluant.

La profondeur du toit de la nappe, la localisation en profondeur de la pollution et le type de nappe (superficielle ou captive) ne sont pas des obstacles majeurs à l'utilisation de cette technique.

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 données nécessaires au dimensionnement sont similaires à celle du pompage et traitement in situ et de la mise en solution et l’extraction chimiques on site. Elles concernent donc :

• les caractéristiques géologiques/hydrogéologiques,
• les caractéristiques de la source de pollution,
• les caractéristiques chimiques.

Ces données vont permettre de dimensionner les paramètres suivants :

• 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,
• en cas de réinjection dans la nappe : le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’injection (profondeur, diamètre, tranchées, puits..),
• les effets sur les eaux de surface avoisinants,
• les variations des niveaux de la nappe en fonction des débits et des différentes conditions envisagées (régime transitoire, hautes eaux, basses eaux …),
• l’évolution de la concentration et de l’extension de la pollution,
• le type d’agents extractants à utiliser ainsi que sa concentration.

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,
• Surface et/ou volume à traiter.

b. Sol ou matériau à traiter

• Géologie /lithologie ou nature des sols,
• Potentiel de lixiviation du milieu contaminé sous l’effet de l’agent extractant, chimie de surface, capacité d’échange cationique,
• Hétérogénéité,
• Répartition granulométrique,
• Teneur en argile : la teneur en argile dans le sol ne doit pas dépasser 20% de la masse totale.
• Taux de matière organique,
• Humidité,
• Température des sols,
• pH.

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,
• 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,
• Concentration et hétérogénéité dans chaque fraction granulométrique,
• Solubilité dans l’eau, les acides, les alcalins, les agents complexants,
• Volatilité.

d. Aquifère

• Perméabilité,
• Porosité,
• Coefficient d'emmagasinement,
• Piézométrie,
• Conditions aux limites.

e. Essais de traitabilité

Les documents suivants, issus du guide méthodologique « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009) et intitulés « Cahier des charges », 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 : lavage par agents chimiques ou tensio-actifs (PDF - 357 Ko) injection de réactif in situ (PDF - 821 Ko)

Le Lavage in situ présente les avantages suivants :

• grande facilité d’application sur les sols perméables (sols sableux) et homogènes,
• applicabilité en zone saturée et non saturée, même à de grandes profondeurs,
• peu de perturbation des sols,
• technique applicable aux contaminants hydrosolubles ou solubilisables par l’agent mobilisateur employé (large spectre de contaminants),
• technique également efficace pour les contaminants en émulsion,
• peut générer une dégradation in situ dans certains cas (bien que cet effet soit limité),
• possibilité d’utilisation en combinaison avec d’autres procédés ; par exemple, cela permet une réduction du temps de traitement par rapport au Pompage et traitement.

Ses inconvénients et ses facteurs limitants sont les suivants :

• des limites d'application aux techniques de lavage chimique par percolation peuvent apparaître quand le sol est trop fin. En effet, dans le cas d'un traitement par lessivage en tas, une teneur en particules fines trop importante risque d'entraîner un colmatage du sol. La teneur en argile dans le sol à traiter ne doit pas dépasser 20% de la masse totale,
• une faible perméabilité du sol à l’eau aurait pour effet de limiter le contact entre les agents chimiques ou tensio-actifs et la matrice et de limiter ainsi l’extraction des polluants. La perméabilité dépend étroitement de la teneur en argiles, de la nature des argiles, de la répartition granulométrique du sol (texture et structure) et de sa compaction,
• le lavage chimique par des solutions acides, utilisé pour la solubilisation de certains métaux, n’est pas possible dans un sol présentant des teneurs importantes en carbonates, du fait de la neutralisation des solutions acides par ces carbonates. La teneur limite acceptable en carbonates est dépendante des quantités d’acide nécessaires à la mobilisation des polluants, tenant compte de la consommation des carbonates,
• transfert des contaminants dans les eaux souterraines avec possibilité de déplacement de la pollution : une bonne compréhension de la géologie et de l’hydrogéologie est nécessaire pour prédire le mouvement des solutions de lessivage et implanter les puits de récupération afin de permettre une récupération totale du contaminant et de la solution injectée initialement,
• génération d’un volume important d’eaux usées à traiter,
• altération possible des propriétés chimiques, physiques et biologiques du sol, ce qui peut entraîner l’introduction de composés plus toxiques dans le sol,
• emploi de solutions parfois toxiques pour l’environnement,
• estimation difficile du temps de traitement,
• traitement des effluents requis,
• inefficace pour les contaminants fortement adsorbés,
• application limitée dans le cas de sols à faible perméabilité ou présentant de fortes hétérogénéités verticales ou horizontales (écoulements préférentiels),
• temps de traitement élevé par rapport à des procédés plus agressifs,
• nécessité d’étudier avec attention le devenir (biodégradation) des agents extractants,
• une fois la solution de lavage extraite, il est parfois difficile de séparer les eaux usées (polluants/additifs/eau). Ceci peut alors empêcher la recirculation de la solution amendée, ce qui augmente la consommation en additifs et par conséquent les coûts. Le procédé n’est alors plus économiquement compétitif.

Le coût d'un Lavage in situ, varie entre 20 à 120 €/t de sols traités, il dépend fortement de la solution employée et de la possibilité de la réutiliser (estimation 2009). (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 65 €/t et le maximum de 120 €/t de sols traités après excavation (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.

Le procédé est commercialisé. Contrairement à d’autres pays industrialisés, la France enregistre peu d'utilisation de ce procédé. On l’utilise essentiellement pour améliorer les performances du pompage / traitement.

Dans des conditions optimales, le rendement de ce procédé peut dépasser les 50 à 80%. Néanmoins, ce rendement peut être sensiblement affecté par l’hétérogénéité du milieu, la présence de matière organique et la présence de polluants semi-volatiles.

Les délais sont relativement longs (de l’ordre de plusieurs trimestres à plusieurs années).

En 2010, aucun acteur ayant répondu à l'enquête n'a déclaré avoir réalisé un lavage de sols in situ.

(ADEME, 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.

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

Innovative Site Remediation Technology, Vol. 3: Soil Washing/Soil Flushing
1993. William C. Anderson
174 pp.
https://clu-in.org/download/contaminantfocus/dnapl/treatment_technologies/soil-washing-soil-flushing.pdf

Surfactant Injection for Ground-Water Remediation: State Regulators' Perspectives and Experiences
1995
EPA 542-R-95-011, 20 pages.
https://clu-in.org/download/remed/surfact.pdf

Technology Overview Report: In Situ Flushing
1997. D. S. Roote
GWRTAC, 24 pages.
https://clu-in.org/download/remed/flush_o.pdf

Manual for Surfactants and Cosolvents,
1997
https://www.clu-in.org/PRODUCTS/AATDF/Toc.htm#Foreword

Technical and Regulatory Guidance for Surfactant/Cosolvent Flushing of DNAPL Source Zones
2003. Interstate Technology & Regulatory Council, 151 pages
http://www.itrcweb.org/Guidance/GetDocument?documentID=20

Removal of hydrophobic organic pollutants from soil washing/flushing solutions: a critical review
2016. Trellu, C., E. Mousset, Y. Pechaud, D. Huguenot, E.D. van Hullebusch, G. Esposito, and M.A. Oturan.
Journal of Hazardous Materials. 26 pages
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2015.12.008

Technology guide: soil washing
2018.
CRC for Contamination Assessment and Remediation of the Environment - Care National Remediation Framework. Version 0.1, 27 pages
https://crccare.com/wp-content/uploads/2022/09/DTechguide_soilwashing_Rev0.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/In_Situ_Flushing/cat/Overview/