Barbotage in situ (sparging)

Le Barbotage in situ, communément rencontré sous la dénomination anglosaxone "sparging", repose sur le même principe que le Venting  mais s'applique à la zone saturée et dans la frange capillaire. Aussi, l’air injecté dans la nappe (et non dans la zone non saturée comme pour le venting) va favoriser la volatilisation des polluants qui seront extraits au niveau de la zone vadose et traités sur site.

Le sparging est souvent couplé au Venting .

Le sparging consiste à injecter un gaz (le plus souvent de l’air) sous pression en dessous du toit de la nappe. L’air en se propageant à travers la zone saturée et en remontant vers la surface crée des canaux où il entre en contact avec les polluants dissous ou adsorbés, ce qui entraîne leur volatilisation. L’air chargé en polluants est alors évacué via des puits d’extraction (positionnés en alternance avec les puits d’injection) vers le système de traitement des gaz (Venting). Cette technique permet aussi de traiter la frange capillaire.

Figure 1 - Schéma de principe de l’air sparging couplé à un venting.

Associé au venting, ce procédé permet également de traiter la zone non saturée.

L’injection d’air permet la biodégradation aérobie de composés biodégradables présents dans la nappe et la zone vadose (Biosparging).

Le sparging peut à la fois être utilisé pour traiter les sources de pollution mais aussi les panaches de pollution. Dans le dernier cas, le système est installé perpendiculairement au sens de migration du panache.

Le sparging est mis en place 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,
• 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 (extracteur volumétrique, intermédiaire, centrifuge),
• d’une filière de traitement des gaz dont la nature dépend des pourcentages d’épuration, des débits et des concentrations en polluants ; cette dernière peut être constituée d'une colonne de lavage, d'une torchère, d'une unité d'oxydation catalytique ou d'une unité d’adsorption (généralement sur charbon actif), d'un biofiltre,
• d'un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement.

Les paramètres à suivre lors d’une opération de Barbotage in situ 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,
• les concentrations en polluants,
• les concentrations en métabolites éventuels,
• les concentrations en polluants non présents initialement dans les eaux souterraines mais pouvant éventuellement être mobilisés (métaux …),
• 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 ».

Différentes variantes au sparging sont disponibles sur le marché :

• le Biosparging : l’oxygène apporté dans la nappe permet d’encourager la biodégradation aérobie. Les débits d’air par point d’injection sont alors moindres que pour un sparging classique (0,5 cfm à 2-3 cfm).
• le puits à vaporisation-aspiration : cette technique, développée en Allemagne (UVB : Unterdruck Verdamfer Brunnen), allie l’aspiration de l’air et la circulation des eaux souterraines dans un même puits. Ce procédé permet donc de réaliser une « chambre de stripping » in situ en forçant le croisement de deux courants : un courant descendant (air) et un ascendant (eaux souterraines). Elle permet ainsi de traiter le sol, la frange capillaire ainsi que la nappe phréatique en surface et en profondeur. Si nécessaire, en cas de perméabilité modérée (10^-6 m/s), une pompe d’appoint facilite la remontée d’eau.

Figure 2 - Schéma de principe du puits à vaporisation-aspiration.

• L’injection de méthane (CH₄) : cette injection permet d’enclencher les phénomènes de dégradation des solvants chlorés par cométabolisme.

Si le sol à traiter ne possède pas une perméabilité suffisante pour l'extraction, on peut recourir à la fracturation pneumatique pour augmenter la perméabilité hydraulique et pneumatique et ainsi accélérer l'extraction.

Le sparging permet de traiter des composés organiques volatils et semi-volatils (halogénés ou non halogénés) dans des sols perméables et homogènes (constante de Henry supérieure à 0,01 Pa.m³/mol à 20°C et/ou pression de vapeur saturante supérieure à 0,5 mm Hg (67 Pa) à 20°C). Il est particulièrement adapté au traitement de la frange capillaire de la nappe.

Il est fréquemment utilisé pour traiter des solvants chlorés et des hydrocarbures pétroliers volatils (essences, fuel, kérosène…) ; néanmoins, il est peu conseillé pour traiter des polluants très solubles (alcools, cétones ….).

Cette technique s’applique principalement dans des sols relativement perméables (sablo-limoneux à graveleux) et homogènes dans les zones saturées et non saturées.

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 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 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 (continu ou intermittent) ; classiquement : 1 à 5 minutes d’injection pour 10 à 60 minutes de repos,
• 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 ou profondeur/volume d'excavation.

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
• Perméabilité à l’air,
• Hétérogénéité,
• Porosité,
• Taux de matière organique,
• Humidité,
• Température des sols,

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/sols.

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.

f. Géochimie nappe

• pH,
• Conductivité,
• Potentiel redox,
• MES,
• Teneur O₂ dissous,
• Carbonates et hydrogénocarbonates,
• Sulfates,
• Fer dissous,
• Manganèse dissous,
• H₂S dissous.

g. 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 sparging présente les avantages suivants :

• technique fiable et éprouvée,
• résultats significatifs,
• compétitivité en termes de coût et de performance,
• applicabilité à de nombreux polluants,
• application générant peu de perturbation de sols,
• alternative au traitement classique par pompage / traitement,
• technique relativement rapide dans des conditions optimales,
• applicable sous des bâtiments (forages horizontaux),
• le biosparging, les tranchées et la vaporisation/aspiration par puits peuvent augmenter l’efficacité du procédé dans le cas de perméabilité moindre,
• les composés faiblement volatils mais biodégradables sont potentiellement traitables par cette technique (acétone, cyclohexane, MEK …).

Ses inconvénients et 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,
• inapplicable pour des sols de perméabilité peu élevée (<10^-5 m/s),
• application courante jusqu’à des profondeurs comprises entre 2 et 15-20 m, voire 50 m pour quelques cas peu fréquents,
• 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),
• difficilement applicable en cas de présence de surnageant (risque de dispersion de la pollution et effet « rebonds ») ; cet effet peut être minimisé en augmentant la densité des puits d’injection et en couvrant l’intégralité de la source de pollution,
• nécessite un bon contrôle des mouvements des polluants dans les zones saturée et non saturée,
• difficilement applicable à des composés très solubles,
• nécessite un maillage très serré des puits d’extraction en cas de faible perméabilité,
• les sols contenant de l’argile et un taux de matière organique élevé sont propices à une forte 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 développement de 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).

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 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 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 » 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).

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.

Le procédé est largement commercialisé en France depuis une quinzaine d’années.

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 en général de 30 à 99 % selon le contexte hydrogéologique et les polluants en présence.

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 VII. Air Sparging, 1995. EPA 510-R-04-002, 41 pages.

Technology Overview Report: Air Sparging
1996. Ralinda R. Miller, P.G.
Ground-Water Remediation Technologies Analysis Center
https://clu-in.org/download/toolkit/sparge_o.pdf

Analysis of Selected Enhancements for Soil Vapor Extraction
1997.
EPA 542-R-97-007, 246 pages.
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

In Situ Air Sparging Subsurface Performance Checklist
1999.
U.S. Army Corps of Engineers, 6 pages.
https://www.hnc.usace.army.mil/Portals/65/docs/Directorates/EMCX/Checklists/InSutuAirSpargingPerformanceChecklist.pdf

Air Sparging Design Paradigm
2002. A. Leeson et al.
Battelle Memorial Inst., Columbus, OH, 150 pages.
https://clu-in.org/download/contaminantfocus/dnapl/Treatment_Technologies/Air_Sparg_paradigm.pdf

Engineering and Design: In-Situ Air Sparging
2008.
U.S. Army Corps of Engineers. EM 1110-1-4005, 192 pages.
http://www.knovel.com/web/portal/browse/display?_EXT_KNOVEL_DISPLAY_bookid=3406

Technology guide: in-situ air sparging
2018.
CRC for Contamination Assessment and Remediation of the Environment - Care National Remediation Framework. Version 0.1, 40 pages
https://crccare.com/wp-content/uploads/2022/09/HTechguide_insituairsparging_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/Air_Sparging/cat/Overview/