La Désorption thermique consiste à appliquer de la chaleur pour extraire par volatilisation les polluants volatils et semi-volatils des sols excavés. La température utilisée est inférieure à celle nécessaire pour l’Incinération.
Les terres excavées sont introduites dans un four pour être chauffées jusqu’à des températures moyennes comprises entre 90 et 560°C (ces températures sont inférieures à celles de l’Incinération). Ce chauffage permet, d’une part, de désorber les polluants adsorbés sur la matrice sols et, d’autre part, d’augmenter la tension de vapeur des composés peu volatils et de les extraire en phase gazeuse. Une partie des composés organiques peut être détruite même à de basses températures.
Les composés gazeux et particulaires sont entraînés par un flux d’air et sont récupérés en vue d’un traitement. Les particules sont au préalable récupérées dans des filtres, des dépoussiéreurs humides ou des dépoussiéreurs électrostatiques ; par la suite, les composés organiques sont éliminés par destruction (brûlage, oxydation catalytique) ou fixation (charbon actif, condenseur).
Figure 1 - Schéma de principe de la désorption thermique ex situ ou on site.
Contrairement aux sols traités par Incinération, les sols dépollués par Désoprtion thermique ne sont pas réduits à l’état de cendre. Il conservent une bonne partie de leurs propriétés physiques (notamment leurs propriétés structurantes permettant de supporter éventuellement une activité biologique). Ils peuvent être incorporés le cas échéant à d’autres matériaux ou être enfouis.
Il existe deux types de désorption :
- la désorption thermique à basse température (90 à 320°C) : cette technique est la plus utilisée en France notamment pour les polluants organiques.
- la désorption thermique à haute température (320 à 560°C) : cette technique est souvent utilisée en combinaison avec l’Incinération ou la Stabilisation-solidification.
Les unités de Désorption thermique qui traitent les solvants chlorés sont équipées d’une unité de traitement adaptée pour la neutralisation de l’acide chlorhydrique.
La Désorption thermique est mise en œuvre à partir :
- d'unités de prétraitement :
- unité de broyage ou de ségrégation,
- unité de séchage,
- unité d’émottage,
- unité de mélange (avec des additifs de type chaux, gypse …),
- unité d’homogénéisation,
- d'un four : unité rotative (rotary kiln) ou unité à vis ou unité à tapis,
- de matériel relatif à la création de flux et à l’ajustement des paramètres thermiques,
- d'unités de traitement des gaz :
- échangeur thermique,
- dépoussiéreurs à filtres, dépoussiéreurs humides ou dépoussiéreurs électrostatiques,
- chambre de post combustion, brûleur, oxydation catalytique,
- condenseur, adsorption sur charbon actif,
- stockage des déchets solides et liquides issus du traitement.
Les paramètres à suivre lors d’une opération de Désorption thermique sont les suivants :
- les concentrations en polluants dans les sols, les teneurs en matière organique, la granulométrie,
- la température, la turbulence, le temps de séjour,
- la dépression au niveau du four et flux aérauliques associés,
- 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….),
- les teneurs en polluants en fin de traitement,
- les teneurs en polluants dans les lixiviats en fin de traitement.
Le chauffage dans le four d’une unité de Désorption thermique peut être réalisé de manière indirecte (à l’aide de vis chauffantes par exemple) ou se faire de manière directe (la flamme chauffant le four par l’intérieur). Le fait de chauffer indirectement les sols permet de diminuer le volume de gaz à traiter et de réduire les risques d’explosion. Les unités de traitement des rejets atmosphériques sont donc plus réduites.
Ainsi, il existe trois grands types de four de Désorption thermique :
- unité rotative (rotary kiln) : le réacteur est constitué d’un cylindre creux en métal légèrement incliné ; la rotation du cylindre permet de faire avancer les terres de l’entrée de l’unité (où se trouve le bruleur chargé de fournir la chaleur) à sa sortie,
- unité à vis : une vis sans fin permet de faire avancer les sols à travers le four ; la chaleur est diffusée via un fluide chaud (vapeur ou huile) dans les parois creuses du réacteur et de la vis,
- unité à tapis : un tapis métallique permet de transporter les sols disposés en fines couches (de quelques centimètres d’épaisseur) à travers le four.
Le traitement des rejets atmosphériques est très variable ; l’enchaînement des différentes unités de dépoussiérage, d’oxydation ou d’adsorption, de neutralisation est très variable.
La Désorption thermique est utilisée pour de nombreux polluants organiques (volatils, semi-volatils voire peu volatils) : hydrocarbures pétroliers (essences, gasoils, kérosènes ….), fractions plus lourdes d’hydrocarbures, solvants chlorés, huiles, PCB, pesticides, dioxines/furanes, HAP.
Tableau 1 - Exemple d'efficacité de la désorption thermique selon la nature du polluant.
Le temps de séjour, la turbulence et la température sont adaptés en fonction des concentrations initiales en polluants (et du Pouvoir Calorifique Inférieur) et des propriétés des sols (teneurs en matières organiques, teneur en eau). La Désorption thermique permet de traiter les sols, les boues, les sédiments et les gâteaux de filtration. Les procédés de Désorption thermique sont utilisés pour séparer par évaporation les polluants organiques volatils adsorbés sur les terres. Ils concernent donc principalement les polluants en équilibre entre les phases gazeuse et solide ou liquide. Une phase liquide non aqueuse peut également être concernée par ce traitement selon la nature de ses constituants.
Tableau 2 - Domaine d'application de la désorption thermique en fonction de l’état physique de la pollution.
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) vous donnera 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 principales données à prendre en compte sont :
- le temps de séjour, la température et la turbulence dans l’unité de traitement, ces paramètres dépendant :
- des concentrations finales à obtenir,
- de l'efficacité du transfert thermique du four,
- les données nécessaires au prétraitement (broyage, préséchage, émottage, mélange de la chaux, du gypse …),
- les données nécessaires au traitement des rejets atmosphériques (taux de poussières, teneurs en composés volatils, teneurs résiduelles à obtenir en rejet).
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 ?),
- Infrastructure : gaz, électricité (puissance + triphasé).
c. Sol ou matériau à traiter
- Géologie /lithologie ou nature des sols,
- Terres en place ou déjà excavées,
- Typologie et granulométrie des matériaux (argile, sables, etc.),
- Granulométrie (teneur en particules inférieures à 10 mm),
- Présence de déchets (ferreux, non ferreux, plastiques),
- Densité,
- Taux de matières organiques,
- Humidité.
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,
- Teneur en brut (polluants adsorbés sur matière sèche),
- Tensions de vapeur,
- PCI associés.
En cas de présence de subtsance inhabituelles :
- Constante de Henry,
- Pouvoir calorifique inférieur,
- Température de volatilisation (point d’ébullition),
- Analyse élémentaire CHN,
- Teneur en chlore, soufre, nitrés, cyanure et métaux hors ionique.
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. 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.
La Désorption thermique présente les avantages suivants :
- technique éprouvée ayant démontré une grande fiabilité et des résultats extrêmement significatifs,
- technique permettant de traiter de nombreux polluants notamment les composés semi-volatils et peu volatils,
- technique permettant de traiter les sols fortement pollués, les teneurs en hydrocarbures totaux doivent néanmoins rester d’une manière générale inférieures à 50 000 mg/kg,
- technique efficace même pour des sols argileux et hétérogènes,
- technique permettant d’atteindre des taux de dépollution très importants,
- technique rapide,
- technique moins onéreuse que les autres traitements thermiques,
- traitement sur site possible grâce à des unités mobiles.
Ses inconvénients et ses facteurs limitants sont les suivants :
- la technique de désorption ne permet pas de détruire les polluants,
- le procédé nécessite l’Excavation des sols,
- le traitement nécessite une surface importante parfois difficile à trouver sur site,
- le procédé utilisé en traitement hors site nécessite un transport coûteux,
- préalablement à l’installation d’une unité sur site, il faut monter un dossier d’autorisation d’exploiter,
- les rejets atmosphériques doivent faire l’objet d’un traitement poussé et coûteux,
- les gaz doivent la plupart du temps être refroidis afin de protéger les unités de traitements en aval,
- les débouchés de terres traitées doivent être considérés dès le départ du projet car ils peuvent poser des problèmes non négligeables,
- l’hétérogénéité et le taux de matières organiques des sols peuvent impacter notablement les rendements épuratoires. La concentration en organiques est un facteur important pour le choix du traitement thermique. Pour la majorité des applications, la fraction des contaminants est en général faible par rapport à la matière organique totale présente. Dans le cas de la désorption thermique « moyenne température », une pyrolyse de la matière organique naturelle du sol peut se produire et de ce fait, une grande quantité de matière organique dans le sol (> 20%) augmente la quantité de gaz à traiter ce qui peut rendre le procédé de désorption thermique moins intéressant du point de vue économique. Dans ce cas, l’incinération peut être une alternative intéressante,
- la quantité d’eau contenue dans le sol peut se traduire par différents effets :
- nécessité d'une quantité d’énergie supplémentaire pour son évaporation,
- modification de la cohésion du sol et de la manœuvrabilité,
- réduction de la capacité du solide à adsorber les composés organiques,
- amélioration possible de la décontamination lors de l’évaporation de l’eau.
Compte tenu des différents types d'effets (éventuellement contraires) de la teneur en eau sur la traitabilité par Désorption thermique, il n'est pas possible de fournir de valeur maximale (ou minimale) souhaitable pour envisager la traitabilité par cette technique.
- les températures réellement atteintes au cœur de la pollution influent le rendement épuratoire,
- les coûts de production de température (coûts d’exploitation) sont souvent importants et sont souvent un frein à l’application de ce procédé, notamment ceux générés pour la vaporisation de l’eau,
- les composés organiques peu volatils peuvent être volatilisés et donc extraits du sol en phase gazeuse à condition que leur tension de vapeur ait augmenté de manière significative. Cependant, les composés peu volatils nécessitent des températures élevées et donc des coûts de fonctionnement plus élevés,
- les particules d’une taille supérieure à 5 cm ne sont pas admises : il faudra soit procéder à une ségrégation soit à un broyage,
- les sols présentant un taux d’humidité supérieur à 20% doivent faire l’objet d’un prétraitement par chauffage,
- les sols compacts doivent faire l’objet d’un émottage,
- des mélanges sont parfois nécessaires afin de faciliter le traitement des sols (ajout de chaux, de gypse, de sols plus friables…),
- les sols à fortes teneurs en argile et en matière organique sont plus difficiles à traiter,
- les teneurs élevées en azote organique peuvent également poser un problème supplémentaire de traitement des rejets atmosphériques (du fait de la formation possible de NOx),
- les teneurs élevées en métaux génèrent des problèmes de rejets atmosphériques et de revalorisation des terres dépolluées,
- les émissions de CO2 liés au procédé peuvent être importantes.
1. Sur site
En 2009, le coût de la Désorption thermique sur site était relativement élevé et stable (estimé entre 60 et 100 €/t). A titre indicatif, on considère généralement que le traitement sur site est plus avantageux que le traitement hors site à partir de 25 000 tonnes et dans le cas où les terres sont réutilisées sur place. (BRGM, 2010)
D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 80 €/t, la moyenne haute de 100 €/t et le maximum de 150 €/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.
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).
La part de l’investissement initial est importante. Il correspond à la mise en place de l’unité et aux démarches d’obtention des autorisations nécessaires.
Les charges liées à la consommation énergétique sont importantes. Néanmoins, contrairement au traitement hors site, le coût d’exploitation est plus faible et il n’y a pas de coût de structure.
Cette technique engendre des coûts de maintenance assez élevés et un suivi environnemental quand les terres sont réutilisées sur place.
2. Hors site
En 2009, il est admis que les coûts de traitement en centres fixes étaient de l’ordre de 60 à 110 €/t (hors coûts de transport, coûts estimés). (BRGM, 2010)
D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 80 €/t, la moyenne haute de 125 €/t et le maximum de 170 €/t de sols traités après excavation.
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 coût de la Désorption thermique hors site est élevé. En outre, le traitement hors site est plus avantageux que le traitement sur site pour des quantités inférieures à 25 000 tonnes.
Pour des chantiers de tailles conséquentes, les coûts de traitement sur site peuvent être moindres.
Évolution 2009/2019 :
Les coûts moyens ont augmenté de l'ordre de 35 % entre 2009 et 2019.
Répartition des coûts :
Le coût total 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 consommation énergétique sont très importantes et cette technique engendre des coûts de maintenance assez élevés.
- le suivi environnemental est également coûteux, avec toutefois une part réduite par rapport à la mise en œuvre. De plus, selon le type de valorisation des terres, un coût supplémentaire peut être engendré.
Il existe plusieurs centres de Désorption thermique fixes en exploitation en France et en Europe. Des unités mobiles sont mises en place pour un traitement sur site lors des gros chantiers de dépollution.
Les rendements épuratoires sont élevés (plus de 95 à 98% pour les hydrocarbures pétroliers) et les concentrations finales en polluants sont faibles (inférieures à 5 mg/kg voire 100 ppb dans la plupart des cas).
Ce rendement dépend des conditions d’exploitation, des concentrations en polluants et des propriétés des sols (hétérogénéité du milieu, présence de matière organique et présence de polluants très peu volatils).
Les durées de traitement dans l’unité de Désorption thermique sont de l’ordre de quelques minutes à quelques dizaines de minutes. Les unités de traitement modernes sont capables de traiter plusieurs dizaines de tonnes par heure.
Le traitement thermique hors site est rapide et compatible avec une valorisation immobilière immédiate.
En 2012, les traitements de nature thermique ont été relativement peu utilisés avec un taux d'un peu plus de 5 % : ces traitements sont en général le dernier recours pour des polluants peu volatils difficilement traitables par les autres techniques. Ce sont des traitements rapides lorsqu’ils sont réalisés sur site ou hors site mais très coûteux. Ils ont par ailleurs un impact non négligeable sur la qualité des sols après traitement.
Les installations de traitement par Désorption thermique sur site représentent 4 % des terres traitées hors site et 1,5% du total des terres traitées en 2012.
Les installations de traitement par Désorption thermique sur site ont pris en charge 1,0 % des terres traitées hors site et 0,1% du total des terres traitées en 2012.
La Désorption thermique a été très peu utilisée par les acteurs français en 2012, ce qui s’explique notamment par son coût élevé de mise en œuvre (cette technique étant la technique sur site la plus coûteuse notamment en raison des coûts de déplacement de l’unité de traitement). C’est une technique qui n’est rentable que sur d’importants chantiers.
Evolution 2010/2012 :
Les volumes traités en installation de traitement thermique hors site ont diminué de 34 %. Il est fort probable que cette baisse des volumes traités se soit faite au profit des installations de traitement biologique hors site.
(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
2. Liens
Application Guide for Thermal Desorption Systems
1998. Dharam Pal, Steve Fann, and Scott Wight
Naval Facilities Engineering Service Center. TR-2090-ENV, 256 pp
https://www.clu-in.org/download/contaminantfocus/dnapl/Treatment_Technologies/NFESC-TR-2090-ENV.pdf
Remediation of Contaminated Soils by Thermal Desorption: Guide Specification for Construction
2007.
USACE, et al. Unified Facilities Guide Specifications, UFGS-025316, 28 pp
https://www.wbdg.org/FFC/DOD/UFGS/UFGS 02 53 16.pdf
Thermal Treatment of Hydrocarbon-Impacted Soils: A Review of Technology Innovation for Sustainable Remediation
2016. Vidonish, J.E., K. Zygourakis, C.A. Masiello, G. Sabadell, and P.J.J. Alvarez, Engineering. 12 pages
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809917300796
Technology guide: thermal desorption
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/ETechguide_Thermaldesorption_Rev0.pdf
Nombreux guides, études de cas et informations complémentaires sur le site US-EPA - Clu-in
https://clu-in.org/techfocus/default.focus/sec/Thermal_Treatment%3A_Ex_Situ/cat/Overview/