Electroremédiation

L’Électroremédiation est un procédé in situ qui permet de séparer et d’extraire les métaux et certains polluants organiques polaires de la zone saturée et non saturée.

L’Électroremédiation est basée sur l’application d’un faible voltage entre deux électrodes implantées de part et d’autre de la zone polluée. La différence de potentiel électrique entre les électrodes provoque un courant électrique qui entraîne une migration des ions vers leurs électrodes respectives (anode et cathode) où ils sont récupérés.

Le système d’électromigration est constitué des éléments suivants :

• des électrodes (anodes, cathodes) fixées à un système de maintien et alimentée par du courant électrique,
• un système d’extraction/échange des cations,
• un système d’injection de fluide de traitement cathodique,
• un système d’extraction/échange des anions,
• un système d’injection de fluide de traitement anodique,
• un système de traitement/recirculation des produits extraits,
• si nécessaire : une hotte (couvercle hermétique) recouvrant la totalité de la zone à traiter (ainsi que la zone adjacente) et une filière de traitement des gaz dont la nature dépend des pourcentages d’épuration,
• un système de surveillance des eaux,
• un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement.

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

• la piézométrie,
• la consommation électrique,
• la qualité des eaux souterraines en amont, en aval et au droit de la source de pollution :
  • les paramètres pH, O₂, potentiel d’oxydoréduction, 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 aqueux (respect des normes de rejets),
• les paramètres relatifs au traitement des eaux (ex. : bilan de matière, séparation …),
• si nécessaire, les concentrations en polluants gazeux,
• les paramètres relatifs au bon fonctionnement des électrodes (récupération, état d’usure),
• les paramètres relatifs à la zone non saturée (températures, Eh, pH, humidité, propriété géomécanique),
• les mesures des lixiviats à la fin du traitement,
• la caractérisation des effets « rebonds ».

Il existe différents procédés d'Électroremédiation :

• l’électro-osmose qui consiste à mettre en mouvement l'eau (du sol) grâce à une différence de potentiel électrique, de l’anode vers la cathode. Ce déplacement de l'eau combiné à l'électromigration (voir ci-dessous) participe au transport des molécules ioniques et donc à la dépollution des sols contaminés par ces ions,
• l’électromigration qui consiste en un transport d’ions et de complexes ioniques vers l’électrode de charge opposée (cathode ou anode),
• l’électrophorèse qui consiste en un transport de particules chargées ou de colloïdes sous l’influence d’un champ électrique ; les contaminants sont alors transportés sous forme adsorbée.

Les polluants cibles sont les composés polaires comme les métaux (plomb, mercure, cadmium, nickel, cuivre, zinc, chrome), certains radioéléments (Cs¹³⁷, Sr⁹⁰, Co^60, U), les cations, les anions et les composés organiques hydrosolubles. Des expériences probantes ont été reportées pour des DNAPLs (Dense Non-Aqueous Phase Liquid), des cyanures et des hydrocarbures halogénés.

Il semblerait que les métaux lourds comme l’uranium, le mercure et les mélanges de métaux soient les composés les plus adaptés.

Le procédé s’applique même à des polluants présents à des teneurs supérieures à plusieurs milliers de ppm.

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.

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 électrodes,
• le nombre, l'espacement et les caractéristiques des électrodes (nature, diamètre, profondeur..),
• l’intensité du champ électrique à appliquer,
• les dimensions de l’unité de traitement (fluide de traitement anodique, fluide de traitement cathodique, unité d’extraction).

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.

b. Sol ou matériau à traiter

• Géologie /lithologie ou nature des sols,
• Taux de matière organique,
• Hétérogénéité,
• Humidité,
• Conductivité électrique des sols,
• Polarisation des sols sous l’effet d’un champ électrique.

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,
• Solubilité,
• Polarité,
• Association avec d’autres composés (précipité, complexation en fonction des pH et des POR),
• Répartition eau/sols,
• Test de relargage avant et après traitement (lixiviation),
• Présence de composés/éléments préjudiciables au traitement (déchets métalliques, composés conducteurs, molécules mères de sous-produits nocifs..).

d. Aquifère

• Perméabilité,
• Porosité,
• Coefficient d'emmagasinement,
• Piézométrie.

L'Électroremédiationn présente les avantages suivants :

• le procédé est un des rares procédés in situ à pouvoir être utilisé sur des sols présentant une faible perméabilité (avec une faible granulométrie et une forte teneur en argile),
• le procédé pourrait être une des rares alternatives au traitement classique des métaux dans la zone non saturée (confinement) et en zone saturée (pompage et traitement),
• technique efficace pour des sols homogènes.

Ses inconvénients et facteurs limitants sont les suivants :

• malgré le peu de retour d’expérience, le procédé semble relativement onéreux,
• ce procédé et les moyens techniques et matériels sont encore au stade émergent,
• ce procédé ne permet pas de détruire les polluants,
• ce procédé nécessite un contrôle très fin des eaux souterraines ; si les polluants devaient se répandre par manque de maîtrise du procédé ; cela engendrerait des coûts environnementaux et économiques importants,
• ce procédé nécessite de réaliser un suivi à très long terme,
• ce procédé est inapplicable pour des sols perméables et hétérogènes,
• l’application d’un champ électrique peut provoquer un échauffement et donc un assèchement des sols, ce qui diminue leur conductivité et par voie de conséquence le rendement du procédé ; l’efficacité maximale est rapportée pour un taux d’humidité compris entre 14 et 18% (en dessous de 10%, le procédé est nettement moins performant),
• les performances du procédé sont étroitement liées à la solubilité du contaminant : un contrôle et une maîtrise du pH doivent permettre d’éviter la précipitation et l’immobilisation des polluants ; la maîtrise du pH est d’autant plus délicate que la migration des ions peut dans certains cas entraîner des changements de pH. Une diminution de pH favorise la migration des métaux/métalloïdes ; par contre, une hausse du pH provoque une précipitation des certains métaux et un colmatage progressif des pores (le phénomène est particulièrement sensible près de la cathode),
• le procédé n’est applicable qu’à des molécules polarisées et donc principalement à certains métaux/métalloïdes. Néanmoins, certains métaux lourds, présents à l’état zérovalent, peuvent ainsi ne pas être dissous,
• la présence de chlore dans les eaux peut conduire à la formation de triclhorométhane et de certains gaz chlorés au niveau des électrodes,
• les solutions extraites (notamment pour le suivi des eaux souterraines) doivent être traitées avant réinjection,
• le procédé doit être appliqué suffisamment longtemps pour permettre la mise en place des changements des conditions du milieu (notamment du pH),
• les électrodes métalliques peuvent se dissoudre lors des réactions d’électrolyse et générer une pollution métallique supplémentaire dans les sols. Ainsi, des électrodes inertes (à base de graphite, de carbone ou de platine) doivent être utilisées afin qu’aucun résidu nocif ne soit introduit dans les sols,
• des déchets ou des structures présentant des conductivités électriques élevées peuvent rendre la technique déficiente. De même, la présence de matériaux isolants enterrés peut entraver le bon fonctionnement du procédé,
• le procédé est énergivore.

Coûts

Les coûts dépendent fortement des sols à traiter, de la conductivité des sols, du type de polluants, de l’espacement des électrodes, et de la variante du procédé retenue. Des projets de dépollution ont été estimés à des coûts allant de 110 à 140 €/m³ de sols traités. Les coûts de consommation électrique sont de l’ordre de 500 kWh/m³ pour des électrodes espacées de 1 à 1,5 m. (BRGM, 2010)

Délai

Les délais de traitement varient de plusieurs mois à quelques années.

Maturité

Le procédé est encore peu utilisé en France et est encore au stade de Recherche et Développement. Des essais à l’échelle industrielle et des démonstrations commerciales ont été réalisés dans certains pays européens.

Efficacité

Les taux de récupération dépendent fortement des conditions du milieu ainsi que du type de polluant. Des rendements de 75 à 99% ont été reportés pour certains métaux lourds.

Aucun acteur n’a déclaré avoir utilisé l’Électroremédiation en 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

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

Liens

Technology Overview Report: Electrokinetics
1997.
GWRTAC – T0-97-03 - 21 pages.
https://www.clu-in.org/download/remed/elctro_o.pdf

Emerging Technologies for the Remediation of Metals in Soils: Electrokinetics
1997.
Interstate Technology and Regulatory Council (ITRC), 42 pages.
http://www.itrcweb.org/Guidance/GetDocument?documentID=53

Resource Guide for Electrokinetics Laboratory and Field Processes Applicable to Radioactive and Hazardous Mixed Wastes in Soil and Groundwater from 1992 to 1997
1997.
EPA 402-R-97-006, 83 pages
https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-05/documents/402-r-97-006.pdf

Electrokinetically Enhanced Remediation of Hydrophobic Organic Compounds in Soils: A Review
2005. R.E. Saichek and K.R. Reddy,
83 pages.
https://doi.org/10.1080/10643380590900237

Evaluation of in situ remediation methods in soils contaminated with organic pollutants
2016. Simpanen, Suvi.
University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences, Environmental ecology
42 pages
https://helda.helsinki.fi/handle/10138/168815

Nombreux guides, études de cas et informations complémentaires sur le site US-EPA - Clu-in
https://www.clu-in.org/techfocus/default.focus/sec/Electrokinetics%3A_Electric_Current_Technologies/cat/Overview/