Solidification-stabilisation in situ

Les procédés de solidification et de stabilisation ont pour but de piéger les polluants afin de réduire leur mobilité. Les polluants sont soit liés physiquement, soit inclus dans une matrice stabilisée, soit liés chimiquement.

L’ajout des adjuvants nécessaires à la solidification et à la stabilisation in situ peut être appliqué selon deux modes différents :

• mélange mécanique in situ (deep soil mixing),
• injection forcée (jet grouting),

Dans les deux cas (deep soil mixing et jet grouting), les forages doivent être jointifs afin de traiter la totalité de la zone identifiée. La solidification et la stabilisation sont deux procédés distincts qui ont pour but de diminuer la fraction mobile des sols.

Mélange mécanique in situ (deep soil mixing)

Le mélange mécanique in situ est réalisé, selon le type de sols (profondeur, résistance mécanique), à l’aide d’une tarière simple (de gros diamètre : 1 à 4 m) ou de tarières doubles, triples voire quadruples (de plus faible diamètre : 500 à 900 mm). Dans les deux cas, les tarières sont enfoncées par pression et rotation. Simultanément, les adjuvants sont injectés dans les sols généralement via des trous positionnés dans les tarières. Les outils sont, par la suite, remontés et redescendus afin de faciliter le mélange. La remontée finale de la tarière s’accompagne parfois d’un recompactage des sols (par poussée et rotation inverse).

Injection forcée (jet grouting)

Ce procédé consiste à injecter un fluide à haute énergie cinétique pour déstructurer un terrain et le mélanger avec un coulis (principalement du ciment pour la stabilisation). Un forage de petit diamètre (de 100 à 200 mm) est réalisé sur la hauteur du terrain à traiter. L’adjuvant est injecté via une à trois buses positionnées à la base du train de tige. Par la suite, le train de tige est remonté pendant la phase d’injection.

Solidification

La solidification consiste à lier physiquement ou à emprisonner les polluants au sein d’une masse stable, dure et inerte.

La solidification doit être appliquée sur l’ensemble de la matrice polluée. L’objectif est de réduire le contact eau/polluants en agissant principalement sur la diminution de la porosité (réduction de la perméabilité).

Stabilisation

Il existe deux modes de stabilisation :

• la transformation chimique d’un polluant lessivable en un composé peu ou non soluble,
• l'augmentation des capacités de sorption du polluant avec les matériaux par mélange avec différents adjuvants afin de les rendre moins mobilisables.

Les moyens matériels dépendent du mode d’injection :

• Malaxage in situ :
  • centrale de préparation : silos de stockage, malaxeur de reprise, cuve avec agitateur,
  • pompe d’injection avec automate et enregistreur des paramètres (pression, volumes, débits),
  • foreuses et tarières creuses simples, doubles, triples ou quadruples,
  • zone de stockage temporaire de déchets et de terres en excédents,
• Injection des sols :
  • centrale de préparation : mélangeur haute turbulence, silos de stockage, cuve avec agitateur,
  • pompe d’injection avec automate et enregistreur des paramètres (pression, volumes, débits),
  • foreuse et tige de forage.

Les paramètres de suivis lors d’une opération de Solidification-stabilisation in situ sont :

• la profondeur de forage,
• la profondeur d’injection de l’adjuvant,
• le dosage de l’adjuvant : débit et pression,
• la piézométrie,
• la qualité des eaux souterraines en amont et 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 adjuvants,
  • les concentrations en polluants non présents initialement dans les eaux souterraines mais pouvant éventuellement être mobilisés (métaux …),
• la caractérisation des effets « rebonds ».

Les variantes de la Solidification-stabilisation in situ, outre le mode d’injection, résident dans le type d’adjuvants utilisés.

Les principales techniques de stabilisation-solidification font appel à divers supports :

• Supports cimenteux (cementitious)
  • ciment (cement) : les sols pollués sont mélangés avec du ciment (de type Portland principalement) afin de former des composés peu solubles (hydroxydes et silicates) et de les incorporer chimiquement dans la matrice solide de ciment (c’est-à-dire dans le silicate de calcium hydraté et l’aluminate de calcium hydraté formé par le ciment).
  • matériaux pouzzolaniques (pozzolan) : ils présentent des propriétés similaires au ciment de Portland surtout quand les teneurs en silice sont élevées ; il s’agit d’espèces de silicates et d’aluminates qui réagissent avec de la chaux en présence d’eau pour former un silicate de calcium hydraté qui durcit pour former un matériau solide de faible perméabilité. Ces matériaux pouzzolaniques sont souvent utilisés avec du ciment de Portland et de la chaux.
  • scories hydrauliques (hydraulic slag) : des scories granuleuses de hauts fourneaux ont été utilisées avec succès pour stabiliser des boues de désulfurisation de gaz.
  • ajout à base de chaux (lime-based) : l’addition d’oxyde de calcium ou d’hydroxyde de calcium produit du silicate de calcium ou des aluminates hydratés, qui permettent de fixer les polluants inorganiques.

Il est d‘usage d’ajouter des additifs aux ciments ou aux matériaux pozzolaniques afin d’en améliorer les propriétés : bentonite (amélioration de l’imperméabilité du mélange), silicates (formation avec les métaux des complexes chimiques ayant une solubilité inférieure aux hydroxydes, carbonates ou sulfates), amélioration de l’ad/absorption des composés semi-volatils (ajout de charbon actif, argiles hydrophobes, zéolites, gypse).

Les supports cimenteux sont bien adaptés aux pollutions par les polluants inorganiques. Par contre, l’efficacité avec les composés organiques est très variable.

• Support argileux organophile. Des argiles sont traitées chimiquement afin d’améliorer le pouvoir d’adsorption des composés organiques. Des formulations spécifiques peuvent être réalisées afin d’améliorer l’adsorption de composés organiques particuliers.
• Supports thermoplastiques. Aucune réaction chimique n’a lieu avec le liant, on parle donc de fixation chimique. Il s’agit de solidification (ou d’enrobage ou d’encapsulation). Les composés utilisés sont les bitumes, les asphaltes, les paraffines, les composés plastiques (PE, PP, PVC). Les sols réduits à une faible granulométrie sont séchés et mélangés dans la matrice préchauffée ; le mélange est réalisé à une température de l’ordre de 120-230°C. Le mélange est par la suite refroidi. Les rejets atmosphériques générés par les polluants volatils doivent être traités si nécessaires.
• Cas par cas. La stabilisation repose essentiellement sur des formulations au cas par cas, les exemples suivants présentent la spécificité de certaines données :
  • précipitation de l’arsenic à l’aide de Fe(III),
  • précipitation du plomb sous forme de phosphate de plomb suite à l’ajout de trisodium de phosphate.

Il faut aussi rappeler que la vitrification est considérée comme une solidification thermique.

La stabilisation in situ peut être réalisée en périphérie de la source de pollution afin de réaliser un confinement in situ.

La variante thermique de la solidification/stabilisation in situ est la Vitrification in situ.

Ces techniques sont essentiellement utilisées sur les polluants de type métaux/métalloïdes (chrome, arsenic, plomb, cadmium, cuivre, zinc et mercure) ainsi que sur certains polluants radioactifs.

On les utilise, dans une moindre mesure, sur certains composés organiques non/peu biodégradables (POP de type PCB, créosotes et pesticides).

Ces techniques peuvent être utilisées dans la zone non saturée sur des sols homogènes et relativement perméables jusqu’à une profondeur de 30 m parfois.

Le traitement de sols pollués par stabilisation physico-chimique a pour cible la fraction relargable des polluants présents dans le sol. Il ne s’adresse pas aux pollutions des phases gazeuses ou solides peu solubles.

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) 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 données nécessaires au dimensionnement sont :

• les caractéristiques des sols,
• les caractéristiques de la source de pollution,
• l’adéquation de la formulation :
  • les tests de lixiviation pour différents dosages et différents adjuvants,
  • les tests pour la nature et le dosage des additifs.

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,
• Résistance mécanique,
• Cohésion,
• Humidité,
• Masse volumique des particules,
• Densité,
• Répartition granulométrique ;
• pH,
• Microstructure des sols,
• Considération des changements de poids et de volume.

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,
• Tests sur la présence d’inhibiteurs.

d. Aquifère

• Perméabilité,
• Porosité.

e. 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.

Les techniques de solidification-stabilisation présentent les avantages suivants :

• la solidification réduit l’accessibilité des polluants à l’environnement,
• la stabilisation réduit le potentiel de mobilisation des polluants à l’environnement,
• les procédés ainsi que les moyens techniques et matériels sont déjà éprouvés pour le traitement des déchets,
• la stabilisation peut être couplée avec les besoins géotechniques.

Leurs inconvénients et facteurs limitants sont les suivants :

• ces procédés ne permettent pas de détruire les polluants,
• ces procédés s’appliquent essentiellement sur des matériaux homogènes et perméables,
• ces procédés s’appliquent à la zone non saturée généralement jusqu’à des profondeurs de 10-15 m voire 30 m,
• le contact entre les polluants et l’adjuvant doit être important pour que le traitement soit efficace. Un contact et une homogénéisation maximale entre le sol et les réactifs sont essentiels à la bonne marche du procédé. Il est donc impératif de s’assurer que la macroporosité est suffisante pour que les réactifs puissent atteindre et stabiliser au maximum les polluants,
• l’efficacité de la solidification ou de la stabilisation dépend étroitement des caractéristiques physico-chimiques de la zone polluée,
• la présence de sels solubles (exemple : chlorures, sulfates…) en quantités importantes, si elle n’empêche pas une immobilisation du polluant, peut être gênante dans le sens où généralement ces sels sont difficiles ou impossibles à stabiliser par voie physico-chimique.
• pour des pollutions multiples et complexes, il peut être parfois difficile de trouver la bonne formulation,
• le traitement génère souvent une augmentation du volume (plusieurs dizaines de pourcent parfois), les terres en excédent doivent alors être traitées à part,
• l’approche classique de stabilisation basée sur le ciment n’est pas efficace pour les composés organiques,
• des études d’applicabilité poussées sont nécessaires,
• l’efficacité à long terme doit être prouvée (exposition aux intempéries : eau, gel/dégel, dessiccation …),
• le procédé peut impacter l’environnement du site (spécifiquement le grouting),
• les effluents gazeux résultant du processus de volatilisation générés lors d’un traitement sur des polluants organiques doivent être recueillis à la surface et traités.

Coûts

En 2009, il est admis que les coûts variaient entre 50 et 160 €/t de sols traités (estimations). (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 60 €/t, la moyenne haute de 105 €/t et le maximum de 160 €/t de sols 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 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.

Évolution 2009/2019 :

Entre 2009 et 2019, les coûts 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 est limité et correspond à l’installation de l’unité et du réseau de puits d’injection.

Le coût de mise en œuvre est lui très important. Les charges liées aux consommations de réactifs sont variables, d’autant plus que le coût unitaire des adjuvants est fortement soumis à un contexte de monopole. Par ailleurs, la réalisation d’injections ciblées peut réduire les coûts de mise en œuvre. En outre, la mise en œuvre de cette technique nécessite un savoir-faire important notamment pour déterminer la quantité de réactif et le nombre d’injections à réaliser. Enfin, les précautions d’hygiène et de sécurité liées à l’emploi d’adjuvants ne sont pas à négliger.

Un suivi analytique important est nécessaire pour valider la stabilisation de la pollution et prévenir toute réapparition de la pollution.

Délais

Cette technique est basée sur des mécanismes relativement rapides. Cependant, en tant que technique in situ elle est peu adaptée à une valorisation immobilière immédiate.

Selon les conditions du terrain, il est possible de traiter jusqu’à 75 à 100 m³/j.

Maturité

Le procédé est actuellement commercialisé par un petit nombre de sociétés en France. Une utilisation plus importante de cette méthode semble limitée par son coût.

La maturité de la Solidification-stabilisation in situ est beaucoup moins avancée que celle du procédé on site ou ex situ (notamment en prétraitement dans les centres d’enfouissement technique). C’est une technique très peu utilisée et peu d’acteurs la mettent en œuvre. Elle n’est donc que peu mature sur le marché actuel de la dépollution.

Efficacité

L’efficacité de la Solidification-stabilisation in situ est d’une manière moins importante que celle de la Solidification-stabilisation ex situ ou on site. Les concentrations dans les lixiviats après traitement peuvent être diminuées de 95%.

La stabilisation in situ représente 1 % des terres traitées in situ et 0,5% du total des terres gérées en 2010.

Évolution 2010/2012 :

La stabilisation physico-chimique in situ a connu une diminution de 53%.

(ADEME, 2012) (ADEME, 2015).

Bibliographie

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)

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.

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 guide: chemical immobilization and solidification
2018
CRC for Contamination Assessment and Remediation of the Environment - Care National Remediation Framework. Version 0.1, 35 pages
https://crccare.com/wp-content/uploads/2022/09/BTechguide_CIS_Rev0.pdf