Extraction double phase

L’Extraction double phase consiste à exercer une dépression importante dans la zone non saturée, au niveau de la frange capillaire et au niveau de la partie supérieure de la zone saturée, ce qui a pour but d’extraire les gaz des sols, le surnageant (cas des produits flottants) et la phase dissoute. Les liquides et gaz extraits font l’objet d’une séparation et d’un traitement spécifique.

L’Extraction double phase est un procédé de traitement physique in situ qui permet l'extraction des phases liquides et gazeuses des sols. Le système est composé d’aiguilles d’extraction reliées à un réseau d’extraction et à une pompe à vide. Les liquides extraits (surnageant en phase pure, eaux souterraines) ainsi que les gaz sont récupérés sur site puis traités avant rejet.

L'Extraction double phase est mise en place à partir de :

• de points d’extraction verticaux (dénommés aiguilles d’extraction),
• d’un réseau d’extraction permettant la mise en relation des points d’extraction et de la pompe à vide (ce réseau est muni de compteurs et de vannes de réglage des débits),
• d’un séparateur de condensats ou dévésiculeur,
• d’une unité d’extraction,
• d’un système de traitement des eaux usées on site muni :
  • d'un séparateur à hydrocarbures (débourbeur/déshuileur),
  • d'un traitement de la phase dissoute : stripping ou charbon actif ou oxydation catalytique,
  • d’une filière de traitement des gaz dont la nature dépend des pourcentages d’épuration, des débits et des concentrations en polluants ; cette filière peut être constituée de colonne de lavage, de torchère, d’unité d'oxydation catalytique, d’unité d’adsorption (généralement sur charbon actif), de biofiltre,
  • d’un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement,
  • d’un système piézométrique permettant de suivre les écoulements et la qualité des eaux souterraines.

Les paramètres à suivre lors d’une opération d’Extraction double phase sont les suivants :

• la dépression au niveau des puits d’extraction,
• les concentrations en polluants dans les gaz des sols,
• 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 piézométrie, l’épaisseur de surnageant,
• le suivi de la masse de surnageant récupéré (par relevé volumétrique) dans les citernes de stockage,
• la qualité des eaux souterraines en amont, en aval et au droit de la source de pollution :
  • la présence de surnageant,
  • les paramètres pH, O₂, température, conductivité,
  • les concentrations en polluants,
  • les concentrations en métabolites éventuels,
  • les concentrations en polluants dans les rejets aqueux pour la phase dissoute (respect des normes de rejets),
  • les paramètres relatifs au traitement des eaux pour la phase dissoute (ex. : bilan de matière, séparation …),
  • la caractérisation des effets « rebonds ».

Il existe deux types d’extraction en fonction de la position d’une canne rigide pleine placée au sein de l’aiguille d’extraction :

• le réseau unitaire : l’extrémité de la canne est placé au niveau de l’interface zone saturée/zone non saturée ; le surnageant, les eaux souterraines, les gaz sont pompés en même temps ; les liquides et les gaz sont alors séparés au niveau de la cuve à vide. Cette technique est souvent appliquée pour les sols peu perméables ;
• le réseau séparé : la canne d’extraction est placée sous le niveau piézométrique (dynamique) et assure le pompage des eaux et du surnageant ; les gaz sont pompés séparément grâce à la mise en dépression du puits.

Les variantes de l’Extraction double phase sont :

• le pompage-écrémage : en présence de surnageant, les eaux souterraines sont pompées, ce qui génère un cône de rabattement. Les produits en phase pure s’accumulent gravitairement au centre de ce cône facilitant ainsi leur récupération en surface,
• le confinement hydraulique : le pompage - écrémage peut être utilisé comme une solution temporaire de confinement afin de stopper l’extension du surnageant,
• la tranchée drainante : positionnée perpendiculairement au sens d’écoulement de la nappe et sur toute la longueur de la source de pollution (ou du panache de pollution), la tranchée drainante permet par différence de perméabilité de piéger temporairement le surnageant. Les écrémeurs positionnés à l’intérieur de ces tranchées permettent de récupérer le surnageant. Afin de faciliter la récupération de la phase libre, des géomembranes sont souvent positionnées en aval immédiat du massif filtrant. On se rapproche alors d’un pseudo-confinement.

Ce procédé s’applique essentiellement à des COV et des hydrocarbures de type pétroliers (essence, gasoil…) en phase pure (LNAPL). Il est notamment plus adapté pour la récupération de surnageant dans des milieux moyennement perméables et en condition parfois hétérogène. Toutefois, ce procédé ne peut s’appliquer qu’à de faibles profondeurs (10 m environ). Dans la zone non saturée, le traitement par extraction sous pression réduite ne s’adresse qu'aux polluants en équilibre entre la phase solide et la phase gazeuse et éventuellement la phase dissoute. Une phase liquide non aqueuse peut également être concernée par ce traitement si elle est uniquement constituée de composés organiques volatils.

Une pollution constituée par la partie libre d’une phase organique retenue par le sol lors de sa migration en profondeur, peut être aussi à l’origine d’une saturation des pores. La présence d’une telle phase peut limiter très fortement l’efficacité du traitement en diminuant la perméabilité de la zone, l’air aura tendance à contourner cette zone.

L’extraction multiphasique permet l’extraction simultanée de fractions de polluants sous forme liquide et gazeuse en agissant sur la zone saturée et la zone non saturée.

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.

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’extraction en fonction de la dépression générée par l’extracteur,
• le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’extraction (profondeur, diamètre...),
• le type et la puissance de l’extracteur,
• les dimensions de l’unité de traitement des rejets aqueux (dépendant des normes de rejets),
• les dimensions de l’unité de traitement des rejets atmosphériques (dépendant des normes de rejets),
• en cas de réinjection dans la nappe: le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’injection (profondeur, diamètre, tranchées, puits..).

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.
• Seuils de rejet.

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,
• Hétérogénéité,
• Perméabilité à l’air,
• 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/sol,
• Carte LNAPL,
• Viscosité,
• Empreinte chromatographique (GC/FID).

e. Aquifère

• Données locales issues d'essai de pompage :
  • Perméabilité,
  • Coefficient d'emmagasinement,
  • Porosité,
• Gradient,
• Épaississeur de la nappe,
• Profondeur,
• Niveau statique,
• Épaisseur de la ZNS,
• Amplitude des variations saisonnières,
• Anisotropies,
• Carte piézométrique / direction d'écoulement,
• Bail down tests (test d'épuisement /réalimentation).

f. Géochimie nappe

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

g. Essais de traitabilité

Le « Cahier des charges » issu du 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.

L'Extraction double phase présente les avantages suivants :

• technique fiable et éprouvée,
• mise en œuvre relativement simple et rapide,
• applicabilité à de nombreux polluants (LNAPL en phase pure),
• peu de perturbation de sols,
• envisageable sous des bâtiments,
• le procédé permet de stopper la migration des polluants en créant des points de fixation de la pollution (confinement hydraulique),
• la position des puits d’extraction et des crépines permet de cibler précisément les zones à traiter,
• le fait d’éliminer la phase flottante, les gaz et les eaux permet de diminuer considérablement les potentiels de relargage de la source, ceci permet de diminuer les effets rebonds,
• ce procédé remplace avantageusement le couplage de techniques classiques de Pompage/écrémage, Pompage/traitement et Venting dans les milieux peu perméables et hétérogènes,
• procédé plus avantageux que le sparging pour confiner l’air et les eaux souterraines,
• technique plus adaptée que le couplage de techniques classiques de pompage/écrémage, pompage/traitement et venting pour des délais relativement courts.

Ses inconvénients et facteurs limitants sont les suivants :

• application uniquement dans le cas d’une nappe peu profonde (profondeur < 7 m),
• technique valable uniquement pour les LNAPL,
• inapplicable pour de petites épaisseurs de surnageant (< 1 cm),
• débits de pompage souvent importants. Il est donc primordial de bien optimiser le nombre et l’emplacement des points d’extraction afin de limiter les coûts de fonctionnement,
• efficacité limitée dans le cas d’aquifère de faible perméabilité (10^-7 m/s), non homogène et/ou fracturé (passages préférentiels à travers les zones les plus perméables à l’eau), néanmoins cette technique est plus recommandée dans ce type de géologie que le pompage/écrémage classique,
• sans une maîtrise totale du sens d’écoulement des eaux souterraines, il y a un risque de dissémination de la pollution,
• une humidité élevée diminue le mouvement de l'air,
• une forte teneur en matière organique est néfaste au processus à cause de la forte adsorption du polluant sur la matrice solide,
• une variation importante de la profondeur du toit de la nappe constitue un obstacle important au bon fonctionnement du procédé,
• l'âge de la pollution peut intervenir à deux niveaux :
  • on constate d’une part une altération du polluant au cours du temps. Sa composition change et cela peut affecter l’efficacité de l’extraction.
  • d’autre part, l’adsorption d’un polluant sur un sol se fait en deux étapes, une étape rapide et une étape lente qui peut aller de quelques semaines à quelques années. Le prolongement du temps de contact entraîne une plus forte adsorption et ainsi une plus grande résistance à la désorption. Les composés de faible solubilité dans l’eau restent longtemps en contact avec le sol et sont en général fortement adsorbés sur les particules de sol.

Coûts

En 2009, il est admis que les coûts de traitement étaient de l’ordre de 25 à 65 €/m³ de liquides pompés/traités (estimation). (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 25 €/m³, la moyenne haute de 35€/m³ et le maximum de 60 €/m³ de liquide pompés/traités (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 des coûts :

Entre 2009 et 2019, les coûts moyens sont restés globalement stables .

Répartition des coûts :

Le coût total est 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 » (traitement (matériel, main d’œuvre, réactifs ou produits), élimination des déchets), à renouveler au cours du traitement,
   
• 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 initiaux sont principalement liés aux coûts d’installation d’une unité et des puits du réseau d’extraction.

Les charges récurrentes sont liées à l’entretien et à la maintenance des installations. En effet, l’usure des pompes et les réglages de l’installation nécessitent généralement des interventions régulières sur site.

Des charges supplémentaires de consommables utilisées pour des traitements complémentaires des gaz et de l’eau extraits peuvent s’ajouter. Ces charges sont donc susceptibles de provoquer des variations dans le coût global.

Délais

Les délais sont de l’ordre de 4 à 18 mois.

Maturité

Cette technique est actuellement couramment commercialisée, elle est particulièrement adaptée et utilisée pour la récupération du surnageant dans les milieux moyennement perméables.

Efficacité

Les rendements épuratoires peuvent atteindre dans les meilleures conditions 95%.

Son efficacité dépend énormément des caractéristiques du sol et de la profondeur de la pollution.

L’extraction multiphasique regroupe 12,5% des volumes traités ou gérés en 2012.

L’extraction multiphasique a l’avantage de pouvoir être utilisée sur des sites en activité et de traiter simultanément les gaz du sol, le polluant en phase libre dans la frange capillaire et l'eau de la nappe. Ceci explique son taux d’utilisation relativement élevé alors qu’elle est relativement coûteuse.

(ADEME, 2015)

Évolution 2010 / 2012 :

Entre 2010 et 2012, il a été constaté une baisse d’environ 37% des volumes traités par extraction multiphasique.

(ADEME, 2012)

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
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.

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)

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

Liens

Engineering Evaluation and Cost Analysis for Bioslurper Initiative
(A005), 1997. U.S. Air Force Center for Environmental Excellence (AFCEE), 100 pages
https://www.clu-in.org/download/techfocus/mpe/Bioslurp-AF-EECA-1997.pdf

Analysis of Selected Enhancements for Soil Vapor Extraction
EPA 542-R-97-007, 1997
https://www.clu-in.org/download/remed/sveenhmt.pdf

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 XII. Dual-Phase Extraction, 2004. EPA 510-R-04-002, 52 pages.

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