Pompage et traitement

Le Pompage et traitement consiste à extraire les eaux souterraines polluées et à les traiter sur site avant rejet (ou à les éliminer en centres agréés).

Le type de traitement varie en fonction des polluants, des débits et des pourcentages épuratoires à atteindre.

Le Pompage et traitement permet d’extraire les polluants organiques ou minéraux en phase dissoute dans la zone saturée et la frange capillaire et de les diriger vers des points d’extraction en vue de traitement. Un rabattement en un ou plusieurs points de la nappe est alors créé (augmentation du gradient hydraulique).

Cette technique traite le panache plutôt que la source de pollution. Il est donc judicieux de traiter au préalable, si possible, la source de pollution.

La circulation d’eau induite par le pompage permet de générer un renouvellement de l’eau dans les pores de la zone saturée. Les équilibres de phases sont alors déplacés, ce qui implique que :

• l’eau en passant dans une zone polluée va se charger en polluants,
• les concentrations en polluants adsorbés sur la matrice solide (dans la zone capillaire et la zone saturée) et présents sous forme gazeuse (zone vadose) vont légèrement diminuer.

Préalablement à la mise en place du traitement, il conviendra de trouver un exutoire pour les eaux pompées. Le choix du point de rejet est primordial. Dépendamment du contexte environnemental, des débits pompés et des autorisations administratives, les rejets pourront être réalisés :

• à certaines concentrations, dans les réseaux d’eaux usées, les réseaux d’eaux pluviales, les eaux superficielles, la nappe (réinjection),
• dans certains cas dans des centres d’élimination agréés. En pratique, étant donné les volumes pompés, l’élimination en centre agréé est peu fréquente ; elle se limite à des rejets faibles et concentrés.

Afin de remobiliser autant que faire se peut les polluants, un pompage par intermittence est souvent réalisé.

Les moyens matériels nécessaires au Pompage et traitement sont les suivants :

• matériels d’injection et d’extraction (si nécessaire) : puits verticaux, puits horizontaux, pompes (immergées, de surface..), tuyauterie, tranchées, galeries d’infiltration, compteur...,
• système de traitement des eaux usées on site : charbon actif, stripping, déshuileur, oxydation catalytique, réduction, flottation, floculation, membranes, résines, précipitation, évaporation, décantation,
• stockage des déchets solides et liquides issus du traitement,
• système piézométrique permettant de suivre les écoulements et la qualité des eaux souterraines.

Les paramètres à suivre lors d’une opération de pompage et traitement sont les suivants :

• 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 initialement absents dans les eaux souterraines mais pouvant éventuellement être mobilisés (métaux …),
• les concentrations en polluants dans les rejets aqueux (normes de rejets),
• les paramètres relatifs au traitement des eaux (ex. : bilan de matière, séparation …),
• la caractérisation des effets « rebonds ».

Les variantes au Pompage et traitement sont :

• le Confinement hydraulique. Le Pompage et traitement peut être utilisé comme une solution temporaire de confinement afin de stopper l’extension de la source de pollution et/ou son panache de pollution peu soluble,
• 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 les polluants hydrophobes. Des pompes de faibles débits positionnées à l’intérieur de ces tranchées permettent de récupérer les polluants. Afin de faciliter la récupération des polluants, des géomembranes sont souvent positionnées en aval immédiat du massif filtrant. On se rapproche alors d’un pseudo-confinement.

Le Pompage et traitement est une technique relativement universelle puisqu’elle s’applique sur les pollutions organiques et minérales, qu’elles soient sous forme libre ou dissoute : composés organiques (semi-)volatiles, composés halogénés organiques (semi-)volatils, PCB, certains métaux/métalloïdes.

Le pompage, en créant des cônes de rabattement, permet d’améliorer la récupération des LNAPL en phase libre. Néanmoins, en cas de présence de flottant, il est plus judicieux pour des raisons économiques de procéder à la récupération du surnageant indépendamment de la phase dissoute, ceci permet d’éviter une séparation ultérieure dans la filière de traitement des eaux.

Cette technique s’applique principalement dans des aquifères relativement perméables (sablo-limoneux à graveleux) et homogènes.

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) 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/hydrogéologique vont permettre de définir :

• le rayon d’action des points d’extraction en fonction des cônes de rabattement,
• le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’extraction (profondeur, diamètre, puits, tranchées pour les profils géologiques stratifiés ou très peu perméables....),
• le type et la puissance des pompes,
• les dimensions de l’unité de traitement,
• en cas de réinjection dans la nappe : le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’injection (profondeur, diamètre, tranchées, puits..),
• les effets sur les eaux de surface avoisinantes,
• les variations des niveaux de la nappe en fonction des débits et des différentes conditions envisagées (régime transitoire, hautes eaux, basses eaux …),
• l’évolution de la concentration et du panache de pollution.

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,
• 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,
• 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,
• Coefficient de partition eau/sol, localisation,
• Densité,
• Présence de produit pur,
• Gradient concentration verticale si d>1,
• Empreinte chromatographique (GC/FID),

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,
• Conditions aux limites…

f. Géochimie nappe

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

La technique de Pompage et traitement présente les avantages suivants :

• technique fiable et éprouvée,
• mise en œuvre relativement simple et rapide,
• le procédé permet de traiter la phase dissoute relativement efficacement (surtout pour des polluants solubles),
• applicabilité à de nombreux polluants,
• il génère peu de perturbation de sols,
• il est envisageable sous des bâtiments,
• afin d’améliorer les rendements épuratoires, on peut y associer des procédés chimiques (lavage), biologiques et physiques (fracturation hydraulique),
• il peut être associé également à un traitement de la zone vadose (Lavage, Venting …),
• le procédé permet de stopper la migration des polluants en créant des points de fixation de la contamination dissoute (confinement hydraulique),
• il s’agit d’un des rares procédés à pouvoir traiter les DNAPL à des profondeurs importantes,
• la position des piézomètres et des crépines permet de cibler précisément les zones à traiter,
• les profondeurs de pompage peuvent être de l’ordre de plusieurs dizaines de mètres si nécessaire,
• la réinfiltration en amont des eaux pompées et traitées permet de limiter les flux vers l’extérieur et de forcer les écoulements au sein du piège hydraulique.

Ses inconvénients et ses facteurs limitants sont les suivants :

• sans traitement de la source de pollution, les durées de dépollution sont relativement longues ; c’est pourquoi, il est préférable de traiter la source de pollution au préalable. Plus la source de pollution se tarit, plus elle génère de faibles émissions et plus le traitement est long,
• dans le cas des aquifères de grandes perméabilités (transmissivité importante), les débits à traiter sont souvent importants, l’unité de traitement devient la partie principale du coût du système. Il est donc primordial de bien optimiser le nombre et l’emplacement des points d’extraction. Pour ce faire, la modélisation peut être un outil précieux,
• on observe souvent un effet « rebonds» (remobilisation des polluants à l’arrêt du traitement par dissolution des précipités, désorption de la phase solide et de la phase libre) ; cet effet est particulièrement important dans le cas de DNAPL et de LNAPL en phase libre,
• son efficacité est limitée dans le cas d’aquifère de faible perméabilité (10-5 m/s), non homogène et/ou fracturé (passages préférentiels à travers les zones les plus perméables à l’eau),
• son efficacité est limitée pour des polluants hydrophobes,
• sans une maîtrise totale du sens d’écoulement des eaux souterraines, il y a un risque de dissémination de la pollution, une variation importante de la profondeur du toit de la nappe constitue un obstacle important au bon fonctionnement du procédé (lorsque la dépollution concerne la partie haute de la nappe).

Coûts

En 2009, il est admis que les coûts de traitement variaient entre 4 à 60 €/m³ d’eaux pompées/traitées (pour des profondeurs inférieures à 20 m) (estimations). (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 13 €/m³, la moyenne haute de 20 €/m³ et le maximum de 50 €/m³ d'eaux pompées/traitées (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.

Les coûts suivants, détaillés selon la technique utilisée, sont fournis par une étude commanditée par l’ADEME auprès des acteurs professionnels du milieu en 2010 (ADEME, 2012):

• Pour le pompage suivi d’un stripping et traitement sur charbon actif : 15 – 70 €/m³.
• Pour le pompage suivi d’un traitement physico-chimique : 10 – 50 €/m³.
• Pour le pompage suivi d’une adsorption sur charbon actif : 1 – 120 €/m³. La variabilité des couts est directement liée au débit de la nappe et à la concentration en polluants
• Pour le pompage suivi d’un stripping : 2 – 25 €/m³.

Le pompage suivi d’un traitement physico-chimique et le stripping suivi d’une adsorption sur charbon actif ont été les méthodes de traitement les plus coûteuses en 2010 avec 30 €/m³. Leur coût important réside principalement dans le fait qu’il s’agit de techniques très consommatrices en réactif : le coût du traitement est directement indexé sur la consommation de réactifs chimiques ou de charbon actif, et donc de la concentration en polluants.

Le pompage suivi d’un stripping et le pompage suivi d’une adsorption sur charbon actif font partie des techniques les moins coûteuses, notamment en raison de leur maturité et de leur simplicité de mise en œuvre.

Les données ci-dessus relatives aux coûts de traitement comprennent le coût de pompage qu’il est intéressant d’extraire. Le coût de pompage pour les techniques de Pompage et traitement s’élève en moyenne à 2 €/m³. Il peut être amené à varier selon la profondeur de la nappe, le nombre de puits de pompage et la quantité d’eau à pomper.

a. Pompage suivi d’un traitement physicochimique

L’investissement initial représente la majorité des coûts. Il correspond à l’installation de l’unité et du réseau de puits de pompage. En outre, ces coûts peuvent être réduits par l’utilisation des puits existants.

Le coût de mise en œuvre est relativement important. Les charges récurrentes sont liées à la maintenance et aux consommations de réactifs chimiques et autres consommables. Un bon dimensionnement permet de réduire sensiblement ces charges.

Le traitement physico-chimique demande un suivi régulier, mais est peu coûteux par rapport aux autres postes que sont les charges exceptionnelles et récurrentes.

b. Pompage suivi d’une adsorption sur charbon actif

L’investissement initial est limité et correspond à l’installation de l’unité et du réseau de puits de pompage. Selon la profondeur, la mise en place des puits d’extraction sera plus ou moins coûteuse et selon les débits à traiter, les unités seront différentes. En outre, ces coûts peuvent être réduits par l’utilisation de puits existants.

Le coût de mise en œuvre est important. Les charges récurrentes sont liées à la maintenance et aux consommations de charbon actif. Un bon dimensionnement permet de réduire sensiblement ces charges.

Le traitement sur charbon actif demande un suivi régulier.

c. Pompage suivi d’un stripping

L’investissement initial correspond à l’installation de l’unité. Selon la profondeur, la mise en place des puits d’extraction sera plus ou moins coûteuse et selon les débits à traiter, les unités seront différentes. En outre, ces coûts peuvent être réduits par l’utilisation de puits existants

Les charges récurrentes correspondent aux consommations d’énergie et de consommables liés au traitement de l’air (généralement du charbon actif). La maintenance est également un poste important sur ce genre d’unité. Une maintenance efficace permet en outre une meilleure maîtrise du procédé ce qui permet d’obtenir de meilleurs rendements et donc de réduire les dépenses en consommables.

Le stripping demande un suivi régulier des rejets d’eau et d’air.

d. Pompage suivi d’un stripping et d’une adsorption sur charbon actif

L’investissement initial correspond à l’installation de l’unité. Selon la profondeur, la mise en place des puits d’extraction sera plus ou moins coûteuse et selon les débits à traiter, les unités seront différentes. En outre, ces coûts peuvent être réduits par l’utilisation de puits existants.

Les charges récurrentes correspondent aux consommations d’énergie et de consommables liés au traitement de l’eau et de l’air (charbon actif).

La maintenance est également un poste important sur ce genre d’unité. Une maintenance efficace permet en outre une meilleure maîtrise du procédé et ainsi de meilleurs rendements et donc une réduction significative des dépenses en consommables.

Le stripping demande un suivi régulier des rejets d’eau et d’air.

Évolution des coûts :

Entre 2009 et 2019, les coûts moyens associés à un pompage/traitement sont restés globalement stable, avec néanmoins une légère diminution des coûts maximums pouvant être rencontrés.

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).

Délais

Du fait des interactions entre le polluant et l’aquifère (adsorption…) et de l’hétérogénéité des sols, le Pompage et traitement est relativement long pour les composés peu solubles (parfois plusieurs années). Lorsque les produits sont plus solubles, la durée de traitement est plus limitée.

Maturité

Le pompage et traitement est actuellement un des procédés de traitement de nappes les plus utilisés en France.

Efficacité

Le rendement de ce procédé peut atteindre 50-60% dépendamment du contexte hydrogéologique (perméabilité, hétérogénéité..), des polluants (solubles ou hydrophobes) et de l’enlèvement de la source de pollution.

En 2012, le marché de la dépollution des eaux souterraines a été dominé par l’utilisation du pompage suivi d’un traitement avec un taux d’utilisation de l’ordre de 49,4%.

(ADEME, 2015)

Évolution 2010/2012 :

Les volumes traités par des techniques de pompage ont diminué de 68% entre 2010 et 2012.

(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

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

Pump-and-Treat Ground-Water Remediation, A Guide for Decision Makers and Practitioners
1996.
EPA/625/R-95/005
https://cfpub.epa.gov/si/si_public_record_Report.cfm?Lab=NRMRL&dirEntryID=115422

Methods for monitoring pump and treat performance
1996.
EPA/6OO/R-94/123
https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-06/documents/performance_eval_pump_treat.pdf

Design Guidelines for Conventional Pump-and-Treat Systems
1997.
EPA/540/S-97/504
https://cfpub.epa.gov/si/si_public_record_report.cfm?Lab=NRMRL&dirEntryId=90422

Pump and treat remediation of groundwater contaminated by hazardous waste: can it really be achieved?
2001. E. Voudrias

A Systematic Approach for Evaluation of Capture Zones at Pump and Treat Systems
2008
EPA 600/R-08/003
http://nepis.epa.gov/Exe/ZyPURL.cgi?Dockey=60000MYO.txt

Performance Assessment for Pump-and-Treat Closure or Transition
2015
PNNL-24696
https://bioprocess.pnnl.gov/publictn/PNNL-24696__Performance_Assessment_for_P&T.pdf

Technology guide: pump and treat
2018.
CRC for Contamination Assessment and Remediation of the Environment - Care National Remediation Framework. Version 0.1, 38 pages
https://crccare.com/wp-content/uploads/2022/09/LTechguide_Pumpandtreat_Rev0.pdf