Dépollution des sols

Avant la dépollution proprement dite, on étudie généralement la nature et l'origine de la pollution, de manière à mieux cerner les produits mis en cause, l'établissement d'un périmètre d'investigation[3] puis le volume de terre à traiter :

• Historique du site et des activités qu'il a supportées
• Carottages et étude physico-chimique des polluants rencontrés
• Évaluation en laboratoire et éventuellement in situ de différentes méthodes et processus de dépollution
• Bilan et plan de dépollution (généralement fait au regard de l'utilisation et occupation future du site en France)

Historiquement, il s'agit de la première méthode employée : on décape le sol contaminé sur toute l'épaisseur polluée. On remplace la terre enlevée par de la terre saine prélevée ailleurs. Outre les coûts de transport que cela induit, les coûts liés au retraitement ou au stockage de la terre contaminée sont proportionnels au volume déplacé, qui dépend directement de la surface et de la profondeur de la zone polluée. À noter que la terre souillée est considérée comme un déchet industriel à partir du moment où elle est déplacée.

• Traitement ex-situ

La dégradation par procédés thermique est efficace pour la décontamination des sols polluées spécifique pour une large gamme de produit sauf les métaux car elle détruisent totalement le polluant. Cependant, le coût varie entre modéré et élevé, il s'agit donc d'utiliser des modes opératoires tels que l'incinération et la désorption thermique avec des types d'installations et de chauffage correspondants

L'incinération

L'une des méthodes de traitement, consiste à faire une combustion aérobie dans un four dont les températures varie entre (800 et 1300 C°) ce qui engendre une destruction totale de polluant. Pour les polluants qui ont une très grande concentration, la technique d'incinération transforme les polluants organiques en vapeur d'eau, dioxyde de carbone et en résidu, tout dépendant du pouvoir calorifique et des concentrations initiales du polluant. Néanmoins, les métaux non détruit se retrouve dans l'effluent gazeux qui peuvent être récupérés spécifiquement pour une valorisation énergétique. De plus, elle permet d'obtenir des rendements d'élimination de 99,99 % pour les hydrocarbures. Cela dépendant des conditions d'exploitation, de la teneur initiale du polluant ainsi que des caractéristiques du sol.

Désorption thermique

La désorption thermique est utilisée souvent pour le traitement des substances volatils tels que les PCB et les HAP. La volatilisation se fait dans un séchoir rotatif la ou la température est entre 250 et 400 °C un flux d'air entraîne ces substances vers une unité de traitement de gaz le temps de séjour dans le séchoir varie entre des dizaines de minutes à des heures et dépend de la nature des contaminants. Ce flux est refroidi ce qui permet d'extraire les particules solides après il va entrer dans un condensateur du coup les sols excavés sont chauffés a des températures entre 90 et 560 °C qui permet la désorption des contaminants et d'extraire les polluants en phase gazeuse qui seront ensuite éliminés par oxydation catalytique les rendements de cette méthode sont de 95 à 99 % d’élimination pour les hydrocarbures et cela dépend aussi des modes opératoire, de la teneur initial du polluant et de la nature des sol (hétérogénéité, structure…).

Le tri granulométrique est une technique de séparation des particules de sol en fonction de leur taille, de leur masse volumique, de leur géométrie et de leur surface spécifique, elle permet d'extraire le contaminant et de le rendre dans un volume réduit en sachant que la pollution est localisée en très grande partie dans les particules les plus fines cette séparation se fait en présence ou absence de l'eau sur des sols hétérogènes contenant des : hydrocarbures (SCOV, COV…), pesticides, radionucléides… Le tri est efficace pour séparer les composés récalcitrant qui résiste au traitement conventionnel tels que les HAP , dioxines, furanes. Les éléments utilisés lors d'un tri sont le pré-criblage et le criblage et la séparation magnétique, l'abattement est environ de 95 à 98 % dans des modes opératoires optimales.

Dépollution par lavage :

Après le tri granulométrique, les particules fines, qui contiennent les contaminants, sont entraîné à l'aide d'agents additifs surfactants et chélatants avec un changement de pH vers une phase liquide. Cette solution polluée est par la suite traitée. Il s'agit donc de faire une dissolution des contaminants dans une solution de lavage. Cette solution est récupérée, traitée et réutilisée dans les circuits de refroidissement par exemple. C'est ainsi que les sols grossières sont réutilisés comme des remblais et les fraction fines sont traitées ou enfouis. Cette méthode s'applique sur des terres hétérogène qui contiennent des métaux , hydrocarbures , HAP, PCB et elle constitue une alternative rentable en point de vue économique vu sa performance de 95 % d'élimination dans des conditions optimales.

Solidification et stabilisation :

C'est une technique de traitement qui précède le confinement susceptible de réduire la mobilité des polluants et séquestrer les contaminants dans une matrice stable et dure et cela en diminuant le contact eau/contaminant toute en modifiant la porosité afin de réduire la perméabilité. Un autre mécanisme entre en jeu : la stabilisation qui permet de transformer le polluant lessivable en un composé non soluble et la mise en contact avec des matériaux par complexation de différents adjuvants. Cependant, les polluants ne sont pas éliminés mais leur impact sur l'environnement est réduit, souvent utilisé sur les contaminants récalcitrants spécialement les métaux lourds (zinc, cuivre, mercure, chrome…). L'efficacité de cette méthode est plus importante dans un traitement ex situ qu'en traitement in situ la concentration des lixiviats peuvent être réduite à 95 % .

L'injection dans le terrain d'un liquide ou d'un gaz sous pression susceptible de dissoudre le ou les polluants peut être utilisée lorsque ces derniers sont connus. On peut alors retraiter sur place, de manière progressive, les terres souillées. Ceci suppose une installation industrielle temporaire de retraitement pour :

• l'extraction de la terre à traiter (optionnel selon les méthodes) ;
• le processus de percolation ou d'injection de gaz ;
• la récupération des lixiviats et leur retraitement ;
• la remise en place de la terre traitée (si elle a été excavée).

Adaptée aux terrains sableux et peu chère, pour les polluants volatils et semi-volatils (hydrocarbures notamment) : le terrain est mis en dépression par une pompe à vide, les vapeurs sont traitées par oxydation catalytique, condensation par réfrigération ou adsorption par du charbon actif. Le traitement est mobile pour parcourir le site.

Lors de l'application de la méthode dite de venting, on injecte sous pression de l'air, de l'azote ou de la vapeur. Ce traitement est adapté aux terrains perméables à l'air, pour des solvants volatils, comme les solvants chlorés : des puits permettent l'injection et la récupération des vapeurs, retraitées comme lors de l'aspiration. Le sol peut en outre être chauffé (par micro-ondes) pour améliorer l'efficacité de la technique.

Il s'agit d'une technique physico-chimique qui s'intègre dans un système de « lavage de sol ». Après extraction, la terre est tamisée ; on lui ajoute de l'eau et des agents tensioactifs. Les bulles d'air injectées dans le mélange « transportent » les phases contenant les polluants par affinité hydrophobe. Cette méthode couvre la plupart des polluants à divers degrés. Le procédé peut s'opérer dans des cellules de flottation ou dans des colonnes de flottation.

Électrocinétique :

Dans la dépollution des sols, l'extraction de certains polluants organiques (HAP / PCB…) et/ou inorganiques (métaux lourds) peut se faire par une méthode électrique, majoritairement appelée : Électrocinétique ou électro-remédiation (EK : Electrokinetic en anglais). C'est une méthode de dépollution largement répandue dans le domaine du Génie-Civil.

Bien qu'elle soit principalement utilisée pour dépolluer des sols, l'EK peut également s'appliquer aux déchets, aux sédiments et aux eaux souterraines.

L'avantage majeur de cette méthode, est qu'elle est applicable directement in situ. Malheureusement, elle n'est pas encore couramment utilisée à l'échelle du terrain. En effet, en raison de la complexité des phénomènes physico-chimiques qui entrent en jeu, elle est encore beaucoup étudiée dans les laboratoires de recherche.

Principe de fonctionnement :

La décontamination par l’électrocinétique consiste à appliquer, à l’aide d’électrodes, une différence de potentiel électrique à l'intérieur d'une matrice, dans le but d’extraire les métaux lourds ou tous autres polluants en présence.

Généralement deux électrodes sont nécessaires pour réaliser la méthode à l'échelle du laboratoire.

A l’électrode positive appelée anode, se produit une réaction électrochimique importante : c’est l’électrolyse de l’eau.

L’eau y est oxydée (voir équation 1-1[5]), ce qui produit des ions H⁺ et de l’oxygène gazeux. Les ions H⁺ sont transportés principalement par migration électrique vers l’électrode négative appelée cathode. Il en résulte la création d’un front acide qui progresse dans le sol de l’anode vers la cathode et qui solubilise les métaux lourds. La solubilisation charge positivement les métaux lourds ou les polluants organiques, cela les fait donc migrer dans le même sens que les ions H⁺. Cette solubilisation des polluants est importante car elle permet par la suite de les extraire par migration électrique.

En effet, plus de 90 % des métaux lourds sont généralement immobilisés dans le sol sous une forme dans laquelle ils ne peuvent être extraits par le champ électrique, la solubilisation est donc nécessaire pour permettre leur extraction.

A la cathode, une autre réaction d’électrolyse de l’eau se produit, mais la réaction créée est une réaction de réduction de l’eau (voir équation 1-2[5]), qui crée des ions OH⁻ et de l’hydrogène gazeux.

Les ions OH⁻, malgré le mouvement des ions H⁺, migrent vers le pôle positif. Lorsque les métaux lourds, solubilisés par le front acide des ions H⁺, entrent en contact avec les ions hydroxydes OH⁻, ils sont immobilisés de nouveau dans le sol par précipitation. Toutefois, un contrôle du pH par l'ajout d’acide, au niveau de la cathode, peut neutraliser les ions OH⁻ et améliorer l'électromigration des métaux lourds dans le sol[6].

De plus, les ions H⁺ et OH⁻ réagissent ensemble pour former de l’eau qui neutralise l’avancée du front acide et du front basique. Afin donc de s’assurer de la bonne extraction des métaux lourds, la constitution des solutions en contact avec les électrodes doit être contrôlée régulièrement.

Équation 1‑1 :

Réaction d’Oxydation à l’anode : 2 H₂O ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ O₂ (gaz) + 4 H⁺ + 4 e⁻

Équation 1‑2 :

Réaction de Réduction à la cathode : 2 H₂O + 2 e⁻ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ 2 OH⁻ + H₂ (gaz)

La récupération des polluants se fait par généralement par pompage.

Les mécanismes mis en avant dans le processus d’EK sont[7] :

• Les mécanismes de transport (dont les deux principaux sont : l’électro-osmose et l'électromigration)
• La dissolution
• La précipitation
• La sorption

De nombreux polluants peuvent ainsi être traités, mais pas les métaux lourds (sauf pour le mercure, si l'on est en mesure de bien le recondenser). Les hydrocarbures, les HAP, les cyanures, les résidus d'explosif, les PCB, les pesticides, etc. peuvent être extraits en tout ou partie d'un sol par chauffage ; c'est une des techniques de traitement les plus appliquées. Le sol est chauffé à des températures variant de 80 °C à 450 °C dans un environnement très pauvre en oxygène, pour évaporer les polluants. Une fois en phase vapeur, ils sont soit oxydés ou dégradés (parfois transformés en CO₂ et en eau), soit acheminés vers une unité ad hoc de traitement de l'air et des vapeurs. La terre refroidie (à l'eau si nécessaire) peut souvent être réutilisée sans limitation environnementale. Cette technique s'applique après excavation (désorption thermique mobile ou en centres fixes), ou in situ (sans excavation) au moyen de tubes chauffés électriquement ou munis de brûleurs individuels. Le bilan coût-avantages du traitement in situ est souvent largement meilleur que les techniques d'excavation en raison de la faible consommation énergétique (environ 30 % de moins que l'extraction vapeur à froid avec brûleurs individuels) et du résultat garanti en un temps très court (de l'ordre de quelques semaines).

Différentes variantes existent : le lavage peut être fait à haute pression, à pression normale, sur site ou hors site.

L'objectif est de séparer les particules les plus fines dans lesquelles sont principalement concentrés les polluants (lavage haute pression à l'eau), ou de capturer ces polluants dans une solution liquide (eau, acide). Dans le premier cas, la terre doit être excavée, les déchets récupérés seront stockés sous forme de galettes ; dans le deuxième cas, le traitement peut s'effectuer sans extraction si le terrain est perméable. Par exemple, la plupart des métaux lourds (cuivre, zinc, arsenic, cadmium, plomb) peuvent être extraits en utilisant une solution d'acide qu'il faut ensuite neutraliser (pour précipiter une partie des composés) puis décanter, filtrer et centrifuger, afin de séparer les éléments restants.

Le lavage in-situ à haute pression reste cependant limité dans son application à des zones de faible taille, la pression de l'eau diminuant rapidement avec la distance à la buse d'injection.

Des techniques utilisant d'autres solvants existent (alcanes, alcools ou cétones pour dissoudre la plupart des polluants organiques et toxiques). Elles sont peu chères et se basent sur l'injection du solvant, suivi de son extraction par une des techniques décrites plus haut.

Ces modes de dépollution, basés sur la capacité de certains organismes à filtrer, dégrader ou bioaccumuler les éléments toxiques dans leur organisme voire à s'en servir comme aliment, se développent depuis les années 1990. Ils semblent pouvoir résoudre une partie des problèmes de coût soulevés par les approches classiques et peuvent être utilisés in situ (biodégradation, bio-immobilisation, biolixiviation) ou ex-situ (en bioréacteur)

Cependant, d'autres problèmes se posent, notamment en ce qui concerne le risque de prolifération d'organismes extrêmophiles : les bactéries les plus résistantes aux polluants sont souvent également plus résistantes aux antibiotiques, et peuvent parfois transmettre leurs gènes de résistance à d'autres bactéries, et leurs conditions de prolifération sont souvent spécifiques.

De plus, alors que les tests en laboratoire sont généralement concluants, la mise en œuvre sur le terrain peut s'avérer décevante, par exemple si les concentrations en polluants sont trop importantes localement, ou si la nature même du terrain comporte des aléas compromettant la croissance et diffusion de ces organismes.

Certaines bactéries ont le pouvoir de dégrader des molécules complexes et d'en tirer ainsi l'énergie dont elles ont besoin pour vivre.

On les a utilisées pendant des années pour traiter des sols pollués par des solvants chlorés. Mais on s'est ensuite aperçu que cette technique de traitement microbiologique par dégradation biologique de certains polluants in situ (éventuellement encouragée par la maîtrise de paramètres comme l'oxygénation, le degré d'hygrométrie, la température) peut générer des produits de dégradation (métabolites) plus toxiques et/ou plus mobiles que les produits initiaux. Ces métabolites ne sont pas les mêmes selon que les conditions de l'activité microbienne sont aérobies ou anaérobies. Afin de contrôler la production des métabolites les plus dangereux, on peut passer de l'un à l'autre des modes de biodégradation lorsque c'est opportun.

Actuellement, des recherches sont menées sur la sélection d'espèces adaptées à la dégradation de chaque type de polluants. Ces recherches sont menées conjointement par des laboratoires de recherche et par des éco-industriels. Elles commencent à porter leurs fruits pour certains types d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (comportant plus de trois noyaux benzéniques), avec l'utilisation de certaines souches de champignons ayant la particularité d'attaquer les polluants par des enzymes extracellulaires..

On cherche également à identifier des souches bactériennes capables de dégrader des composés de type pyrène, à partir d'espèces présentes dans des milieux hyper-salés, par analyse de leurs séquences génétiques.

Exemples de correspondances entre polluants et bactéries dépolluantes (Source : Biodépol'99) :

• Nitrates : Comamonas, Hyphomicrobium
• Phosphates : Acinetobacter, Moraxella
• Pesticides : Enterobacter
• Dioxines : Brevibacterium
• Cyanures : Thiobacillus, Rhizoctonia
• Composés soufrés : Thiobacillus
• caoutchoucs : Sulfolobus, Rhodococcus, Thiobacillus
• Huiles, graisses : Pseudomonas, Xanthomonas, Bacillus
• Hydrocarbures : Acinetobacter, Flavobacterium, Bacillus, Pseudomonas, Achromobacter, Arthrobacter
• Métaux lourds : Saccharomyces, Rhizopus, Chlorella, Thiobacillus, Zoogloea

De nombreuses plantes sont capables de fixer dans leurs cellules les métaux lourds, radionucléides, composés organiques polluants et autres produits indésirables ; certaines plantes produisent des enzymes qui dégradent ces polluants en des produits moins toxiques ou non toxiques. Elles peuvent également être accompagnées d'une mycorrhizosphère se chargeant du travail de fixation et/ou de transformation, dont l'étude visant aux applications à l'échelle industrielle est en plein essor. Ces propriétés en ont fait des candidates d'avenir à la dépollution des sols. Les plantes sont aussi sélectionnées selon leur taille et leur aptitude à faire plonger leurs racines profondément dans le sol, de manière à atteindre les couches polluées profondes (quelques mètres), et selon le type de polluant qu'elles sont capables d'emprisonner ainsi.

En pratique, on peut aussi excaver la terre et l'épandre sur une membrane imperméable sous serre, de manière à isoler la matière polluante et contrôler précisément les paramètres influant sur la croissance des plantes sélectionnées. Cela retire toutefois un des bénéfices majeurs de la phytoremédiation, à savoir son coût d'opération peu élevé.

L'un des avantages de la phytoremédiation est la possible revalorisation des polluants recyclables, aussi appelé phytominage. Ainsi, les plantes dites « hyperaccumulatrices », qui stockent le polluant dans leurs tiges et leurs feuilles peuvent être récoltées puis incinérées en vue de récupérer les métaux parmi les cendres et les réutiliser en métallurgie.

• L'Europe prépare en 2007 (depuis 2002) une directive cadre pour la protection des sols.
• Un Arrêt de la CJCE Van de Walle devrait faire jurisprudence. Directive du 21 avril 2004 relative à la responsabilité civile environnementale
• La directive 2008/98/CE, du 19 novembre 2008 relative aux déchets, remet en cause les dispositions antérieures, elle précise notamment les exclusions du champ d'application en son article 2.

Seules les installations classées pour la protection de l'environnement sont soumises à réglementation concernant les sites et sols pollués.

• Le décret n^o 77.1133 du 21 septembre 1977 modifié pris pour l'application de la loi n^o 76.663 du 19 juillet 1976 relative aux installations classées pour la protection de l'environnement (codifiée au titre 1^er du livre V du code de l'environnement).

Dans la circulaire du 8 février 2007 relative aux installations classées et à la prévention des risques de la pollution des sols - gestion des sols pollués faisant référence aux modalités de gestion et de réaménagement des sites pollués Nelly Olin, alors ministre de l'environnement, liste les textes maintenus et abrogés.

Sont maintenues :

• La circulaire DPPR/SEI/BPSE/DE n^o 99-408 du 9 juin 1999 relative aux inventaires historiques des sites industriels anciens
• La circulaire du 1^er mars 2005 relative à l’inspection des installations classées - sites et sols pollués. Conséquences de l’arrêt de la Cour de Justice des Communautés Européennes dit « Van de Walle »
• La circulaire n° BPSPR/2005-305/TJ du 18 octobre 2005 relative à la mise en œuvre des nouvelles dispositions introduites dans le décret n^o 77-1133 du 21 septembre 1977 concernant la cessation d’activité des installations classées – choix des usages
• La circulaire n° BPSPR/2005-400/DG du 14 décembre 2005 relative aux Installations Classées - stations service autoroutières - approche méthodologique harmonisée

Sont maintenues dans la mesure où elles ne sont pas contradictoires :

• La circulaire du 5 octobre 2005 relatives à l'inspection classées - surveillance des eaux souterraines.
• La circulaire du 17 janvier 2005 relatives à l'inspection classées - surveillance des eaux souterraines.
• La circulaire n° DPPR/SEI 03-327 du 30 juillet 2003 relative au tableau de bord de l'action des pouvoirs publics en matière de sites et sols pollués. Résultats de la surveillance des eaux souterraines.

La nouvelle stratégie nationale Sites et sols pollués (8 février 2007) : Après 13 ans d’application d'une politique site et sols polluées ayant associé fortement les DRIREs, le BRGM et l'Ademe, l'état via le Ministère de l'Écologie, du Développement et de l'Aménagement durables donne des responsabilités et obligations nouvelles aux collectivités locales (communes et EPCI), notamment si elles sont vendeur/acquéreur ou aménageur de terrains pollués ou potentiellement pollués. L’ESR (évaluation simplifiée des risques) est supprimée, les Valeurs de constat d'Impact (VCI) et Valeurs de définition de source sol (VDSS) sont supprimées et il y a redistribution des diagnostics initiaux et approfondis (DI/DA).

Selon les estimations officielles, la France compte plus de 250000 sites potentiellement pollués[8].

• évaluation des risques issus des sites pollués : règlementations et pratiques de 16 pays européens, BRGM, ed. avril 2005, données 2004
• Aux États-Unis (US-EPA)

• Désorption thermique

• Comprendre la pollution des sols :
  • Site du BRGM
  • Site de l'ADEME
• Méthodes :
  • Liste de méthodes de décontamination

• Décret créant l'article rendant obligatoire la dépollution d'un site en cas d'arrêt définitif d'exploitation

• Lille Métropole Communauté urbaine (2013) Dépollution des sols de friches industrielles, vidéo pédagogique (animation), en ligne 2013-01-31

• Direction générale de la Prévention des Risques, Bureau du Sol et du Sous-Sol (Avril 2017) Méthodologie nationale de gestion des sites et sols pollués (PDF) | URL=http://ssp-infoterre.brgm.fr/sites/default/files/upload/documents/methodo_ssp_2017.pdf