Barrières Cahiers SKB réactives - ademe.fr · Le centre néerlandais pour la Gestion de la Qualité des Sols (SKB) déve- ... Hydrocarbures aliphatiques volatils Hydrocarbures aromatiques

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Barrières réactives

Référence ADEME: 7761

www.ademe.fr

SKB Le centre néerlandais pour la Gestion de la Qualité des Sols (SKB) déve-loppe et transfère des savoir-faire à destination des propriétaires et des gestionnaires de sites leur permettant d’optimiser l’adéquation entre la qualité des sols et leur usage futur. SKB soutient le développement et la démonstration de nouvelles formes de collaborations, d’approche et de technologies pour améliorer la gestion des sols et s’attache à promouvoir l’ acceptation générale de cet aspect dans la société.

Cahiers SKBLes Cahiers SKB sont des documents qui abordent de façon claire et concise les aspects importants ayant trait au sol. Ils s’adressent à un large public et sont rédigés dans un style vivant et accessible. Sur la base d’exemples tirés de la pratique, les lecteurs doivent pouvoir mettre le sujet en pratique dans le cadre de leur propre activité professionnelle.

Fondation développement et transfert de connaissances sur le sol

Cette publication a été réalisée en collaboration avec la fondation SKB,

le réseau SNOWMAN et l’ADEME

Mogelijk reinigingsmechanisme

- Dégradation microbiologique aérobie (minéralisation)

- Dégradation microbiologique anaérobie

- Déchloration réductive microbiologique

- Déchloration réductive chimique (fer)





- Dégradation microbiologique anaérobie




- Déchloration réductive

- Oxydation chimique

- Oxydation microbiologique

- Déchloration microbiologique réductive

- Réduction microbiologique

- Oxydation chimique

- Précipitation in situ

- Co-précipitation avec sulfure de fer

- Précipitation in situ

- Co-précipitation avec sulfure de fer

- Dégradation microbiologique aérobie (fractions légères)

- Oxydation chimique (parfois)


Cah

ier

Faire et

laisser faire dans le sol

Type de contamination Exemple de substances

- Volatils Benzène, toluène, éthylbenzène, xylène,

styrène, naphtalène

- Polychlorés Per, tri, trichloroéthane,

tétrachlorométhane

- Monochlorés ou bichlorés Cis, dichloroéthane, chlorure de

vinyle, chloroéthane

- Oxygénés Alcools, cétonogènes, esters,

éthers, phénols

- Polychlorés Pentachlorobenzène, tétrachlorophénol,

hexachlorobenzène

- Monochlorés ou bichlorés Chlorobenzène, dichlorobenzène,

chlorophénol

- Huile minérale légère C6-C16

- Huile minérale lourde C16-C40

- Cycliques Hexachlorohexane (lindane)

- Explosifs TNT, RDX, HMX

- Métaux et métalloïdes Chrome, cuivre, nickel, plomb, mercure,

cadmium, zinc, arsenic, sélénium, etc.

- Composés radioactifs Uranium, plutonium

- Anions Nitrate, sulfate, perchlorate

- Polycycliques HAP, créosotes

Type de barrière possible et applicabilité

Barrière de fer

P P S

N N P

S S N

S1 S2 S

S S S

S S N

S S S

N N S

N N P

I I N

P P N

S S N

P P N

I I N

Hydrocarbures aromatiques

Hydrocarbures aliphatiques volatils

Hydrocarbures aromatiques chlorés

Autres hydrocarbures

Composés anorganiques

S Etat de l’art

I En développement

P Potentiel

N Non-applicable

1 pas pour 1,2-dichloroéthane, chloroéthane et chlorométhanes

2 pas pour 1,1-dichloroéthane

Mécanisme de décontamination possible

- Dégradation microbiologique

Barrière biologique anaérobie

Barrière biologique aérobie

- Réduction microbiologique (dénitrification, réduction de sulfate, etc.)




5

Barrières réactives SKB Cahier

Contenu

Préface 7

1. Qu’est-ce qu’une barrière réactive ? 92. Quels sont les différents types de barrières ? 13 2.1 Dans quelles situations les barrières 13

sont-elles utilisées ? 2.2 Quelles sont les différentes formes 16

que l’on peut distinguer ?

3. Comment fonctionnent les barrières réactives ? 19 3.1 Pour quelles contaminations a-t-on 19

recours à des barrières ? 3.2 Explication des principaux principes de 20

fonctionnement 3.2.1 Dégradation biologique de COVCl en 20

milieu anaérobie 3.2.2 Dégradation de COVCl avec du fer à 22

valence zéro 3.3 Oxydation microbiologique 24 3.4 Précipitation de métaux 25 3.5 Réduction des nitrates et des sulfates 25

4. Barrières de fer 27 4.1 L’exemple du fer 27 4.2 Les différents aspects de la conception 28 4.3 Installation et mise en œuvre 30 4.4 Exploitation et monitoring 33 4.5 Aspects à prendre en considération, 34

avantages et inconvénients

Réalisation d’une barrière de fer réactive 36

5. Barrières biologiques ou zones activées 39 5.1 Anaérobie ou aérobie ? 39 5.2 Conception 39 5.2.1 Généralités 39 5.2.2 Barrière biologique anaérobie 40 5.2.3 Barrière biologique aérobie 48 5.3 Installation et mise en œuvre 48 5.4 Exploitation et monitoring 49 5.5 Aspects à prendre en considération, 51


Barrière biologique anaérobie multiple pour 52 le traitement d’un panache de COVCl profond

6. Systèmes « funnel and gate » 55 6.1 « Funnel and gate », comment et pourquoi ? 55 6.2 Quels sont les types de barrières pouvant 56

être utilisés ? 6.3 Aspects à prendre en considération, 57


« Funnel and gate » avec grillage biologique 60

7. Tendances et évolutions 62

8. Informations complémentaires 64 8.1 Internet 64 8.2 Littérature 65 8.3 Autres littératures 66 8.4 Projets de référence 66

76


Préface

Les cahiers SKB donnent des informations concises et succinctes sur

une technique, une substance ou un processus qui ont été utilisés dans

le cadre d’un ou plusieurs projets SKB. Le présent cahier porte sur les

barrières réactives. Les barrières réactives sont utilisées pour extraire

des substances polluantes du courant d’eau souterraine. Les cahiers

n’abordent pas le sujet d’une manière aussi détaillée que les projets SKB

proprement dit, mais donnent au lecteur suffisamment d’informations

pour lui permettre de mettre le sujet en pratique. Ils se destinent à un

large public de professionnels impliqués dans les problématiques du

sol. Des références sont mentionnées dans les cahiers pour ceux qui

souhaitent approfondir le sujet.

Ce cahier a été rendu possible grâce aux efforts et à la collaboration de

toutes les personnes impliquées au sein de projets SKB dans le domaine

des barrières réactives. En concertation avec un groupe de lecture, le

contenu de ce cahier a été défini et contrôlé en fonction de sa perti-

nence pratique à l’égard du groupe-cible.

9


1 Qu’est-ce qu’une barrière réactive ?

Les contaminations mobiles se dispersent avec l’eau souter-raine. La source de la contamination ne peut pas être traitée dans tous les cas car cette source n’est pas toujours accessible ou le traitement est tout simplement trop coûteux. Le prin-cipe directeur de l’actuelle loi sur la protection des sols (Wet Bodembescherming) n’est plus la multifonctionnalité. Par contre, il est souvent nécessaire de stopper la propagation inacceptable d’une contamination. L’arrêt de la dispersion de la contamination est particulièrement important lorsque la dégradation naturelle est limitée ou que la contamination menace une cible fragile. La contamination peut être arrêtée à l’aide d’une barrière fermée, mais l’inconvénient est que l’eau souterraine doit alors être pompée et épurée. Cela coûte de l’énergie et produit des déchets. Une barrière hydrogéo-logique, qui se compose d’une série de captages, présente également ces inconvénients.

Les barrières réactives offrent une alternative qui ne présente pas ces

inconvénients. Les barrières réactives peuvent être utilisées pour ex-

traire des substances polluantes du courant d’eau souterraine naturel.

La barrière laisse passer l’eau souterraine (= perméable), mais retient

les substances polluantes. Les pays anglo-saxons parlent également

de Permeable Reactive Barriers (PRB). Suivant le type de barrière, les

substances polluantes peuvent être décomposées de façon microbio-

logique ou chimique ou être retenues dans la barrière. Une barrière

réactive peut être comparée à un filet de pêche. Les matières pol-

luantes sont les poissons qui sont extraits de l’eau.

Une barrière réactive est une technique passive, qui est utilisée pour

maîtriser la dispersion de la contamination. Une barrière ne permet pas

un traitement actif de la source de la contamination.

Le principe d’une barrière réactive

Zone non saturée

Eau souterraine

Panache

Source

Barrière de fer réactif perméable

1110


Les premières études sur les barrières réactives viennent des Etats-

Unis et du Canada et datent de la fin des années 80. La contamination

des sols faisait alors l’objet d’une prise de conscience de plus en plus

aiguë. Le besoin d’une solution durable et étendue se faisait ressentir.

Après que l’Université de Waterloo (Gillham& O’Hannesin, 1994) ait

breveté et mis au point la méthode du fer à valence zéro (Fe0) pour la

déchloration de composés organochlorés volatils, l’utilisation de fer

granulé s’est fortement développée. Depuis, d’autres matériaux sup-

ports ont été identifiés, mais le fer granulé reste l’application la plus

fréquente. Dans une barrière de fer, une partie de la matrice du sol

est remplacée par de la matière réactive, contrairement aux barrières

biologiques ou aux zones réactives, où la matière originale du sol est

utilisée.

Les barrières biologiques sont apparues dans la deuxième moitié

des années 90. Beaucoup de contaminations peuvent être décom-

posées microbiologiquement en produits résiduaires non toxiques

si les conditions sont adéquates. Comme ces réactions ont lieu dans

l’eau souterraine (les réactions microbiologiques sont des réactions

d’oxydoréduction « hydriques », contrairement au fer réactif, où

même la matrice de fer joue un rôle dans la production des compo-

sants nécessaires à la dégradation), la matrice du sol ne doit pas être

remplacée et l’injection d’adjuvants à l’eau souterraine peut suffire. Il

n’est donc plus nécessaire de creuser une tranchée à grande profon-

deur. Le forage de sources verticales suffit pour l’apport d’adjuvants

et, ensuite, pour la création d’une zone biologiquement activée dans le

sol d’origine.

Les barrières de fer et les barrières biologiques ont en commun le fait

que l’eau souterraine contaminée pénètre la barrière et qu’elle est (en

grande partie) épurée lorsqu’elle en ressort. En raison de la présence

de l’eau souterraine dans la zone réactive, les processus ont le temps

de convertir, lier ou décomposer les contaminations.

La différence entre les barrières de fer et les barrières biologiques

réside dans la mise en place et l’entretien. Dans le cas d’un écran de

fer, le fer granulé doit être placé dans le sol au moyen d’une tranchée.

Cela nécessite souvent des investissements conséquents. L’installation

n’a ensuite besoin d’aucun entretien. Une barrière biologique, par

contre, demande peu d’investissement, mais elle requiert un moni-

toring régulier et une correction de la microbiologie. L’exploitation

d’une barrière biologique est donc plus coûteuse.

A l’aide de ce que l’on appelle un système « funnel and gate » (enton-

noir et barrière), le courant d’eau souterraine contaminée peut être

dirigé vers une zone plus étroite et plus facile à contrôler. Dans cette

zone, ou « gate », la matière réactive est apportée ou la biologie est

stimulée. L’avantage réside dans le fait que la matière réactive ne

représente qu’un investissement limité. Dans le cas des barrières

biologiques, la zone qui doit faire l’objet d’un monitoring et d’un suivi

est plus petite.

13


2 Quels sont les différents types de barrières ?

2.1 Dans quelles situations les barrières sont-elles utilisées ? Le principe de base de toutes les barrières est que les matières pol-

luantes sont transportées par le courant naturel de l’eau souterraine

vers la barrière, ce qui fait de cette application une technique passive.

Contrairement aux techniques de traitement plus actives, le trans-

port de la contamination vers les substances qui doivent assurer la

dégradation (réactifs, nutriments, etc.) ne nécessite pas d’énergie. Ce

principe de base signifie que des barrières peuvent être placées dans

une contamination à différents endroits et dans différents buts et que

diverses formes d’application peuvent être envisagées.

1. Séparation entre source et panacheBeaucoup de situations se caractérisent par une zone de source

contenant du produit pur, qui se mobilise fortement sous forme

d’un panache dans l’eau souterraine. En même temps, il est difficile

d’éliminer la source parce que la zone de la source est urbanisée ou

parce que le traitement est techniquement difficile (par exemple dans

le cas de couches drainantes). Si le panache se décompose naturelle-

ment ou est activement traité, une barrière réactive peut être mise en

place pour limiter l’écoulement de la contamination vers le panache,

sans devoir éliminer la zone source. Voir les illustrations sur la page

de gauche.

2. Barrière à l’avant du panacheIl arrive que la distance entre la contamination et une cible vulnérable

(ou la propriété de tiers) soit limitée, alors que la source de la conta-

mination n’est pas traitée, par exemple parce que la contamination

se trouve sous une zone urbanisée ou à une profondeur importante

(ou parce que le traitement est très coûteux). Des mesures doivent

néanmoins être prises pour empêcher la dispersion. Dans ce cas, une

barrière réactive peut être placée à l’avant du panache.

Barrière réactive

Barrière réactive

Captage d’eau potable

Barrière réactive

Réductif Oxydatif

BenzèneLes barrières en aval peuvent progressivement être désactivées

Barrière réactive

Barrière réactive


Barrière réactive

Réductif Oxydatif


Barrière réactive

Barrière réactive


Barrière réactive

Réductif Oxydatif


Barrière réactive

Barrière réactive


Barrière réactive

Réductif Oxydatif


1. Séparation entre source et panache

2. Barrière à l’avant du panache

1514


3. Traitement de la contamination par segmentation du panacheLes barrières réactives sont de plus en plus souvent utilisées pour trai-

ter des panaches étendus. Si plusieurs barrières sont placées les unes

derrière les autres dans le panache, la contamination passera avec le

courant de l’eau souterraine par les barrières. La contamination est

découpée en portions. Si la distance entre les barrières est adaptée à

la vitesse de l’eau souterraine (et au retardement des substances pol-

luantes), le traitement du panache sera possible.

Barrière réactive

Barrière réactive


Barrière réactive

Réductif Oxydatif


Barrière réactive

Barrière réactive


Barrière réactive

Réductif Oxydatif


Barrière réactive

Barrière réactive


Barrière réactive

Réductif Oxydatif


4. Conversion en une forme plus facilement dégradable ou piégeage de substances limitantes

La dégradation d’une contamination en un composé non nocif pour

l’environnement n’est pas toujours possible en une seule étape. Le

HCH (lindane) doit, par exemple, d’abord être converti en chloroben-

zène ou benzène dans des conditions fortement anaérobies avant que

la dégradation (oxydative) ne soit possible. La contamination doit être

successivement (séquentiellement) guidée à travers diverses condi-

tions d’oxydoréduction.

Parfois, le milieu procure une deuxième étape adéquate (contexte

oxique ou percolation vers de l’eau de surface riche en oxygène) ; dans

d’autres cas, une succession de différentes barrières est nécessaire.

2.2 Quelles sont les différentes formes que l’on peut distinguer ?

Les différentes situations dans lesquelles des barrières réactives peuvent

être utilisées ont été abordées au paragraphe précédent. En fonction

des conditions ambiantes, une barrière réactive peut être réalisée de

différentes façons :

1. La barrière entièrement réactive (Permeabele Reactieve Barriere

(PRB)), qui consiste à remplir une tranchée continue dans le sol

de matière réactive (fer granulé, compost, tourbe, charbon actif). La

tranchée est creusée à l’aide d’une scie à roche ou par la technique

de parois moulées (voir 4.3).

2. La barrière biologique ou zone biologiquement activée. L’injection

d’adjuvants (donneur d’électrons/accepteur d’électrons, nutriments)

« active » le sol d’origine afin de permettre la dégradation naturelle

(stimulée) ou la précipitation/immobilisation de la contamination.

La dégradation peut être aérobie ou anaérobie. Il existe 3 modes

d’exécution :

1. Injection de gaz ou d’air comprimé ;

2. Dosage de substrat ;

3. Barrière d’électrodes (électrobio).

3. Funnel and gate (entonnoir et barrière) : Il s’agit de la combinaison

d’une barrière de génie civil fermée (rideau de palplanches, paroi

moulée en bentonite, paroi moulée dans le sol, film) sous la forme

d’un entonnoir, par lequel l’eau souterraine contaminée est ache-

minée vers les ouvertures dans la paroi. Un réacteur, une barrière

biologique ou une substance réactive (par exemple du fer granulé)

peuvent être placés dans ces ouvertures.

17


Comment fonctionnent les barrières réactives ?

3.1 Pour quelles contaminations a-t-on recours à des barrières ?

En principe, des barrières réactives sont disponibles pour toutes les

contaminations mobiles. Le principe « funnel and gate » avec du

charbon actif dans l’ouverture convient, par exemple, à pratiquement

toutes les substances polluantes.

Le type de barrière à mettre en œuvre peut être déterminé sur la base

des propriétés physico-chimiques d’une substance et des mécanismes

de dégradation connus pour une substance donnée ou un groupe de

substances donné. Les mécanismes réactifs sont la conversion biolo-

gique en présence ou non d’oxygène, la précipitation de sels métal-

liques dans des conditions réductrices ou l’élimination physique dans

l’eau souterraine par adsorption sur le carbone organique.

Les applications les plus courantes sont les suivantes :

Réduction COVCl, Chlorobenzène, Barrière biologique anaérobie,

microbiologique nitrate, sulfate Barrière de tourbe ou de

compost1

Réduction chimique COVCl, Chlorobenzène, Barrière de fer

nitrate, sulfate

Dégradation anaérobie BTEX Barrière biologique anaéro-

microbiologique bie2 avec nitrate/sulfate

Oxydation microbio logique BTEX, styrène, HAP Barrière biologique aérobie

(minéralisation) légers et huile légère ou Barrière d’air comprimé

Précipitation et/ou Métaux Barrière biologique

réduction de métaux anaérobie Barrière de fer

Adsorption Pratiquement toutes les Charbon actif, Barrière de

substances tourbe ou de compost1

Principe de décontamination Substance polluante Type de barrière

1 Éventuellement avec ajout de copeaux de bois, mais encore peu utilisée/incertaine.2 Généralisation pendant ces dernières années, mais pas encore utilisée dans des

configurations avec barrières.

3

1918


être impliquées. Pour la substitution complète et successive de chlore

par de l’hydrogène jusqu’à de l’éthène (voir le schéma ci-dessous :

déchloration réductive), seule une souche est connue, la Dehalococcoïdes

ethenogenes. D’autres souches capables de décomposer PER en CIS sont

connues. Plusieurs mécanismes décomposant cis en CO2 (minéraliser)

sont également connus.

Le principe de la déchloration réductive est applicable à plusieurs

composés chlorés tels que les chlorobenzènes, les chlorophénols et les

HCH. Une déchloration réductive a également lieu avec des compo-

sés plus complexes tels que les PCB et les dioxines, mais la vitesse de

réaction peut être dans ce cas « très rapide » ou « très lente » selon la

structure exacte des composés.

Des substrats souvent utilisés pour la stimulation de la déchloration

réductive sont les suivants :

Substrat Avantages Inconvénients

Mélasse (sirop de sucre) Éprouvée, action assez Visqueux, plus difficile

longue à mettre en œuvre,

risque d’obstruction

Protamylasse (produit Éprouvée, action assez Composition variée,

résiduaire fécule de longue, contient matière en suspension,

pomme de terre) des nutriments risque d’obstruction

Lactate, acétate Agit rapidement, Coûteux, ne contient pas

facile à mettre en œuvre de nutriments, rapidement

sans effet

Méthanol Très facile à mettre en Rapidement sans effet

oeuvre, rapide

CV éthène éthane

Il existe d’autres applications ou développements. Le tableau en couver-

ture donne un aperçu plus complet et détaillé. Ce tableau distingue les

techniques éprouvées dans la pratique des techniques qui sont encore

en cours de développement.

En outre, les concentrations de la contamination sont un facteur

important dans l’évaluation de l’applicabilité d’une barrière. Dans le

cas d’une zone source, l’implantation dans du produit pur, ou dans des

concentrations qui vont dans ce sens, doit être évité. Le fonctionnement

de pratiquement tous les types de barrières est alors insuffisant, tandis

que l’émission n’est pas réduite. Des concentrations élevées de conta-

mination sont en effet déjà présentes derrière la barrière. Dans ce cadre,

la notion de « raisonnablement applicable » signifie que le traitement

doit être raisonnablement réalisable du point de vue économique et

pratique et qu’il doit donc avoir un rendement environnemental suffi-

sant. Une barrière de charbon actif pour une contamination présentant

des concentrations élevées n’est pas raisonnablement applicable, dans la

mesure où le charbon actif doit, dans ce cas, être trop souvent remplacé

ou régénéré. En principe, les techniques in situ habituelles peuvent éga-

lement être utilisées dans une configuration linéaire. Comme le recours

à la technique des barrières constitue, par définition, une technique de

maîtrise et qu’elle doit donc être maintenue sur une période de temps

prolongée, seules des techniques in situ extensives conviennent. Les

techniques habituelles d’élimination de la source, telle que l’oxydation

chimique avec réactif de Fenton ou « six phase heating », consomment

beaucoup de matières premières ou d’énergie, les applications prolon-

gées se traduisant par des coûts d’exploitation (trop) élevés.

3.2 Explication des principaux principes de fonctionnement

3.2.1 Dégradation microbiologique de COVCl en milieu anaérobieLes étapes de dégradation des COVCl les plus connus, PER et TRI, ont

été étudiées de manière intensive et sont largement connues. Dans le

cahier COVCl (Nipshagen 2007), la dégradation est exposée en détail.

Le principe de base repose sur l’ajout de matière organique complexe, le

donneur d’électrons. La conversion de matière organique en hydrogène

est un processus microbiologique dans lequel plusieurs souches peuvent

2120


Réduction directe à la surface du métal

Réduction par Fe

Réduction par gaz d’hydrogène

1. Transfert direct d’électrons de Fe0 vers le composé chloré RCl, ce

qui permet le remplacement du chlore par de l’hydrogène (par

exemple du CV devient de l’éthène C2H

3C

l -> C

2H

4).

2. Oxydation du fer à valence zéro avec de l’eau en hydrogène et en

Fe2+. La suite de l’oxydation en phase aqueuse de Fe2+ en Fe3+ four-

nit des électrons qui facilitent le remplacement du chlore par de

l’hydrogène.

3. L’hydrogène, produit par oxydation de Fe0, réagit avec le composé

chloré, produisant du Cl- et du H+.

(Suthersan, 1997, Matherson & Tratnyek 1994)

Le choix du substrat dépend notamment des aspects suivants : chimie

des sols, vitesse d’écoulement de l’eau souterraine, composition et

concentration de la contamination. Des combinaisons sont également

utilisées en pratique afin de combiner les avantages et les inconvénients

de différents substrats, par exemple Protamylase et Méthanol.

Effet sur les conditions d’oxydoréduction et le degré d’aciditéLa déchloration réductive n’a effectivement lieu que lorsque le nitrate

et le sulfate présents dans l’eau souterraine sont réduits (ces accepteurs

d’électrons sont en concurrence avec les contaminations). L’ajout de

matière organique se traduit par une baisse du potentiel d’oxydoréduc-

tion (-150 Eh ou moins) et par la réduction de nitrate, Fe3+ et sulfate.

Si la concentration en sulfate devient inférieure à 10 mg/l (le nitrate a

alors entièrement disparu), le composé chloré deviendra un accepteur

d’électrons pour les microorganismes. Dans le cas de concentrations en

sulfate plus élevées, une déchloration reste possible, mais est rarement

observée. La fermentation de la matière organique aboutit à la forma-

tion d’acides gras et le processus de déchloration réductive produit du

H+ et du Cl-. Cela entraîne alors une baisse du pH. Si le pH devient

inférieur à 5 - 5,5, l’activité microbiologique est alors fortement ralen-

tie. Dans le cas de concentrations supérieures et d’un apport important

de donneurs d’électrons, le pH risque de trop baisser et la dégradation

risque de stagner.

Beaucoup de COVCl, tels que le PER et le 1,2-dichloroéthane, peuvent

être entièrement décomposés par des bactéries en milieu anaérobie.

La dégradation biologique totale de 1,1,1-trichloroéthane est possible,

mais stagne souvent à 1,1-dichloroéthane (contrairement à la dégra-

dation avec Fe0).

3.2.2 Dégradation de COVCl avec du fer à valence zéroL’Université de Waterloo a consacré de nombreuses recherches sur

le mécanisme de la déchloration réductive par du fer à valence zéro

(Fe0). Une série de réactions d’oxydoréduction est impliquée dans ce

processus, entrainant l’oxydation du fer à valence zéro (corrosion) et

la réduction du composé chloré RCI en RH. Les 3 mécanismes de base

suivants ont été décrits :

! !

!

!!

2322


3.4 Précipitation de métauxDes conditions réductrices1 apparaissent tant dans des barrières

biologiques (anaérobies) qu’en présence de fer. Dans ces conditions,

le sulfate est réduit en sulfure (SO4

2- devient S2-). Le sulfure précipite

alors sous forme de sulfure de métal avec un grand nombre d’ions

métalliques :

Les métaux suivants (qui sont les plus fréquents), peuvent entre

autres, précipiter avec le sulfure : Cuivre (Cu), Argent (Ag), Cadmium

(Cd), Plomb (Pb) et Zinc (Zn), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Fer (Fe) et

Manganèse (Mn).

Le chrome hexavalent (Cr[VI]) présente une exception car il est

réduit en chrome trivalent dans une barrière biologique ou de fer,

et se dépose ensuite sous la forme d’un précipité d’hydroxydes (au

degré d’acidité correct). L’uranium (IV) présente un comportement

comparable.

3.5 Réduction des nitrates et des sulfatesUn effet secondaire de la création de conditions fortement réduc-

trices à l’aide d’une barrière biologique ou de fer est que les accep-

teurs d’électrons dans l’eau souterraine sont réduits. Ces accepteurs

d’électrons ne sont en général pas des paramètres de contamination

pour lesquels des valeurs cibles et d’intervention ont été fixées, mais

des concentrations élevées de ces substances peuvent néanmoins être

considérées comme un effet indésirable. Cela joue en particulier un

rôle dans le cas du nitrate et du sulfate. Dans une barrière biologique

ou de fer bien conçue, dans laquelle règnent des conditions fortement

réductrices (conditions méthanogènes), les nitrates et les sulfates

sont réduits, respectivement en nitrites et sulfures.

En l’absence d’oxygène, le nitrite sera ensuite transformé en azote

gazeux (ce processus s’appelle la dénitrification et est déjà bien connu

dans la technologie des eaux usées). Le sulfure est très réactif et pré-

cipitera dans le sol ou la barrière de fer, généralement avec les métaux

présents.

1 Ces sulfures n’apparaissent pas dans une barrière d’air comprimé, qui ne convient donc pas au traitement des métaux.

Réactions spécifiques et précipitations dans du ferDes baisses du potentiel d’oxydoréduction ont été mesurées dans des

barrières de fer jusqu’à -400 mv. Contrairement aux barrières biolo-

giques, le pH dans les barrières de fer peut monter jusqu’à 9 - 10 et plus.

Suivant la chimie de l’eau souterraine, des réactions et précipitations

moins communes peuvent ainsi se produire dans les barrières de fer.

Outre divers (hydr)oxydes de fer, la conception doit également tenir

compte des carbonates (calcite, sidérite) et des sulfures (pyrite, macki-

nawite). Ces précipitations ont une influence négative sur la perméabi-

lité et sur la réactivité du fer et, donc, de la barrière.

Dans les barrières de fer, les COVCl les plus communs (PER, TRI) sont

correctement décomposés. Contrairement à la dégradation microbio-

logique pour laquelle le 1,1,1-trichloroéthane se décompose, mais la

dégradation de 1,2-dichloroéthane n’a pas encore été démontrée.

3.3 Oxydation microbiologiqueL’oxydation microbiologique ou la dégradation aérobie a lieu quand

les micro-organismes décomposent une contamination dans un sol

dans des conditions riches en oxygène. L’oxygène joue dans ce cas

le rôle d’accepteur d’électrons et la contamination celui de donneur

d’électrons. Les substances contaminées sont décomposées en dioxyde

de carbone et en eau. Les bactéries lient l’oxydation des contamina-

tions à la réduction d’oxygène et l’énergie ainsi libérée est notamment

utilisée pour la croissance cellulaire.

Les contaminations qui peuvent être décomposées de cette façon sont,

par exemple les composés aromatiques (BTEX), les fractions légères

d’huile minérale et les éthènes, éthanes et méthanes légèrement chlo-

rés (simples et doubles).

Les COVCl davantage chlorés (PER, TRI) ne peuvent pas faire l’objet

d’une dégradation aérobie. La dégradation aérobie de cis et de CV est,

par contre, possible.

! !

!

!!

! !

!

!!

25


Barrière réactive perméable

Panache

Eau traitée

Aquifère

Barrières de fer

4.1 L’exemple du ferEn principe, plusieurs matières solides réactives peuvent servir de

matière porteuse (voir tableau au paragraphe 3.1). Outre le fer, des

scories, des zéolites, du compost, de la tourbe, etc. ont également fait

l’objet d’essais. Ces applications sont encore en cours de développement

et ne sont pas souvent mises en œuvre. Presque toutes ces matières sont

des agents réducteurs sous forme solide.

Dans toutes les applications, la matière porteuse est placée dans le sol,

ce qui signifie que le sol d’origine doit être enlevé. Presque toutes les

matières porteuses connues ont une structure granulaire. La surface

réactive est un élément primordial.

Le fer à valence zéro est la matière porteuse la plus utilisée dans les

barrières réactives et est décrite plus en détail ci-après. Les barrières de

fer sont effectives grâce à la présence de grains de fer ou de granulés

réactifs. La réactivité est déterminée par :

• la surface de contact par unité de volume ;

• les processus et les protocoles de traitement (le mode

de traitement) ;

• les alliages et les contaminations dans la matière.

Il est important d’utiliser du fer pur avec plus de 95% de Fe0 et une

quantité limitée de carbone. Les granulés de fer ne peuvent posséder

qu’une couche d’oxyde minimale. Les sortes de fer qui conviennent

sont le Conelly iron aux USA et le Metalpulver de Gotthart Maier en

Allemagne.

Le Conelly iron des USA a la plus haute réactivité, mais est relativement

coûteux en raison du transport. Le fer de Gotthart Maier a la deuxième

réactivité la plus importante et est largement utilisé en Europe. Ce fer

est spécialement produit à cet effet et se caractérise par une importante

surface spécifique et une perméabilité élevée.

4

2726


Courant d’eau souterraineLa situation et la profondeur de la barrière de fer peuvent être déter-

minées sur la base de ces données. La barrière doit être suffisamment

large pour éviter que la contamination ne s’écoule sous ou à côté de la

barrière sans être épurée. La barrière doit de préférence être installée

dans une couche peu perméable. L’esquisse préparatoire ou le modèle

conceptuel doit clairement montrer que tout le panache passe à travers

la barrière, même en cas de fluctuations de la direction du courant

d’eau souterraine. Le fonctionnement de la barrière est optimal quand

la face supérieure et la face inférieure sont clairement délimitées au

moyen de couches isolantes ou au moyen du niveau d’eau souterraine.

Un plan général et des coupes transversales sont indispensables pour

un bon modèle conceptuel et une bonne compréhension de la situation.

En pratique, des barrières « suspendues » qui ne reposent pas sur une

couche peu perméable sont parfois utilisées. Dans ce cas, il est recom-

mandé que la barrière soit légèrement surdimensionnée par rapport

aux dimensions du panache. Dans certains cas spécifiques, la déclivité

de l’eau souterraine peut être augmentée (par extraction d’eau souter-

raine). La mise en œuvre de plusieurs barrières sur un site contaminé

est une option, par exemple lorsque l’élimination de la charge est un

objectif ou que la préférence est donnée à une situation définitive.

En général, les agents réactifs s’acquittent correctement de leur tâche,

mais la barrière biologique et la barrière de fer ont une influence

sur le courant d’eau souterraine. La direction du courant dépend égale-

ment d’influences saisonnières. Le bon fonctionnement d’une barrière

réactive dépend donc avant tout d’une bonne estimation et d’un bon

contrôle des écoulements des eaux, afin d’éviter que la

contamination ne passe sous ou à côté de la barrière.

Durée, réactivité et durabilité :Le paramètre déterminant pour le dimensionnement d’une barrière de

fer est la durée pendant laquelle les contaminations séjournent dans

la barrière et la durée minimale pour que la réaction de dégradation

souhaitée ait lieu (temps de rétention).

4.2 Les différents aspects de la conception

Le Modèle conceptuel de base (voir page 24)L’eau souterraine contaminée pénètre dans la barrière perméable,

réagit au contact de la matière réactive (dans le cas présent, du fer à

valence zéro) et ressort, décontaminée, de l’autre côté de la barrière.

Il est important que tout le panache passe à travers la barrière réactive

et y reste suffisamment longtemps pour que les matières polluantes

puissent être éliminées. Un modèle conceptuel permet de visualiser

l’interaction entre les principaux aspects de la conception :

• Courant d’eau souterraine, dimensions et choix de mesures

hydrogéologiques ;

• Durée, réactivité et durabilité, épaisseur et choix de la matière

réactive.

Les informations suivantes doivent également être collectées pour la

conception :

Informations nécessaires :

• Descriptionethistoriquedusite:

- Utilisation actuelle et future ;

- Informations historiques, activités et accidents ;

- Localisation des infrastructures, système de drainage

et égouts ;

• Compositiondusol:

- Profil local et régional du sol ;

- Perméabilité des couches du sol ;

- Situation de couches peu perméables et d’irrégularités ;

• Nature,localisationetétenduedelacontamination;

• Hydrogéologie,vitessed’écoulement,directionetfluctuations;

• Chimiedel’eausouterraineetconditions/couplesd’oxydoréduc-

tion en cours ;

• Comportementdedispersiondescontaminations.

Des informations détaillées et des listes de contrôle figurent dans le

manuel de l’UK-EA (Carey M.A. et al. 2002).

! !

!

!!

2928


Cette technique est relativement peu coûteuse, mais prend beaucoup

de place en surface. La présence de conduites et de câbles souterrains

peut parfois former un obstacle à sa mise en œuvre. La proximité

de constructions sensibles au tassement nécessite une approche

prudente. Le recours à une scie à roche pour la mise en place d’une

barrière de fer dans un milieu urbain peut se révéler problématique.

Le cas échéant, la problématique peut être maîtrisée par la réalisation

de sections étanches à l’aide de techniques d’injection ou de rideaux

de palplanches.

2 La réactivité de fer à valence zéro diminue dès qu’il est produit. Dans certains cas, la matière doit être mise en œuvre dans les 72 heures suivant sa production

Pour la détermination de l’épaisseur et de la composition d’une barrière

de fer, des essais en laboratoire doivent être réalisés. La composition

et le choix du fer ne pouvant plus être modifiés une fois la barrière

mise en place, ils doivent être préalablement définis avec exactitude.

Du sable et du gravier sont souvent ajoutés pour réduire les coûts. La

composition optimale en fer et en sable peut être contrôlée au moyen

de brefs essais d’agitation. Dans les essais en colonne, le mélange prévu

(ou le fer pur) est appliqué en combinaison avec de l’eau souterraine du

site. Cela permet d’obtenir des informations sur les aspects suivants :

• Composition et rendement du fer granulé (teneur en carbone/ajout

d’autres métaux) ;

• Type et quantité de sable à ajouter ;

• Produits réactionnels et précipitations possibles, durabilité de la

barrière ;

• Temps de rétention nécessaire de la contamination dans la barrière

et, donc, épaisseur de la barrière ;

• Durabilité. Le rinçage répété de la colonne donne progressivement

une idée de la durabilité d’une barrière de fer.

4.3 Installation et mise en œuvreLa profondeur et l’épaisseur de la barrière de fer découlent du modèle

conceptuel, des essais en colonne et de l’éventuelle modélisation de

l’hydrogéologie. Jusqu’à une profondeur d’environ 7 m, une scie à

roche/mortaiseuse est utilisée. Dans le cas de profondeurs plus impor-

tantes, d’autres techniques sont disponibles. Les techniques les plus

fréquentes sont abordées ici.

Scie à roche (jusqu’à 7 m de profondeur)La technique la plus utilisée est celle de la scie à roche. Les scies à

roche sont notamment utilisées pour la pose de tuyaux de drainage.

Une tranchée profonde est creusée à l’aide d’une fraise et est ensuite

remplie de matière réactive. L’opération requiert une bonne logis-

tique2. Un processus opérationnel continu est nécessaire pour assurer

une épaisseur de barrière uniforme.

Mise en place d’une barrière de fer à

Katwijk

3130


déblayé et ensuite remblayé avec du fer granulé. Cette méthode

convient tout particulièrement aux barrières de faible profondeur,

mais nécessite une main d’œuvre relativement importante et des coûts

conséquents. Les parois doivent être enlevées à l’issue du chantier ou,

dans le cas de caissons, des ouvertures doivent être apportées dans les

parois.

Mise en place avec la technique des parois mouléesUne barrière de fer peut également être réalisée à l’aide de pinces pour

parois moulées. Comme la barrière doit être étanche après la pose, la

bentonite ne peut pas être utilisée comme fluide. Des fluides biodé-

gradables sont également disponibles (biobore, guar gum, etc.). Après

l’excavation, la tranchée est remplie de fer granulé et le fluide libéré est

évacué. Le liquide présent dans la matrice de fer peut être décomposé

dans des conditions anaérobies. Une étude préliminaire sérieuse ou

des garanties solides concernant la dégradabilité du fluide de forage

sont nécessaires ; parfois, la dégradation doit être stimulée par ajout

d’adjuvants.

4.4 Exploitation et monitoringPendant la phase opérationnelle d’une PRB, les performances doivent

être suivies et fixées. Des tubes de monitoring doivent à cet effet être

placés et échantillonnés. La durée de vie de l’agent réactif est une

source d’incertitude. Dans certains cas, la formation de gaz peut

être observée (H2 dans réacteurs). Comme la vitesse d’écoulement

est souvent basse dans des situations naturelles, les indicateurs de

niveau doivent être placés à proximité de la barrière, ainsi que dans la

barrière.

Le monitoring doit permettre de déterminer :

• La baisse de contaminants ;

• L’apparition des conditions d’oxydoréduction souhaitées ;

• Le motif hydrogéologique ;

• La variation et l’évolution de la perméabilité ;

• Les processus microbiologiques.

Des études d’évaluation (Radisav, 2001) démontrent que la durée de

vie et la perméabilité sont effectivement importantes, mais que ces

Ecran étanche à pieux forésDe la matière réactive peut également être apportée à l’aide d’une

technique à base d’esserets/pieux forés (voir 6.2). Cette technique

consiste à forer le sol jusqu’à la profondeur souhaitée. Ensuite, le fer

est injecté dans le forage à travers l’axe creux de l’esseret pendant que

celui-ci remonte. Le fer est mélangé au sol restant. Le principe est mis

en œuvre avec une série d’esserets ou avec des esserets individuels, qui

sont placés suivant un motif donné. Les pieux forés doivent se chevau-

cher. Une profondeur maximale de 20 - 25 m peut être atteinte avec la

technique de l’écran étanche à pieux forés.

Par coffrage et/ou à l’aide de caissonsUne sorte de caisson est formé par la pose de parois rapprochées

(jusqu’à 1-1,5 m entre les parois) et le sol intermédiaire peut être

Pales de mélange

Troisième forage

Premier forage Deuxième forage

3332


4.5 Aspects à prendre en considération, avantages et inconvénients

Avantages Inconvénients

Robustesse :

Lorsque la barrière se trouve au bon

endroit et à l’épaisseur requise, aucun

problème ne devrait se poser.

Frais d’entretien/de maintien réduits :

En principe pas de frais après l’installation,

même le monitoring peut être fortement

réduit après un certain temps.

Action prolongée :

Selon l’épaisseur de la barrière, la durée de

vie du fer et la charge à éliminer, la durée

de vie d’une barrière peut atteindre

plusieurs dizaines d’années.

Durable :

Pas de consommation d’énergie,

pas de déchets, etc.

Pas flexible, sensible à l’hydrogéologie :

La barrière est difficile à adapter si les

circonstances changent.

Frais de mise en place élevés :

Matières premières coûteuses et frais des

techniques d’ingénierie civile dépendant

de la profondeur de la PRB.

Limitations des possibilités d’application :

Difficile à utiliser dans des zones fortement

urbanisées. L’installation devient rapide-

ment plus coûteuse et complexe au fur et

à mesure que la profondeur augmente.

Expérience limitée aux Pays-Bas :

2 barrières de fer ont été placées aux

Pays-Bas, contre 125-150 dans le reste

du monde.

facteurs ne sont pas décisifs pour la réussite d’une PRB. La mauvaise

estimation de l’influence de l’hydrogéologie, (et donc de la zone de

pénétration de la barrière), et du temps de rétention dans la barrière

sont les principaux facteurs du non-fonctionnement des PRB. Un

autre aspect à prendre en compte est l’hétérogénéité existante sur l’axe

vertical. Les concentrations maximales de la contamination sont sou-

vent sous-estimées de quelques facteurs si l’on se base sur des mesures

réalisées à une profondeur unique.

34 35

Après l’installation, les coûts énergétiques liés à la conservation du

système sont nuls. La vitesse d’écoulement de l’eau est l’énergie natu-

relle du système. En comparaison avec d’autres traitements, les coûts

sont ainsi réduits de 30 à 50 %.

L’utilisation d’une barrière de fer de cette façon est, jusqu’à présent,

unique sur le marché néerlandais de dépollution de sols. La technique,

qui est donnée en licence par EnviroMetal Technologies Inc. (ETI)

au Canada, est à présent utilisée dans le monde entier sur plus 100

chantiers. Il a été établi que le premier projet de référence fonctionne

correctement depuis environ 15 ans.

Sur le site d’une ancienne station de rinçage de fûts, l’eau souterraine

est contaminée par des hydrocarbures chlorés. A environ 100 mètres

en aval du site se trouve un complexe de jardins populaires qui est

menacé par cette contamination. Les valeurs d’intervention pour le

cis-1,2-dichloroéthène et le chlorure de vinyle sont dépassées dans

l’eau souterraine jusqu’à une profondeur d’environ quatre mètres.

Une mesure administrative a été prise en conséquence afin d’éviter la

dispersion de la contamination et de protéger le complexe de jardins

populaires.

La mise en place d’une barrière de fer permet à présent de protéger le

complexe de l’infiltration d’hydrocarbures chlorés. Les barrières de fer

se prêtent idéalement à l’élimination d’hydrocarbures chlorés tels que

PER et TRI. La barrière de fer permet de délimiter la contamination.

Une des particularités de cette barrière de fer est le fait qu’elle est

entièrement remplie d’un mélange de fer granulé réactif et de sable.

La barrière de fer a été placée pendant l’été 2006. Pour l’installation

de la barrière de fer, une mortaiseuse a réalisé une tranchée de 5,5

mètres de profondeur, 30 centimètres de large et 180 mètres de long.

Au moyen d’un entonnoir, la tranchée a été remplie d’un mélange de

sable et de fer granulé sur 120 mètres, formant ainsi la barrière. Un

film de 30 mètres a été placé dans les flancs de la barrière de fer afin

de limiter la quantité de fer granulé. Le fer granulé utilisé est dans sa

forme pure. Dès que les hydrocarbures chlorés entrent en contact avec

le fer, une réaction se produit et les substances sont transformées en

substances non toxiques. A une profondeur de 5,5 mètres, la barrière

est reliée à une couche d’argile peu perméable, qui ferme le bas de la

barrière. La quantité de fer requise a été déterminée en amont sur la

base des résultats d’un essai en colonne en laboratoire et d’une étude

sur le terrain portant sur la vitesse d’écoulement de la nappe et sur les

concentrations des contaminants présents dans l’eau souterraine.

Réalisation d’unebarrière de fer réactive

Contamination COVCl

Aile latéraleBarrière de fer

Potagers

37


Barrières biologiques ou zones activées

Une barrière biologique est un tronçon du sol naturel, perpen-diculaire à la direction de la dispersion de la contamination de l’eau souterraine, dans lequel l’injection d’un substrat (ou d’un agent réactif) crée dans le sol des conditions qui per-mettent ou amplifient la dégradation de contaminations.

5.1 Anaérobie ou aérobie ?Une barrière biologique anaérobie, généralement axée sur la dégrada-

tion de composés chlorés par déchloration réductive, a pour objectif

la création d’un milieu fortement réducteur (conditions sulfatoréduc-

trices à méthanogènes dans et juste derrière la barrière). Une barrière

aérobie, généralement axée sur la dégradation de BTEX, de fractions

d’huile légères et d’hydrocarbures légèrement chlorés tels que du

chlorure de vinyle, a pour but de créer un milieu oxydant dans la bar-

rière. La dégradation anaérobie de BTEX avec du nitrate ou de sulfate

est de plus en plus utilisée, mais n’est pas abordée ici. L’application est

comparable à celle de barrières biologiques anaérobies pour COVCl, la

différence essentielle concerne les adjuvants utilisés.

Les exigences liées à la conception de barrières biologiques sont expo-

sées à partir de deux exemples :

1. Barrière biologique anaérobie par recirculation et dosage ;

2. Barrière biologique aérobie par injection d’air.

5.2 Conception

5.2.1 GénéralitésUn modèle conceptuel horizontal et vertical est également nécessaire

pour des barrières biologiques. (Voir également le paragraphe 4.2 du

chapitre des barrières de fer pour les aspects liés à la conception et les

informations requises.)

L’effet de traitement d’une barrière biologique dépend de la régularité

5Zone réactive

3938


mélange du carbone pouvant encore être utilisé sans que le pH ne

baisse de façon inacceptable.

La durabilité d’injections et le délai auquel les injections doivent être

répétées peuvent également être déduits d’expériences en laboratoire,

mais doivent être confirmées par des essais ou par un monitoring

intensif pendant la phase de démarrage de la barrière biologique.

Courant d’eau souterraine et mélangeConformément aux aspects à prendre en compte dans le cadre des

barrières de fer, il va de soi que la direction du courant d’eau souter-

raine doit être connue. Outre les aspects évoqués pour les barrières

de fer, le mélange d’additifs à l’eau souterraine joue un rôle essentiel.

Plusieurs principes sont disponibles pour les barrières anaérobies :

1. Injection dans des filtres verticaux et mélange par dispersion ;

2. Recirculation perpendiculaire à la direction du courant d’eau

souterraine et ajout de matières ;

3. Recirculation verticale ;

4. « Reprise » du courant d’eau souterraine et infiltration en aval ;

5. Eléments d’injection horizontaux

à laquelle des additifs sont (doivent être) ajoutés. Si l’injection cesse,

les conditions de l’eau souterraine finiront par revenir à la situation de

départ. En ce sens, la barrière biologique n’est donc pas une barrière

passive ; elle dépend en outre de la précision avec laquelle les condi-

tions adéquates sont maintenues. Le fonctionnement d’une barrière

biologique dépend également de l’efficacité avec laquelle les additifs

peuvent être mélangés à l’eau souterraine. Les barrières anaérobies et

aérobies diffèrent en ce qui concerne la nature des conditions requises

et la façon dont les additifs sont ajoutés.

5.2.2 Barrière biologique anaérobie

Atteinte et maintien des conditions adéquatesL’objectif d’une barrière biologique anaérobie est de transformer

l’écologie microbiologique en populations sulfatoréductrices ou

méthanogènes par l’injection d’un donneur d’électrons (en général

du carbone dégradable, désigné ci-après par « substrat »). Si l’ajout de

ce donneur d’électrons est supérieur à l’apport naturel d’accepteurs

d’électrons tels que l’oxygène et le nitrate, les conditions de la dégra-

dation microbiologiques seront favorables. Le fait que la dégradation

a ensuite lieu signifie qu’une zone microbiologiquement activée ou

réactive est présente.

Une bonne caractérisation géochimique de l’eau souterraine est

indispensable : quelles sont les conditions d’oxydoréduction dans

l’eau souterraine entrante ? Les conditions d’oxydoréduction peuvent-

elles facilement être obtenues ? Combien de substrat doit-on ajouter

pour vaincre les conditions naturelles ? Y a-t-il déjà une dégradation

naturelle sur place ou, en d’autres termes, les processus souhaités et

populations bactériennes souhaitées sont-ils déjà présents ? A cet effet,

les tendances, les produits de dégradation, les isotopes stables, les

micro-organismes, etc. peuvent être pris en compte. Dans certaines

applications, le pouvoir tampon du sol est également important, en

particulier en ce qui concerne la sensibilité des bactéries à un degré

d’acidité faible. S’il existe des doutes quant à une baisse inacceptable

du pH par l’injection de la source de carbone, il est recommandé de

déterminer en laboratoire le pouvoir-tampon de la matrice du sol.

Cette étude en laboratoire va permettre de déterminer le rapport de

4140


réductive). Comme la source de carbone se décompose lentement et

qu’elle s’écoule avec l’eau souterraine, une zone réactive apparaît en

aval des puits d’injection. Cette zone réactive contient suffisamment

de carbone pour permettre les processus de dégradation. Plusieurs

alignements d’injection dans une zone de panache peuvent assurer un

traitement actif d’un panache.

En pratique, la diffusion et la dispersion de substrat injecté perpen-

diculairement à la direction du courant de l’eau souterraine sont limi-

tées. Le mélange du substrat à l’eau souterraine est passif et ne peut

pas être corrigé. Ce phénomène est souvent négligé dans l’installation

de barrières biologiques avec des puits d’injection, se traduisant par

le maintien d’une distance trop importante entre ces puits. Pour éviter

que des contaminations non traitées ne passent le long des points

d’injection, la zone d’influence d’un puits doit être estimée avec réa-

lisme et surdimensionnée.

Pour 2 : Recirculation perpendiculaire au courant d’eau souterraine

Une forme plus active de mélange permettant une distribution plus

favorable des additifs consiste à faire recirculer de l’eau souterraine

perpendiculairement à la direction du courant. Comme le pompage

coûte de l’énergie, la barrière n’est plus à strictement parler « passive »

; on parle alors de barrière semi-passive.

Pour 1: Dispersion

Dans la forme la plus simple de la barrière biologique anaérobie, le

mélange entre l’eau souterraine et le substrat est passif. Il s’agit de bar-

rières biologiques où une source de carbone (par exemple un mélange

de sucres dégradables et d’eau) est ajoutée à l’eau souterraine per-

pendiculairement à la direction d’écoulement d’une contamination

par l’intermédiaire de puits d’injection. Le substrat doit se mélanger

à l’eau souterraine par dispersion et diffusion. Un point d’injection

se compose souvent de plusieurs puits à différentes profondeurs de

l’aquifère, de façon à couvrir ainsi une zone verticale plus impor-

tante. Le degré de couverture dépend de la distance horizontale entre

les puits d’injection et de la dispersion. En aval des puits d’injection

apparaissent des panaches de matière organique, qui doivent finale-

ment se chevaucher.

Filtre d’extraction

Puits d’injection

Flux d’eau souterraine

L’injection peut se faire de façon (presque) continue ou discontinue,

suivant la vitesse du courant d’eau souterraine, l’afflux de contami-

nation et les vitesses de dégradation. La matière organique injectée

est fermentée, de l’hydrogène moléculaire se forme pour servir

d’éventuel donneur d’électrons, les conditions d’oxydoréduction

changent et les contaminations sont décomposées (par déchloration

! !

!

!!

Zone réactive

4342


La dispersion perpendiculaire aux filtres dépend de la stratification du

sol. La technique n’est fructueuse que si la localisation des puits est

soigneusement choisie.

L’eau souterraine est extraite d’un puits vertical, enrichie à l’aide

d’additifs puis réinjectée dans la nappe à l’aide d’autres puits verticaux

situés dans le même alignement. L’extraction et l’infiltration actives

créent un courant d’eau souterraine perpendiculaire au courant natu-

rel. Une zone homogène peut ainsi être obtenue. La distance entre les

puits d’un alignement peut être augmentée sans courir le risque que

des contaminations non traitées passent par la barrière. Le débit de

pompage dépend de la vitesse naturelle du courant d’eau souterraine

; dans la plupart des cas, l’atteinte d’un mélange suffisant ne nécessite

que peu de pompage actif. Il est recommandé de doser les additifs par

impulsions, au début d’une période de pompage. Cela permet d’éviter

que des additifs puissent rester dans le filtre d’injection et l’obstruer.

La pratique a démontré que, malgré les impulsions, le dosage permet

un mélange suffisant, probablement en raison du retardement des

additifs par rapport à l’eau souterraine.

L’extraction répétée d’eau souterraine déjà stimulée peut obstruer les

filtres. Une forte croissance bactériologique et la formation de sulfures

peuvent faire apparaître de la matière en suspension, qui s’accumule

dans des puits de captage et d’injection et risque de les obstruer. Une

conception qui extrait uniquement de l’eau souterraine d’origine (non

traitée) est plus robuste.

Pour 3 : Recirculation verticale

Ce principe est comparable à la recirculation horizontale, à ceci près

que l’eau souterraine est extraite à l’aide d’un puits vertical et qu’elle

est réinfiltrée dans un ou plusieurs puits d’injection verticaux à

d’autres profondeurs, mais au même endroit. Les additifs sont ajoutés

au courant d’eau. La distance verticale entre les puits peut ainsi être

augmentée en un seul point. Néanmoins, la dispersion horizontale de

la contamination dépend fortement de la stratification du sol.

Filtre d’extraction

Puits d’injection

Eau souterraine contaminée

! !

!

!!

! !

!

!!

4544


Pour 5. Puits d’injection horizontaux

Une application moins fréquente des puits d’injection est la forme ho-

rizontale, souvent employée pour des formes de drains. Un drain peut

être placé dans le sol par forage horizontal ou par creusement d’une

tranchée. Ce type d’application convient surtout aux situations où la

surface du sol au-dessus de la contamination est difficilement acces-

sible ou lorsque la contamination s’étend sur une surface importante.

Cette variante ne convient généralement pas aux contaminations plus

profondes ; plusieurs drains doivent alors être superposés pour que la

partie contaminée de l’aquifère puisse être traitée. Cette configuration

permet d’obtenir le même principe que le principe 3. L’extraction et

l’infiltration à des niveaux différents aux mêmes endroits permettent

de disperser le substrat selon l’axe vertical. Le problème de l’injection

par des drains est qu’il est difficile de vérifier si le substrat injecté

quitte le drain au bon endroit. Comme un fluide injecté suit le chemin

de la moindre résistance, il est difficile de contrôler si le substrat

pénètre également l’aquifère depuis l’ « extrémité » du drain. La perte

de pression sur la longueur du drain joue également un rôle. Dans le

cas de puits verticaux, le problème se pose moins puisque la longueur

du puits est souvent beaucoup plus courte.

Pour 4.: « Reprise » dans la direction du courant d’eau souterraine

Des problèmes d’obstruction dans la recirculation horizontale suivant

le principe 2 ont donné lieu à une autre forme de captage actif et

d’infiltration. Dans cette application, l’eau souterraine est extraite

d’un puits vertical, mélangée à un substrat et réinjectée en aval.

Comme le puits d’extraction et le puits d’infiltration se trouvent à

une certaine distance, l’eau souterraine traitée n’est plus extraite. Les

composants en suspension qui apparaissent dans le cadre de processus

microbiologiques ne sont plus extraits et le risque d’obstruction du

puits se trouve ainsi réduit. (Hoekstra et al. 2005). Le débit de pom-

page doit être adapté au courant naturel de l’eau souterraine. Un point

de monitoring entre les puits permet d’éviter qu’une dispersion d’eau

souterraine active trop importante n’apparaisse en aval.

Puits d’extraction

Puits d’injection

Injection

Captage

4746


à l’eau souterraine au moyen de systèmes automatisés ou manuels.

Le présent paragraphe aborde les différents modes d’exécution des

puits d’injection. Il convient de distinguer les puits d’injection

horizontaux et verticaux. Les Pays-Bas ont beaucoup d’expérience

dans la pose de puits. La grande majorité des barrières biologiques se

compose de dispositifs d’injection verticaux. Ces puits sont constitués

par le forage d’un trou à la profondeur désirée3.

5.4 Exploitation et monitoring

L’injection du substratL’exploitation d’une barrière biologique consiste à injecter pério-

diquement du substrat au moyen du système d’injection décrit aux

paragraphes précédents. Cette injection peut se faire avec un système

automatisé composé de plusieurs puits d’injection reliés à une unité de

commande par un manifold. L’unité de commande se compose princi-

palement d’une pompe de dosage (pour ajouter le substrat au courant

d’eau), d’une pompe à injection (pour injecter le mélange dans le sol)

et d’un ordinateur pour effectuer les injections aux moments prévus et

dans l’ordre indiqué. Des réservoirs-tampons et de stockage, des vannes

et des clapets, des pressostats, etc. sont également nécessaires. L’eau à

injecter peut être extraite sur place ou de l’eau potable peut être utilisée

(par exemple à l’aide d’une borne d’incendie). La source de carbone est

stockée sur place sous forme diluée ; la livraison périodique de source

de carbone reste néanmoins nécessaire dans la mesure où la plupart des

sources ont une durée de conservation limitée.

L’injection manuelle périodique peut être une alternative à un système

automatisé. L’agent à doser (par exemple un mélange de mélasse et

d’eau) est acheminé vers le site dans un rapport de mélange donné (par

exemple avec un camion-citerne), les puits d’injection sont reliés un à

un ou à plusieurs en même temps et le substrat est injecté dans le sol.

Dès que la quantité souhaitée est injectée, le puits est désaccouplé et les

suivants sont traités.

5.2.3 Barrière biologique aérobieIl va de soi que l’objectif d’une barrière aérobie est diamétralement

opposé à celui des objectifs évoqués ci-dessus. Dans le cas d’une bar-

rière aérobie, le but est de créer un milieu oxique, axé sur l’augmenta-

tion de la concentration d’oxygène dans l’eau souterraine.

L’augmentation de la concentration d’oxygène est nécessaire parce que

l’oxygène sert d’accepteur d’électrons dans les barrières biologiques

aérobies (la contamination servant de donneur d’électrons).

Les exemples les plus connus de barrières

biologiques aérobies sont les barrières

d’air comprimé, dont le mécanisme de

décontamination va plus loin que la

simple biodégradation, les contamina-

tions étant également dégazées de l’eau

souterraine. Dans la plupart des cas, les

barrières d’air comprimé font appel à

des puits verticaux. L’installation et la

construction de puits d’injection pour le

dosage d’air sont comparables à l’ins-

tallation et à la construction de puits

d’injection pour fluides, à ceci près que

les puits à air comprimé se contentent

généralement de diamètres inférieurs.

De plus, l’air injecté s’échappera vers

la surface du sol, ce qui signifie qu’une

zone d’influence (en particulier verticale)

beaucoup plus importante que dans le cas

de l’injection de fluides peut être réalisée.

La profondeur maximale d’un puits à air

comprimé ne dépend pas tant de la profondeur de forage maximale que

de la pression hydraulique qui doit être surmontée.

5.3 Installation et mise en œuvreLe principe de base des barrières biologiques est que le substrat est

placé avec des puits d’injection dans le sol d’origine. L’injection est

généralement discontinue. Des adjuvants sont ajoutés périodiquement

3 Il existe de nombreuses méthodes de forage, chacune présentant des avantages et des inconvénients. Ce guide n’a pas pour objectif de réaliser une analyse complète de ces méthodes. Pour plus d’informations sur celles-ci, vous pouvez vous référer à «Ground-water and Wells » , de Fletcher Driscoll.

4948


Avantages : Inconvénients :

Il va de soi que la main d’œuvre est beaucoup plus importante dans le

cas d’une injection manuelle que dans le cas d’un système automatisé.

Par contre, un système automatisé nécessite non seulement un inves-

tissement souvent conséquent, mais également un entretien périodique

(par exemple l’appoint régulier de fûts de stockage). Le choix de la

source de carbone et sa « durée de vie » dans le sol jouent un rôle.

MonitoringComme dans le cas d’une barrière de fer, les performances doivent

être suivies et fixées pendant la phase opérationnelle d’une barrière

biologique. Des tubes de monitoring doivent à cet effet être placés et

échantillonnés.

Le monitoring doit permettre de déterminer :

• La baisse de contaminants ;

• L’apparition des conditions d’oxydoréduction souhaitées ;

• Le motif hydrogéologique ;

• La variation de la perméabilité ;

• Les processus microbiologiques.

Deux types de monitoring sont importants pour une barrière biolo-

gique :

« Monitoring de processus » pour suivre la dispersion du substrat et

la formation de la zone réactive. Sur la base de ces informations, la puis-

sance et la fréquence de l’injection d’excipients peuvent être adaptées.

Ces routines de monitoring sont moins importantes une fois que le sys-

tème est en marche et que les effets de la technique deviennent visibles

dans les échantillons d’eau souterraine prélevés dans la zone traitée. Le

monitoring de processus repose sur un ensemble d’analyses aussi limité

que possible.

« Monitoring évolutif » pour déterminer l’efficacité du traitement, Le

monitoring évolutif apporte la preuve que le système traite les conta-

minations. Des tubes de monitoring (pas de puits d’injection) dans

différentes parties de la zone à assainir ou à différentes distances en aval

de la zone d’injection sont sélectionnés à cet effet. Pendant le monito-

ring en routine, les contaminations, les produits de la dégradation et les

Expérience aux Pays-Bas :

Plusieurs barrières biologiques sont en cours

d’utilisation aux Pays-Bas, où il existe une

vaste expérience dans le domaine du traite-

ment biologique des sols.

Flexibilité :

La barrière peut être facilement agrandie

ou adaptée en fonction de circonstances

changeantes, par mise en place de puits

supplémentaires ou par changement du

débit et du substrat

Coûts d’investissement limités :

Une barrière biologique ne se compose

que de quelques puits, de pompes et d’une

installation de dosage. Les substrats ne sont

généralement pas très coûteux.

Applicable partout :

Des barrières biologiques peuvent être

réalisées sur pratiquement tous les sites et

jusqu’à des profondeurs importantes.

Rayonnement dans zone de panache :

L’activité biologique et les conditions se

déplacent dans le panache avec le courant

d’eau souterraine. Le panache est traité plus

rapidement.

Robustesse moindre :

La continuité de l’action de la microbiologie

n’est pas garantie. La microbiologie peut

s’immobiliser à la suite de modifications

du pH ou de carences en nutriments. Le

monitoring est essentiel.

Exploitation et monitoring permanents :

Une barrière biologique doit faire l’objet

d’un monitoring et de corrections en per-

manence. Ce suivi permanent entraîne des

coûts d’exploitation plus élevés que ceux

d’une barrière en fer.

Obstructions et régénération :

La croissance bactérienne et des préci-

pitations de sulfure peuvent entraîner

l’obstruction du puits. La régénération est

nécessaire, mais pas toujours possible.

Sensible à des concentrations

supérieures :

Du produit pur et des concentrations indi-

quant du produit pur peuvent être problé-

matiques pour des barrières biologiques.


indicateurs de transformation (tels qu’éthène, éthane et méthane dans

le cas d’une déchloration réductive) sont analysés.

50 51

A l’endroit d’une ancienne laverie industrielle, des fuites de

perchloroéthène (PER) ont provoqué une contamination du sol.

La laverie a exercé ses activités pendant 75 ans. La zone contami-

née s’étend sur environ 75 000 m2 et atteint une profondeur de

50 mètres sous le niveau du sol.

La zone non profonde de la source a fait l’objet d’une excavation

en 2001. Un traitement temporaire à base de biodégradation in situ

a ensuite été mis en œuvre. Cette mesure a été retenue parce qu’il

y avait déjà de la dégradation naturelle. La déchloration réductive

anaérobie de PER et TRI a été stimulée par l’injection d’une source de

carbone. La mesure temporaire a été clôturée avec succès après envi-

ron un an, une réduction significative de la masse de contamination

ayant été réalisée. Dans l’eau souterraine, des conditions favorables à

la dégradation de COVCl ont été créées. Les informations de la mesure

temporaire ont été utilisées pour concevoir l’application « grandeur

nature » de la déchloration réductive stimulée sur ce site. Pour un

traitement grandeur nature, le choix s’est porté sur une application

à plusieurs barrières biologiques anaérobies, le panache étant «

découpé » à trois endroits. Les barrières biologiques ne s’inscrivent

pas dans une mesure de maîtrise, mais dans une mesure de traitement

du panache. Étant donné le caractère fortement urbanisé du site,

les barrières ont été placées à l’endroit du réseau de rues se trouvant

au-dessus du panache, permettant ainsi un accès continu aux puits

d’injection. L’injection de source de carbone a lieu périodiquement à

Barrière biologiqueanaérobie multiplepour le traitementd’un panache de COVClprofond

plusieurs niveaux du panache. Sur une période d’environ 3 ans, 10 à 15

injections ont été effectuées depuis un camion citerne.

Les résultats intermédiaires montrent que l’eau souterraine se caracté-

rise par des circonstances méthanogènes. Celles-ci sont favorables à la

dégradation de COVCl. Les concentrations de PER et TRI, directement en

aval de la zone de la source, ont baissé de quelques dizaines de milliers

jusqu’à environ 10 µg/l ou moins. Les concentrations de cis 1,2-dichlo-

roéthène et de chlorure de vinyle augmentent d’abord et baissent

ensuite jusqu’à quelques dizaines de µg/l plus loin dans le panache,

l’éthène et l’éthane se transformant en produits résiduaires non nocifs.

Au centre du panache, des concentrations élevées de cis 1,2-dichloroé-

thène et de chlorure de vinyle sont encore observées à courte distance

de la barrière biologique (environ 75 mètres). La présence d’éthène et

d’éthane dans un même ordre de grandeur et les conditions fortement

méthanogènes dans ces filtres de monitoring sont un signe d’activité

biologique et de déchloration réductive totale. Ceci est la preuve

qu’une zone réactive est créée en aval de la barrière. Dans certains indi-

cateurs de niveau, les concentrations de cis 1,2-dichloroéthène et de

chlorure de vinyle augmentent. Cette hausse attendue est causée par la

désorption renforcée, qui est la conséquence de l’activité microbiolo-

gique. Entre-temps, sur une période de 1,5 - 2 ans, une diminution de la

charge de 60 % a été réalisée.

53


Systèmes « funnel and gate »

6.1 « Funnel and gate », comment et pourquoi ?Quelques systèmes « funnel & gate » (entonnoir et barrière) sont

connus aux Pays-Bas. La mise en place de barrières étanches signifie

qu’un « funnel » ou entonnoir est réalisé pour le courant naturel de

l’eau souterraine et que l’eau contaminée est dirigée vers un réacteur

ou une zone réactive. Dans le réacteur ou la zone réactive, les matières

contaminées sont extraites de l’eau souterraine, après quoi l’eau épu-

rée continue à s’écouler.

Les ouvertures réactives dans la paroi fermée peuvent se composer des

éléments suivants :

1. PRB courtes ; pour des raisons de coûts, la longueur totale de la

barrière réactive est réduite et une paroi fermée est utilisée pour

manipuler le courant d’eau souterraine à travers la PRB ;

2. Réacteurs tubulaires ; ce sont des tuyaux en acier avec des ouver-

tures, dans lesquelles de la matière réactive a été placée (générale-

ment du Fe0 ou du charbon actif) ;

3. Caissons avec de la matière réactive, placés dans la barrière et

pouvant être remplacés de façon relativement simple ;

4. Un drain vers un réacteur situé plus loin (comme la barrière de fer

à Amersfoort). Dans la plupart des cas, le réacteur fait partie de

la paroi ; dans d’autres cas, il s’agit d’une paroi fermée d’un seul

tenant, traversée par un drain (funnel and drain).

Les principes d’épuration sont les principes bien connus, qui ont déjà

été évoqués auparavant (chapitre 3).

Les figures de la page de gauche montrent un système « funnel and

gate » avec un caisson de 2-3 réacteurs tubulaires séquentiels, qui

peuvent être remplacés en tant qu’ensemble. Cela peut être nécessaire

dans le cas de concentrations élevées ou d’un mélange complexe de

substances contaminantes.

6

5554


6.2 Quels sont les types de barrières pouvant être utilisés ?L’ingénierie civile connaît, en pratique, un grand nombre de barrières

fermées. Pratiquement toutes ces barrières peuvent être utilisées dans

des systèmes « funnel and gate ». Elles sont durables et leur technique

éprouvée ne nécessite pratiquement aucun entretien. Les types de

barrières suivantes peuvent être utilisés pour créer un entonnoir :

Rideau de palplanchesUn rideau de palplanches se compose de « planches » métalliques

s’enclenchant aux planches voisines sur toute leur longueur au moyen

de serrures. Un rideau de palplanches peut être enfoncé dans le sol

par compression, battage ou vibrations. La profondeur maximale

d’un rideau de palplanches est de 15-25 m. Si nécessaire, des dispo-

sitifs supplémentaires permettent de rendre les serrures entièrement

étanches. Plus la profondeur est importante, plus le risque de défi-

cience des serrures augmente.

Parois moulées en ciment-bentoniteIl s’agit de parois en ciment-bentonite qui sont moulées à l’aide d’un

cadre métallique. En général, un grand profilé métallique en forme de

I est vibré ou moulé dans le sol et ensuite sorti avec l’injection simul-

tanée du coulis de ciment-bentonite. Le coulis va progressivement

se durcir. L’épaisseur et la résistance de parois de ciment-bentonite

sont limitées, mais leur étanchéité est bonne. L’étanchéité est parfois

perfectionnée par la pose d’un film HDPE. Lorsque la profondeur est

supérieure à 12-15 m, le profil en I dévie de plus en plus lorsqu’il est

enfoncé. En pratique, la profondeur maximale est d’environ 15 m.

Les systèmes « funnel and gate » entraînent un reflux de l’eau souter-

raine. Cela signifie que la largeur d’un entonnoir doit être fortement

surdimensionnée par rapport au courant naturel d’eau souterraine

pour éviter le « débordement » de l’entonnoir. Le reflux signifie en

outre que, dans pratiquement toutes les situations, la base des parois

doit être implantée dans une couche peu perméable pour éviter que

la contamination ne passe par-dessous la barrière.

Parois au coulisDes injections superposées de coulis (un mélange de ciment, d’eau

et de sable fin) permettent de réaliser des barrières. Le chevauche-

ment entre les injections dépend de la pénétration de coulis et reste

incertain. Cette technique peut être utilisée dans les cas où la surface

du sol n’est pas facilement accessible. La fiabilité diminue au fur et

à mesure que la profondeur augmente ; des profondeurs supérieures

10-15 doivent être évitées.

Ecrans étanches à pieux forésCette technique est comparable à la réalisation de pieux de fondation

forés. Des pieux en béton sont formés dans le sol à l’aide de grands

esserets. Une barrière étanche de construction robuste est réalisée

grâce à un placement successif ingénieux, caractérisé par le chevau-

chement des pieux. Il existe également des systèmes où 3 pieux ou plus

sont forés par chevauchement depuis une seule plate-forme. Les pieux

forés sont enfoncés jusqu’à une profondeur d’environ 20-25 mètres.

Parois mouléesUne paroi moulée est réalisée à l’aide d’une foreuse pour parois

moulées. Une benne pour parois moulées permet de creuser jusqu’à

des profondeurs importantes entre des poutres conductrices ; du

béton ou du ciment-bentonite sert ensuite de matière de remplissage.

Pendant l’excavation, un fluide spécial doit être utilisé pour mainte-

nir la tranchée ouverte, en général un coulis de bentonite. Le béton

est ensuite pompé sous la tranchée. Le béton refoule de bas en haut

pendant l’apport du coulis de bentonite. Outre leur bonne étanchéité,

les parois moulées se caractérisent également par leur résistance

constructive (en fonction de l’utilisation d’acier à béton). Les parois

moulées peuvent être enfoncées jusqu’à une profondeur d’environ

60-80 mètres.


Les systèmes « funnel and gate » combinent généralement les avan-

tages et les inconvénients de barrières réactives ou biologiques conti-

nues. Les avantages et inconvénients spécifiques de chaque système

! !

!

!!

5756


Avantages Inconvénients

Économie de matière réactive :

Le courant d’eau souterraine est focalisé et

la quantité de matière réactive est nette-

ment plus réduite que dans le cas d’une bar-

rière continue ou d’une barrière biologique.

Monitoring fiable et peu coûteux :

La surface à surveiller est nettement plus

petite et les différences de mesure sont

plus réduites en raison de la focalisation des

trajets d’écoulement.

Robustesse :

Une barrière à l’endroit correct avec un réac-

teur fonctionnant correctement est fiable.

Possibilité de remplacement de la matière

porteuse :

Si un réacteur est utilisé, la matière porteuse

peut être remplacée et la durée de vie et la

fiabilité augmentent.

Pas flexible, sensible à l’hydrogéologie :

La barrière est difficile à adapter si

les circonstances changent ou que

l’hydrogéologie est changeante.

Frais de mise en place élevés :

La construction de l’entonnoir et du

réacteur devient rapidement plus coûteuse

au fur et à mesure que la profondeur aug-

mente, mais des profondeurs importantes

restent possibles.

Limitations des possibilités

d’application :

Plus difficile à mettre en œuvre dans des

zones fortement urbanisées ou en cas de

présence de câbles et de conduites

Expérience limitée aux Pays-Bas :

Seuls quelques projets en cours

dépendent du choix du principe d’épuration. Une économie peut en

général être réalisée en ce qui concerne la quantité de matière réactive

nécessaire et le courant d’eau entrant et sortant peut généralement

faire l’objet d’un meilleur monitoring. Ce dernier aspect est parti-

culièrement important lorsque le principe « funnel and drain » est

utilisé. La question est alors de savoir si l’on peut encore parler d’une

barrière réactive.

58 59

grillage biologique dans la barrière. Les palplanches ont été placées

jusqu’à la couche isolante par « silent piling ». Le grillage biologique se

compose de 18 puits d’injection à air comprimé. La sphère d’influence

de ces puits a été définie préalablement à environ 5 à 6 mètres. La

contamination se compose surtout de benzène, de naphtalène et, dans

une moindre mesure, de phénanthrène et de créosotes. L’injection d’air

stimule la biologie de telle façon que la contamination d’eau souter-

raine traversant la barrière est décomposée.

Le grillage biologique dans la barrière est placé dans une zone sans

contamination de sol, de façon à ce que les teneurs en benzène et en

naphtalène à l’endroit de la barrière ne puissent jamais être élevées

au point que l’oxygène ne puisse être apporté en quantité suffisante

et que la contamination puisse traverser par la barrière sans être

dégradée.

Les coûts liés au maintien du grillage biologique sont moyennement

élevés, dans la mesure où un compresseur doit être en service en per-

manence afin de garder la teneur en oxygène au niveau souhaité. Des

mesures effectuées pendant le monitoring ont montré que la contami-

nation d’eau souterraine fait l’objet d’une biodégradation intégrale à

l’aide de cette méthode.

Les activités d’un site de gaz humide ont occasionné une importante

contamination par de l’huile goudronneuse et des aromatiques volatils.

Ce site produisait du gaz à partir de gasoil pour l’éclairage de trains. Sur

la base d’un grand nombre d’études, il est apparu que le site se caracté-

rise par une contamination par du produit pur (goudron) représentant

un volume d’environ 40 000 m3. Le produit pur est goudronneux et

forme des couches drainantes dans le sol. Ce sont surtout du benzène

et du naphtalène qui se dissolvent à partir du goudron dans l’eau sou-

terraine. La surface de dépassement de la valeur d’intervention de la

contamination dans l’eau souterraine recouvre environ 12 hectares. Le

sol se compose de couches de sable fin et salin et de couches de sable

plus grossier jusqu’à environ 13 mètres sous le niveau du sol, avec une

perméabilité d’environ 80 m²/jour.

En raison de la nature de la contamination et du caractère changeant

du sol, la source de la contamination est difficile à éliminer. Comme une

couche isolante se trouve à 13 mètres sous le niveau du sol, le site se

prête parfaitement à un confinement de la source à l’aide d’un système

« funnel and gate », ou principe d’entonnoir et barrière. Le but de la

mesure est d’isoler la source et d’arriver à une situation finale stable

pour le panache en aval.

Le courant d’eau souterraine est dirigé par deux rideaux de palplanches

métalliques (entonnoir) à travers le noyau de la contamination vers un

« Funnel and gate »avec grillage biologique

6160


Tendances et évolutionsL’injection de nano-ferL’application de particules de fer de 100-200 nm est également appelée

« nanoscale emulsified zero-valent iron » (NZVI). Ces particules

se caractérisent par une surface réactive importante et peuvent

être comprimées dans la matrice du sol sous forme d’émulsion. La

mise en œuvre à l’aide de lances d’injection permet des applications

variables, contrairement aux barrières verticales. L’émulsion est

réalisée avec de l’eau, de l’huile végétale et un émulsifiant. Les COVCl

ont une préférence pour de l’huile et la réaction avec le fer a lieu dans

les gouttelettes d’huile. L’huile végétale donne également lieu à des

conditions favorables à la dégradation microbiologique anaérobie. En

raison de l’importante surface réactive, l’action de NZVI est moins

longue. NZVI a déjà été utilisé en pratique, mais aucune application

de barrière n’est encore connue.

Barrières électrobiologiquesLa production d’hydrogène ou d’oxygène est assurée au moyen d’élec-

trodes. Cette production entraîne la dégradation microbiologique

de COVCl ou BTEX/huile. Dans certaines exécutions, les électrodes

sont également utilisées pour l’échauffement du sol. Ceci donne lieu à

des coûts énergétiques élevés en cas d’applications prolongées. Aucun

projet pratique n’est connu jusqu’à présent.

Barrières combinéesDans ces barrières, ce sont les contaminations qui ne peuvent être

décomposées en une fois qui sont traitées. Un exemple est la dégrada-

tion de HCH, qui doit d’abord être décomposée en benzène ou chlo-

robenzène en milieu anaérobie, préalablement à l’étape aérobie vers la

minéralisation complète. Une application possible est la dégradation

7 anaérobie dans une barrière et, ensuite, la dégradation aérobie dans de

l’eau de surface (contrôlée) riche en oxygène, la dégradation aérobie

ayant lieu à la limite entre l’eau souterraine et l’eau de surface. Un

exemple de cette barrière combinée est utilisé sur un site à Hengelo.

Barrières de compost, de copeaux de bois ou de tourbeCes barrières donnent lieu à un milieu réduit, à la production

d’hydrogène et à la transformation de sulfate en sulfure. La plupart

des métaux forment avec le sulfure des composés très peu solubles

qui précipitent. L’hydrogène donne lieu à la déchloration réductive de

COVCl.

Traiter avec des barrièresDes barrières sont de plus en plus souvent utilisées pour effectivement

traiter un panache de matières contaminantes. La répartition de plu-

sieurs barrières sur un panache permet, suivant la vitesse du courant,

de traiter le panache. Cette application est surtout efficace dans le cas

de barrières biologiques, dont l’action décontaminante se propage

fortement au travers du panache.

6362


Informations complémentaires8.1 InternetBeaucoup d’informations sont aujourd’hui disponibles sur le sujet des

barrières réactives, en particulier des barrières de fer. Les informa-

tions sur Internet sont facilement accessibles et librement disponibles.

Les sites suivants donnent le plus d’informations ou l’aperçu général

le plus complet :

www.bodemrichtlijn.nl L’ancien manuel sur les techniques de traitement des sols (Bodemsa-

neringtechnieken) a reçu une nouvelle partie sur les barrières réactives

(partie B11)

http://cluin.org/products/newsltrs/ Site de l’EPA avec beaucoup d’exemples de barrières, des études, etc.

www.rtdf.org/public/permbarr/PRBSUMMS/default.cfmSite du Remediation Technologies Development Forum. Un des sites les

plus complets et les plus documentés. Beaucoup de projets et de fiches de

données.

www.science.uwaterloo.ca/research/ggr/PermeableReactiveBar-riers/PermeableReactiveBarriers.htmlWaterloo University a été le premier à tester le fer pour l’application dans

des barrières réactives. La licence a été vendue à EnviroMetal (ETI).

Divers projets et applications sont évoqués sur le site.

www.eti.caEnviroMetal Inc. Possède la licence des barrières de fer et a fait breveter

la technique dans pratiquement le monde entier.

8 www.rubin-online.deReaktionswande Und - Barrieren Im Netzwerkverbunden (RUBIN) est

le réseau allemand de R&D dans le domaine des PRB. Douze projets sont

liés à ce réseau. Sélectionner la version en allemand, le site anglais étant

pratiquement vide.

www.prb-net.orgPermeable reactive barrier network.

8.2 LittératureLes sources suivantes de la littérature ont été utilisées pour la réalisa-

tion de ce cahier :

Carey, M.A. et al. 2002, Guidance on the use of permeable reactive

barriers for remediating contaminated groundwater, Environment

Agency UK NC/01/51.

Gillham, R.W., S.F. O’Hannesin 1994, Enhanced degradation of halo-

genated aliphatics by zero valent iron. Ground Water, 32, 958-967.

Hoekstra N.K., Middeldorp P. Slenders H. 2005, Pilot Bioscreen DAF

Trucks, Final Evaluation biological groundwater remediation system

for chlorinated aliphatics, B&O-A R 2005/078.

Matherson, L.J. P.G. Tratnyek. 1994. Reductive dehalogenation of chlo-

rinated methanes by iron metal. Environ. Sci. Technol. 28, 2045-2053.

Nipshagen A., Praamstra T. 2007, Cahier VOCl, SKB.

Radisav D.V. 2001. Permeable Reactive Barriers: Case Study Review.

GWRTRAC TE-01-01.

Suthersan, S.S. 1997. Remediation Engineering: Design concepts Ed.

Stein & Orloff. CRC Press. USA.

6564


8.3 Autres littératuresCL:AIRE project TDP13, A Permeable Reactive Barrier for Remedia-

tion of Extremely Polluted Groundwater Associated with a Highly

Pyritic Abandoned Colliery Spoil Heap, ISBN 1-905046-10-3 2006.

Slenders, H. Verslag van de bijeenkomst van het deskundigenplat-

form. Permeabele Reactieve schermen in Oak Ridge Tennessee. CUR/

NOBIS, TNO-MEP CR 99/052.

Suthersan, S.S., Payne, F. 2004, In Situ Remediation Engineering,

CRC Press.

8.4 Projets de référenceExemples de projets menés à bien aux Pays-Bas :

1. La Haye, Funnel and gate avec réacteur biologique pour BTEX.

2. Katwijk, barrière de fer continue pour COVCl.

3. Wageningen (VADA), Barrière biologique par injection de subs-

trat pour dégradation de COVCl jusqu’à 20-30 m-mv.

4. Zone Botlek (Biohek), barrière biologique par injection d’air com-

primé dans contamination par des BTEX/de l’huile.

5. Amersfoort, Funnel and gate sur un site de gaz humide, avec

injection d’air comprimé pour HAP et huile.

6. Eindhoven, barrière biologique par injection de substrat pour

dégradation de COVCl jusqu’à 20 m-mv.

7. Hengelo, barrière biologique pour la dégradation séquentielle de

HCH (lindane).

8. Utrecht, traitement d’un panache de COVCl avec plusieurs bar-

rières biologiques par injection d’un donneur d’électrons jusqu’à

50 m-mv.

9. Amersfoort, funnel and gate avec réacteur de fer pour une

contamination par des COVCl.

66

SKB Cahier

Colophon

AuteursHans Slenders ARCADIS

Pieter Dols ARCADIS

Groupe de lectureAri van Mensvoort Province d’Utrecht

Vincent Breij OTUS

Peter Assenberg Afvalzorg

Jan Pals SBNS

RemerciementsNanne Hoekstra TNO

Han de Kreuk BioSoil

Christian Soeter Grontmij

Willem Havermans NTP Milieu

Johan van Leeuwen SBNS

Peter Middeldorp TTE

Graphisme Van Lint in vorm, Pays-Bas

Iconographie Adaptations illustrations ARCADIS par

Van Lint in vorm

Grontmij et NTP Milieu (photos pages 11, 29 et 33)

SKB (pages 6, 16 et 65)

www.ipt.arc.nasa.gov/nanopore.html (page 61)

Avril 2014

Documents

Barrières Cahiers SKB réactives - ademe.fr · Le centre néerlandais pour la Gestion de la Qualité des Sols (SKB) déve- ... Hydrocarbures aliphatiques volatils Hydrocarbures aromatiques