Barrière perméable réactive

Une Barrière Perméable Réactive (BPR) est constituée d'une zone perméable verticale de matériaux réactifs (accepteurs ou donneurs d’électron, adsorbants, lit bactérien,…) située sur le passage d'un panache d'eau souterraine polluée. Par écoulement advectif naturel au travers de la barrière, les polluants présents dans les eaux souterraines sont dégradés en éléments non nocifs (organiques) ou adsorbés/complexés (organiques, métaux et métalloïdes) par le réactif.

Le principe de base d’une barrière réactive repose sur une tranchée dont la longueur permet d’intercepter l’ensemble du panache de pollution et dont la largeur donne lieu à un temps de contact suffisamment long entre le réactif et le polluant pour assurer la dégradation ou la sorption de ce dernier. La barrière doit, de préférence, être orientée perpendiculairement au sens d’écoulement de la nappe phréatique.

Les deux grands types de configuration sont :

• le système mur continu (tranchée continue, Continuous Wall, CW ou Continuous Reactive Wall, CRW),
• le système Funnel & Gate noté F&G (littéralement, Entonnoir & Porte).

Figure 1 - Schéma de principe de barrières perméables réactives classique et de type « entonnoir - porte ».

Dans le cas d'un système « mur continu », la barrière est réactive et perméable sur la totalité de sa longueur. Cette configuration minimise les perturbations hydrauliques.

Au contraire, dans le cas d’une configuration en « entonnoir - porte », le panache est canalisé à l’aide d’écrans étanches vers une ou plusieurs portes qui constituent la zone réactive. Cette seconde configuration provoque la convergence de l'écoulement. L'extension limitée de la zone réactive de la barrière offre la possibilité de mieux contrôler ses performances en termes d’abattement de pollution.

Ces deux configurations couvrent la très grande majorité des applications industrielles.

Quelle que soit la configuration adoptée, la barrière est ancrée dans le substratum imperméable sous-jacent de telle sorte que le panache ne puisse pas s’écouler sous la barrière. La majorité des BPR est ancrée à des profondeurs comprises entre 10 et 20 mètres. Le volume des zones réactives est très variable (de quelques m³ à plusieurs centaines de m³). Le volume de réactif mis en œuvre dépend :

• de la taille de l’ouvrage,
• de l’extension du panache de pollution,
• du débit d’eau à traiter,
• de la cinétique réactionnelle (qui détermine le temps de séjour) des contaminants et de leurs sous-produits,
• et, de la capacité d’adsorption du réactif (quand ce type de réactif est employé).

Dans tous les cas, l’épaisseur de la zone active de traitement doit permettre un temps de contact suffisant entre les eaux et le réactif.

Les temps de contact sont plus élevés pour les BPR de type « mur continu » que pour celles de type « entonnoir - porte » où l’ensemble de la masse d’eau converge depuis l'amont vers un ou plusieurs passages.

Il faut noter, que les interventions sur les réactifs sont beaucoup plus complexes pour les BPR de type « mur continu » que pour celle de type  « entonnoir - porte ».

Pour de faibles profondeurs, l’excavation est réalisée de manière classique (pelle avec godet retro) puis la tranchée est remplie de matériaux filtrants. Pour des profondeurs plus importantes, des trancheuses ou des techniques inhérentes à la mise en place des parois moulées en béton ou des coupures étanches en coulis sont mises en œuvre.

Les moyens matériels dépendent du type de barrière :

• Les barrières perméables classiques sont constituées de tranchées entièrement remplies de principe actif  de perméabilité supérieure à celle de l’aquifère, donnant aussi à la barrière un rôle de drain. Le choix du principe actif dépend du type de traitement retenu et du temps de contact : Fe°/Zéolite artificielle, ORC, charbon actif ….
• Les portes des barrières « entonnoir - porte » sont précédées d’un massif filtrant inerte. Une porte est constituée par un, voire plusieurs, cylindre(s) ou caissette(s) en inox amovible(s) rempli(s) de réactif et disposé(s) en série. L’imperméabilisation de la partie « entonnoir » est réalisée par des palplanches métalliques, des parois moulées, des parois en boue composite, des membranes en PEHD thermosoudées…

Le suivi porte, d’une part, sur la nappe avec une surveillance piézométrique (à l’aide de piézomètres placés en positions amont, latérale et aval de la BPR) afin de s’assurer que l’ensemble du panache est intercepté et traité et, d'autre part, sur le procédé de dépollution en tant que tel pour assurer :

•  l’efficacité des rendements épuratoires (dosage des polluants en amont et en aval de la BPR),
•  la surveillance de la production des sous-produits éventuels,
•  la prévention des pertes de charges, des saturations, du colmatage ….,
•  le maintien des conditions optimales de dépollution (conditions de pH, redox, nutriments pour les traitements biologiques par exemple, remplacement de filtres ou de cartouches de matériau réactif …).

Les BPR (système « mur continu » ou « entonnoir-porte ») peuvent être utilisées avec différents matériaux de remplissage :

• Barrière de sorption : les matériaux utilisés comme le charbon actif ou les zéolites permettent d’adsorber les contaminants. Une fois saturés, les matériaux adsorbants doivent être remplacés. Cette technique est essentiellement utilisée pour le traitement de composés organiques. Toutefois, l’emploi de chélateurs permet aussi de retenir certains métaux.
• Barrière de précipitation : les matériaux utilisés réagissent essentiellement avec les composés inorganiques. Par exemple, des eaux souterraines polluées par des écoulements de batteries (effluents acides chargés en plomb) peuvent être traitées grâce à un matériau filtrant composé de chaux qui assure la neutralisation des eaux et la précipitation du plomb. De même, le chrome VI peut être réduit en chrome III et être ainsi immobilisé.
• Barrière de dégradation : certains polluants organiques sont dégradés en composés moins ou non toxiques au droit de la zone de réaction. Par exemple, le perchloroéthylène (PCE) ou le trichloroéthylène (TCE) peuvent être dégradés en traversant une zone réactive remplie de granulés ou de limaille de fer. Les barrières peuvent aussi être remplies partiellement de nutriments ou de matériaux oxydants ou réducteurs afin de créer, selon les besoins, les conditions hydrogéochimiques propices à la biodégradation de certains composés organiques.

Tableau 1 - Réactifs utilisés dans les BPR et état de maturité de la technique (HLUG, 2005).

Les barrières réactives permettent le traitement de nombreux polluants organiques (COV, COHV, SCOHV) et de certains métaux (As, Cd, Cr, Pb …). Cette technique s’applique dans des aquifères peu perméables à perméables, de préférence dans des milieux homogènes et poreux.

En 2012, la moitié des BPR mises en place traitaient des sites pollués par des solvants chlorés par réduction en présence de Fe° (ADEME, 2015).

1. Faisabilité

La faisabilité d’un traitement est évaluée à l’aide d'essais :

• d’orientation qui visent à valider la possibilité de mettre en œuvre une technique de dépollution ;
• d’évaluation des performances qui servent à vérifier l’atteinte des objectifs et permettent d’estimer la vitesse du traitement donc sa durée.

2. Dimensionnement

Le dimensionnement relève d’un travail d’ingénierie en aval des essais de faisabilité.

Les caractéristiques de la BPR (profondeur d’ancrage, largeur, hauteur, débit à canaliser, compatibilité des matériaux….) découlent de celles du panache de pollution (largeur, épaisseur, concentrations) et de l’aquifère.

L'écoulement étant gravitaire sur l'ensemble du traitement, le principe actif doit toujours avoir une perméabilité très supérieure à celle du sol (d’une manière générale 10^-2 à 10^-3 m/s). Par ailleurs, le temps de contact eau/réactif doit être suffisant pour atteindre les rendements épuratoires désirés, ce qui nécessite de bien étudier les cinétiques de réaction et ou d’adsorption. La largeur de la porte (ou le volume et/ou le nombre de cartouches) dépendra étroitement de ces données.

L’Union des Professionnels de la Dépollution des Sites (UPDS) a déterminé les paramètres à prendre en compte pour permettre le dimensionnement des traitements :

a. Définition du projet

• Délais,
• Objectifs de traitement (sols et/ou eaux et/ou gaz du sol),
• Seuils de dépollution ou profondeur/volume,
• Objectifs de traitement >> concentration aval à garantir,
• Spécification maintenance.

b. Site

• Accessibilité : au site, au chantier, à la zone de travail,
• Obstacles aériens et de surface (y compris encombrants),
• Obstacles souterrains (réseaux enterrés, fondations, blocs ...),
• Présence d'ouvrages avoisinants, bâtiment,...,
• Contraintes liées à l'environnement, aux riverains,
• Site en activité, coactivité,
• Durée de mise à disposition des terrains,
• Contraintes H&S et réglementaires liées au site,
• Topographie de surface,
• Surface disponible pour unité,
• Utilités et distance par rapport à la zone de traitement (eau, électricité - pour électricité : puissance),
• Gardiennage (prévu ? ou à prévoir ?),
• Ouvrages existants pouvant être réutilisés (coupe technique de l'ouvrage ou, à défaut : diamètre, profondeur et équipement).

Pour les traitements d'eau :

• Emplacement du point de rejet.

c. Sol ou matériau à traiter

• Géologie /lithologie ou nature des sols,
• Présence de blocs,
• Essais pressiométrique/pénétrométrique avec fréquence adaptée à la variabilité de la géologie dans l'ensemble des couches.

d. Polluants

• Type (nature),
• Concentrations (cartographies de pollution dans les sols, l'eau, les gaz du sol),
• Présence de produit pur (flottant, coulant, piégé…),
• Estimation du stock,
• Concentrations et variations attendues dans l'année et selon les années,
• Concentrations amont,
• Position périmètre de la zone source à intercepter,
• Temps de demie vie des polluants dans la barrière.

e. Aquifère

• Données locales issues d'essai de pompage :
  • Perméabilité,
  • Coefficient d'emmagasinement,
  • Porosité,
• Gradient,
• Épaisseur de la nappe,
• Profondeur,
• Niveau statique,
• Épaisseur de la ZNS,
• Amplitude des variations saisonnières,
• Anisotropies,
• Carte piézométrique / direction d'écoulement,
• Débit,
• Géochimie des eaux.

f. Géochimie nappe

• pH,
• Conductivité,
• Potentiel redox,
• MES,
• Teneur O2 dissous,
• Carbonates et hydrogénocarbonates,
• Sulfates,
• Fer dissous,
• Manganèse dissous,
• H₂S dissous,
• Composition chimique notamment vis-à-vis des normes béton (sulfate, ammonium, pH),

g. Essais de traitabilité

Les documents suivants issus du guide sur la « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009) vous donneront des éléments vous permettant de vérifier la faisabilité de la technique sur votre site.

Cahier des charges : caractérisation et essais en vue de l'application d'un traitement par : biodegradation (PDF - 287 Ko) bio-immobilisation (PDF - 215 Ko)

Les Barrières perméables réactives présentent les avantages suivants :

• technique couvrant un large spectre de polluants,
• rendements épuratoires élevés (parfois plus de 95%),
• type de traitement passif (ne nécessite pas de pompage) ; il peut être installé de nombreuses années avec des coûts de maintenance réduits ; les coûts de fonctionnement sont peu élevés comparativement aux contrôles des panaches par pompage,
• solution particulièrement adaptée quand la source de pollution ne peut être traitée (inaccessible, trop étendue ….),
• investigations de terrain pour déterminer exactement la source de pollution moins poussées que pour les autres traitements.

Leurs inconvénients et facteurs limitants sont les suivants :

• coûts de mise en place souvent élevés,
• bilan technico-économique peu attractif à partir de 20 m de profondeur,
• coûts d’installation élevés pour des panaches de largeur importante,
• technique souvent confrontée à un problème de colmatage,
• possibles difficultés techniques et de sécurité en cas d'installation près de certains récepteurs (comme des captages AEP),
• augmentation des difficultés d'installation en raison de certains contextes locaux (canalisations, roches dures, sédiments consolidés).

Les coûts de traitement des BPR sont difficilement estimables du fait de la très grande variété de configurations et du nombre peu élevé d’expériences en Europe. Ainsi, en 2009, il était estimé que les coûts d'investissement se situaient dans une fourchette très large (150 à 3 000 €/m² de surface de barrière construite), les coûts les plus faibles (inférieurs ou égaux à 1 000 €/m²) correspondant aux ouvrages d'une échelle significative (supérieurs à 1 000 m²). 
(BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019 :

• Dans le cas d'une barrière de type « Mur » : la moyenne basse estimée est de 180 €/m², la moyenne haute de 340 €/m² et le maximum de 600 €/m² de surface de barrière construite. 
• Dans le cas d'une barrière de type « Entonnoir-Porte » : la moyenne basse estimée est de 160 €/m², la moyenne haute de 230 €/m² et le maximum de 400 €/m² de surface de barrière construite. 

Pour mémoire, il est toutefois rappelé que ces tarifs ne sont que des estimations tirées du REX des acteurs du domaine des Sites et Sols Pollués et pourront varier plus ou moins significativement d'un site à l'autre, notamment en fonction des polluants, des bilans massiques, de la complexité à atteindre la pollution et à intervenir sur le site. S'ils peuvent permettre d'obtenir une fourchette de prix avant la réalisation d'un projet, un budget réaliste ne pourra être obtenu qu'en faisant appel à un professionnel du domaine des Sites et Sols Pollués.

Répartition des coûts :

Le coût total a été réparti selon trois types de charges :

• Charges exceptionnelles correspondant au coût de la phase initiale (phase pilote, mise en place du chantier : installation d’une unité de traitement, préparation du terrain) et intervenant de façon unique (au démarrage du chantier par exemple) ;
• Charges récurrentes correspondant au coût de la phase « chantier » à renouveler au cours du traitement (matériel, main d’œuvre, réactifs ou produits) et pour l'élimination des déchets ;
• Charges liées aux études (hors études de risques sanitaires préalables au chantier) et au suivi de la dépollution correspondant aux coûts des analyses et prestations intellectuelles (rédaction de rapports, réunions sur site).

L’investissement initial représente la majeure partie des coûts. Il consiste en la mise en place de l’ouvrage et notamment des portes de traitement.

Les charges récurrentes sont également importantes. L’assurance de la pérennité de l’ouvrage nécessite des opérations de maintenance régulière et implique des coûts de consommables liés au remplacement des réactifs.

Le suivi analytique et les études visent à vérifier que la pollution est bien confinée puis traitée. Ces postes de coût sont cependant plus réduits.

Ce procédé a été développé aux Etats Unis et en 2012 était de plus en plus commercialisé en France (ADEME, 2015).

Les performances des barrières dépendent étroitement des conditions hydrogéochimiques mais aussi du type de procédé mis en place. Les procédés physico-chimiques, lorsqu’ils sont bien dimensionnés, peuvent présenter des rendements épuratoires de plus de 95% ; les procédés biologiques ont globalement des rendements épuratoires moins élevés.

La mise en œuvre d'une Barrière perméable réactive est rapide. Les délais sont compatibles avec une valorisation du site sur les parties confinées. Néanmoins, les délais dépendent de la vitesse de tarissement de la source de pollution (quand elle ne peut être supprimée), de l'étendue du panache et de la vitesse d'écoulement de la nappe et se comptent en années (voire en décennies dans certains cas).

En 2012, la technique de Barrière perméable réactive a été mise en œuvre par un acteur ayant répondu à l’enquête (0,1 % des volumes d'eaux souterraines traitées in situ).

(ADEME, 2015)

1. Bibliographie

ADEME (2009)
Traitabilité des sols pollués - Guide méthodologique pour la sélection des techniques et l'évaluation de leurs performances. Guide méthodologique. Version 0 - 15 octobre 2009, 123 p.
https://librairie.ademe.fr/sols-pollues/5686-traitabilite-des-sols-pollues.html

ADEME (2015)
Taux d'utilisation et coûts des différentes techniques et filières de traitement des sols et des eaux souterraines pollués en France (Les)
Synthèse des données 2012, 148 p.
Étude Ernst & Young
https://librairie.ademe.fr/sols-pollues/1738-taux-d-utilisation-et-couts-des-differentes-techniques-et-filieres-de-traitement-des-sols-et-des-eaux-souterraines-pollues-en-france-les.html

BRGM (Juin 2010)
Quelles techniques pour quels traitements - Analyse coûts-bénéfices
S. Colombano, A. Saada, V. Guerin, P. Bataillard, G. Bellenfant, S. Beranger, D. Hube, C. Blanc, C. Zornig et I. Girardeau
Rapport final BRGM/RP-58609-FR
http://ssp-infoterre.brgm.fr/quelles-techniques-quels-traitements
http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-58609-FR.pdf

Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) (2005)
Arbeitshilfen zur Überwachung und Nachsorge von altlastverdächtigen Flächen und Altlasten
Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Handbuch Altlasten, Band 8 Teil 2, Wiesbaden 2005, ISBN 3-89026-810-2, 138 p.
https://www.hlnug.de/fileadmin/dokumente/altlasten/handbuch/hba8_2_web.pdf

2. Liens

Technology Evaluation Report: Treatment Walls
1996. Radisav D. Vidic, Ph.D. and Frederick G. Pohland, Ph.D.
https://clu-in.org/download/remed/tmt_wall.pdf

Design Guidance for Application of Permeable Barriers to Remediate Dissolved Chlorinated Solvents
1997. A. Gavaskar, et al.
USACE/USAF. DG 1110-345-117, AL/EQ-TR-1997-0014, 192 pages.
https://www.clu-in.org/download/techfocus/prb/Design-gavaskar-1997.pdf

Zero-Valent Iron Permeable Reactive Barriers: A Review of Performance
2001. Korte, N.E.
Oak Ridge National Lab., Oak Ridge, TN. Report No: ORNL/TM-2000/345, 36 pages
https://info.ornl.gov/sites/publications/Files/Pub57160.pdf

Barrières réactives
2014.
Cahiers du SKB. 66 pages
https://librairie.ademe.fr/sols-pollues/4053-barrieres-reactives.html

Technology guide: barrier systemes
2018.
CRC for Contamination Assessment and Remediation of the Environment - Care National Remediation Framework. Version 0.1, 28 pages
https://crccare.com/wp-content/uploads/2022/09/KTechguide_Barriersystems_Rev0.pdf

Applications :
https://clu-in.org/techfocus/default.focus/sec/Permeable_Reactive_Barriers%2C_Permeable_Treatment_Zones%2C_and_Application_of_Zero-Valent_Iron/cat/Overview/