Mise en solution et extraction chimiques

Cette technique est basée sur l’extraction des contaminants adsorbés sur les sols par des agents chimiques adaptés. On distingue deux techniques différentes :

•  l’extraction chimique qui a pour but de dissoudre les polluants métalliques dans l’eau,
•  l’extraction à l’aide de solvants plus spécifiquement adaptée aux polluants organiques.

La filière de traitement est très proche de celle du Lavage à l’eau. Les étapes de traitement reposent donc sur un mélange intime entre la solution extractante et les sols homogénéisés puis une séparation de la solution extractante et des polluants.

Les premières étapes du traitement par Mise en solution et extraction chimiques sont très proches du Lavage ex situ. Le principe repose sur l’élimination des polluants par frottement ainsi que sur une réduction du volume de matériau à traiter.

L’extraction et la mise en solution des polluants comptent deux étapes distinctes et complémentaires :

• isolement des fractions les plus polluées du sol en petits volumes grâce à des séparations et des attritions utilisées dans la séparation granulométrique : précriblage ou calibrage, séparation magnétique, unité de désagrégation ou compacteur, criblage, tamisage, hydrocyclonage, séparation en spirales, unité de flottation, séparation gravitaire par sédimentation, filtration…Tout comme pour le Tri granulométrique, le but est de séparer, autant que faire se peut, les fractions fines contenant la plus grande partie de la pollution,
   
• extraction et dissolution des contaminants dans la solution extractante (notamment via l’ajout de divers additifs : changement de pH, agents chélatants, surfactant).

Figure 1 - Schéma de principe de l’extraction chimique.

Différents extractants peuvent être utilisés successivement. L’agent extractant est récupéré (distillation, séparation gravitaire, flottation, stripping, ultrafiltration, fractionnement à la mousse..) et réutilisé sur site. Les polluants sont dirigés vers une filière de traitement appropriée.

Tableau 1 - Familles et caractéristiques des surfactants (Lecomte, 1998).

Préalablement à leur élimination, les sols doivent souvent faire l’objet d’un traitement complémentaire afin d’éliminer les traces de solvants résiduelles (circulation d’eau chaude, circulation de vapeur…).

Il existe plusieurs catégories d’agents extractants :

• Solvants organiques : Les solvants, intégrés dans la phase aqueuse, permettent d’augmenter son pouvoir solubilisant. L’extraction se fait donc par solubilisation. Il existe différentes types de solvants : amines dissoutes, alcool à courte chaine (méthanol, éthanol…), hydrocarbures à chaines carbonées de tailles moyennes et dans une moindre mesure des fluides supercritiques (CO₂, propane, butane, H₂O). En général, le solvant est régénéré en fin de traitement (distillation …). Des traces de solvants peuvent rester dans la matrice sol, il est donc important de prendre sa toxicité en compte dès le départ du projet,
   
• Tensioactifs (ou surfactants) : Il s’agit de molécules composées d’une partie hydrophobe et d’une partie hydrophile ce qui leur permet de se positionner à l’interface NAPL/eau. Ceci a pour conséquence d'abaisser la tension superficielle à l’interface eau/NAPL et de réduire les teneurs interstitielles. Par ailleurs, cela favorise la formation de microémulsion entre l’eau et NAPL,
   
• Acides ou bases. Les acides sont particulièrement adaptés pour extraire les métaux lourds et certains métalloïdes. L’acide chlorhydrique est souvent utilisé pour extraire les métaux lourds. Le procédé est généralement le suivant : dissolution des métaux, purification et/ou concentration du métal, récupération du métal et des sels métalliques, régénération et réutilisation ou traitement et élimination de la solution extractante. Les sous-produits obtenus sont par exemple : le trihydrate d’alumine, l'oxyde de chrome, le trioxyde de molybdène…..

Les solutions alcalines sont moins utilisées mais sont particulièrement efficaces pour le traitement des cyanures. La soude caustique (NaOH) est utilisée pour traiter les cyanures, mais aussi certains métaux, les amines, les éthers et les phénols.

Dans ses premières étapes, la Mise en solution et l’extraction chimiques sont similaires au Lavage ex situ. Elles peuvent, en fonction des chantiers, être constituées d’une filière de traitement très différente. Les éléments nécessaires à ce type de traitement sont les suivants :

• prétraitement des sols : précriblage ou calibrage, séparation magnétique, unité de désagrégation ou compacteur, criblage, tamisage...,
• bandes transporteuses pour le convoyage des matériaux,
• centrale de préparation : silos de stockage, malaxeurs de reprise, cuves avec agitateur, réservoirs de réactifs,
• malaxeurs,
• pompe d’injection avec automate et enregistreur des paramètres (pression, volumes, débits, températures, pH…),
• filière de séparation des polluants/réactifs/solides/eau : hydrocyclonage, séparation en spirales, unité de flottation, séparation gravitaire par sédimentation, filtration,
• filière de récupération des réactifs : distillation, séparation gravitaire, flottation, stripping, ultrafiltration, fractionnement à la mousse,
• zone de stockage temporaire de déchets et de terres en excédent,
• filière de déshydratation des boues,
• si nécessaire, en cas de présence de COV, système de captage de contrôle et de traitement des gaz (zéolithes, charbons actifs, strippers,...).

Les paramètres de suivi lors d‘une opération de Lavage chimique sont :

• la consommation électrique,
• la granulométrie et les concentrations en polluants en entrée et en sortie des différentes unités de traitement,
• le bruit,
• la consommation en eau,
• la consommation et dosage des réactifs (coagulant, floculant),
• la consommation et dosage des agents extractants (solvants organiques, tensioactifs (ou surfactants), acides ou solutions alcalines),
• la consommation en air (flottation),
• le contrôle des conditions d’opérations (pH, température …),
• les poussières,
• les concentrations en polluants dans les rejets atmosphériques si nécessaire (respect des normes de rejets) et les paramètres relatifs au traitement des gaz (débits, dépression, perte de charge, saturation des unités de traitement….),
• les concentrations en polluants dans les rejets liquides si nécessaire (respect des normes de rejets) et les paramètres relatifs au traitement des eaux (débits, pression, perte de charge, saturation du charbon actif….),
• les paramètres relatifs au recyclage des agents extractants (distillation …),
• les paramètres relatifs à la déshydratation des boues (pression, vide…).

Les variantes de la Mise en solution et de l’extraction chimiques résident dans les différents tris granulométriques à réaliser, les différents types d’additifs (acides/bases, tensioactifs, solvants organiques) et les différents modes d’application et de récupération des produits.

Les autres variantes consistent au lavage à l’eau, l’oxydation et la réduction, ainsi que le traitement des rejets aqueux sur site.

Les solvants organiques sont particulièrement efficaces pour le traitement des PCB, PCP, HAP, COV, pesticides, hydrocarbures lourds, goudrons.....

Les tensio-actifs (ou surfactants) sont particulièrement efficaces pour transférer de grosses molécules hydrophobes dans la phase aqueuse (hydrocarbures aliphatiques et aromatiques légers, kérosène, HAP, PCB, goudrons, créosote, dioxines et furannes...).

La Mise en solution et l’extraction chimiques sont particulièrement bien adaptées aux polluants récalcitrants aux autres techniques de dépollution (HAP, PCB, dioxines et furannes, pesticides…) pour lesquels elles constituent une alternative aux techniques de dépollution thermique.

Les extractions acides sont particulièrement efficaces pour le traitement des métaux : chrome, nickel, cuivre, zinc, plomb, cadmium, étain, cobalt, vanadium, titane, or, argent, palladium, platine et plus récemment le mercure.

Tableau 2 - Domaine d'application du lavage en fonction de l'état physique de la pollution dans la zone non saturée.

Tableau 3 - Domaine d'application du lavage en fonction de l'état physique de la pollution dans la zone saturée.

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.

Le guide sur la « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009) vous donnera des éléments vous permettant de vérifier la faisabilité de la technique sur votre site. 

2. Dimensionnement

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

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

a. les caractéristiques des sols

• les caractéristiques physiques :
  • la répartition granulométrique,
  • l’abrasion,
  • la densité,
  • la vitesse de décantation,
  • le magnétisme,
  • la charge électrique,
• les caractéristiques chimiques :
  • la solubilité dans l’eau, les acides, les alcalins, les agents complexants,
  • la volatilité,
  • l’humidité,
  • le pH,
  • la chimie de surface,
  • la capacité d’échange cationique,
  • la matière organique,
  • la teneur en argile,

b. les caractéristiques de la source de pollution

• la géométrie,
• la concentration et l’hétérogénéité dans chaque fraction granulométrique,
• l’association des contaminants dans les sols : contaminant adsorbé, enrobage liquide ou semi liquide des particules, enrobage des particules sous forme de précipité chimique, particules incluses, parties de grains individuels, contamination interne aux pores.

c. Définition du projet

• Délais,
• Objectifs de traitement (sols et/ou eaux et/ou gaz du sol),
• Seuils de dépollution ou profondeur/volume d'excavation.

d. 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 ?).

Pour les traitements d'eau :

• Emplacement du point de rejet.

e. Sol ou matériau à traiter

• Géologie /lithologie ou nature des sols,
• Terres en place ou déjà excavées,
• Typologie (argile, sables, etc.),
• Teneur en argile,
• Taux de matière organique,
• Granulométrie précise quantitative et qualitative des matériaux avec notamment teneur sur brut et lixiviat par classes granulométriques,
• Chimie de surface,
• Capacité d’échange cationique,
• Abrasion,
• Densité,
• Vitesse de décantation,
• Magnétisme,
• Charge électrique,
• Humidité,
• pH,
• Présence de déchets (ferreux, non ferreux et plastiques).

f. Polluants

• Type (nature),
• Concentrations (cartographies de pollution dans les sols, l'eau, les gaz du sol),
• Présence de produit pur (flottant, coulant, piégé…),
• Estimation du stock,
• Solubilité dans l’eau, les acides, les alcalins, les agents complexants,
• Volatilité,
• Concentration et hétérogénéité dans chaque fraction granulométrique,
• Association des contaminants dans les sols : contaminant adsorbé, enrobage liquide ou semi liquide des particules, enrobage des particules sous forme de précipité chimique, particules incluses, parties de grains individuels, contamination interne aux pores.

En cas de produits inhabituels :

• Solubilité,
• Viscosité,
• Kd,
• Kow,
• Densité,
• Matière organique,
• Typologie des charges électriques de surface (pour les coagulants).

g. 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.

h. Essais de traitabilité

Le document suivant issu du guide sur la « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009) vous donnera 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 lavage par agents chimiques ou tensio-actifs (PDF - 357 Ko)

La Mise en solution et l’extraction chimiques présentent les avantages suivants :

• le procédé ainsi que les moyens techniques et matériels sont éprouvés,
• le procédé permet de traiter une grande quantité de polluants notamment des produits considérés comme récalcitrants,
• le procédé peut être adapté à des granulométries différentes,
• le procédé est un des rares à pouvoir permettre de traiter des pollutions minérales ou mixtes,
• la technique est moins onéreuse que l’incinération et peut être avantageuse d’un point de vue économique dans certains cas,
• la technique permet de traiter l‘ensemble des terres contaminées et de s’affranchir partiellement des problèmes d’hétérogénéité des sols,
• les rendements épuratoires sont plus élevés que ceux rencontrés dans l’Extraction in situ,
• la récupération des effluents de lavage est plus aisée que dans le traitement in situ. Les conditions de travail étant mieux maîtrisées et les réactifs contenus dans les unités de traitement, il est possible de travailler avec des extractants potentiellement plus polluants  que ceux utilisés in situ.

La Mise en solution et l’extraction chimiques présentent les inconvénients et facteurs limitants suivants :

• le procédé ne permet pas de détruire les polluants,
• le procédé nécessite souvent un prétraitement et des unités de traitements des boues et des eaux importantes,
• les traitements sur site ne sont pas économiquement rentables pour des sites de petites tailles (coûts d’amenée-repli importants),
• le procédé présente un encombrement important quand il est utilisé sur le site,
• le changement de la texture des sols peut générer des problèmes de réutilisation en tant que remblais,
• les émissions atmosphériques et les nuisances sonores peuvent être importantes,
• la consommation en eau est parfois importante, il est donc d’usage de pratiquer la recirculation des eaux,
• le taux d’humidité résiduel après traitement est souvent un frein à une bonne revalorisation des sols ou un frein à sa mise en décharge. C’est pourquoi, des unités (souvent onéreuses) de déshydratation des particules fines sont souvent nécessaires,
• le traitement de matériaux plus ou moins homogènes est économiquement plus rentable que ceux présentant une très grande diversité granulométrique,
• le contact entre l’eau/les particules fines (argiles) polluées doit être important pour que le traitement soit efficace,
• le traitement avec des sols très argileux peut être problématique du point de vue de la désorption (notamment pour les composés très hydrophobes) et de la séparation des particules fines et de la solution extractante,
• la solution extractante doit être régénérée ou doit être éliminée dans une filière agréée (ce qui génère des surcoûts),
• les volumes d'extractants utilisés, lorsqu'ils ne sont pas recyclables, deviennent à leur tour un milieu à traiter,
• pour des contaminations multiples, complexes et hétérogènes, il peut être parfois difficile de trouver la bonne formulation,
• des études d’applicabilité poussées sont nécessaires,
• les polluants métalliques liés chimiquement peuvent être extraits avec certains solvants (relativement polluants), ce qui peut poser parfois des problèmes de gestion des résidus,
• dans le cas d’utilisation d’acide, il est nécessaire de neutraliser les effluents,
• les sols traités à l’aide de solvants présentent souvent des traces résiduelles de solvants qu’il faudra éliminer,
• les sols présentant une granulométrie supérieure à 60 mm doivent être éliminés,
• les effluents gazeux, les réenvols de poussières et les effluents liquides générés lors d’un traitement doivent être recueillis et traités si nécessaire, ce qui génère des surcoûts,
• des essais de décantation/flottation poussés doivent être réalisés afin de bien dimensionner les procédés de séparations gravitaires,
• des mesures spécifiques doivent être prises pour gérer les problèmes d’odeur des boues issues de pollutions organiques,
• les sols présentant une grande capacité d’échange cationique, ou une forte teneur en acide humique, de par leur grande capacité d’adsorption des polluants, vont occasionner des problèmes d’extraction des contaminants et nécessitent souvent un prétraitement spécifique,
• dans le cas de l'utilisation de solvants organiques, un taux d'humidité trop important du matériau à traiter peut limiter l'efficacité de l'extraction,
• l'extraction par fluide supercritique reste un procédé parfois très onéreux ce qui limite son utilisation industrielle,
• la présence de détergents ou d’émulsifiants peut nuire au procédé.

1. Sur site

Le coût total de traitement sur site peut être réparti selon trois types de charges :

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

L’investissement initial est réduit. Il correspond principalement à la mise en place de l’unité de lavage.

Le coût de mise en œuvre est élevé et très variable selon le type de solution de lavage utilisé (eau ou solvant). Les consommations d’énergie représentent également un poste important.

Un suivi analytique est nécessaire afin de garantir le niveau de dépollution des terres.

2. Hors site

Les coûts de traitement hors site peuvent varier entre 80 €/t et 285 €/t et pour des pollutions relativement complexes avec une filière de traitement complète, jusqu'à 1 300 €/t de sols traités. (BRGM, 2010)

Le lavage hors site est une technique très coûteuse qui diffère selon la solution de lavage (eau ou solvant) et les seuils d’acceptation des centres de traitement. Le coût de régénération des solutions de lavage est élevé. Cette technique est généralement plus avantageuse que le lavage sur site pour des quantités inférieures à 10 000 tonnes.

Répartition des coûts :

Le coût total de traitement hors site a été réparti selon les trois types de charges définies ci-dessus.

Les filières hors site se caractérisent par l’absence de coûts directement liés à l’investissement. En effet, les investissements initiaux de l’installation se répercutent indirectement dans les charges récurrentes qui intègrent l’amortissement des installations pour l’opérateur de traitement.

Les charges liées à la maintenance sont importantes, tout comme la consommation énergétique. Le coût de mise en œuvre est élevé et très variable selon le type de solution de lavage utilisé (eau ou solvant). La consommation d’énergie représente également un poste important.

Le traitement par lavage ne nécessite pas de suivi analytique contraignant.

Le procédé est actuellement commercialisé mais représente une très faible part du marché de la dépollution. Il existe quelques centres fixes d’extraction/solubilisation ou des unités de traitement mobiles.

Des rendements épuratoires de l’ordre de 95 % peuvent être obtenus dans des conditions optimales.

Les performances obtenues sont très variables en fonction des agents mobilisateurs utilisés, de la nature des polluants à extraire et du sol lavé.

C’est une technique rapide grâce à l’excavation des terres. Néanmoins, le fait que les terres soient traitées sur le site peut ralentir une valorisation immobilière.

Il existe des unités de traitement fixes et mobiles capables de traiter plusieurs dizaines à plusieurs centaines de tonnes par jours.

En 2012, 300 tonnes de terres ont été traitées chimiquement sur site. Cela représente 0,01 % du total des terres traitées

(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)
Étude Ernst & Young
Synthèse des données 2012, 148 p.
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

Lecomte P. (1998)
Les sites pollués : traitement des sols et des eaux souterraines
Lavoisier, 2e édition, Paris, 198 p.