Solidification-stabilisation sur site, hors site

Les procédés de Solidification-stabilisation sur site ou hors site ont pour but de piéger les polluants afin de réduire leur mobilité. Les polluants sont soit liés physiquement, soit inclus dans une matrice stabilisée, soit liés chimiquement.

Il convient de distinguer la solidification et la stabilisation qui sont deux procédés distincts et qui ont pour but de diminuer la fraction mobile des sols :

• La solidification : la solidification consiste à lier physiquement ou à emprisonner les polluants au sein d’une masse stable, dure et inerte. La solidification doit être appliquée sur l’ensemble de la matrice polluée. L’objectif est de réduire le contact eau/polluants en agissant principalement sur la diminution de la porosité (réduction de la perméabilité),
   
• La stabilisation : il existe deux modes de stabilisation :
  • la transformation chimique d’un polluant lessivable en un composé peu ou non soluble,
  • l’augmentation des capacités de sorption du polluant avec les matériaux par mélange avec différents adjuvants afin de les rendre moins mobilisables.

Figure 1 - Schéma de principe de la solidification, stabilisation on site ou ex situ.

Dans tous les cas, les polluants ne sont pas détruits, mais leur impact potentiel sur l’environnement est fortement diminué.

Ces techniques sont essentiellement utilisées sur les polluants non biodégradables (certains polluants organiques mais essentiellement des métaux lourds/métalloïdes). Elles nécessitent souvent un confinement après traitement.

Le procédé nécessite donc l’excavation des sols. La mise en contact entre les sols pollués et les différents réactifs (liants minéraux, additifs, eau ….) est réalisée à l’aide d’un malaxage à des conditions opératoires spécifiques (bétonnières, mélange à la pelle, malaxeurs). Une fois le mélange réalisé, les sols en cours de stabilisation/solidification sont conditionnés dans des big-bags, des caissons spécifiques, des containers ou dans des alvéoles de confinement spécifiques.

L’opération nécessite la plupart du temps un prétraitement : criblage, trémie. Dans le cas de composés volatils, il convient de mettre en place un système de captage, de contrôle et de traitement des gaz.

Les moyens matériels nécessaires à la Solidification-stabilisation sur site ou hors site 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, malaxeur de reprise, cuve avec agitateur, réservoirs de réactifs,
• malaxeurs,
• pompe d’injection avec automate et enregistreur des paramètres (pression, volumes, débits, températures, pH …),
• zone de stockage temporaire de déchets et de terres en excédent,
• si nécessaire, en cas de présence de composés organiques volatils, système de captage de contrôle et de traitement des gaz (zéolithes, charbon actif, strippers,...).

Les paramètres suivis lors d‘une opération de Solidification-stabilisation sur site ou hors site 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 le dosage des réactifs,
• 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 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 paramètres relatifs au traitement des eaux (débits, pression, perte de charge, saturation du charbon actif….),
• la vérification de la stabilisation ou de la solidification (test de lixiviation …).

Les principales techniques de stabilisation-solidification sont les suivantes :

• Support cimenteux (en anglais cimentitious) :
  • Ciment (cement) : les sols pollués sont mélangés avec du ciment (de type Portland principalement) afin de former des composés peu solubles (hydroxydes et silicates) et de les incorporer chimiquement dans la matrice solide de ciment (c’est-à-dire dans le silicate de calcium hydraté et l’aluminate de calcium hydraté formé par le ciment).
  • Matériaux pouzzolaniques (pouzzolane) : ils présentent des propriétés similaires au ciment de Portland surtout quand les teneurs en silice sont élevées ; il s’agit d’espèces de silicates et d’aluminate qui réagissent avec de la chaux en présence d’eau pour former un silicate de calcium hydraté qui durcit pour former un matériau solide de faible perméabilité. Ces matériaux pouzzolaniques sont souvent utilisés avec du ciment de Portland et de la chaux.
  • Scories hydrauliques (hydraulic slag) : des scories granuleuses de hauts fourneaux ont été utilisées avec succès pour stabiliser des boues de désulfurisation de gaz.
  • Ajout à base de chaux (lime-based) : l’addition d’oxyde de calcium ou d’hydroxyde de calcium produit du silicate de calcium ou des aluminates hydratés, qui permettent de fixer les contaminants inorganiques.

Il est d'usage d’ajouter des additifs aux ciments ou aux matériaux pouzzolaniques afin d’en améliorer les propriétés : bentonite (amélioration de l’imperméabilité du mélange), silicates (formation avec les métaux des complexes chimiques ayant une solubilité inférieure aux hydroxydes, carbonates ou sulfates), amélioration de l’ad/absorption des composés semi-volatils (ajout de charbon actif, argiles hydrophobes, zéolites, gypse).

Les supports cimenteux sont bien adaptés aux pollutions par les contaminants inorganiques. Par contre, l’efficacité avec les composés organiques est très variable.

• Support argileux organophile : Des argiles sont traitées chimiquement afin d’améliorer le pouvoir d’adsorption des composés organiques. Des formulations spécifiques peuvent être réalisées afin d’améliorer l’adsorption de composés organiques particuliers.
• Supports thermoplastiques. Aucune réaction chimique n’a lieu avec le liant, on parle donc de fixation chimique. Il s’agit de solidification (ou d’enrobage ou d’encapsulation). Les composés utilisés sont les bitumes, les asphaltes, les paraffines, les composés plastiques (PE, PP, PVC). Les sols réduits à une faible granulométrie sont séchés et mélangés dans la matrice préchauffée ; le mélange est réalisé à une température de l’ordre de 120-230°C. Le mélange est par la suite refroidi. Les rejets atmosphériques générés par les polluants volatils doivent être traités si nécessaires.
• Cas par cas : La stabilisation repose essentiellement sur des formulations au cas par cas, les exemples suivants présentent la spécificité de certaines données :
  • précipitation de l’arsenic à l’aide de Fe(III),
  • précipitation du plomb sous forme de phosphate de plomb suite à l’ajout de trisodium de phosphate.

Il faut aussi rappeler que la Vitrification est considérée comme une solidification thermique.

Ces techniques sont essentiellement utilisées sur les polluants de type métaux/métalloïdes (chrome, arsenic, plomb, cadmium, cuivre, zinc et mercure) ainsi que sur certains polluants radioactifs.

On les utilise, dans une moindre mesure, sur certains composés organiques non/peu biodégradables (polluants organiques persistants - POP de type PCB, créosotes et pesticides).

Le traitement de sols pollués par stabilisation physico-chimique a pour cible la fraction relargable des polluants présents dans le sol. Il ne s’adresse pas aux pollutions des phases gazeuses ou solides peu solubles.

Tableau 1 - Domaine d'application de la stabilisation en fonction de l’état physique de la pollution.

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 méthodologique « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009) et le Guide ESTRAPOL (2019) vous donneront des éléments vous permettant de vérifier la faisabilité de la technique sur votre site.

2. Dimensionnement

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

Les données nécessaires au dimensionnement sont :

• les caractéristiques des sols
• les caractéristiques de la source de pollution
• l’adéquation de la formulation :
  • les tests de lixiviation pour différents dosages et différents adjuvants,
  • les tests pour la nature et le dosage des additifs.

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

a. Définition du projet

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

b. Sol ou matériau à traiter

• Géologie /lithologie ou nature des sols,
• Résistance mécanique,
• Cohésion,
• Humidité,
• Masse volumique des particules (considération des changements de poids et de volume),
• Densité,
• Répartition granulométrique,
• pH,
• Microstructure des sols.

c. 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,
• Tests sur la présence d’inhibiteurs.

d. Aquifère

• Perméabilité,
• Porosité.

e. 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 stabilisation physico-chimique (PDF - 255 Ko)

Les techniques de solidification-stabilisation présentent les avantages suivants :

• la solidification réduit l’accessibilité des polluants à l’environnement,
• la stabilisation réduit le potentiel de mobilisation des polluants dans l’environnement,
• les procédés ainsi que les moyens techniques et matériels sont déjà éprouvés pour le traitement des déchets,
• la stabilisation peut être couplée avec les besoins géotechniques,
• ce procédé permet de "traiter" des pollutions essentiellement inorganiques mais aussi mixtes,
• ce procédé est rapide,
• ce procédé est assez économique dans des cas classiques d'utilisation.

Leurs inconvénients et facteurs limitants sont les suivants :

• ce procédé ne permet pas de détruire les polluants,
• les sols traités doivent être éliminés ou enfouis, ce qui génère des surcoûts dont il faut tenir compte dès le départ du projet,
• le procédé utilisé en traitement ex situ nécessite un transport parfois coûteux ;
• un suivi pérenne des sols traités est nécessaire,
• ce procédé s’applique essentiellement sur des matériaux homogènes et perméables,
• le contact entre les polluants et l’adjuvant doit être important pour que le traitement soit efficace. Un contact et une homogénéisation maximale entre le sol et les réactifs sont essentiels à la bonne marche du procédé pour réaliser une réelle fixation chimique des polluants et non un simple enrobage des particules de sol. Il est donc impératif de s’assurer que le sol peut être amené à la granulométrie la plus fine et homogène possible.
• l’efficacité de la solidification-stabilisation dépend étroitement des caractéristiques physico-chimiques de la zone contaminée,
• la présence de sels solubles (exemple : chlorures, sulfates…) en quantités importantes, si elle n’empêche pas une immobilisation du polluant, peut être gênante dans le sens où généralement ces sels sont difficiles ou impossibles à stabiliser par voie physico-chimique,
• pour des contaminations multiples et complexes, il peut être parfois difficile de trouver la bonne formulation,
• pour des profondeurs de plus de 3 à 5 m (équivalent à une profondeur d’excavation à la pelle mécanique aisée), les procédés in situ deviennent plus rentables que les procédés ex situ.
• le traitement génère souvent une augmentation du volume (plusieurs dizaines de pourcents parfois), les terres en excédent doivent alors être gérées à part,
• l’approche classique de stabilisation basée sur le ciment n’est pas efficace pour les composés organiques,
• des études poussées d’applicabilité sont nécessaires,
• l’efficacité à long terme doit être prouvée (exposition aux intempéries : eau, gel/dégel, dessiccation …),
• les effluents gazeux résultant du processus de volatilisation générés lors d’un traitement sur des polluants organiques doivent être recueillis à la surface et traités.

1. Hors site

En 2009, les coûts variaient fortement en fonction de la complexité du procédé. Ils allaient de 70 à 190€ par tonne de sols traités pour un traitement hors site avant stockage (hors coût de stockage) (estimations). (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 180 €/t, la moyenne haute de 250 €/t et le maximum de 300 €/t de sols traités après excavation (coût de stockage ultérieur en ISDD inclus dans ces prix) (hors excavation, tri des terres, transport et TGAP si applicable). 

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

2. Sur site

En 2009, il est admis que les coûts de traitement variaient entre 25 et 120€/t de sols traités pour un traitement on site (hors amenée-repli) (estimations). (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 45 €/t, la moyenne haute de 75 €/t et le maximum de 120 €/t de sols traités après excavation (hors excavation, tri des terres, transport interne et consommation él). 

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

Évolution 2010/2012 :

Entre 2009 et 2019, les coûts du stabilisation sur site sont restés stables. Concernant les coûts de stabilisation hors site sont globalement en baisse de 10 %, lorsque l'on compare ceux proposés pour 2019 (incluant la mise en ISDD) avec la somme des deux coûts correspondants de 2009.

Répartition des coûts :

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

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

L’investissement initial est limité et correspond à l’installation de l’unité. Le coût de mise en œuvre est lui très important. Les charges liées aux consommations de réactifs sont variables. Un suivi analytique est nécessaire pour valider la stabilisation de la pollution. Sa part dans la répartition des coûts est néanmoins réduite en comparaison avec la mise en œuvre.

La stabilisation sur site est peu maîtrisée par les acteurs de dépollution et elle n'est pas actuellement mature sur le marché.

Le procédé est actuellement commercialisé par plusieurs sociétés en France. Des centres de traitement fixes ainsi que des unités mobiles sont disponibles sur le marché. La Solidification et la stabilisation sur site font partie des techniques les plus utilisées pour les sols pollués par les métaux.

La Solidification-stabilisation sur site ou hors site est beaucoup plus avancée que le procédé in situ en terme de maturité (notamment en prétraitement dans les centres d’enfouissement technique).

L’efficacité de la Solidification-stabilisation sur site ou hors site est, d’une manière générale, plus importante que celle de la Solidifcation-stabilisation in situ. Les concentrations dans les lixiviats après traitement peuvent être diminuées de 95% et, dans certains cas, atteindre des valeurs inférieures à quelques microgrammes par litre et donc inférieures à certains critères réglementaires.

La mise en œuvre de la stabilisation sur site repose sur des réactions de stabilisation de terres polluées excavées. C’est un traitement rapide mais peu compatible avec une valorisation immédiate du fait du traitement sur site.

Les plus grandes unités de traitement peuvent traiter jusqu'à 800 à 1 000 t/j.

En 2012, la stabilisation sur site a représenté 10 % des tonnages traités sur site et 5,3 % du total des terres traitées.

Évolution 2010/2012 :

Les tonnages traités par stabilisation physico-chimique sur site ont diminué de 89% par rapport à 2008. Cette forte baisse s’explique par la présence d’un important chantier de stabilisation physico-chimique sur site, en 2008, qui avait « dopé » les tonnages traités par cette technique. La technique n’a pas subi de baisse forte de son taux d’utilisation, elle est revenue à son niveau d’utilisation « classique ». Les volumes traités en 2010 sont donc d’un ordre de grandeur normal pour cette technique.

(ADEME, 2012) (ADEME, 2015)

1. Bbliographie

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 (2012)
Les taux d'utilisation et coûts des différentes techniques et filières de traitement des sols et des eaux souterraines pollués en France (Les)  
Étude Ernst & Young
Synthèses des données 2008 – 114 p.

ADEME (2015)
Taux d'utilisation et coûts des différentes techniques et filières de traitement des sols et des eaux souterraines pollués en France (Les)
Étude Ernst & Young
Synthèse des données 2012, 148 p.
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

ESTRAPOL (2019)
Essais de faisabilité de traitement de sols pollués
https://librairie.ademe.fr/sols-pollues/3966-projet-estrapol.html