Désorption thermique in situ

Mis à jour : 27/05/2020
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Principe

La Désorption thermique in situ, issue de l’amélioration de procédé de Venting, consiste à apporter une source de chaleur dans le sol pour volatiliser puis en extraire certains polluants (dits volatils et semi-volatils).

Caractéristiques
Mise en œuvre : In situ
Nature : Méthode thermique
Matrices : 
  • Sol
  • Eau souterraine
Domaines d'application : 
  • ZNS
  • ZS
Termes anglais : in situ heating (low temperature -100°C), Soil Vapor Extraction (SVE) with thermal enhancement, in situ thermal desorption
Codification/norme : C324b
Polluants traités : 
  • TPH lourd
  • TPH léger
  • SCOV
  • SCOHV
  • COV
  • HAP
  • Métaux/Métalloïdes
  • Pesticides/Herbicides
  • PCB
  • COHV
Description

Le procédé de Désorption thermique in situ est surtout utilisé lorsque le Venting atteint ses limites (sols trop imperméables ou composés semi-volatils difficilement extractibles).

Le sol en place est chauffé par différents moyens (vapeur, air chaud, électrodes, suivant les variantes), ce qui provoque une élévation de la température ayant pour effet :

  • de favoriser la désorption des contaminants fortement adsorbés sur la matrice sol,
  • d’augmenter la tension de vapeur des composés peu volatils afin de pouvoir les volatiliser et les extraire en phase gazeuse.

Figure 1 - Schéma de principe de la désorption thermique in situ (procédé à haute température – chauffage conductif).

Figure 1 - Schéma de principe de la désorption thermique in situ (procédé à haute température – chauffage conductif).

Les composés volatilisés sont par la suite récupérés via un réseau d’extraction semblable à celui du Venting.

Moyens

Le système de Désorption thermique in situ est constitué :

  • de points d’injection de chaleur (vapeur, air chaud, électrodes, suivant les variantes) verticaux ou horizontaux,
  • de points d’extraction verticaux (dénommés aiguilles d’extraction) ou horizontaux (dénommés drains d’extraction),
  • d’un réseau d’extraction permettant la mise en relation des points d’extraction et de la pompe à vide (si nécessaire un échangeur thermique permettra de refroidir les gaz avant le système de pompage et de traitement) ; ce réseau est muni de compteurs et de vannes de réglage des débits,
  • d’un séparateur de condensats ou dévésiculeur,
  • d’une unité d’extraction,
  • d’une filière de traitement des gaz dont la nature dépend des pourcentages d’épuration, des débits et des concentrations en polluants ; cette dernière peut être constituée de colonne de lavage, torchère, unité d'oxydation catalytique ou unité d’adsorption (généralement sur charbon actif), biofiltre. Pour les procédés à hautes températures, les procédés couramment utilisés sont l’oxydation thermique, un refroidisseur et un charbon actif,
  • un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement.
Paramètres de suivi

Les paramètres à suivre lors d’une opération de Désorption thermique sont les suivants :

  • les débits d’injection,
  • la température d’injection et/ou générée,
  • la dépression au niveau des puits d’extraction,
  • les concentrations en polluants dans les gaz des sols (et éventuellement des sous-produits),
  • les concentrations en polluants dans les rejets atmosphériques (respect des normes de rejets),
  • les paramètres relatifs au traitement des gaz (débits, dépression, perte de charge, saturation du charbon actif….),
  • la qualité des eaux souterraines en amont et en aval de la source de pollution :
    • les paramètres pH, O2, température, conductivité,
    • les concentrations en polluants,
    • les concentrations en métabolites éventuels,
  • la caractérisation des effets « rebonds ».
Variantes

1. Procédés à hautes températures (> 100 °C)

Ce type de procédé est opéré à des températures supérieures au point d’ébullition de l’eau. Il est essentiellement destiné à la zone vadose mais il peut aussi s’appliquer au niveau de la zone saturée à condition que la vitesse d’entrée de l’eau dans la zone à traiter soit plus faible que la vitesse d’évaporation de l’eau.

L’eau évaporée et les contaminants volatilisés sont collectés par un système proche de celui du venting (mais conçu pour les hautes températures).

Figure 2 - Schéma de principe de l’extraction sous vide avec injection thermique (procédé à basse température – vapeur ou air chaud).

Figure 2 - Schéma de principe de l’extraction sous vide avec injection thermique
(procédé à basse température – vapeur ou air chaud).

a. Chauffage conductif

Des réchauffeurs tubulaires verticaux ou horizontaux (ou éventuellement des couvertures chauffantes) alimentés par du courant électrique sont placés dans les sols au cœur de la pollution. Le chauffage conductif utilise les actions combinées du chauffage du sol obtenu par mise en œuvre de ces réchauffeurs (puits thermiques) et des puits d’extraction.

Le réchauffement du sol se fait par conduction, par rayonnement surtout à proximité des éléments de chauffe par advection et convection naturelle du fait de la vaporisation de l’eau liquide contenue dans le sol et du transport de la vapeur d’eau. Le chauffage conductif demeure efficace même dans les sols présentant une faible perméabilité car cette technique repose avant tout sur la conductivité thermique des sols qui est peu sensible aux hétérogénéités des formations géologiques. La conductivité thermique des sols est peu variable et comprise entre 0,5 et 1W/m/K.

Cette technique permet d’atteindre des températures de traitement très élevées, localement supérieure à 800 à 1 000°C et en moyenne sur la zone à traiter jusqu’à 600°C. Les puits thermiques sont d’une manière générale espacés de 2 à 3 m.

L’installation d’éléments de chauffage horizontaux (ou de couverture chauffante) est bien indiquée pour les pollutions de surface (jusqu’à 1 m de profondeur). Au-delà, des éléments verticaux sont utilisés.

b. Chauffage par micro-ondes

Le chauffage de l’eau des sols, réalisé grâce à l'utilisation de micro-ondes, permet d’améliorer la désorption et la volatilisation des polluants.

L’énergie est introduite dans les sols via des puits. La fréquence utilisée dépend de l’extension de la pollution et des propriétés diélectriques du sol (les longueurs d’onde sont comprises entre 0,3 et 30 cm).

Ce système nécessite une récupération et un traitement des polluants volatilisés.

Cette technologie est au stade de R&D. Son principal avantage serait d’allier la désorption/volatilisation des contaminants (provoquée par l’élévation de la température) et une dégradation des contaminants (sous l’effet des vibrations moléculaires).

2. Procédés à basses températures (< 100 °C)

Ce type de procédé est opéré à des températures inférieures au point d’ébullition de l’eau. Il est uniquement destiné à la zone vadose.

a. Injection de vapeur ou d’air chaud

De la vapeur d'eau (ou de l'air chaud) est injecté au droit de (ou sous) la source de pollution via des points d’injection verticaux ou horizontaux (aiguilles d’injection ou drains d’injection). L’élévation de température provoque la volatilisation des polluants. Un réseau de points d’extraction verticaux (dénommés aiguilles d’extraction) ou horizontaux (dénommés drains d’extraction) associé à une unité d’extraction permet de récupérer les polluants volatilisés afin de les traiter avant rejet à l’atmosphère.

b. Chauffage par résistance électrique

Des électrodes sont placées dans les sols de part et d’autre de la zone à traiter. Un courant électrique passe entre les électrodes au travers de la matrice sol. La résistance des sols a pour effet de créer une élévation de la température et donc une volatilisation des polluants.

Un réseau de points d’extraction verticaux ou horizontaux associé à une unité d’extraction permet de récupérer les polluants volatilisés afin de les traiter avant rejet à l’atmosphère.

D’une manière générale, les électrodes sont placées directement au cœur de la pollution de préférence dans les zones les moins perméables (donc les plus résistantes).

La chaleur a pour effet de volatiliser également l’eau, ce qui entraîne un assèchement des sols et donc une fracturation. Les écoulements s’en trouvent donc améliorés.

Les électrodes sont généralement placées par groupe de trois ; le système de mise en dépression des sols est alors placé à l’intérieur du triangle. Des unités constituées aussi de six électrodes sont actuellement au stade de R&D.

Applicabilité

La Désorption thermique in situ est applicable :

  • aux polluants habituellement traités par Venting : composés volatils et semi-volatils (solvants chlorés, essences …),
  • à des composés organiques beaucoup moins volatils, tels que les PCB mais aussi au mercure …

ableau 1 - Exemple d'efficacité de la désorption thermique selon la nature du polluant.

Tableau 1 - Exemple d'efficacité de la désorption thermique selon la nature du polluant.

La Désorption thermique permet de traiter les sols, les boues, les sédiments et les gâteaux de filtration. Les procédés de Désorption thermique sont utilisés pour séparer par évaporation les polluants organiques volatils adsorbés sur les terres. Ils concernent donc principalement les polluants en équilibre entre les phases gazeuse et solide ou liquide. Une phase liquide non aqueuse peut également être concernée par ce traitement selon la nature de ses constituants.

Tableau 2 - Domaine d'application de la désorption thermique en fonction de l’état physique de la pollution.

Tableau 2 - Domaine d'application de la désorption thermique en fonction de l’état physique de la pollution.

Faisabilité et dimensionnement

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) 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 caractéristiques de la source de pollution, les seuils de dépollution et le contexte géologique vont permettre de définir :

  • le rayon d’action des puits d’injection et de production de chaleur,
  • le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’injection et de production de chaleur (profondeur, diamètre, tranchées, puits...),
  • le rayon d’action des puits d’extraction en fonction de la dépression générée par l’extracteur,
  • le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’extraction (profondeur, diamètre, tranchées, puits...),
  • le type et la puissance de l’extracteur,
  • les dimensions de l’unité de traitement.

Le principal paramètre influençant le dimensionnement outre les caractéristiques des sols et des des polluants est la température effectivement atteinte au sein de la source de pollution.

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,
  • Surface et/ou volume à traiter.

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),
  • Infrastructure : électricité (puissance + triphasé).

c. Sol ou matériau à traiter

  • Géologie /lithologie ou nature des sols,
  • Terres en place ou déjà excavées (si thermotertre),
  • Humidité,
  • Typologies des sols (argiles, sables, etc.),
  • Taux de matière organique,
  • Température des sols.

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,
  • Teneur en brut (polluants adsorbés sur matière sèche) et en gaz du sol,
  • Solubilité,
  • Pression de vapeur,
  • Constante de Henry,
  • Point d’ébullition,
  • Coefficient de partition air/eau/sol.

En présence de substances aux caractéristiques particulières :

  • Pouvoir calorifique inférieur,
  • Température de volatilisation (point d’ébullition).

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,
  • Des données complémentaires sont nécessaires dans le cas d'un rabattement de la nappe.

f. Essais de traitabilité

Le « Cahier des charges » issu du guide méthodologique « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009), vous donnera des éléments vous permettant de vérifier la faisabilité de la technique sur votre site :

Facteurs

La Désorption thermique in situ présente les avantages suivants :

  • technique éprouvée (dans certains pays étrangers) ayant démontré une grande fiabilité et des résultats extrêmement significatifs,
  • technique efficace même pour des sols argileux et hétérogènes (l'humidité du sol et l'eau souterraine sont alors vaporisées (techniques à température > 100 °C), ce qui augmente la perméabilité),
  • technique permettant d’atteindre des profondeurs importantes,
  • technique permettant de diminuer les temps de fonctionnement classiquement observés pour le SVE (Soil Vapor Extraction),
  • technique permettant de traiter de nombreux polluants notamment les composés semi-volatiles difficilement traitables par le SVE classique,
  • technique permettant d’atteindre des taux de dépollution plus importants que le Venting classique,
  • applicable sous des bâtiments (forages horizontaux) à condition de bien maîtriser les émanations gazeuses.

Ses inconvénients et facteurs limitants sont les suivants :

  • les gaz doivent la plupart du temps être refroidis afin de protéger les unités de traitements en aval,
  • la quantité d’eau contenue dans le sol peut se traduire par différents effets :
    • nécessité d'une quantité d’énergie supplémentaire pour son évaporation,
    • la cohésion du sol et la manœuvrabilité sont très liées au facteur humidité,
    • la capacité du solide à adsorber les composés organiques est réduite,
    • la décontamination peut être améliorée lors de l’évaporation de l’eau.

Compte tenu des différents types d'effets (éventuellement contraires) de la teneur en eau sur la traitabilité par désorption thermique, il n'est pas possible de fournir de valeur maximale (ou minimale) souhaitable pour envisager la traitabilité par cette technique.

  • les impacts potentiels sur le milieu doivent être considérés :
    • impacts physiques sur les sols : perturbation des propriétés mécaniques des sols, apparition de fentes de retrait et dessiccation des sols humides et fins, tassements des sols qui peuvent affecter la stabilité d’éventuelles super ou infrastructures sur, ou à proximité, de la zone traitée,
    • impact sur la nappe phréatique : élévation de la température de la nappe et déplacement des conditions physico-chimiques qui y prévalent. La dégradation de la matière organique lors du chauffage est susceptible de libérer des polluants adsorbés non volatils et d’accroître leur solubilité et leur biodisponibilité après traitement,
    • impact direct sur les infrastructures, réseaux et canalisations enterrés,
    • impacts écologique et microbiologique : destruction ou perturbation des populations de micro-organismes et organismes des sols dans et en périphéries des zones traitées. La végétation est détruite dans la zone traitée,
  • l’hétérogénéité et le taux de matière organique des sols peuvent impacter notablement les rendements épuratoires. La concentration en organiques est un facteur important pour le choix du traitement thermique. Pour la majorité des applications, la fraction des contaminants est en général faible par rapport à la matière organique totale présente. Dans le cas de la désorption thermique "moyenne température", une pyrolyse de la matière organique naturelle du sol peut se produire. En présence d'une grande quantité de matière organique dans le sol (> 20%), ce phénomène augmente la quantité de gaz à traiter et peut rendre le procédé de désorption thermique couteux. Dans ce cas, l’incinération peut être une alternative intéressante,
  • les températures réellement atteintes au cœur de la pollution influent le rendement épuratoire,
  • le système de collecte doit être finement conçu afin d’éviter toute dissipation de la pollution,
  • le maillage des puits d’injection de chaleur et des puits d’extraction est très serré (souvent inférieur à 3 m), ce qui génère des coûts d’investissement élevés,
  • les émissions atmosphériques nécessitent un traitement d’air (surcoût),
  • les coûts de production de température (coûts d’exploitation) sont souvent importants et sont un frein à l’application de ce procédé, notamment ceux générés pour la vaporisation de l’eau,
  • les risques d’explosion/incendie doivent être pris en compte.
Coûts

En 2009, les coûts étaient généralement compris entre 70 et 155 €/t de sols traités (estimation). (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 100 €/t, la moyenne haute de 150 €/t et le maximum de 250 €/t de sols traités en place (hors consommation électrique). 

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.

Répartition des coûts

Les coûts se répartiraient comme suit :

  • la part de l’investissement initial dépend de la technologie utilisée. Il est généralement peu important et correspond à la mise en place des aiguilles de désorption (pointes chauffantes) et du réseau d’extraction d’air pour traiter les gaz.
  • selon les acteurs, les charges liées à la consommation énergétique sont importantes en vue d’augmenter la température des sols en place,
  • les coûts de maintenance sont assez élevés.
Maturité

Le procédé est actuellement en cours de développement en France mais est déjà couramment utilisé aux États-Unis ainsi que dans d‘autres pays européens (à l’exception du chauffage par micro-ondes qui est encore au stade pilote). Les traitements thermiques in situ sont encore peu éprouvés et des problèmes d’hétérogénéité des traitements peuvent compliquer leur mise en œuvre.

Efficacité

Dans des conditions optimales, le rendement de ce procédé peut dépasser 95%. Néanmoins, ce rendement peut être sensiblement affecté par l’hétérogénéité du milieu, la présence de matière organique et la présence de polluants très peu volatils.

La Désorption thermique in situ permet d'augmenter de façon notable les rendements d'extraction ainsi que les délais couramment rencontrés lors d’un Venting classique.

Délai

Les durées de traitement varient entre 3 et 6 mois dépendamment du type de sols et du type de pollution.

Taux d'utilisation

En 2012, les traitements de nature thermique ont été relativement peu utilisés avec un taux d'un peu plus de 5 % : ces traitements sont en général le dernier recours pour des polluants peu volatils difficilement traitables par les autres techniques. Ce sont des traitements rapides lorsqu’ils sont réalisés sur site ou hors site mais très coûteux. Ils ont par ailleurs un impact non négligeable sur la qualité des sols après traitement.

(ADEME, 2015)

Contrairement à 2010, en 2012 certains acteurs ayant répondu à l'enquête indiquent avoir eu recours à la Désorption thermique in situ : elle représente 6,9 % des terres traitées in situ et 3,4 % du total de terres traitées.

La Désorption thermique a été très peu utilisée par les acteurs français en 2012, ce qui s’explique notamment par un coût élevé de mise en œuvre (cette technique étant la technique sur site la plus coûteuse notamment en raison des coûts de déplacement de l’unité de traitement). C’est une technique qui n’est rentable que sur d’importants chantiers.

(ADEME, 2012)

Références

1. Bibliographie

ADEME (2009)
Traitabilité des sols pollués - Guide méthodologique pour la sélection des techniques et l'évaluation de leurs performances

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.
https://www.ademe.fr/taux-dutilisation-couts-differentes-techniques-filieres-traitement-sols-eaux-souterraines-pollues-france-0

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://www.ademe.fr/taux-dutilisation-couts-differentes-techniques-filieres-traitement-sols-eaux-souterraines-pollues-france

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://www.burgeap.fr/estrapol-essais-de-faisabilite-de-traitement-de-sols-pollues/

2. Liens

How To Evaluate Alternative Cleanup Technologies For Underground Storage Tank Sites: A Guide For Corrective Action Plan Reviewers
US EPA
https://www.epa.gov/ust/how-evaluate-alternative-cleanup-technologies-underground-storage-tank-sites-guide-corrective

  • Chapter VI. Low-Temperature Thermal Desorption, 1994. EPA 510-R-04-002, 34 pages.

Critical Evaluation of State-of-the-Art In Situ Thermal Treatment Technologies for DNAPL Source Zone Treatment
2010. J.T. Kingston, P.R. Dahlen, P.C. Johnson, E. Foote, and S. Williams
ESTCP Project ER-0314, 1,272 pp
http://www.clu-in.org/download/techfocus/thermal/Thermal-ER-0314-FR.pdf

Thermal Treatment of Hydrocarbon-Impacted Soils: A Review of Technology Innovation for Sustainable Remediation
2016. Vidonish, J.E., K. Zygourakis, C.A. Masiello, G. Sabadell, and P.J.J. Alvarez, Engineering. 12 pages
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809917300796

Technology guide: thermal desorption
2018.
CRC for Contamination Assessment and Remediation of the Environment - Care National Remediation Framework. Version 0.1, 43 pages
https://www.crccare.com/files/dmfile/ETechguide_Thermaldesorption_Rev0.pdf

Nombreux guides, études de cas et informations complémentaires sur le site US-EPA - Clu-in
http://clu-in.org/techfocus/default.focus/sec/Thermal_Treatment%3A_In_Situ/cat/Overview/

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