Vitrification in situ

Mis à jour : 27/05/2020
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Principe

Ce procédé consiste à solidifier/stabiliser le sol par élévation de la température afin de le transformer en un matériau fondu qui se vitrifie en se refroidissant.

Caractéristiques
Mise en œuvre : In situ
Nature : Méthode thermique
Matrices : 
  • Sol
Domaines d'application :
  • ZNS
Terme anglais : vitrification
Codification/norme : Sans objet
Polluants traités : 
  • TPH lourd
  • TPH léger
  • SCOV
  • SCOHV
  • Dioxines/Furannes
  • COV
  • HAP
  • Métaux/Métalloïdes
  • Pesticides/Herbicides
  • PCB
  • COHV
Description

Des électrodes en graphite (généralement au nombre de 4) sont introduites dans la source de pollution (zone vadose). Un courant électrique est alors imposé entre les électrodes ; le passage du courant dans les sols génère, par effet Joule, une augmentation importante de la température (1 600 à 2 000°C), ce qui entraîne la fusion des sols (puis une vitrification lors de son refroidissement). Les électrodes sont enfoncées au fur et à mesure de la vitrification de la surface du sol vers le bas de la zone à traiter.

Les composés organiques sont soit détruits soit volatilisés et acheminés vers une unité de traitement spécifique. Pour ce faire, l’ensemble de la zone à traiter doit être placée sous une hotte mise en dépression.

Les composés inorganiques mais aussi l’amiante et les radionucléides sont incorporés dans la matrice vitrifiée. Cette dernière est très stable inerte et très peu lixiviable.

Figure 1 - Schéma de principe de la vitrification thermique in situ.

Figure 1 - Schéma de principe de la vitrification thermique in situ.

Moyens

Le système de Vitrification in situ est constitué des éléments suivants :

  • électrodes en graphite fixées à un système de maintien et alimentées par du courant électrique,
  • hotte (couvercle hermétique) recouvrant la totalité de la zone à traiter ainsi que la zone adjacente afin de prévenir tout risque de dispersion des polluants,
  • une pompe à vide (si nécessaire un échangeur thermique permettra de refroidir les gaz avant le système de pompage et de traitement),
  • séparateur de condensats ou dévésiculeur,
  • 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 d’une unité d'oxydation catalytique, d’incinérateur ou d’une unité d’adsorption (généralement sur charbon actif),
  • stockage des déchets solides et liquides issus du traitement.
Paramètres de suivi

Les paramètres à suivre lors d’une opération de Vitrification in situ sont les suivants :

  • la température générée,
  • la dépression de la hotte,
  • 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 en adjuvant.

Les concentrations dans les lixiviats devront être mesurées en fin de traitement afin de vérifier le caractère inerte des matériaux.

Variantes

Il n’existe pas de variantes à ce procédé.

Applicabilité

Cette technique, à l’instar des autres techniques de solidification/stabilisation, est applicable à de nombreux composés organiques (destruction des COV, SCOV, dioxines, PCB…) mais est principalement destinée à traiter (par immobilisation) les composés inorganiques mais aussi l’amiante et les radionucléides.

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 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.

2. Dimensionnement

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

Outre les données classiques de la source de pollution, les principales données concernant les sols à acquérir sont :

  • les conductivités thermique et électrique des sols,
  • la capacité/vitesse de solidification du mélange en fusion,
  • les mesures de concentrations et vérification de la présence en éléments préjudiciables à la technique :
    • sulfures, chlorures, phosphore, sols alcalins (Na2O et K2O),
    • teneur en humidité faible,
    • produits pouvant générer des risques d’explosions (produits inflammables ou explosifs),
    • présence de déchets métalliques,
  • la réalisation d’essai de lixiviation sur des échantillons témoins avant et après traitement.

Ces données sont indispensables pour calculer la puissance du courant à appliquer ainsi que l’espacement des électrodes.

Par ailleurs, les données nécessaires à la récupération et au traitement des gaz doivent être collectées :

  • la dimension de la hotte (couvercle hermétique),
  • la dépression générée par l’extracteur,
  • le type et la puissance de l’extracteur,
  • les dimensions de l’unité de traitement.

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.

b. Sol ou matériau à traiter

  • Géologie/lithologie ou nature 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.
Facteurs

La Vitrification in situ présente les avantages suivants :

  • applicabilité à de très nombreux produits,
  • les résidus solides sont peu lixiviables,
  • technique particulièrement adaptée aux contaminants toxiques non combustibles,
  • 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.

Ses inconvénients et facteurs limitants sont :

  • consommation énergétique très importante et constituant un frein à l’application de ce procédé,
  • les contaminants peu volatils (métaux, radionucléides, amiante ….) restent dans le sol mais sont immobilisés,
  • la proportion des contaminants organiques présents doit être inférieure à 5-10%,
  • les surfaces des sols traitées sont faibles à chaque mise en place (< 10 m2),
  • la profondeur de traitement maximale est de l’ordre de 6 m,
  • la technique ne peut être employée à proximité de bâtiments, d’infrastructures, de réseaux et de canalisations enterrés du fait de l’affaissement des sols provoqué (stabilité géotechnique) et de la chaleur générée (risque d’impact sur les matériaux),
  • le sol doit contenir suffisamment de silice pour que la vitrification soit efficace,
  • la technique est limitée dans le cas d’un taux d’humidité faible (la conductivité électrique des sols est alors trop faible) ; ce manque de conductivité peut être compensée par un apport de copeaux de graphite et de verre entre les électrodes, ce qui permet d’initier le passage du courant électrique et donc le phénomène de vitrification,
  • la technique nécessite le contrôle d’éléments préjudiciables à la technique (humidité, sulfures, chlorures, phosphore) ainsi que des produits pouvant générer des risques d’explosions (produits inflammables ou explosifs),
  • les sols alcalins (Na2O et K2O) se prêtent peu à cette technique (au-delà de 1,4% massique, la conductivité électrique du sol sera insuffisante) (Buelt and Thompson, 1992),
  • les propriétés texturales et de fertilité des sols sont complètement détruites,
  • la densité des sols augmente de 1,5-1,9 à 2,6 t/m3,
  • les sols se refroidissent en plusieurs mois à une année,
  • le système de collecte doit être finement conçu afin d’éviter toute dissipation de la pollution,
  • les émissions atmosphériques nécessitent un traitement d’air (surcoût),
  • les gaz doivent la plupart du temps être refroidis afin de protéger les unités de traitements en aval,
  • la technique détruit les populations de micro-organismes et organismes des sols dans et en périphéries des zones traitées. La végétation est détruite dans la zone traitée.
Coûts

Le procédé étant peu employé en France, les coûts de traitements sont donnés pour le marché américain :

  • Coûts d’immobilisation : 40 000 à 80 000 $,
  • Coût d’opération : 450 à 900 $/m3.
Maturité

Cette technique est au stade de R&D très avancé. Des unités de traitement existent d’ores et déjà aux États-Unis, au Japon et dans certains pays européens.

Efficacité

Les concentrations dans les lixiviats après traitement peuvent être diminuées de plus de 95%.

La vitesse d’exécution est rapide : 3 à 5 tonnes par heure.

Délai

Les durées de traitement varient entre 6 et 24 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.

Aucun acteur n’a déclaré avoir utilisé la Vitrification in situ en 2012.

(ADEME, 2015)

Références

1. Bibliographie

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

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

Buelt, J.L., Thompson, L.E. (1992)
The in situ vitrification integrated program: focusing an innovative solution on environmental restoration needs
(No. PNL-SA–20853; CONF-920851–88). Pacific Northwest Lab., Richland, WA (United States)

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