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Sites et sols polluées

L'INJECTION IRS AU SERVICE DES TRAVAUX DE DÉPOLLUTION - <p>© Sarpi</p>
26/06/2023

L'INJECTION IRS AU SERVICE DES TRAVAUX DE DÉPOLLUTION


Pose TAM tarière tubée.
Injection ZVI zone source site industriel.
Figure 1 : Effets rebonds dans les 3 cas (piézomètres, flûtes de pan, ou tubes àmanchettes). Injection de réactif (en violet dans l’exemple), de durée et d’efficacitélimitées dans le temps. Plus le traitement est sélectif, plus les sols les plus fins sonttraités à coeur, et moins important est le relargage des pollutions par diffusion.

Dans la dépollution des sites et sols, les méthodes in situ (sans excavation) sont les plus économiques. L’injection de
réactifs est très employée dans les travaux de remédiation. Cet article met en lumière l’apport récent des techniques
d’injection employées en travaux de génie civil aux travaux de dépollution.

Les réactifs employés dans les travaux d’injection des sols en fondations spéciales sont à base de liants hydrauliques (coulis d’étanchéité bentonite-ciment) ; de gels minéraux à base de silicates, de
résines, etc. Ils ont pour objet d’étancher durablement les sols et de les consolider (injections en tunnel traditionnel, bouchons ou radiers injectés).
En travaux d’environnement (hors confinement), les injections ont un but très différent : elles ne doivent en général pas altérer la perméabilité moyenne du sol. En effet, tout blocage de nappe entraîne un potentiel contournement hydraulique qui peut avoir une incidence néfaste sur l’écoulement naturel, voire générer un déplacement des pollutions dissoutes. Il faut donc veiller à éviter cette situation « d’éclatement du panache », pouvant faire migrer les polluants vers des cibles voisines.
Ces aspects doivent être modélisés en amont des projets.
Les réactifs en dépollution des sols ont une action ciblée sur le polluant luimême, pour le détruire le plus souvent par voie chimique et/ou biologique.
À titre d’exemple, nous pouvons citer, pour l’oxydation chimique ou la biostimulation aérobie, les réactifs suivants :

 

  • oxydation chimique (des composés aromatiques, d’hydrocarbures légers, de composés halogénés…) : le réactif de Fenton (eau oxygénée avec catalyseur) ; le permanganate, les persulfates, etc.,
  • pour dynamiser la dégradation en milieu oxygéné (biostimulation aérobie) : injection de réactifs à diffusion lente d’oxygène, de type composés oxydants solides en suspension, tels que les
    percarbonates, et peroxydes de calcium et de magnésium, ou de liquides par injection de solutions d’oxydants dilués. Les réactifs permettant d’effectuer des traitements par réduction chimique ou par biostimulation anaérobie sont, par exemple :
  • réduction chimique (de solvants halogénés comme le trichloréthylène, le perchloréthylène) : injection de suspensions solides de fer zérovalent, de magnétite. Ces particules de réactifs
    agissent au contact avec les polluants organochlorés qui vont oxyder par corrosion le fer métallique (dit fer zérovalent) en ion ferreux ou ferrique.
    Tout le fer injecté est donc consacré à être corrodé (par allusion à l’épaisseur consacrée à la corrosion des tirants ou des palplanches) ;
  • pour la biostimulation anaérobie destinée à favoriser les bactéries ne se développant qu’en absence d’oxygène, des nutriments carbonés en solution tels que des lactates/des mélasses des huiles le plus souvent en émulsion, ou sous forme solide tels que des végétaux micronisés, sont injectés. Ces substances vont, pour certaines, se dégrader en composés simples (acides gras) directement assimilables par les bactéries.
    Une fois en milieu réduit, le milieu s’enrichit en hydrogène et permet la déchloration
    des composés organochlorés. Il n’est pas rare pour cette voie d’ajouter du fer zérovalent en complément pour permettre de passer plus rapidement en milieu réduit (le fer se corrodant dans l’eau par oxydo-réduction).

Autres voies de traitement physico-chimique :

  • injection de réactifs pour séquestrer les métaux (correcteurs de pH, zéolites, réactifs sulfurés, liants hydrauliques…) ;
  • injection de produits réactifs alcalins pour l’hydrolyse alcaline ;
    injection de tensio-actifs : mousse de poussage de phase flottante / mousses de confinement temporaire/ biodispersants ;

La dépollution des sites in situ fait ainsi appel à de multiples métiers : géologues - hydrogéologues - chimistes - ingénieurs TP - microbiologistes… Les difficultés sont du même ordre que celles
rencontrées en injection des sols : nous ne voyons ni ne sommes au coeur du sous-sol ; nous devons monitorer nos actions par des indicateurs parfois indirects.
L’une des principales difficultés est la gestion des « effets rebonds », qui correspond à une réaugmentation durable des concentrations en polluants dans les eaux après l’arrêt traitement.
Ces effets sont liés au rétablissement des équilibres de phase en conditions statiques, essentiellement dû à trois grandes causes :

 

  • la durée d’efficacité des réactifs employés est limitée dans le temps : tous les produits sont soit consommés par les bactéries, soit par les réactions chimiques. Les traitements n’altérant
    pas la perméabilité du sol, les produits solubles peuvent également migrer en aval ;
  • l’imperfection des traitements des zones les moins accessibles aux réactifs : il est plus difficile de traiter des zones argileuses que des sables grossiers. Or, c’est dans les horizons les plus fins et argileux que les polluants ont tendance à se concentrer (notamment sur les argiles, par affinité électrique entre charges négatives [argiles] et positives [métaux / polluants]) ;
  • la présence de produits très concentrés en phase pure (certains polluants forment des gouttelettes, voire de véritables marées noires souterraines). Il est difficile de traiter à coeur ces impacts.
    L’imperfection de répartition des réactifs est due aux modalités d’injection, qui peuvent faire appel à plusieurs méthodes :
  • injecteur ou piézomètre : injection faible pression, voire gravitaire, limitée aux solutions ou émulsions stables. Économiques, les traitements sont non ciblés et très inégaux dans le cas des géologies hétérogènes. Les sols argileux ou limoneux ne sont généralement pas imprégnés et les écoulements préférentiels sont nombreux, ce qui est en partie à l’origine des effets rebonds ;
  • direct push : technique d’injection importée des USA par fracturation hydraulique avec des foreuses type Geoprobe à haut débit (3 500 l/h par passe de 50 cm) et haute pression. Les
    traitements n’étant alors pas effectués par imprégnation, les effets rebonds sont fréquents ;
  • injection répétitive et sélective (IRS) au tube à manchettes (TAM) : cette technique d’injection a été utilisée dès 2010 en travaux d’environnement pour les injections par fracturation hydraulique de suspensions très épaisses et grossières (fer + végétaux

Dans tous les cas, le relargage, du fait d’un rééquilibrage par dissolution des polluants après un traitement imparfait des phases concentrées (effet de back-diffusion), peut ainsi créer ces
effets rebonds. Les schémas suivants comparent les techniques d’injection sur les effets rebonds :

L’injection par imprégnation nécessite également la maîtrise des paramètres fondamentaux, tels que précisés dans les « Recommandations de l’AFTES* - GT8 – Conception et réalisation des travaux
d’injection des sols et des roches » :

 

  • le premier critère est relatif à la taille des particules en fonction de la granulométrie du sol à injecter : les particules du coulis (ou du réactif injecté s’il est solide) doivent être suffisamment fines pour ne pas être filtrées dans la porosité du sol. On parle alors « d’injectabilité » ;
  • le second critère limite le débit d’injection afin de ne pas créer une pression d’écoulement supérieure à la contrainte d’ouverture du sol (pression dite de claquage). Cette contrainte augmentant avec la profondeur, les débits doivent être faibles à proximité de la surface et
    peuvent être augmentés en profondeur. Les débits doivent être également baissés si le produit d’injection est visqueux. En général, les débits pour l’imprégnation sont de l’ordre quelques centaines de litres par heure par mètre linéaire de forage.

Le non-respect d’une de ces lois conduit à l’injection par fracturation hydraulique (fort débit - forte pression).
À ce jour, chez Sarpi Remediation, après une quinzaine de sites traités en IRS par réduction chimique, nous avons obtenu 70 % de succès sans réinjection nécessaire.
Les sites qui ont eu recours à des réinjections sont de 2 types :

 

  • l’entretien des barrières perméables réactives injectées dans des panaches tant que la zone source n’est pas traitée ;
  • les sites très contaminés avec présence de phase pure.

Les traitements in situ par injection IRS font appel aux fondamentaux de l’injection des sols employée depuis longtemps en travaux souterrains. Il est primordial d’avoir une bonne connaissance du milieu à injecter. Il faut donc disposer au minimum de données de perméabilité ou, mieux, des fuseaux de
courbes granulométriques, encore trop rares dans les diagnostics pré-travaux (plan de conception travaux). Ces derniers sont un véritable atout pour sécuriser le dimensionnement des injections.
Reste également à déployer davantage l’injection IRS pour l’oxydation chimique ou la biostimulation, technique encore peu employée, car plus coûteuse que l’injection classique en piézomètres,
mais bien plus qualitative.
*Association française des tunnels et de l’espace souterrain.

 

Boris Devic-Bassaget
Directeur technique
Sarpi Remediation


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