La pollution des sols par des produits liquides nécessite la mise en ?uvre de techniques d'extraction et de traitement variées : pompage de l'eau de nappe et des liquides surnageants, extraction de l'air et de produits évaporés, traitement par action biologique dans la nappe et dans la zone vadose. Dans une telle situation, il est fondamental de gérer au mieux les écoulements dans toutes les phases du processus.
Yves Lecoffre, YLec Consultants et Pascal Roudier, ATE
La pollution des sols par des produits liquides nécessite la mise en œuvre de techniques d’extraction et de traitement variées : pompage de l’eau de nappe et des liquides surnageants, extraction de l’air et de produits évaporés, traitement par action biologique dans la nappe et dans la zone vadose. Dans une telle situation, il est fondamental de gérer au mieux les écoulements dans toutes les phases du processus.
ATE a développé une méthode originale de pompage simultané des gaz contenus dans la zone vadose, des polluants surnageants et de l’eau de la nappe. L’extraction se fait à partir de forages de petit diamètre, typiquement de l’ordre de 50 mm, analogues à ceux utilisés dans les procédés de rabattement par aiguilles. Le nombre de forages peut atteindre une trentaine, voire une cinquantaine pour les sites très étendus. Dans certains cas, comme le traitement de stations-services, quelques aiguilles peuvent suffire. Cette technique d’extraction triphasique (Eau, Huile et Gaz) a été appliquée avec succès sur plusieurs sites en France et à l’étranger.
*Marque déposée par ATE.
Les avantages de la méthode sont nombreux, tant sur le plan technique qu’économique :
- - Les forages sont peu onéreux, ceci d’autant plus que la perméabilité du sol est faible.
- - Il n’est pas nécessaire d’installer une pompe au fond de chaque puits pour extraire les liquides.
- - On peut pomper simultanément trois phases, l’eau qui peut contenir des polluants dissous, le gaz et les surnageants.
- - Il est possible de pomper à grande profondeur (Brevet ATE n° 9813 487).
- - On peut régler indépendamment les débits de gaz et de liquide.
L’optimisation des installations passe par une méthodologie de dimensionnement précise prenant en compte les interactions entre les différents composants. Il est, en particulier, fondamental de calculer précisément les écoulements dans les diverses zones du circuit, incluant le sol, les aiguilles d’extraction, le ou les réseaux de transport, les machines de pompage et les appareils de traitement des effluents. Les investissements et les frais de fonctionnement sur la période de traitement peuvent varier considérablement en fonction des choix technologiques effectués et des machines mises en œuvre.
C’est dans ce cadre d’optimisation des réseaux de transport de fluides qu’ATE a souhaité collaborer avec le cabinet YLec Consultants pour développer une méthode de dimensionnement adaptée, qui complète les procédures déjà mises en œuvre.
Principe de l’extraction triphasique
La figure 1 donne une représentation schématique d’un sol pollué, avec ses quatre zones caractéristiques. Dans la zone vadose 1, supérieure, circule le gaz. Les écoulements dans cette zone sont particulièrement complexes, puisqu’elle contient en général des inclusions liquides et des composants adsorbés. Elle peut être modifiée sous l’effet de précipitations ou de variation des niveaux de nappe. La zone 2 est constituée de liquides surnageants qu’il est nécessaire d’éliminer. La zone 3 est la partie supérieure de l’aquifère. Elle contient des composants dissous qui doivent être extraits. La zone 4 est constituée d’eau non polluée.
On peut traiter un sol en pompant le liquide qu’il contient. Ce pompage crée un rabattement dans la nappe et au niveau du puits (figure 2a). On peut également extraire les gaz seuls. C’est l’opération classique de Venting qui conduit à un exhaussement de la nappe au niveau du puits (figure 2b). Si on applique simultanément les deux procédés, on peut extraire les deux fluides dans des proportions quelconques en jouant sur la dépression appliquée par l’écoulement d’air et sur le rabattement imposé au niveau du puits. C’est l’extraction triphasique (figure 2c).
Le cahier des charges, les essais préliminaires
Dans tout traitement de sols pollués, on doit d’abord déterminer les caractéristiques de la pollution, de la nappe et du terrain. Pour ce faire, on effectue des forages de test et on met en œuvre des piézomètres selon les méthodes habituelles d’hydrogéologie. On détermine ainsi les grandeurs caractéristiques du terrain, transmissivité et coefficient d’emmagasinement en particulier. Cette première phase s’appuie sur les
Modèles de calcul en milieu poreux et doit permettre de déterminer le nombre d’aiguilles à mettre en œuvre, les débits à extraire sur chacune d’elles et le temps de traitement. Ce calcul se fera dans un premier temps sur l’eau et les suageants et tiendra compte de la pente de l’aquifère.
On applique des procédures équivalentes sur la zone vadose. Il s’agit de méthodes de dimensionnement classiques pour les installations de Venting, avec prise en compte éventuelle des aspects biologiques. Des essais de traitement en laboratoire ou in situ seront en général souhaitables.
Simulation des écoulements dans le sol pendant le temps de traitement
L’un des points particulièrement intéressants d’un traitement triphasique est qu’il est possible d’augmenter notablement les débits d’eau et de suageants extraits en appliquant une dépression suffisamment importante dans l’aiguille. Le débit d’eau extrait de la nappe est en effet proportionnel à la somme du rabattement effectif de la nappe et de la différence de pression entre la pression atmosphérique et la pression dans l’aiguille.
On donne sur la figure 3 le débit d’eau extrait par mètre d’aquifère pour différentes valeurs du rabattement total, somme du rabattement effectif et de la différence de pression appliquée. Ceci met en évidence l’intérêt d’une mise en dépression.
L’optimisation du nombre d’aiguilles et du temps de traitement passe par une bonne simulation de ces paramètres au moyen de codes de calcul d’hydrologie.
Les formules de base utilisées sont les formules de Theis-Jacob pour les écoulements dans la nappe et celles de Theim pour les écoulements dans la zone vadose.
À l’issue de cette analyse, on dispose des informations suivantes :
- La pression dans chaque aiguille,
- Le débit d’air dans chaque aiguille,
- Le débit de liquide à extraire de chaque aiguille.
On effectue une simulation de ces paramètres en fonction du temps et on dispose ainsi des données d’entrée pour dimensionner le réseau d’extraction le mieux adapté pour la durée de traitement envisagée.
Il va de soi que cette phase d’étude est particulièrement importante et que la réussite d’un traitement est souvent liée à une bonne connaissance du sol, de la nappe, de la zone vadose et du comportement des polluants soumis à tel ou tel traitement. Lorsque ces choix techniques sont effectués, le temps de traitement est totalement défini.
Le réseau d’extraction
Bien qu’un système d’extraction triphasique ne nécessite pas de mise en œuvre de machines sur chaque aiguille, deux systèmes de base sont envisageables : l’extraction à réseaux séparés, l’un pour les liquides et l’autre pour le gaz, et l’extraction monotube en écoulement triphasique. Dans les deux cas, les réseaux sont ramifiés.
Le choix entre ces deux méthodes passe par une estimation des coûts d’investissement, des frais de fonctionnement et des conditions d’exploitation.
Les réseaux séparés
Les aiguilles
Les aiguilles d’extraction diphasiques sont constituées de deux parties principales :
- L’aiguille proprement dite qui est formée d’une tuyauterie crépinée sur tout ou partie de sa hauteur, et qui est introduite dans le forage.
- La canne d’extraction de liquide dont l’extrémité est située en partie inférieure de l’aiguille et qui est donc complètement immergée.
Les deux conduits sont reliés, comme le montre la figure 4, à leurs réseaux d’extraction respectifs. Le réglage des débits au niveau de chaque aiguille est assuré par une perte de charge fixe ou réglable, la première solution étant en général plus fiable.
Le transport
Le transport en réseaux séparés nécessite la mise en œuvre de codes de calcul classiques de mécanique des fluides.
Pour le réseau de liquide, essentiellement constitué d’eau, on se donne le débit par aiguille. On connaît donc par sommation le débit en tout point du réseau. YLec Consultants a développé pour ATE un logiciel facile à utiliser qui donne les pressions en tout point du réseau, et, en particulier à l’entrée de la pompe d’extraction qui peut éventuellement être accouplée à une cuve à vide. On peut ainsi déterminer les caractéristiques de la pompe à mettre en œuvre : débit, hauteur engendrée, NPSH et puissance. Le réglage des débits au niveau de chaque aiguille est réalisé au moyen de diaphragmes à mince paroi qui sont calculés automatiquement.
Pour le réseau de gaz, on doit tenir compte de l’écoulement dans le sol, qui donne les pressions et débits massiques au niveau de chaque aiguille.
Avec une extraction triphasique optimisée, on ne peut pas négliger la compressibilité du gaz. Les programmes de calcul tiennent donc compte de ce comportement du gaz et d’un schéma thermodynamique qui sera fonction de la géométrie et de l’environnement thermique du réseau.
De même que pour le réseau liquide, ce calcul permet de déterminer automatiquement les caractéristiques de la pompe à vide ou, plus généralement, du groupe de pompage à mettre en œuvre ainsi que les divers diaphragmes de réglage de débit à placer en tête d’aiguille.
Le réseau triphasique
Les aiguilles
Un réseau triphasique permet de transporter simultanément les liquides et les gaz qui pénètrent dans l’aiguille au travers de la crépine. Au contraire du pompage à réseaux séparés, l’extrémité de la canne d’extraction fixe le point de rabattement physique dans le puits.
Pour l’essentiel, le débit aspiré est constitué d’air et de vapeurs. Cependant, lorsque du liquide entre dans l’aiguille, il est automatiquement entraîné par le débit d’air prépondérant. Le niveau d’eau dans le puits est donc automatiquement positionné à l’extrémité de la canne.
On peut facilement calculer la densité du mélange diphasique aspiré dans une canne :
ρₗ étant la masse volumique du liquide (ou du mélange de liquides),
ρᵍ étant celle de l’air sous la pression d’aspiration pₐ dans le puits considéré,
on calcule la densité ρᵈ du mélange diphasique par :
ρᵈ = αρₗ + (1 – α)ρᵍ
α étant le taux de présence de liquide local défini par :
α = Vₗ / (Vₒ + Vₗ)
Vₒ et Vₗ étant respectivement les volumes d’air et de liquide dans un volume total donné.
Lorsque les vitesses d’écoulement sont suffisamment élevées dans les tuyauteries, le rapport des volumes devient quasiment égal au rapport des débits volumiques qₒ et qₗ. Le taux de vide peut alors s’écrire :
α = qₗ / (qₒ + qₗ) = qₗ / qᵣ
Les calculs d’écoulement dans le milieu poreux montrent que l’ordre de grandeur du rapport des débits de gaz et de liquide par mètre de hauteur de terrain est de 50 dès lors que la dépression appliquée au puits est supérieure au rabattement physique. Si l’on suppose que la hauteur de zone vadose est égale à la hauteur de la nappe phréatique, on trouvera un taux de présence de liquide d’environ 2 % dans le mélange.
Pa = ρ p g h
Avec une densité de 2,0, la limite théorique de pompage est donc de 500 mètres !
Les valeurs pratiques accessibles sont plutôt de l'ordre de 0,7 à 0,8 fois les valeurs théoriques dans les deux cas. On voit qu'il est donc possible de traiter un terrain par le procédé triphasique quelle que soit la profondeur de la nappe d'eau. C'est donc un avantage décisif par rapport aux procédés traditionnels. Le choix entre les deux méthodes, réseaux séparés ou réseau commun, se fait sur des critères économiques, sachant que le pompage à un seul réseau est réalisable dans tous les cas.
L’amorçage automatique
L'une des difficultés rencontrées pendant l'exploitation d’un réseau diphasique est qu'il peut être difficile d’amorcer les dernières aiguilles lorsqu’un grand nombre d'entre elles est déjà en fonctionnement.
Ce point délicat a fait l'objet d'études particulières et plusieurs solutions ont été proposées. Elles font l'objet de procédures de dimensionnement spécifiques et ne nécessitent plus l'intervention d’un opérateur, que ce soit à la première mise en route ou lors d'arrêts intempestifs (Brevet ATE n° 98 13 487).
Le régime d’écoulement
Il est important que les vitesses d’écoulement dans la canne de prélèvement soient suffisamment importantes pour éviter les instabilités et suffisamment basses pour limiter les pertes de charge. La figure 6 donne un exemple des configurations d’écoulement qu’on peut rencontrer dans une tuyauterie verticale. L’écoulement dans les cannes verticales a donc été modélisé pour que l’on trouve un optimum en fonction des débits et des pressions imposées par le traitement à chaque aiguille.
On applique pour ce faire les équations caractéristiques des écoulements diphasiques, basées sur la détermination du gradient de pression résultant de la somme des contributions de la gravité, du frottement et des transferts de quantité de mouvement :
∂P/∂z = ∂P_grav/∂z + ∂P_frot/∂z + ∂P_acc/∂z (*)
(*) GEORGE, The Three-Phase Flow in Pipelines and Heat Exchangers.
On en déduit les diamètres idéaux des cannes ainsi que leur gamme de fonctionnement en débits d’eau et d’air et les pressions correspondantes.
Écoulement dans le réseau
L’écoulement dans le réseau est traité de manière analogue à l’écoulement compressible. Il est, bien entendu, important de prendre en compte la compressibilité du milieu ainsi que les transformations thermodynamiques incluant les transferts de chaleur et de masse entre les phases. Les pertes de charge sont calculées en utilisant les notions de multiplicateurs diphasiques et les corrélations de Lockhart et Martinelli.
Le multiplicateur diphasique est le rapport du gradient de pression provoqué par l’écoulement diphasique au gradient de pression dû à un seul des constituants, par exemple le gaz dans les conditions locales de fonctionnement.
On montre que ce multiplicateur diphasique ne dépend que du paramètre de Lockhart et Martinelli, défini par :
q²ᵍ₀ = ΔPₜ / ΔPᵍ₀ X = √(ΔPₜ / ΔPᵍ₀)
La figure 7 donne une des courbes de corrélation obtenue par ces auteurs sur un grand nombre de points d’essais.
Étant donnée la relative complexité du problème, un programme de calcul spécifique original a été développé.
Les résultats sont, comme dans le cas précédent :
- - Les caractéristiques des tuyauteries (diamètre et longueur) ;
- - Les pertes de charge et les pressions en tout point du réseau ;
- - Les dimensions des diaphragmes de réglage des pertes de charge en tête des aiguilles.
À partir de ces données, il est possible de dimensionner le réseau d’extraction, la cuve à vide, la pompe à vide et les pompes d’extraction accessoires d’huile et d’eau. On en déduit les coûts d’investissement et d’exploitation correspondants. La procédure de calcul permet de réaliser une optimisation multicritères à partir de laquelle on décidera du type de réseau et de ses conditions de fonctionnement les mieux adaptées. On doit évidemment tenir compte de l’évolution des paramètres de comportement de la nappe.
Le traitement des effluents
Les effluents sont traités dans le but de récupérer les polluants et de satisfaire aux normes de rejet de l'eau et de l'air dans le milieu naturel.
On trouve en général les composants suivants sur les installations ATE :
Dans le cas d'une extraction à deux réseaux, l’air est automatiquement séparé au niveau de l’aiguille. Il n’est donc pas nécessaire de prévoir cette fonction dans la cuve à vide. Dans le cas d’une extraction à un seul réseau triphasique, on utilise systématiquement la cuve à vide comme séparateur gaz-liquide. Le gaz est évacué par la pompe à vide.
Le liquide peut être extrait de la cuve à vide par différents procédés de pompage ou de vidange pneumatique. On peut également utiliser cette cuve à vide comme décanteur, la cuve fonctionnant à niveau constant. En mettant en œuvre un coalesceur compact à garnissage ou à nid d’abeilles, on peut ainsi utiliser au mieux le volume de la cuve et évi-
permettre la mise en œuvre d’un décanteur externe à pression atmosphérique.
Dans le cas de réseaux séparés, une autre solution peut consister à pomper les deux liquides au travers d’une pompe peu émulsifiante et à mettre en œuvre un séparateur gravitaire classique compact.
Il existe donc une gamme de solutions pour la fonction d’extraction et de séparation gravitaire des espèces. Le choix le mieux adapté doit prendre en compte l’ensemble des fonctions d’extraction de pompage et de séparation. Des différences très importantes sur les investissements et surtout sur les frais de fonctionnement peuvent apparaître selon que l’on choisit l’une ou l’autre des solutions.
On insistera cependant sur le fait qu’il n’y a pas de solution optimale universelle.
Des études technico-économiques ont été systématiquement conduites pour comparer les solutions au moyen d’un logiciel spécifique.
Les autres traitements sont plus classiques puisqu’il s’agit de mettre en œuvre un strippage à l’air de l’eau afin d’éliminer les produits gazeux dissous. Nous avons également travaillé à l’optimisation des appareils de strippage pour réduire les frais énergétiques. On traite enfin l’air par combustion dans des fours à catalyse ou par passage sur du charbon actif. Pratiquement, les normes de rejet imposent le type de traitement et les gains sur cette partie du procédé sont assez limités.
Conclusion
Le procédé d’extraction triphasique est bien adapté à la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible.
Ses avantages sont les suivants :
- - L’utilisation d’aiguilles de faible diamètre permet d’optimiser leur rayon d’influence et de l’adapter aux caractéristiques du terrain.
- - Le débit obtenu avec un pompage sous dépression peut être de 10 à 20 fois supérieur à celui d’un pompage classique.
- - Il est possible de travailler avec une nappe quasi horizontale autour du puits, ce qui empêche les transferts intempestifs de polluant de la zone liquide à la zone vadose. Ceci est particulièrement intéressant pour les nappes de faible épaisseur.
- - Le pompage peut être réalisé à une profondeur quelconque, pouvant atteindre plusieurs dizaines, voire centaines de mètres.
- - On peut fixer indépendamment les débits relatifs de liquide et de gaz.
- - Les cannes de prélèvement en régime diphasique peuvent être amorcées automatiquement, sans aucune intervention d’opérateurs, ce qui augmente considérablement la fiabilité de l’exploitation.
- - Les installations sont dimensionnées par une procédure de calcul permettant d’effectuer les meilleurs choix possibles en fonction des caractéristiques du site et des objectifs du traitement.
Les étapes suivantes de calcul sont systématiquement mises en œuvre :
- - L’évaluation de l’importance de la pollution et les propriétés des polluants,
- - La caractérisation du sol,
- - Le choix du nombre de forages et de leurs conditions de fonctionnement,
- - Le choix du type de réseau, à flux séparés ou non,
- - Le calcul des tuyauteries du réseau,
- - La détermination des machines d’extraction, pompes, pompes à vide ou compresseurs,
- - Le dimensionnement des installations de traitement des fluides pompés, eau, air et polluants.
À chaque étape, on introduit des données techniques et économiques. On en déduit rapidement les coûts d’investissement et de fonctionnement sur la durée du traitement. Le choix de l’architecture du réseau se fait en appliquant une procédure multicritères. Ce choix étant réalisé, l’optimisation du réseau nécessite quant à elle un calcul itératif spécifique tenant compte de l’ensemble des paramètres qui ne peuvent jamais être traités de manière indépendante.
Les quelques sites simulés avec cette procédure ont montré une forte diminution des coûts d’investissement, essentiellement par réduction du prix des machines tournantes. Quant au coût de fonctionnement d’un tel chantier, qui constitue une part importante des dépenses, que ce soit en énergie, en produits chimiques ou en main-d’œuvre, on montre que la méthode d’optimisation permet des gains de l’ordre de 30 % par rapport aux approches traditionnelles.
Une méthode de mesure des performances de chaque aiguille sans aucun démontage incluant la détermination des débits de liquide et de gaz a également été développée, le niveau dans l’aiguille en cours de fonctionnement et la pression dans l’aiguille. Un suivi systématique de chacun des puits peut ainsi être effectué en cours d’exploitation, ce qui permet de vérifier les données d’hydrogéologie sur chacune des aiguilles. On peut alors, à partir de ces données, ajuster les conditions de fonctionnement du réseau afin d’en améliorer encore les performances et réduire les coûts d’exploitation ou le temps de traitement.
