Brevet FR2784911A1 — publié le 20000428

PROCEDE DE REHABILITATION DE SOLS POLLUÉS PAR EXTRACTION TRIPLE PHASE Le secteur technique de l'invention La présente invention 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. Art antérieur La pollution des sols par des produits liquides nécessite la mise en oeuvre 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. 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. 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, I'eau qui peut contenir des polluants dissous, le gaz et les surnageants. - Il est possible de pomper à grande profondeur. - 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 oeuvre. Description détaillée de l'invention * Principe de l'extraction triple phase 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. Figure 1 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 2.a). On peut également extraire les gaz seuls. C'est l'opération classique de " Venting " ou ventilation des gaz qui conduit à un exhaussement de la nappe au niveau du puits (Figure 2.b). 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 2.c). Figure 2 * 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 oeuvre 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 oeuvre, 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 surnageants 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 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 du traitement triphasique est qu'il est possible d'augmenter notablement les débits d'eau et de surnageants 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 TheïsJacob pour les écoulements dans la nappe et celles de Theim pour les écoulements dans la zone Vadose. A 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. Figure 3 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 oeuvre de machines sur chaque aiguille, deux systèmes de base sont envisageables, I'extraction à réseaux séparés, I'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. 1. En réseaux séparés: Les aiguilles Les aiguilles d'extraction diphasiques sont constituées de deux parties principales: - I'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. Figure 4 Le transport Le transport en réseaux séparés nécessite la mise en oeuvre 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. , (TM) a développé pour le Déposant 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 oeuvre, 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 optimisés, 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 oeuvre ainsi que les divers diaphragmes de réglage de débit à placer en tête d'aiguille. 2 En 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, I'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. La figure 5 illustre le fonctionnement d'une aiguille d'extraction diphasique. Figure 5 On peut facilement calculer la densité du mélange diphasique aspiré dans une canne: PL étant la masse volumique du liquide (ou du mélange de liquides), PG étant celle de l'air sous la pression d'aspiration pp dans le puits considéré. On calcule la densité PD du mélange diphasique par: P=cxP + (1- a)P PD pc Ldfn)p ac étant le taux de présence de liquide local défini par: (x =VL vo VG + VL VG 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 qG et qL. Le taux de vide peut alors s'écrire: qL qL - qG _ qL qG + qL] + qL qG qG 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 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. De ce fait, on calcule immédiatement la masse volumique du fluide diphasique compte tenu de la masse volumique de l'eau égale à 1000. Celle-ci est donc typiquement de l'ordre de 20 kg/m3. En pompage classique d'eau par aspiration, on est théoriquement limité à une profondeur telle que Pa, étant la pression atmosphérique, Pa = pgh On trouve, résultat classique, une hauteur maximale de 10 m. Avec un milieu triphasique, la hauteur théorique de pompage maximale est donnée par la même expression: Pa pa pgh Avec une densité de 20, 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 du Demandeur quelle que soit la profondeur de la nappe d'eau. C'est donc un avantage décisif de la présente invention 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 lorsque 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 dans le cadre de la collaboration entre le Demandeur et YLec Consultants. 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. 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.1 1 D. CHISHOLM. Two Pause-Flows in Pipelines and Heat Exchangers. op _ dpF + dPM + dPK dx dx dx dx 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. Figure 6 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 ç G est le rapport du gradient de pression PG 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 2 = Dpp PG DPPG On montre que ce multiplicateur diphasique ne dépend que du paramètre de Lockhart et Martinelli, défini par: X= DPP X DpPG La Figure 7 donne une des courbes de corrélation obtenue par ces auteurs sur un grand nombre de points d'essais. Figure 7 Étant donné 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. A partir de ces données, il est possible de dimensionner le réseau d'extraction, cuve à vide, pompe à vide et 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 adaptés. On doit évidemment tenir compte de l'évolution des paramètres de comportement de la nappe. Figure 8 * 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 du Demandeur Dans le cas d'une extraction à deux réseaux, I'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 oeuvre un coalesceur compact à garnissage ou à nid d'abeilles, on peut ainsi utiliser au mieux le volume de la cuve et éviter la mise en oeuvre 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 oeuvre 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. Le Demandeur conduit systématiquement des études technico- économiques pour comparer les solutions au moyen d'un logiciel spécifique développé avec la collaboration de YLec Consultants. Les autres traitements sont plus classiques puisqu'il s'agit de mettre en oeuvre un " stripage " (ou entraînement) à l'air de l'eau afin d'éliminer les produits gazeux dissous. Le Demandeur a également travaillé à I'optimisation des appareils de " stripage " 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. REVENDICATIONS 1. - Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, caractérisé en ce qu'il comporte un traitement du sol par un procédé d'extraction triple phase de pompage simultané des gaz contenus dans la zone vadose, des polluants surnageants et de l'eau de la nappe. 2. - Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la zone vadose 1 supérieure circule le gaz, la zone 2 est constituée de liquides surnageants qu'il est nécessaire d'éliminer, la zone 3 est la partie supérieure de l'aquifère, et contient des composants dissous qui doivent être extraits, et la zone 4 est constituée d'eau non polluée. 3. - Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que on utilise des aiguilles de faible diamètre qui permettent d'optimiser leur rayon d'influence et de l'adapter aux caractéristiques du terrain. 4. - Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on effectue un pompage par dépression. 5. - Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on effectue un pompage par dépression et en ce que le débit obtenu avec un pompage sous dépression est de 10 à 20 fois supérieur à celui d'un pompage classique. 6. - Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on applique le procédé avec une nappe quasi horizontale, sans rabattement, autour du puits, 7. - Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, selon la revendication 6, caractérisé en ce que la nappe est de faible épaisseur. 8. - Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le pompage est réalisé à une profondeur quelconque, pouvant atteindre plusieurs dizaines, voire centaines de mètres. 9. Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on fixe indépendamment les débits relatifs de liquide et de gaz. 10. - Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les cannes de prélèvement en régime diphasique sont amorcées automatiquement, sans aucune intervention d'opérateurs. 11. - Procédé pour la réhabilitation de sols pollués de perméabilité moyenne ou faible, selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que 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.