Brevet FR2846649A1 — publié le 20040507

Procédé et dispositif de dépollution des aquifères basés sur la photo-oxydation in-situ des polluants, dans un puits. Le secteur technique de l'invention La présente invention concerne la dégradation par photo-oxydation de polluants organiques présents dans une nappe phréatique. La présente invention est adaptée à tous types de polluants organiques qu'ils soient, io ou non, de nature aromatique et/ou halogénés. Cette invention consiste en un procédé de traitement in-situ combinant un dispositif passif permettant de rabattre l'eau de la nappe phréatique vers un puits ou " réservoir " analogue situé " in situ " c'est-à-dire sous le niveau de la nappe ou sensiblement sous le niveau de la nappe, et un dispositif de 15 photo-oxydation assurant la dégradation des polluants. Art antérieur La dépollution d'une nappe phréatique polluée par des composés organiques consiste le plus souvent à amener l'eau en surface par pompage, puis à la traiter par des techniques séparatives de transfert. Ces techniques consistent à transférer le polluant présent dans l'eau vers un autre milieu (air, support filtrant...) mais n'aboutissent pas à la 25 destruction du polluant. Récemment, des procédés de traitement permettant de détruire certains polluants ont été proposés. Ces derniers peuvent être séparés en deux familles: les traitements thermiques et les traitements chimiques. Les procédés thermiques nécessitent toujours un transfert initial du polluant de l'eau vers l'air qui est ensuite traité. Ils permettent le traitement de la plupart des polluants organiques classiquement rencontrés dans les nappes phréatiques mais sont très consommateurs d'énergie. Au contraire, les traitements chimiques peuvent être appliqués directement à l'eau. On distingue les procédés basés sur la réduction qui sont utilisables sur les solvants chlorés (déchloration réductive) et ceux basés sur l'oxydation (réactif de fenton, peroxyde d'hydrogène/UV, 5 dioxyde de titane/UV). Tout comme le thermique, l'oxydation permet la destruction d'un très large spectre de polluants. Néanmoins, quel que soit le procédé utilisé, un pompage préalable de l'eau est toujours nécessaire. Ce pompage présente de nombreux inconvénients. Il est d'abord coteux, surtout si le traitement doit durer io plusieurs années ce qui est souvent le cas avec les solvants chlorés par exemple. De plus, la contrainte mécanique (compression, dépression notamment) appliquée à l'eau au cours d'un pompage peut aboutir à la précipitation de certains composés qui posent ensuite de nombreux problèmes au cours du traitement en surface (notamment le colmatage). Un nouveau procédé de traitement in situ appelé " barrière réactive " a été développé il y a une dizaine d'années aux Etats-unis. Ce procédé permet de traiter une eau de nappe sans dispositif de pompage, en utilisant simplement le gradient hydraulique de l'aquifère. Ce procédé de 20 dépollution permet le traitement par déchloration réductive de certains composés organiques chlorés. Malheureusement, aucun réactif mis au point à ce jour ne permet de traiter les hydrocarbures aromatiques ou aliphatiques. A ce jour, aucun procédé de traitement ne couple les avantages d'un traitement in situ sans pompage et ceux d'un traitement chimique à large spectre pour plusieurs raisons. Tout d'abord, l'eau entrant dans une barrière réactive comporte 30 généralement des particules fines en suspension qui absorbent en tout ou partie le rayonnement UV. La réaction de photo-oxydation perdra donc en efficacité. L'invention se propose de résoudre ce problème en plaçant un préfiltre dans le sol avant l'entrée dans la barrière. Une autre difficulté réside dans la mise en oeuvre d'un réacteur 35 photocatalytique dans une barrière c'est-à-dire dans une zone saturée en eau et à plusieurs mètres de profondeur. A notre connaissance, toutes les barrières décrites jusqu'à ce jour utilisent des réactifs totalement immergés dans l'eau car l'isolement d'une zone étanche à grande profondeur est très délicate. De plus, un photoréacteur est un dispositif qui 5 nécessite un entretien fréquent qui semble inadapté pour une utilisation dans un endroit difficile d'accès. L'invention propose un dispositif permettant d'isoler une zone sèche étanche sous le niveau de la nappe phréatique permettant l'utilisation d'un photoréacteur. Résumé de l'invention La présente invention concerne la dégradation par photo-oxydation de polluants organiques présents dans une nappe phréatique, combinée à un 15 procédé qui amène ou rabat ou canalise l'eau de la nappe vers une zone de traitement " in situ " c'est-à-dire sous le niveau de la nappe ou sensiblement sous le niveau de la nappe. Selon une variante tout à fait préférée, l'écoulement se fait par gravité, sans dispositif de pompage. Cependant, l'homme de métier comprendra que l'on peut accepter, selon le contexte, de placer la zone de traitement au dessus ou légèrement au dessus de la nappe, avec un système annexe de pompage. On perd bien entendu l'un des avantages de 25 l'invention, mais une telle configuration peut être dictée par la nature du terrain, et autres facteurs analogues. Cette variante est couverte par le vocable " ou sensiblement sous ". Elle est adaptée à tous types de polluants organiques qu'ils soient, ou 30 non, de nature aromatique et/ou halogénés. La présente invention réside dans la combinaison, et l'adaptation à cette combinaison, de deux procédés ou techniques, et des dispositifs correspondants: - Un procédé innovant de canalisation d'une nappe phréatique vers une 5 zone de traitement " in situ ", notamment, mais à titre non limitatif, un puits unique par utilisation adaptée de moyens de contention de l'eau, notamment, mais à titre non limitatif, de parois étanches. - La mise en place dans ladite zone de traitement " in situ ", notamment dans ledit puits, d'un réacteur chimique permettant la photo-oxydation des 10 polluants organiques au cours du passage de l'eau. Les avantages de l'invention résident dans un procédé de canalisation sans système de pompage actif, un traitement chimique à large spectre, et un dispositif permettant d'isoler une zone sèche étanche sous le niveau de la nappe phréatique permettant l'utilisation d'un photoréacteur. Descriptif détaillé de l'invention Cette invention consiste en un procédé de traitement in-situ couplant un 20 dispositif passif permettant de rabattre l'eau de la nappe phréatique vers une zone de traitement in situ, notamment un puits, et un dispositif de photo-oxydation assurant la dégradation des polluants. Selon un mode de réalisation particulier, le photoréacteur est implanté dans une zone "sèche", sous le niveau de la nappe. L'oxydation des polluants peut se faire soit directement (photooxydation) soit indirectement (photocatalyse). Selon un mode de réalisation particulier, le catalyseur est fixé sur un 30 support adéquat (inox, verre, fibre de verre, fibre organique). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, et en se référant aux dessins annexés (qui correspondent au meilleur mode de réalisation à parois 35 étanches) sur lesquels: La figure 1 présente une vue de dessus de l'ouvrage principal. Deux parois étanches (1) allant depuis la surface du sol jusqu'au substratum imperméable (ZI) constituant la base de l'aquifère permettent de canaliser 5 la nappe. Ces parois (1) sont implantées perpendiculairement au sens d'écoulement de la nappe et de part et d'autre de la porte. La " porte " est définie comme étant le point de passage de l'eau d'un côté à l'autre de la paroi étanche (1). io L'angle formé par les deux parois étanches (1) est variable selon l'hydrogéologie du site et la localisation de la pollution. La porte comprend trois ouvrages: un piézomètre de contrôle amont (3), un piézomètre de contrôle aval (4) et le puits de traitement (2). Les i5 raccordements amont et aval entre le puits (2) et la nappe se font par l'intermédiaire d'un drain de longueur et de diamètre adaptés à la productivité de l'aquifère. La ligne pointillée sur la figure 1 représente le plan de coupe de la figure 20 2. La figure 2 présente donc une vue latérale en coupe de la porte. La mise en place des parois étanches (1) entraîne une remontée du niveau de la nappe en amont de la porte. La différence de niveau de nappe observée entre l'amont (AM) et l'aval (AV) hydraulique permet l'écoulement 25 gravitaire de l'eau dans le puits (2) sans système actif de pompage. Ainsi, l'eau pénètre dans le piézomètre de contrôle amont (3), entre dans le puits (2) par sa base, remonte ce puits o se situe le réacteur de photooxydation, rejoint enfin le piézomètre de contrôle aval (4) puis ressort en aval hydraulique. Ainsi, la canalisation de la nappe phréatique vers le 30 photoréacteur est assurée par l'utilisation adaptée de parois étanches (1). L'entrée de l'eau dans la porte au niveau du piézomètre de contrôle amont (3) est protégée par un massif filtrant siliceux (5). Ce massif est formé de sable de granulométrie comprise entre 1 et 5 mm selon la nature du terrain, enrobé de géotextile. Il a pour but de filtrer l'eau en entrée de porte 35 et donc de retenir les éventuelles matières en suspension. Ce dispositif permet d'optimiser le traitement par photo-oxydation et de réduire la fréquence d'entretien du photo-réacteur. Le même dispositif (5bis) est installé sur le piézomètre de contrôle aval (4). Son but est ici de faciliter l'écoulement de l'eau traitée dans le sol. L'ensemble des pertes de charges générées par la porte est dimensionné de façon à ce que le débit d'eau soit compatible avec un traitement efficace. D'après l'hydrogéologie du site et les caractéristiques du puits de traitement (2), le débit d'eau qui traverse gravitairement le système est calculé. Ce paramètre associé à la qualité et à la concentration en polluant io dans la nappe permettront de dimensionner le réacteur photocatalytique. Le traitement de l'eau est basé sur l'oxydation des polluants par photooxydation. La réaction est basée sur la production de radicaux hydroxyles en présence de rayonnement UV. Sous irradiation UV, le radical hydroxyle 15 peut être produit à partir d'un oxydant comme le péroxyde d'hydrogène (H202) ou l'ozone ou avec un semi-conducteur comme photocatalyseur, par exemple le dioxyde de titane (TiO2). Le radical hydroxyle est l'une des espèces chimiques les plus oxydantes, capable d'oxyder la plupart des polluants organiques. Le photoréacteur permet donc d'oxyder directement 20 (photooxydation) ou indirectement (photocatalyse) les polluants. La réaction photocatalytique prend place dans un réacteur inox cylindrique étanche (6) contenant un semi-conducteur fixé sur un support adéquat. Le catalyseur est fixé sur un support adéquat (inox; verre, fibre de verre, fibre organique). Le photoréacteur comprend une ou plusieurs lampes UV 25 assurant l'irradiation continuelle du semi- conducteur ou de l'oxydant et de l'eau à traiter. La puissance lumineuse UV nécessaire à l'installation est adaptée de manière accessible à l'homme de métier selon le débit d'eau à traiter, la qualité et la concentration en polluant. Le diamètre du photoréacteur est légèrement inférieur à celui du puits de 30 traitement (2). Le photoréacteur possède à sa base un raccord équipé d'un joint torique qui assure une étanchéité parfaite lorsque le photoréacteur est en place au fond du puits de traitement (2). Un raccord souple (7) assure la connexion entre la sortie du photoréacteur et le piézomètre de contrôle aval (4). Le photoréacteur est donc implanté sous le niveau de la nappe mais dans une zone étanche et hors d'eau. Le photoréacteur est facilement extractible du puits pour toute intervention de maintenance ou de réparation. L'invention couvre les dispositifs qui viennent d'être décrits ainsi que les procédés employant ces dispositifs, sans qu'il soit nécessaire de dupliquer ce qui précède. Ceci sera aisément compris par l'homme de métier. io L'invention couvre également tous les modes de réalisation de toutes les applications qui seront directement accessibles à l'homme de métier à la lecture de la présente demande. Revendications 1 Dispositif de dépollution des aquifères contaminées par des polluants organiques, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen pour canaliser l'eau de nappe phréatique polluée par des composés organiques vers une zone de traitement " in situ " c'est-à-dire sous le niveau de la nappe ou sensiblement sous le niveau de la nappe puis un moyen pour io traiter cette eau dans un photoréacteur implanté dans cette zone. 2 Dispositif de dépollution selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen pour canaliser la nappe phréatique vers le photoréacteur comporte des parois étanches (1). 3 Dispositif de dépollution selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il ne comporte pas de dispositif de pompage (c'est à dire que l'eau dans le photoréacteur circule de façon gravitaire). 4 Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le photoréacteur renferme une ou plusieurs lampes UV. Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications 25 1 à 3 caractérisé en ce que le photoréacteur utilise un semi conducteur comme photocatalyseur. 6 Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le moyen pour canaliser l'eau comporte deux 30 parois étanches (1) allant depuis la surface du sol jusqu'au substratum imperméable (ZI) constituant la base de l'aquifère et permettant de canaliser la nappe. 7 Dispositif de dépollution selon la revendication 6 caractérisé en ce 35 que les parois étanches (1) sont implantées perpendiculairement au sens d'écoulement de la nappe et de part et d'autre d'une porte. 8 Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le moyen de canalisation comporte une " porte " comportant trois ouvrages: un piézomètre de contrôle amont (3), un piézomètre de contrôle aval (4) et le puits de traitement (2). 9 Dispositif de dépollution selon la revendication 8 caractérisé en ce que le piézomètre de contrôle amont (3) comporte un massif filtrant silicieux (5) ayant pour but de filtrer l'eau en entrée de porte et donc de retenir les éventuelles matières en suspension. Dispositif de dépollution selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que le piézomètre de contrôle aval (4) comporte également un massif filtrant silicieux (5bis) afin de faciliter l'écoulement de l'eau traitée dans le sol. 11 Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que le diamètre du photoréacteur est légèrement inférieur à celui de la zone, et notamment du puits de traitement. 12 Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que le photoréacteur est implanté dans une zone " sèche ", sous le niveau de la nappe. ' 13 Procédé photocatalytique de dépollution des aquifères contaminées 20 par des polluants organiques caractérisé en ce que il combine - une étape de canalisation d'une nappe phréatique vers une zone de traitement cc in situ ", notamment, mais à titre non limitatif, un puits unique par utilisation adaptée de moyens de contention de l'eau, notamment, 25 mais à titre non limitatif, de parois étanches. - une étape de traitement, dans ladite zone de traitement " in situ ", notamment dans ledit puits, dans un réacteur chimique permettant la photo-oxydation des polluants organiques au cours du passage de l'eau. 14 Procédé selon la revendication 13 caractérisé en ce que le catalyseur est fixé sur un support adéquat (inox, verre, fibre de verre, fibre organique). 15 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce qu'il comporte l'emploi dans la première étape de deux parois étanches (1) allant'depuis la surface du sol jusqu'au substratum imperméable (ZI) constituant la base de l'aquifère et permettant de canaliser la nappe. 16 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon la revendication 15 caractérisé en ce que les parois étanches (1) sont implantées perpendiculairement au sens d'écoulement de la nappe et de part et d'autre de la porte. 17 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une des revendications 13 à 16 caractérisé en ce que le dispositif de canalisation comporte une " porte ", et en ce que la porte comprend trois ouvrages: un piézomètre de contrôle amont (3), un piézomètre de contrôle aval (4) et le puits de traitement (2). 18 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une des revendications 13 à 17 caractérisé en ce que la mise en place des parois étanches (1) entraîne une remontée du niveau de la nappe en io amont de la porte et en ce que la différence de niveau de nappe observée entre l'amont et l'aval hydraulique permet l'écoulement gravitaire de l'eau dans le puits (2) sans système actif de pompage. 19 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une 15 des revendications 13 à 18 caractérisé en ce que l'eau pénètre dans le piézomètre de contrôle amont (3), entre dans le puits (2) par sa base, remonte ce puits (2) o se situe le réacteur de photo-oxydation, rejointenfin le piézomètre de contrôle aval (4) puis ressort en aval hydraulique. 20 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon la revendication 19 caractérisé en ce que l'entrée de l'eau dans la porte qu niveau du piézomètre de contrôle amont (3) est protégée par un massif filtrant silicieux (5) ayant pour but de filtrer l'eau en entrée de porte et donc de retenir les éventuelles matières en suspension. 21 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon la revendication 19 ou 20 caractérisé'en ce que un massif filtrant silicieux (5bis) est également installé sur le piézomètre de contrôle aval (4) afin de faciliter l'écoulement de l'eau traitée dans le sol. 22 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une des revendications 13 à 21 caractérisé en ce que l'ensemble des pertes de charges générées par la porte est dimensionné de façon à ce que le débit d'eau soit compatible avec un traitement efficace. 23 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une des revendications 13 à 22 caractérisé en ce que d'après l'hydrogéologie du site et les caractéristiques du puits de traitement, le débit d'eau qui traverse gravitairement le système est calculé. 24 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une des revendication 13 à 23 caractérisé en ce que on utilise le débit d'eau, la qualité et la concentration en polluant dans la nappe, pour dimensionner le réacteur photocatalytique. Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une des revendications 13 à 24 caractérisé en ce que le photoréacteur comprend une ou plusieurs lampes UV assurant l'irradiation continuelle du semi-conducteur ou de l'oxydant et de l'eau à traiter. 26 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon la revendication 25 caractérisé en ce que la puissance lumineuse UV nécessaire à l'installation est adaptée selon le débit d'eau à traiter, la qualité et la concentration en polluant. 27 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une des revendications 13 à 26 caractérisé en ce que le diamètre du photoréacteur est légèrement inférieur à celui de la zone, et notamment du puits de traitement (2). 28 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une des revendications 13 à 27 caractérisé en ce que le photoréacteur est' implanté sous le niveau de la nappe mais dans une zone étanche et hors d'eau. 29 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une des revendicatiosn 13 à 28 caractérisé en ce que on met en oeuvre la réaction photocatalytique dans un réacteur inox-cylindrique étanche (6). 30 Procédé selon la revendication 29 caractérisé en ce que ledit réacteur contient un semi-conducteur fixé sur un support adéquat choisi parmi: acier inoxydable, verre, fibres de verre, fibres organiques. 31 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon l'une 30 quelconque des revendications 13 à 30 caractérisé en ce que le photoréacteur opère selon une oxydation directe (dans ce cas on parle de photooxydation) ou indirecte (dans ce cas on parle de photocatalyse) des polluants. 32 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon la revendication 31 caractérisé en ce que la réaction de l'oxydation est basée sur la production de radicaux hydroxyles en présence de rayonnement UV. 33 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon la revendication 32 caractérisé en ce que sous irradiation UV, le radical hydroxyle est produit à partir d'un oxydant comme le péroxyde d'hydogène (H202). 34 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon la revendication 32 caractérisé en ce que sous irradiation UV, le radical hydroxyle est produit à partir d'un oxydant comme l'ozone. 35 Procédé de dépollution de l'eau de nappe phréatique selon la revendication 32 caractérisé en ce que sous irradiation UV, le radical hydroxyle est produit à partir d'un semi-conducteur comme photocatalyseur, par exemple le dioxyde de titane (TiO2).