Journée Technique d'information et de retour d'expérience de la gestion des sols pollués
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- Marie Florine Aubé
- il y a 8 ans
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1 Journée Technique d'information et de retour d'expérience de la gestion des sols pollués Les Diagnostics - Objectifs, enjeux & moyens La mesure des hydrocarbures flottants Application au cas pratique du 10 juin 2008 Stéfan COLOMBANO, Valérie GUERIN, Alain SAADA (BRGM) David HIEZ (TAUW France) Hans BOMER (AGROLAB France) AGROLAB France TAUW France
2 Contexte > Usine bourguignonne en activité (laminage à froid - étirage) > Contexte géologique : Calcaires du Bajocien et du Bathonien inférieur (Dogger) entaillés par les vallées jusqu aux marnes liasiques sur lesquelles reposent les alluvions modernes Implantation du site : alluvions de la partie basse de la vallée > Contexte hydrogéologique : Alluvions : aquifère libre à porosité d interstices constitué de graviers calcaires sablo-argileux Hétérogénéité des terrains : présence de passées graveleuses dans les niveaux fins ou au contraire de lentilles argileuses dans les horizons grossiers Epaisseur des alluvions : 12 m > 2
3 Coupe hydrogéologique interprétative > 3
4 > Usages des eaux souterraines et superficielles : Site localisé entre 2 captages d alimentation en eau potable : en amont immédiat (captage non utilisé) 500 m en aval (captage utilisé) Site localisé à 300 m d une rivière de catégorie 1 (usages piscicole et récréatif) > Perméabilité importante de l aquifère ( m/s ) > Fluctuation importante du toit de la nappe (- 4 à - 8 m) > Variations importantes du sens d écoulement des eaux (40 ) > Surveillance environnementale du site industriel : Arrêté du 2 février Section III : Surveillance des eaux souterraines (art. 65 b) > 4
5 Situation Durée de simulation : 5 ans Les Gravières Captage AEP2 L'OZE Rivière 40 Pz1 Saussie Régnier Captage AEP1 Les Tilleuls Captage AEP3 Pz3 Pz m Captage AEP : Captage d eau potable : Piézomètre : Sens d écoulement des eaux souterraines > 5
6 Surveillance des eaux souterraines [HCt] (mg/l) 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 mars-98 juin-98 Suivis semestriels des teneurs en hydrocarbures totaux Augmentation significative des teneurs en HCt en aval immédiat du bâtiment sept-98 déc-98 mars-99 juin-99 sept-99 déc-99 mars-00 juin-00 sept-00 Dates PZ1 (aval) PZ2 (aval latéral) PZ3 (amont) déc-00 mars-01 juin-01 sept-01 déc-01 mars-02 juin-02 sept-02 > 6
7 Caractérisation de la source > Quelle est l origine des HC? > Besoin de caractériser la source pour savoir : Si la source continue a être alimentée : le robinet est-il fermé? Quelle est la nature de la source (essence, gasoil, fuel) : les conséquences en terme de risque pour la santé, de capacité de transfert, de capacité d atténuation naturelle, et de coût de dépollution seront différents. Nécessité de bien caractériser le type d hydrocarbures > 7
8 Origine et délimitation de la source Utilisation des propriétés des hydrocarbures à se répartir : > Dans les gaz > Dans les eaux > Sur la matrice solide > 8
9 Devenir des hydrocarbures dans le sous-sol EAWAG news 52 > 9
10 Mesures semi-quantitatives vs mesures qualitatives > Mesures semi-quantitatives (par indice) : Tubes ou plaquettes colorimétriques PID ou FID Analyses Infra-rouge Analyses gravimétriques Immunoessais > Objectifs : Quantification d une teneur Cartographie d une zone (pre-screening) > 10
11 Mesures semi-quantitatives vs mesures qualitatives > Mesures qualitatives : Chromatographie TPH Par composés > Objectifs : Quantification d une teneur Cartographie d une zone Identification du produit Mobilité du composé et propriétés comportementales Evaluation des risques sanitaires > 11
12 De quel type d hydrocarbures pétroliers s agit-il? Il existe de nombreux types d hydrocarbures pétroliers différents : > Mélange constitué de milliers de composés (> ) > Formé majoritairement de chaine linéaire et cyclique de carbone et d hydrogène > 250 sont identifiés > 40 pour lesquels des valeurs toxicologiques existent > 12
13 > 13
14 Les hydrocarbures pétroliers Nombre de Carbone Volatil Nom Utilisation actuelle C1 Gaz Méthane Pétrolier : Perdu ; Gazier : distribué (chauffage, énergie, chimie) C2 Gaz Ethane Pétrolier : Perdu ; Gazier : distribué (chauffage, énergie, chimie) C3 Gaz Propane GPL C4 Gaz Butane GPL C5-C7 Oui (L) Naphtas Pétrochimie C5-C10 (1) Oui (L) Essence Carburants ; solvants C9-C20 (1-2) +/- (L) Kérosène Carburant, chauffage Gas-oil C12-C20 (2) +/- (L) Huiles Lubrifiants C14-C26 (2) non Gas-oil lourd Chauffage, production électrique, moteurs industriels C20-C40 (2) non Goudron Revêtements routiers et couverture, étanchéité, protection (1) : (présence d aromatiques) - (2) : (présence de HAP) > 14
15 Les hydrocarbures pétroliers > Tendances générales: Nombre d atomes de carbone solubilité biodégradabilité Aromaticité solubilité biodégradabilité volatilisation adsorption Ramification, cyclisation biodégradabilité > 15
16 > Différents types de carburants : Essences n C : 5-10 d : additifs (MTBE ; ETBE) Gazoles n C : d : Isoalcanes 35% n-alcanes 9% Alcènes 4% Cycloalcanes 2% BTEX 36% Autres aromatiques 14% BTEX Autres aromatiques Cycloalcanes Alcènes n-alcanes Isoalcanes Aromatiques 30% n-alcanes 24% Isoalcanes et cycloalcanes 46% Marchal et al., 2003 > 16
17 Les hydrocarbures pétroliers Hydrocarbures pétroliers Saturé (liaison simple C-C) Non saturée (existence de liaisons doubles C=C) n-alcanes (chaine linéaire) Isoalcanes (chaine ramifiée) Cycloalcanes (chaine cyclique) Aromatique (chaine cyclique) Oléofines (chaine linéaire) > 17
18 Prise en compte du milieu air Pourquoi prendre en compte le milieu air? Pour évaluer l exposition par inhalation Pour permettre de localiser de manière indirecte la source de pollution Rappel : la mesure de gaz permet d appréhender la contamination Mesure directe de la présence d une contamination : loi de Raoult, Johnson et Ettinger Mesure indirecte : production de gaz issus de l activité biologique au sein d un environnement contaminé par des substances biodégradables (produits ultimes, minéralisation) CH 4, CO 2, CO et H 2 S > 18
19 Prise en compte du milieu air > Mesures des gaz du sol via des piezairs et dans l air ambiant (air extérieur et air intérieur) : Mesures orientées sur site par des mesures semi-quantitatives (PID + tubes colorimétriques Dräger) + mesures quantitatives 12 points de contrôles/mesures Composés Concentrations - gaz des sols (µg/m 3 ) moy min max Benzène 3,93E+01 1,44E+01 1,55E+02 Toluène 4,17E+01 1,44E+01 1,55E+02 Ethylbenzène 1,52E+02 1,44E+01 6,90E+02 Méta- et Paraxylène 9,57E+02 1,44E+01 5,03E+03 Orthoxylène 8,63E+02 1,44E+01 4,60E+03 Naphtalène 5,37E+01 1,44E+01 1,55E+02 Xylènes (Totaux) 2,67E+03 1,96E+02 9,48E+03 HC ali. C6-C8 2,54E+04 1,36E+03 1,24E+05 HC ali. C8-C10 5,83E+04 1,51E+03 2,50E+05 HC ali. C10-C12 2,51E+04 9,60E+02 6,50E+04 HC ali. C12-C16 1,02E+04 4,80E+02 4,00E+04 HC ar. C8-C10 3,28E+01 2,30E+01 4,45E+02 HC ar. C10-C12 2,62E+01 2,07E+01 5,96E+02 HC ar. C12-C16 2,10E+01 1,43E+01 4,25E+02 > Les différents types de prélèvements d air : INERIS > 19
20 Prise en compte du milieu eaux Identification de la source de pollution (surnageant) et des impacts : Captage d eau potable Estimation des teneurs en HCt (µg/l) à à à > S9 S11 S8 S7 S10 S5 S12 Gravière Gravière S2 S1 S3 S13 S6 S4 S 1 Surnageant Réseau d eaux pluviales Source de pollution (sols) Légende : O Echelle : 4O m : petits piézomètres Mesures et analyses dans 15 piézomètres (HCt TPH working group, BTEX, HAP) > 20
21 Identification du type de pollution Ar >EC12-EC16 Ar >EC10-EC12, sans naphtalène Ar >EC8-EC10, sans éthylbenzène et xylènes Xylènes Ar >EC16-EC21 sans anthracène et pyrène Ar >EC21, sans fluoranthène Al >EC6-EC8 Indéno(1,2,3-cd)pyrène Al >EC8-EC10 Al >EC10-EC12 Ethylbenzène Toluène Al >EC12-EC16 Al >EC16 Hydrocarbures pétroliers de type gasoil > 21
22 Intégration de l hydrogéologie Piézomètre bien placé Piézomètre mal placé > 22
23 Intégration du comportement des hydrocarbures pétroliers Présence de plusieurs phases dans un milieu poreux granulaire Wilson et al., 1990 NAPL en phase continue et discontinue (résiduel) dans un milieu poreux fracturé schématique Wilson et al., 1990 > 23
24 Intégration du comportement du surnageant Comportement des hydrocarbures flottants lors d un déversement accidentel ou de fuites chroniques d hydrocarbures > 24
25 Conceptualisation du NAPL dans le piézomètre et dans la formation géologique adjacente : cas d un milieu poreux uniforme avec un niveau de nappe stable API, 2003 > 25
26 Epaisseur réelle de surnageant > Variations de la hauteur de NAPL dans les piézomètres selon les conditions du site API, 2003 API, 2003 > 26
27 > Détermination du volume de source (surnageant) : Volume de sol Quantité de polluant. Volume de polluant en zone non saturée > 27
28 On peut relier l épaisseur de surnageant dans le piézomètre et au dessus de la surface libre : ρ w H N = ΔZAN * ρ - ρ HN = épaisseur de LNAPL mesurée dans le puits (m) ΔZAN = épaisseur de LNAPL au dessus de la surface libre (m) ρw = densité de l eau (kg/m3) ρn =densité du LNAPL (kg/m3) w N Exemple de corrélations entre les épaisseurs de surnageant mesurées dans le piézomètre et le volume spécifique de LNAPL dans les sols pour du fuel frais et différentes types de sols (RTDF, 2005) > 28
29 Variation de l épaisseur de surnageant en fonction du battement de la nappe API publication 4760 > 29
30 Prise en compte de la phase dissoute Quel est le relargage de la source de pollution dans les eaux souterraines? Quel est et quel sera l impact? > Suivi piézométrique > Prise en compte des constantes d adsorption > Prise en compte des tests de lixiviation / percolation > Prise en compte de la dégradation potentielle (type HC, conditions du milieu, accepteurs d électrons.) > 30
31 Exemple : comportement de certains BTEX + MTBE > Hors dégradation : L Api (1994) a estimé que pour un aquifère sableux libre, la vitesse de transport du contaminant par rapport à la vitesse de la nappe est de : 90% environ dans le cas du benzène, 75% pour le toluène, 67% pour l éthyl benzène et le xylène. Cas du MTBE > 31
32 > Changement de composition de 3 coupes pétrolières pendant la biodégradation Service Kaplan EPI et / al, Unité 1996 SSP > 32
33 Modélisation de la pollution des eaux souterraines (HC ali. C10-C12) Rivière microgrammes/litre > 33
34 Rivière microgrammes/litre > 34
35 Rivière microgrammes/litre > 35
36 Prise en compte du milieu sol > Le milieu sol n est pris en compte que via la problématique de relargage dans les eaux souterraines > 19 sondages : 80 analyses (HCt TPH working group, BTEX, HAP) sur la matrice sol 6 tests de lixiviation > Concentrations au droit de la source de pollution et en aval immédiat : Concentrations en HCT (mg/kg) Basse 350 Haute Moyenne > Volume estimé : m 3 de sols pollués (en première approche) > 36
37 Les échantillons de sols sont-ils représentatifs? Echelle du site : >10 10 kg A C Zonation du site/ pollution potentielle Echelle de la zone : kg B D Maillage de la zone Echelle de la maille : kg > 37
38 Réalisation d un sondage Echelle du sondage : kg Réalisation d un échantillonnage Echelle de l échantillon: 10 0-(-1) kg Réalisation d un sous-échantillon pour traitement avant analyse Echelle du replicat: 10-2 kg Injection dans l appareil de mesure Echelle appareil analytique: 10-5 kg [Y]= 256 mg/kg > 38
39 Les techniques analytiques en devenir > Datation La datation de la source de pollution permet : De vérifier les modèles hydrogéologiques établis D aider à identifier le moment de la pollution De servir d appui au bilan coûts-avantage : La source est-elle vielle? L impact est-il vieux? Comment évoluent la source et l impact? > 39
40 Méthode de datation (1/3) > Pour les essences : ratio Rb = B+T/E+X (Kaplan et al, 1996) ratio décroit avec le temps selon une loi exponentielle : Rb = 6.0 exp(-0.308t). Limite : connaissance du rapport dans la phase pure initiale > 40
41 Méthode de datation (2/3) > Pour les essences : Utilisation des changements temporels des ratios isotopiques du plomb (206Pb/207Pb) Modèle ALAS (Hurst, 2002) Limites : Fonctionne pour les essences contenant du plomb Demande l acquisition de données préalables > 41
42 Méthode de datation (3/3) > Pour le diesel ratio n-heptadécane sur pristane (n-c17/pr) (Christensen and Larson, 1993) T=-9.47 n-c17/pr (approximation de Hurst and Schmidt, 2005 ) Limites : Ne fonctionne que pour des déversements récents (< 20 ans) Dégradation variable selon les milieux : estimation plus qu une datation > 42
43 Empreinte chimique de différentes coupes hydrocarbure dans un sol > Essence > Diesel > Kérosène > 43
44 Action de la biodégradation sur l empreinte chimique d un diesel > Diesel > Diesel biodégradé > 44
45 Identification d une source (à partir des empreintes chimiques) > 45
46 Murphy and Morisson, 2002 (env. forensic) > 46
47 Identification d une source : l apport de la géophysique > Utilisable si la pollution a des conséquences en terme de conductivité/résistivité > Utilisable en caractérisation et en suivi de réhabilitation (indirect) > Rapide : permet une exploration systématique (id de pollution n ont prévisible /historique : déversement sauvage) > Utile pour tracer et délimiter une pollution > Technique En surface (demande un profil en zone non contaminée pour évaluer la conductivité du milieu naturel) Profil électromagnétique Tomographie électrique En forage (demande en parallèle, en plus du forage en zone non contaminée, la réalisation de profil gamma pour identifier les couches de terrains adjacentes) > 47
48 Géophysique : illustration type de profils pouvant être obtenus > 48
49 Place des outils isotopiques > Mise en évidence d une dégradation Source en résorption AN peut être envisagé comme technique de réhabilitation > Détermination d une constante de dégradation Estimation d une durée de traitement > Meilleures connaissance de l hydrogéologie du site > Permet d estimer le relargage de la source et le transfert et donc sert d appui au bilan coûts/avantages > 49
50 Limite des outils isotopiques > Il faut disposer du rapport isotopique à la source (souvent le piézomètre de plus forte concentration peut être retenu) Ceci sous-entend que lors du diagnostic on n est pas passez à coté de la zone la plus contaminée > Les concentrations doivent être assez élevées (surtout pour les eaux) Des procédures de concentrations se développe qui permettent d envisager une diminution des teneurs nécessaire pour utiliser les outils isotopiques (enrichissements par purge and trap (P&T) et par microextration sur phase solide (SPME)) > 50
51 Rapport public en cours : Nature des produits pétroliers et origine du vieillissement : tentative de l identification de la source via la prise en compte des impacts et l analyse de l âge approximatif des déversements > 51
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