Fiche descriptive : Système d’extraction multiphase pour liquides en phase non aqueuse (LPNA)

De : Services publics et Approvisionnement Canada

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Description

Les systèmes d'extraction multiphase (EMP), aussi appelés systèmes d'extraction sous vide ou système de récupération de produit en phase libre sous vide, comprennent toutes les technologies qui appliquent un vide à l'intérieur d'un puits avec une pression négative afin de pomper le liquide en phase non aqueuse ( LPNA) et/ou des eaux souterraines contaminées combinées à l'extraction des vapeurs. Des systèmes d’EMP sont souvent installés sur des sites où il est possible de simultanément récupérer les LPNA, contrôler la pollution des eaux souterraines ou assainir les sols au-dessus de la nappe phréatique (la zone « vadose »). L’EMP est une technologie énergivore et coûteuse qui est souvent abandonnée au profit d'autres mesures lorsque le produit en phase libre a été récupéré et traité.

Cette technique possède une terminologie très variée; cependant, les deux principales configurations utilisées sont : 1) l'extraction sous vide avec un seul tuyau d’aspiration aussi appelé bioaspiration (« bioslurping »), extraction des deux phases (« Dual-phase extraction ») ou récupération de l’ensemble des fluides (« Total Fluids Recovery »), et 2) l'extraction sous vide à l’aide de deux pompes (généralement une pompe submersible et une pompe à vide), également appelée extraction double phase.

La configuration en utilisant un seul mode de pompage consiste à installer un tuyau d’aspiration dans le puits, au niveau de l’interface air-liquide, pour récupérer les liquides contaminés et extraire les vapeurs. L'extraction est effectuée à partir d'une pompe à pression négative (à vide) située à la surface. Les liquides et les vapeurs contaminées sont récupérés simultanément et un séparateur air-liquide est requis. En raison de la nature du vide appliqué, la profondeur du liquide pompé est généralement limitée à environ 10 m (30 pieds), mais certaines applications sont possibles à plus grande profondeur. Parce que cette technique permet une aération forcée de la zone vadose et améliore ainsi la biodégradation aérobie, elle est également connue sous le nom de bioaspiration.

Un système d'extraction à double phase consiste à installer des conduits séparés pour le liquide et le gaz, une pompe submersible dans le liquide contaminé (LPNA et eau souterraine) et une seconde pompe dans la zone vadose pour extraire l'air uniquement. Une pression négative est créée dans le puits et le liquide et les vapeurs contaminés sont pompés séparément.

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Mise en œuvre de la technologie

Les techniques d’EMP comprennent l’utilisation de puits, tranchées, drains perméables ou d'autres infrastructures pour extraire :

  • un mélange de vapeur (air), d’eau souterraine et de LPNA (pour la configuration à un seul tuyau d’aspiration);
  • un flux de vapeur et un flux d’un mélange d’eau souterraine et de LPNA (pour les systèmes d’extraction comprenant deux systèmes de pompage)

Les phases sont séparées puis traitées ou éliminées. Les séparateurs de phases comprennent des séparateurs air-eau et des séparateurs huile-eau. Les systèmes de traitement de vapeur sont couramment composés d’unités de combustion, tels que l’oxydation thermique ou l’oxydation catalytique, ou de système de  filtration/adsorption (charbon activé ou biofiltration).

La mise en œuvre d’un système EMP peut inclure :

  • La mobilisation, l'accès au site et la mise en place d'installations temporaires
  • L’installation de puits d’extraction
  • L’installation de tranchée de collecte et/ou installation de drain perméable
  • L’installation de pompes et de conduites d’adduction
  • L'installation d’une unité d’EMP (pouvant nécessiter un petit bâtiment ou un conteneur) y compris les pompes à vide, l'équipement de séparation de phases, l'équipement de traitement de l'air et de l'eau et les systèmes de contrôle
  • Des réservoirs d’accumulation pour les phases non aqueuses (produit en phase libre, carburant récupéré, solvant récupéré) afin d’être éliminées hors site
  • L’équipement de traitement des eaux souterraines est présenté dans la fiche technique « pompage et traitement »
  • L'évacuation de l'eau traitée (par exemple, à la terre, dans des puits d'injection, dans des champs d’infiltration ou de lixiviation, dans un système d’égout pluvial local, dans des égouts sanitaires locaux ou dans les eaux de surface)
  • Le démantèlement des puits d’extraction et de l'unité de traitement

Les systèmes sont souvent testés à l’échelle pilote avant l’implantation à pleine échelle.

Matériau et entreposage

  • La technique est exécutée au moyen de méthodes et d’équipements traditionnels/courants facilement disponibles pour des travaux d’installation de puits d'eau, de systèmes de drainage, d’aqueduc ou de services publics.
  • Des unités de traitement peuvent être construites sur place. Des unités préassemblées acheminées dans des conteneurs d'expédition, sur des remorques ou sur des palettes sont couramment disponibles.
  • L’extraction et l’adduction nécessitent de l’énergie et des produits chimiques d’entretien pour le nettoyage périodique de l’entartrage ou de l'encrassement.
  • Les systèmes de traitement varient, et peuvent inclure une gamme d'oxydants (comme du peroxyde d'hydrogène), de substrats biologiques, d'absorbants, d’agents antisalissures ou de composés pour prévenir l’entartrage, de briseurs d’émulsion, de carburants d’appoint, etc.
  • À moins qu’un vaste système de tranchées soit requis, les activités de construction ont généralement peu d’impacts et nécessitent peu d’entreposage sur le site. Les systèmes de traitement conservent généralement sur place des réactifs frais et des produits chimiques ainsi que les résidus produits comme les produits en phase libre et les produits de sorption souillés.
  • Résidus et rejets

  • L'installation du système nécessite généralement des activités de forage ou d'excavation dans les zones contaminées, entraînant la manipulation et l'élimination de sols fortement contaminés généralement placés dans des conteneurs en vue d’être éliminés hors site.
  • Les systèmes de traitement peuvent générer de grandes quantités de déchets solides, liquides et gazeux, mais l'entreposage, la gestion, le traitement et l'élimination des déchets font partie du fonctionnement normal du système de traitement. Les sorbants usés (le charbon activé, par exemple) et les solides collectés (boues) doivent être collectés et transportées hors site. La nature des processus de traitement entraîne fréquemment la concentration de contaminants dans ces résidus solides. Dans certains cas, ces résidus solides peuvent être inflammables, corrosifs ou peuvent produire des lixiviats toxiques.
  • Idéalement, l'eau souterraine traitée respecte tous les critères applicables au moment de son évacuation, et ne présente pas de risque élevé. Toutefois, les rejets d’eau insuffisamment traités, les rejets d'eau contenant des sous-produits et les rejets d’eau contenant des excédents de réactifs ou atteignant des niveaux inacceptables de pH peuvent constituer un danger pour les récepteurs en aval.
  • Les LPNA sont généralement conservés en lots de barils ou dans des réservoirs pour expédition éventuelle hors site.
  • Les systèmes d’EMP comprennent généralement un élément sous vide et nécessitent la surveillance ou le traitement des vapeurs évacuées par la pompe à vide. La volatilisation provenant de produits en phase libre accumulés ou d’eaux souterraines fortement contaminées peut également créer des zones de concentrations élevées de vapeur dans l'enceinte du système de traitement.
  • Analyses recommandées dans le cadre d’une caractérisation détaillée

    Analyses biologiques

    • Le dénombrement de la population bactérienne hétérotrophe totale et de la population bactérienne spécifique (selon le ou les contaminants d’intérêt)

    Analyses chimiques

    • pH
    • La teneur en matière organique
    • La concentration des contaminants présents dans les phases :
      • adsorbées
      • dissoutes
      • libres
    • La concentration des nutriments incluant :
      • l'azote ammoniacal
      • l'azote total Kjeldahl
      • les nitrates
      • les nitrites
      • le phosphore total

    Analyses physiques

    • La concentration en méthane
    • L'analyse granulométrique
    • Les caractéristiques physiques du contaminant incluent :
      • la viscosité
      • la densité
      • la solibilité
      • la pression de la vapeur
    • La tension superficielle eau/liquides immiscibles dans les conditions du site
    • La présence des liquides en phase non aqueuse (légers ou denses)

    Essais recommandés dans le cadre d’une caractérisation détaillée

    Essais biologiques

    • Essai de minéralisation en microcosmes
    • Essai de respirométrie in situ
    • Essai de biodégradation en bac

    Essais physiques

    • Essais de perméabilité à l’air
    • Relevé des vapeurs
    • Évaluation du rayon d’influence
    • Évaluation des conditions d’opération (pression/extraction)

    Essais hydrogéologiques

    • Essai pneumatique
    • Essai de perméabilité
    • Essai de pompage

    Autre information recommandée pour une caractérisation détaillée

    Phase II

    • La profondeur et l'étendue de la contamination
    • La présence de récepteurs :
      • la présence de récepteurs potentiels
      • la présence d'infrastructures de surface et souterraines
      • le risque de migration hors site

    Phase III

    • La stratigraphie du sol
    • La détermination des voies préférentielles de migration des contaminants
    • Une modélisation hydrogéologique

    Applications

    • Principalement utilisée pour le traitement de la contamination LPNA (phase libre)
    • Permet aussi le traitement de la contamination résiduelle et sous forme de vapeurs située dans la zone vadose et de la contamination dissoute dans l’eau souterraine.
    • L’EMP est le plus souvent utilisée en présence de LPNA comme le diesel et l'essence,  qui sont plus légers que l’eau.
    • L’EMP a également été utilisée en présence de LDPNA (comme des solvants chlorés), cependant, il peut s’avérer impossible d’amener un LDPNA vers un point d'extraction dépendamment de la densité et du profil des unités stratigraphiques.
    • Le système EMP peut être utilisé pour des formations de perméabilité de 10-5 à 10-3 cm/s
    • Peut être utilisé dans des formations plus perméables que 10-3 cm/s, mais exige dans ce cas que les puits d'extraction soient situés plus près les uns des autres et qu'il y ait présence d'un scellant en surface pour augmenter le rayon d'influence.
    • Permet de volatiliser une partie de la contamination résiduelle
    • L’EMP peut également être utilisée pour améliorer la technologie d’extraction des vapeurs du sol. La diminution du niveau des eaux souterraines assèche les sols et permet d’accroître l’efficacité de cette technologie.

    Applications aux sites en milieu nordique

    L’extraction multiphase intensive n’est pas toujours appropriée dans les régions éloignées qui n’ont pas facilement accès aux services publics ou à de la main-d’œuvre locale pouvant assurer le fonctionnement et l'entretien du système. Il faudrait plutôt envisager l’utilisation de technologies d’excavation à la source, d’écrémage passif, de barrières réactives passives ou de bioventilation comme alternatives. Les systèmes nordiques ont généralement besoin d’une conception adaptée au climat tenant compte notamment du gel profond du sol, du pergélisol, des changements saisonniers de conditions du sol et de longues périodes sans intervention de l’exploitant du système, sans ravitaillement en carburant et sans enlèvement des produits recueillis.

    Dans les climats froids, les cycles de congélation-décongélation peuvent entraîner la remobilisation de la LPNA résiduelle. Lorsque le sol humide gèle, son volume augmente parce qu'il a un volume plus important que l'eau liquide. L'augmentation du volume entraîne le transport de la matière par soulèvement résultant du gel et des phénomènes connexes.

    Type de traitement

    Type de traitement
    Type de traitementS’applique ou Ne s’applique pas
    In situ
    S’applique
    Ex situ
    Ne s’applique pas
    Biologique
    S’applique
    Chimique
    Ne s’applique pas
    Contamination dissoute
    S’applique
    Contamination résiduelle
    S’applique
    Contrôle
    Ne s’applique pas
    Phase libre
    S’applique
    Physique
    S’applique
    Résorption
    S’applique
    Thermique
    Ne s’applique pas

    État de la technologie

    État de la technologie
    État de la technologieExiste ou N'existe pas
    Démonstration
    N'existe pas
    Commercialisation
    Existe

    Contaminants ciblés

    Contaminants ciblés
    Contaminants ciblésS'applique, Ne s'applique pas ou Avec restrictions
    Biphényles polychlorés
    Ne s'applique pas
    Chlorobenzène
    Avec restrictions
    Composés inorganiques non métalliques
    Ne s'applique pas
    Composés phénoliques
    Avec restrictions
    Explosifs
    Ne s'applique pas
    Hydrocarbures aliphatiques chlorés
    S'applique
    Hydrocarbures aromatiques monocycliques
    S'applique
    Hydrocarbures aromatiques polycycliques
    Avec restrictions
    Hydrocarbures pétroliers
    Avec restrictions
    Métaux
    Ne s'applique pas
    Pesticides
    Ne s'applique pas

    Durée du traitement

    Durée du traitement
    Durée du traitementS’applique ou Ne s’applique pas
    Moins de 1 an
    S’applique
    1 à 3 ans
    S’applique
    3 à 5 ans
    Ne s’applique pas
    Plus de 5 ans
    Ne s’applique pas

    Remarques :

    Les taux de récupération de liquides non aqueux en phase libre tendent à diminuer rapidement, soit d’une durée de quelques semaines à quelques mois. Lorsque la récupération de liquides non aqueux en phase libre n’est plus rentable, le système d’EMP est souvent remplacé par une autre technologie, tel que l'atténuation naturelle contrôlée ou le pompage et traitement des eaux souterraines, pour gérer les impacts résiduels.

    Considérations à long terme (à la suite des travaux d'assainissement)

    Comme discuté ci-dessus, les systèmes d'extraction multiphase sont généralement retirés et remplacés une fois que le produit libre récupérable a été épuisé. Au moment du remplacement, les critères de réhabilitation de l'environnement n'ont généralement pas été respectés. Le retour de LLPNA dans les puits peut se produire quelque temps après l'arrêt du système. Il est recommandé de surveiller les niveaux de LLPNA de quelques semaines à quelques mois selon le type de sol.

    Produits secondaires ou métabolites

    Le système d’extraction multiphase peut stimuler la biodégradation des contaminants par l'augmentation de l’air circulé et de la concentration en oxygène. La biodégradation de certains hydrocarbures aliphatiques chlorés peut générer des métabolites toxiques (par exemple, la transformation biologique du dichloroéthène forme du chlorure de vinyle). Les produits secondaires ou métabolites qui se produisent dans le sous-sol sont typiquement récupérés par le puits d’extraction et peuvent ainsi être éliminés par le système de traitement.  En général, le potentiel de production de sous-produits in situ est très limité.

    Les systèmes EMP comprennent des systèmes de traitement pour la vapeur et le liquide extraits (LPNA ou un mélange de LPNA et d'eau souterraine). Une réaction incomplète dans un système de traitement donné peut entraîner des produits de dégradation dangereux. La gestion du système de traitement des sous-produits fait partie du fonctionnement normal du système de traitement.

    Limitations et effets indésirables de la technologie

    • Généralement moins efficace dans un milieu très perméable ou peu perméable en fonction des objectifs. La plage de perméabilité idéale est de 10-5 à 10-3 cm/s.
    • Le débit de pompage de liquides est réduit lorsque le niveau de l’eau est profond (>10m)
    • La température peut limiter les phénomènes de biodégradation et influencer la volatilisation des contaminants organiques.
    • Un matériel hétérogène, la présence d'interlits imperméables et/ou de chemins préférentiels peuvent réduire l'efficacité de récupération des LPNA et de l'aération des sols.
    • L'efficacité de la volatilisation peut être réduite en présence d'une haute teneur en matières organiques.
    • Dans certains cas, la récupération de la phase libre génère un volume important d'eau à traiter.
    • La séparation des phases (eau/LPNA/vapeur) et/ou le traitement des effluents peuvent être complexes selon la nature des contaminants.
    • Des fluctuations importantes du niveau de la nappe peuvent rendre l’extraction des contaminants plus complexe.
    • L’EMP, par sa conception, crée des changements importants à court terme dans la pression de vapeur et le gradient hydraulique souterrain. Ainsi, le niveau des eaux souterraines peut s’abaisser, et la tension dans la zone saturée au-dessus de la nappe phréatique (la « zone vadose ») peut être substantiellement modifiée.
    • D’importants changements de la nappe phréatique peuvent entraîner l’étalement de produits en phase libre dans la zone vadose. Les systèmes de « biosplurging » sont spécifiquement conçus pour atténuer ce type d'infiltration de contaminants dans la zone vadose.
    • Un traitement inadéquat ou inapproprié peut exposer les récepteurs en aval du point de rejet du système à des contaminants ou des sous-produits.
    • Les produits en phase libre et leurs vapeurs peuvent comporter des risques graves d’incendie ou d'explosion. En raison de leur inflammabilité ou de leur toxicité, ils sont habituellement manipulés comme des  matières dangereuses.

    Technologies complémentaires améliorant l’efficacité du traitement

    • Le chauffage des sols (par résistance électrique, par conduction thermique, à l'air chaud ou à la vapeur) favorise la mobilité des LPNA et la volatilisation des composés semi-volatils tout en accélérant les processus de biodégradation lorsque les températures d’opération sont en dessous de 40°C.
    • La fracturation mécanique ou pneumatique améliore la perméabilité des sols moins perméables. La création de nouvelles voies de transport par fracturation du sol peut augmenter les taux de récupération de contaminants.
    • L'étanchéité de la surface du sol augmente la zone d'influence du système d'extraction multiphase de chaque puits et réduit le risque que les émissions de vapeur migrent du sol vers la surface.
    • L'extraction multiphasique peut être opérée dans différentes configurations, avec ou sans rabattement, pour cibler différents objectifs de traitement (récupération de LLPNA, extraction de vapeur de sol, biorestauration)
    • Lorsque la récupération de produit libre devient non économique, le système est souvent remplacé par une autre stratégie de gestion des impacts résiduels, comme l'atténuation naturelle surveillée ou la pompe et le traitement des eaux souterraines.

    Traitements secondaires requis

    • Requiert un système de séparation air-liquide et eau-LPNA
    • Un système de traitement des eaux souterraines est généralement nécessaire. Les procédés de traitement de l'eau varient considérablement en fonction du type de contamination présente. La liste suivante présente des exemples de traitement et n'est pas exhaustive.
      • Stripage à l'air ou à la vapeur pour traiter les COV;
      • Adsorption sur des matrices, telles que du charbon activé, pour traiter les COSV;
      • Traitement par bioréacteur pour traiter les COV non halogénés, les COSV et les hydrocarbures pétroliers;
      • Oxydation chimique et/ou UV pour traiter les composés organiques volatils et semi-volatils (COV et COSV, respectivement) ainsi que certains hydrocarbures et pesticides;
      • Séparation membranaire pour traiter les COV et COSV d’hydrocarbures.
      • Coagulation et floculation;
      • Filtration
      • Coagulation par électrocution;
      • Phytoremédiation (zones humides de traitement);
    • Un système de traitement de vapeur est requis. Les systèmes de traitement de vapeur sont généralement composés d’unités de combustion (oxydation thermique, oxydation catalytique) ou de filtration/adsorption (charbon activé, biofiltration).
    • Les LPNA séparées doivent être traitées ou préparées en vue de leur élimination.

    Exemples d'application

    Performance

    L'extraction multiphase est une technologie éprouvée utilisée depuis plus de 20 ans pour récupérer les LLPNA lorsque le niveau de LLPNA dépasse la plage résiduelle. En général, les technologies d'extraction multiphases sont plus rentables que les autres technologies actives pour les LLPNA (ITRC, 2009).

    Le rapport suivant donne les coûts et la performance liés à l'utilisation d'un système de récupération à double phase et d'un système d'extraction multiphase sur un site particulier :

    Mesures pour améliorer la durabilité de la technologie et/ou favoriser l’assainissement écologique

    • Choix du type de pompe et optimisation de la taille de la pompe
    • Optimisation du calendrier afin de favoriser le partage des ressources et réduire le nombre de jours de mobilisation
    • Utilisation d'énergie renouvelable et d’équipement à faible consommation d’énergie (par exemple, énergie géothermique ou solaire pour l’extraction).
    • Optimisation des procédés de traitement de l’eau usée pour réduire les déchets et la consommation d'intrants (charbon activé)         
    • Recyclage des produits en phases libres récupérés pour être utilisés comme combustibles
    • Optimisation des débits d'air et d'eau pour réduire la taille des équipements et la consommation d'énergie
    • Utilisation de biofiltres pour le traitement de l'air et de l'eau
    • Fonctionnement cyclique plutôt que continu pour améliorer la récupération
    • Limite du nombre de visites sur le terrain en utilisant la télémétrie pour la surveillance à distance des conditions du site

    Impacts potentiels de l'application de la technologie sur la santé humaine

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    Références

    Auteur et mise à jour

    Fiche rédigée par : Martin Désilets, B.Sc., Conseil national de recherches

    Mise à jour par : Jennifer Holdner, M.Sc., Travaux publics et Services gouvernementaux Canada

    Date de mise à jour : 29 avril 2014

    Dernière mise à jour par : Marianne Brien, P.Eng., Christian Gosselin, P.Eng., M.Eng., Golder Associés Ltée

    Date de mise à jour : 31 mars 2018

    Version :
    1.2.5