L'extraction de vapeur de sol (EVE) a longtemps servi de technologie de remplacement pour la remise en état des composés organiques volatils (COV) dans les zones de sol non saturées. À mesure que la surveillance environnementale s'améliore et que la réglementation s'étend, une nouvelle classe de substances – les contaminants préoccupants (COV) – a attiré l'attention des gestionnaires de site, des consultants et des organismes de réglementation.Ces produits chimiques, dont bon nombre étaient auparavant non surveillés ou non réglementés, présentent des défis uniques en raison de leur persistance, de leur mobilité et de leur toxicité potentielle.

Comprendre les nouveaux contaminants préoccupants

Les contaminants nouveaux préoccupants sont les produits chimiques et les matériaux qui ne sont pas régulièrement surveillés dans l'environnement, mais qui sont de plus en plus détectés et soupçonnés de présenter des risques pour la santé écologique ou humaine. La catégorie comprend un large éventail de substances : les substances per- et polyfluoroalkyles (SPAP), le 1,4-dioxane, la N-nitrosodiméthylamine (NDMA), les produits pharmaceutiques et les produits de soins personnels, les additifs industriels comme le bisphénol A (BPA) et les retardateurs de flamme comme les polybromodiphényléthers (PBDE), dont bon nombre pénètrent dans l'environnement par des rejets industriels, des effluents des usines de traitement des eaux usées, des ruissellements agricoles et des lixiviats de décharge.

Comme les CEC sont divers dans leurs structures chimiques, allant de très volatiles à presque non volatiles, de l'hydrophobe à très soluble dans l'eau, aucune technologie d'assainissement ne peut les traiter efficacement. SVE offre une solution potentiellement rentable et peu invasive. La nécessité croissante de gérer ces composés a stimulé l'innovation dans la conception et le fonctionnement des CEC volatiles et semi-volatiles, ainsi que l'intégration avec d'autres procédés de traitement.

La science derrière l'extraction de vapeur de sol

Le SVE fonctionne en créant un vide dans la zone non saturée (vadose), induisant un flux d'air qui transporte des vapeurs de contaminants vers les puits d'extraction. Le vide est appliqué par des souffleurs ou des vides reliés à des puits analysés à travers l'intervalle contaminé. Au fur et à mesure que l'air traverse les pores du sol, les contaminants volatils se séparent de la matrice du sol et l'eau interstitielle dans la phase de vapeur, entraînés par des gradients de concentration.

Les techniques de traitement courantes comprennent l'adsorption granulaire de charbon actif (GAC), l'oxydation thermique, l'oxydation catalytique et la biofiltration. Pour les flux ou composés à faible concentration et à forte affinité sorptive, le GAC est souvent le choix le plus simple. Pour les solvants ou composés chlorés nécessitant une destruction, l'oxydation thermique ou catalytique peut être nécessaire. La conception d'un système SVE nécessite une caractérisation minutieuse du site pour définir l'étendue de la contamination et les propriétés du sol.

Contaminants émergents susceptibles de SVE

La technologie et la technologie, et la résistance de base, consistent à traiter les composés volatils et semi-volatils. Parmi les CCE, les groupes suivants présentent des propriétés qui les rendent au moins partiellement aptes à l'extraction par vapeur :

  • 1,4-Dioxane: Ce stabilisant de solvant et sous-produit industriel est probablement cancérogène pour l'homme. Il est très miscible dans l'eau mais a aussi une pression de vapeur modérée (38 mmHg à 25°C) et une constante de droit faible Henry’. Bien qu'il se divise principalement en eau, l'extraction de vapeur de la zone non saturée peut éliminer le 1,4-dioxane si les sols sont insaturés et le composé est présent dans le gaz du sol à des concentrations détectables.
  • Éther méthyl tert-butyle (MTBE):[ Un oxygénate d'essence, le MTBE est relativement volatil (pression de vapeur ~250 mmHg) et possède une constante de droit modérée Henry’. Il a été réamédié avec succès en utilisant le SVE à de nombreux sites de déversement d'essence, bien que sa grande solubilité aqueuse signifie que la vapeur du sol et les panaches en phase dissoute doivent être traités.
  • N-nitrosodiméthylamine (NDMA):[ Ce sous-produit de désinfection et produit de dégradation du combustible de fusée est volatil (pression de vapeur ~2,7 mmHg) et peut être extrait de vapeur de sol. Cependant, il est également hautement soluble dans l'eau et peut être difficile à traiter en phase vapeur parce qu'il n'est pas facilement adsorbé par GAC. La photolyse ultraviolette (UV) ou l'oxydation avancée est souvent nécessaire pour le traitement de la vapeur.
  • Précurseurs volatils du SPAF: Bien que la plupart des SPAF (p. ex., APFO, SPFO) soient non volatils, certains alcools fluorés et sulfonamides perfluoroalkylés utilisés dans les applications industrielles sont volatils. Ces composés peuvent se séparer en gaz du sol et être extraits par l'intermédiaire du SVE. Une fois capturés, ils peuvent être détruits par oxydation thermique ou par d'autres procédés à haute température.

Pour les CEC non volatiles comme les anciens SPAF, les produits pharmaceutiques et de nombreux produits de soins personnels, SVE seul est inefficace. Dans ces cas, des technologies ou combinaisons alternatives sont nécessaires. Néanmoins, pour la fraction volatile de l'univers des CEC, SVE reste une option viable et souvent préférable.

Adapter l'EVE aux contaminants émergents : conception et considérations opérationnelles

L'application de l'EVE aux CEC exige souvent des modifications à la pratique courante.Les composés à volatilité plus faible exigent des niveaux de vide plus élevés, des débits de vapeur plus élevés et des durées de traitement plus longues. L'EVE pulsée – alternant entre les périodes d'extraction et d'équilibre – peut améliorer l'élimination des composés qui se séparent lentement du sol ou de l'eau. Une autre adaptation est l'utilisation d'améliorations thermiques in situ, comme le chauffage électrique ou l'injection de vapeur, pour augmenter la température du sol et augmenter la pression de vapeur.

Bien que le CAG soit efficace pour de nombreux COV, certains CEC (NDMA, 1,4-dioxane) traversent rapidement les lits de carbone. Dans de tels cas, l'oxydation thermique ou l'oxydation catalytique peuvent atteindre des rendements de destruction élevés. Des procédés d'oxydation avancés (PAO) comme le peroxyde d'hydrogène ou d'UV ou l'ozone/peroxyde d'hydrogène peuvent être appliqués à la phase de condensation de l'eau si les vapeurs sont condensées pour la première fois. Le choix du traitement dépend de la chimie spécifique des contaminants, des limites réglementaires de rejet et des coûts du cycle de vie.

Avantages de la SVE pour la gestion des CCE

SVE offre, le cas échéant, plusieurs avantages pour lutter contre les contaminants émergents :

  • L'élimination sélective: SVE cible les composés volatils et semi-volatiles, réduisant le volume de matériel nécessitant un traitement.C'est particulièrement avantageux aux sites où les CEC coexistent avec les COV hérités de la concentration élevée, car les CEC peuvent souvent être extraits sans perturber le sol non contaminé.
  • Coût-efficacité:[ Comparé à l'excavation et à l'élimination, à la désorption thermique in situ ou à l'oxydation chimique, SVE est généralement moins coûteux à installer et à exploiter.Pour les grands sites à niveaux de contamination modérés, SVE peut traiter des milliers de mètres cubes de sol sur plusieurs mois à des années à une fraction du coût des solutions de rechange.
  • Perturbation du site minimal : Les systèmes SVE ne nécessitent que des installations et des canalisations de surface.Les bâtiments et les infrastructures peuvent rester fonctionnels pendant la remise en état, ce qui est essentiel pour les installations industrielles actives ou les propriétés commerciales.
  • Écalorité:[ Les systèmes peuvent être dimensionnés de petites unités mobiles pour les points chauds localisés aux réseaux multi- puits pour les grands panaches. La conception modulaire permet une mise en œuvre progressive lorsque les conditions de contamination changent.
  • Intégration avec d'autres technologies:[ On peut combiner les EEV avec la parure d'air pour les contaminants en phase dissoute, la bioventure pour les composés dégradables par aérobiose ou le chauffage du sol pour en étendre l'applicabilité aux CEC moins volatiles.

Limites et défis

Malgré ses avantages, SVE a des limites claires lorsqu'il s'applique aux contaminants émergents :

  • Incapacité de traiter les composés non volatils: La plupart des SPAF, de nombreux produits pharmaceutiques et une gamme de composés organiques polaires ont des pressions de vapeur négligeables dans les conditions ambiantes.
  • Les mauvaises performances dans les sols à faible perméabilité:[ Les argiles, les limons et les formations hétérogènes limitent le débit de vapeur, ce qui entraîne de longs temps de nettoyage et un retrait incomplet.
  • Potentiel pour le frottis contaminant:[ La SVE mal conçue peut propager la contamination par inadvertance en tirant des vapeurs à travers des pores non saturés sans capture adéquate, ou en condensant des vapeurs dans des zones de sol plus froides.
  • Coûts d'énergie et d'entretien:[ Le fonctionnement à long terme des soufflantes à vide et de l'équipement de traitement de la vapeur peut être important, en particulier pour les sites à faible perméabilité qui nécessitent des niveaux de vide élevés.
  • Défis d'analyse: La détection des CEC en phase vapeur nécessite souvent des méthodes d'échantillonnage spécialisées (p. ex. tubes sorbants, conteneurs) et des limites de détection faibles.

Études de cas : L'EVE s'applique aux contaminants émergents

1,4-Dioxane Co-restauration sur un site de solvants

Dans une ancienne installation industrielle de l'est des États-Unis, le sol et les eaux souterraines ont été contaminés par le trichloroéthylène (TCE) et le 1,4-dioxane à des concentrations allant jusqu'à 50 mg/kg et 2 mg/L respectivement. On a choisi une combinaison de SVE et de sparging de l'air pour traiter les COV et le 1,4-dioxane semi-volatile. Le système SVE a fonctionné pendant 18 mois avec des cycles d'injection pulsés. Les vapeurs ont été traitées avec oxydation thermique pour assurer la destruction du 1,4-dioxane dans le flux d'effluent. L'échantillonnage post-traitement du sol a montré une réduction de 90 % du TCE et une réduction de 75 % du 1,4-dioxane. Le dioxane résiduel est demeuré dans des zones à faible perméabilité, nécessitant une étape de polissage subséquente en utilisant une oxydation chimique in situ.

ÉVÉNEMENT thermal pour les précurseurs du SPFA dans une zone d'entraînement au feu

Une zone d'entraînement au feu contaminée par une mousse filmante aqueuse (AFFF) contenait à la fois du SPAF non volatil et des alcools fluorotélomères volatils (HTF). En raison de la présence de HPF dans la vapeur du sol, un système SVE amélioré thermiquement a été déployé. Le chauffage par électrode a augmenté la température du sol à 90 °C, augmentant la pression de vapeur des HPF et les conduisant à la phase gazeuse. Les vapeurs extraites ont été traitées par une combinaison d'oxydation thermique et de lavage humide.

Améliorer l'EVS : approches intégrées et nouvelles

Pour surmonter les limites de l'EVE pour les contaminants émergents, les chercheurs et les praticiens mettent au point des trains d'assainissement intégrés, parmi les combinaisons les plus prometteuses, on peut citer :

  • SVE avec désorption thermique in situ (ISTD):[ Le chauffage de la sous-surface à 100–300°C se volatilise en CEC semi-volatiles et même en certains composés non volatils par pyrolyse ou fissuration thermique. L'ISTD combinée à l'extraction SVE a été utilisée pour le sol contaminé par des dioxines, des BPC et certains précurseurs du SPAF. La forte demande d'énergie est une considération majeure, mais peut être justifiée pour la réduction à la source.
  • SVE avec vaporisation du sol Injection de carbone:[ L'injection directe de charbon actif en poudre dans la zone de vapeur peut simultanément adsorber des contaminants et améliorer l'extraction en phase vapeur en créant des voies de débit préférentielles. Le concept est encore au stade de la recherche mais montre un potentiel de gestion des mélanges de COV et des CEC sorbants.
  • SVE avec Bioventing:[ Pour les CCE biodégradables aérobies (p. ex., certains produits pharmaceutiques, BTEX, MTBE), la bioventing peut fournir de l'oxygène pour stimuler la dégradation microbienne. SVE fournit le vide pour extraire les vapeurs excédentaires et maintenir les conditions aérobies.
  • SVE avec oxydation avancée dans la phase de vapeur: Pour les composés récalcitrants comme la NDMA ou le 1,4-dioxane qui traversent le GAC, l'intégration d'une unité de photolyse ou d'oxydation photocatalytique UV dans le flux de vapeur peut atteindre des efficacités de destruction supérieures à 99 %.

Cadre réglementaire et orientation

Aux États-Unis, le SVE est classé comme remède présumé pour les sols contaminés par les COV dans le cadre de l'EPA et du numéro 8217;s Programme de superfonds.Pour les contaminants émergents, il n'existe pas de directives normalisées spécifiquement pour le SVE, mais les organismes de réglementation exigent de plus en plus de démontrer leur efficacité en utilisant des études de traitabilité spécifiques au site.L'EPA et le numéro 8217;s Liste des candidats aux contaminants (LCC) comprend de nombreux CEC, et les organismes d'État ont élaboré leurs propres niveaux de dépistage.

Orientations futures de la recherche

Les CPE feront probablement des progrès importants au cours de la prochaine décennie.

  • Modèles améliorés pour le transport multiphases:[ Les modèles actuels ont du mal à prédire le comportement de composés fortement sorbants ou réactifs comme le SPAF. L'incorporation de la sorption non idéale, de l'adsorption compétitive et de la cinétique de dégradation améliorera la conception.
  • Des capteurs peu coûteux et déployables pour les CEC dans les gaz du sol sont en cours de développement. Ils permettraient une gestion adaptative des systèmes SVE et une confirmation plus rapide des paramètres de nettoyage.
  • Évaluation du cycle de vie et durabilité :[ La comparaison de l'empreinte carbone et du coût de l'EEV intégrée avec d'autres technologies par rapport à d'autres solutions (p. ex., excavation, agriculture foncière) éclairera la prise de décisions concernant les sites des CEC.
  • Validation sur le terrain des processus couplés: Il faut davantage de démonstrations à grande échelle de SVE thermiquement améliorée, d'oxydation avancée en phase vapeur et de bioventing-SVE pour les CCE pour établir des repères de performance et des courbes de coûts.

À mesure que les contaminants émergents continuent de remodeler le paysage de l'assainissement environnemental, l'extraction de vapeur de sol est une technologie souple et éprouvée. Sa capacité à être adaptée – par l'amélioration thermique, le pulsation sous vide et l'intégration avec des systèmes de traitement complémentaires – la place comme un outil clé pour gérer la fraction volatile de ce groupe diversifié de polluants.