Pompage et traitement des eaux souterraines polluées aux hydrocarbures : conception des étages (dégrillage, déshuilage, filtration, charbon actif) et pilotage au débit variable

Enjeux du pump and treat hydrocarbures

Pourquoi le pompage/traitement reste pertinent

Le pompage et traitement des eaux souterraines contaminées par des hydrocarbures (fraction dissoute et/ou phase libre de type LNAPL) est principalement retenu lorsque l'on doit maitriser l'hydraulique d'un site tout en assurant une qualite de traitement compatible avec un exutoire. Les objectifs typiques sont :

• Confinement d'un panache par maintien d'un gradient hydraulique controle.
• Reduction des flux massiques vers l'aval (reseaux, cours d'eau, captages, limites de site).
• Abattement avant rejet (milieu, reseau, bassin interne) ou avant une etape complementaire (traitement in situ, finition).
• Gestion de venues d'eau en phase chantier (fond de fouille, excavation) avec variabilite forte du debit et de la turbidite.

Cadre reglementaire : points d'attention

En France, les exigences applicables dependent du contexte (ICPE, Loi sur l'eau et IOTA, convention de rejet, prescriptions DREAL, arrete prefectoral). Pour les sites industriels relevant des ICPE, les prescriptions relatives a l'eau et aux emissions sont couramment adossees a l'arrete du 2 fevrier 1998 relatif aux prelevements et a la consommation d'eau ainsi qu'aux emissions de toute nature des ICPE soumises a autorisation.

A l'echelle europeenne, la strategie globale de protection de la ressource s'inscrit dans la directive 2000/60/CE (directive-cadre sur l'eau), et la protection specifique des eaux souterraines est renforcee par la directive 2006/118/CE (directive eaux souterraines).

En pratique, le dimensionnement doit donc viser une filiere robuste, capable de tenir les variations de debit et de qualite d'eau, tout en assurant la tracabilite (mesures en ligne, enregistrements, campagnes analytiques).

Contraintes terrain et derive d'exploitation

Variabilite hydrogéologique et chimique

La qualite d'eau a traiter est rarement stationnaire. Les variations proviennent notamment de :

• Fluctuations piezometriques (saisonnalite, pompages tiers, evenements pluie).
• Bascules d'alimentation (eau de nappe vs eau d'infiltration) impactant MES, conductivite, redox.
• Presence intermittente de LNAPL (phase libre) en tete de filiere.
• Melanges de familles : HCT (fractions legeres et plus lourdes), BTEX, naphtalene et selon historique, additifs et co-contaminants (solvants, metaux).

Ces variations influencent directement les performances des etages (separation, filtration, adsorption) et la stabilite d'exploitation (colmatage, emulsions, saturation du charbon).

Causes frequentes de pertes de performance

Les defaillances sont souvent d'origine « amont » :

• Arrivee de debris et boues (abrasion, blocages, surcharge).
• MES elevees impliquant colmatage et hausse de perte de charge.
• Emulsions huile/eau (cisaillement par pompes, tensioactifs) rendant le deshuilage gravitaire inefficace.
• Fer/Mn dissous pouvant precipiter (oxydation) et colmater cartouches et lits.
• Variations de debit diminuant le temps de contact sur charbon actif et augmentant le risque de percement.

Architecture par barrières : ordonner les étages

Principe : proteger l'aval avant la finition

Une filiere performante traite d'abord ce qui menace la disponibilite (dechets, MES, huiles separables), puis assure la finition sur les composes dissous. Cette logique « barrières » se traduit par :

• Des etages dimensionnes sur une eau nominale et une eau degradee.
• Une instrumentation par etage (debit, niveaux, delta P, alarmes).
• Des modes degradés (reduction automatique du debit, by-pass securise, arret aval conditionnel).

Dans ce cadre, COLAS Environnement intervient sur des sites industriels, stations-service en rehabilitation et chantiers d'excavation, avec un objectif constant : rendre l'installation exploitable dans le temps (variabilite hydrogeologique, cinetique de depollution, maintenance et consommables).

Degraillage et pretraitement mecanique

Objectif : securiser pompes et etages aval

Le degraillage ou la prefiltration grossiere vise a eviter l'endommagement des pompes et la surcharge des unites aval (separateur, filtres, charbon). Solutions courantes : panier, crepine, filtre a tamis, ou degrailleur en amont d'un bac tampon.

Points de dimensionnement et d'exploitation

• Maille adaptee a la granulometrie attendue et au type de pompe (centrifuge, volumetrique).
• Accessibilite pour curage et nettoyage (maintenance reelle, pas seulement theorique).
• By-pass encadre (procedures, securite, tracabilite).
• Gestion des refus comme dechets (collecte, filiere d'evacuation).

En chantier d'excavation, un bac de decantation en regime calme est souvent plus tolerant qu'un simple tamis car la charge en fines peut etre tres fluctuante.

Deshuilage : separer la phase libre et les gouttelettes

Choisir la technologie selon l'etage de dispersion

Le deshuilage a pour but de retirer les hydrocarbures « separables » (phase libre et gouttelettes) afin de limiter l'encrassement et de stabiliser la suite de traitement. Le choix depend du mode de presence :

• Phase libre : separateur gravitaire avec ecremage (skimmer) et securites de niveau.
• Gouttelettes : coalescence (packs lamellaires, medias coalescents) pour augmenter la taille des gouttes et accelerer la separation.
• Emulsions stables : actions prealables (reduction cisaillement, temps de repos, adaptation hydraulique) et, si justifie, traitement physico-chimique.

Reference normative utile en conception

Pour les installations de separation de liquides legers de type hydrocarbures, les principes de conception et d'essais sont cadrés par la norme NF EN 858-1 (separateurs d'hydrocarbures). Cette reference est utile pour structurer une approche par performance, conditions d'exploitation et exigences d'entretien.

Instrumentation recommandee : sonde d'interface huile/eau, alarme haut niveau huile, mesure de debit, et enregistrement des evenements.

Filtration : maitriser MES et colmatage

Objectif : proteger l'adsorption et stabiliser l'OPEX

La filtration est souvent l'etage determinant pour la disponibilite et les couts (consommables, arrets, main d'oeuvre). Elle vise l'abattement des MES, fines et precipites afin de proteger les colonnes de charbon actif et d'eviter la formation de chemins preferentiels.

Choisir le bon couple : robustesse vs finesse

• Filtres a sable/multicouches : adaptes aux debits plus eleves, lavables a contre-courant.
• Poches filtrantes : compromis entre capacite de retention et facilite d'exploitation.
• Cartouches : finesse elevee, mais sensibilite forte aux pics de turbidite (colmatage rapide).

Bonne pratique de conduite : suivre le delta P (pressions amont/aval) et declencher maintenance sur seuils plutot que sur periodicite arbitraire. Attention aux colmatages « chimiques » (oxydation du fer Fe2+ en Fe3+ et formation d'hydroxydes) : maitriser les entrees d'air et la configuration des bacs (fermes/ventiles selon contraintes HSE).

Charbon actif (GAC) : finition des polluants dissous

Ce que traite efficacement le GAC

Le charbon actif en grains (GAC) est l'etage de finition pour l'adsorption de nombreux composés organiques dissous (notamment BTEX et autres hydrocarbures aromatiques). Il est performant mais exige une eau faiblement chargee en MES et sans huile libre.

Conception pour maitriser le percement

• EBCT (Empty Bed Contact Time) : definir un temps de contact compatible avec les objectifs et la matrice d'eau.
• Colonnes en serie lead/lag : securiser le percement (la seconde colonne « capture » en cas de breakthrough de la premiere).
• Points de prelevement intermediaires : entree, sortie lead, sortie lag pour piloter les changements de media.
• Strategie analytique : HCT, BTEX, HAP selon contexte et exigence de rejet.

Le debit variable impacte directement l'EBCT : une hausse de debit reduit le temps de contact et accelere le risque de percement. La reponse n'est pas seulement « surdimensionner » : elle repose surtout sur la regulation et l'architecture (tampon, limitation du debit procede, modularite de colonnes).

Pilotage au debit variable et instrumentation

Deux objectifs a tenir en meme temps

Un pilotage efficace vise :

• Objectif hydraulique : maintenir un rabattement/gradient cible pour contenir le panache.
• Objectif traitement : rester dans l'enveloppe de fonctionnement de chaque etage (delta P, capacite de separation, EBCT).

Strategies de regulation robustes

• Variation de vitesse des pompes (variateur de frequence) pilotee sur niveau piezometrique, pression ou debit.
• Bac tampon (equalization) pour decoupler debit de captage et debit de traitement.
• Limitation du debit max a l'entree des colonnes GAC (vanne de regulation, boucle debitmetre).
• Modes degradés automatises : si delta P filtration depasse un seuil, reduction controlee du debit et alarme ; si niveau huile eleve, securisation des etages aval.

Instrumentation minimale recommandee

Pour une exploitation longue et traçable, la base instrumentee comprend : debitmetre, pressions amont/aval (delta P) sur filtration et GAC, niveaux (bac tampon, separateur), et enregistrement (data logging). La supervision a distance (alarmes contextualisees, historiques) reduit les deplacements inutiles et accelere le diagnostic (colmatage, derive de separation, instabilites).

Critères de decision : robustesse vs complexite

Ce qui fait vraiment la performance sur site

Sur les eaux souterraines aux hydrocarbures, l'ennemi principal est l'instabilite amont. Une filiere « correcte sur plan » echoue souvent par MES sous-estimees, arrivees d'huile libre non prevues, precipitation Fe/Mn, et debit variable non regule cote GAC. Le retour d'experience privilegie generalement : tampon + instrumentation + redondance, plutot qu'une succession d'etages tres fins mais fragiles.

Limites typiques des etages classiques

• Deshuilage : limite sur emulsions stables sans actions prealables.
• Filtration : cartouches efficaces mais potentiellement couteuses si turbidite fluctuante ; medias lavables plus robustes mais impliquent lavage et gestion des effluents de lavage.
• GAC : media saturable, necessitant une strategie de suivi (lead/lag) et une anticipation du percement.

Retours terrain et accompagnement

Exploitation : dimensionner pour absorber la variabilite

Sur chantier ou en exploitation long cours, l'interet d'une filiere est de tenir des variations de turbidite et de debit sans perdre l'objectif de maitrise hydraulique. La conception doit aussi integrer les contraintes HSE, l'accessibilite maintenance et la mise en securite des modes degradés.

Perspectives

Les evolutions vont vers des installations plus instrumentees (turbidite, delta P, parametres organiques globaux selon pertinence), supervisees a distance, et mieux integrees avec des solutions de traitement a la source (in situ) pour reduire les flux et la duree de pump and treat.

Conclusion : une filiere pensee comme un systeme pilote

Benefices d'une conception par barrières

Une filiere de pompage/traitement d'eaux souterraines chargees en hydrocarbures est performante lorsqu'elle tient simultanement : (1) l'objectif hydraulique (capture/confinement) et (2) l'objectif procede (abattement stable, disponibilite, prevention du colmatage et du percement). L'enchainement recommande est : dégrillage (protection mecanique), deshuilage (phase libre et gouttelettes), filtration (MES et precipites), puis charbon actif (finition des composes dissous), idealement en serie lead/lag.

Pour securiser les performances au debit variable, l'approche la plus fiable combine instrumentation (debit, niveaux, delta P), decouplage captage/procede via bac tampon, et regulation du debit admissible sur les etages sensibles (GAC).

CTA devis

Pour dimensionner ou fiabiliser une filiere pump and treat (diagnostic colmatage, refonte d'architecture, instrumentation, exploitation au debit variable), sollicitez COLAS Environnement et demandez un devis adapte a vos contraintes de site (objectif hydraulique, exutoire, qualite d'eau degradee, HSE, maintenance).