Outils de mesure sur site : quel besoin et quelles … · RAPPORT FINAL OUTILS DE MESURE SUR SITE : QUEL BESOIN ET QUELLES MESURES POUR QUELLE UTILISATION ? Novembre 2014 Étude réalisée

RAPPORT FINAL

OUTILS DE MESURE SUR SITE : QUEL BESOIN ET QUELLES MESURES

POUR QUELLE UTILISATION ?

Novembre 2014

Étude réalisée pour le compte de l'ADEME par : Valérie LAPERCHE, Daniel HUBE, Valérie GUERIN et Nicolas AUBERT - BRGM

N° de contrat : 1472C0043

Coordination technique ADEME : Helene ROUSSEL – Service Friches Urbaines et Sites Pollués

Outils de mesure sur site : quel besoin et quelles mesures pour quelle utilisation ? Page 2 sur 22

CITATION DE CE RAPPORT

Valérie LAPERCHE, Daniel HUBE, Valérie GUERIN et Nicolas AUBERT. 2014. Outils de mesure sur site : quel besoin et quelles mesures pour quelle utilisation ? Rapport final. ADEME. 22p

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Table des matières 1- Introduction ................................................................................................................................................................... 4

2- Contextes - besoins...................................................................................................................................................... 4

a- Sols-sédiments ....................................................................................................................................................... 4

b- Eaux ........................................................................................................................................................................ 5

c- Gaz du sol - Air ambiant ......................................................................................................................................... 5

3- Ce qui existe et est déjà fonctionnel ............................................................................................................................ 6

a- Sols - sédiments ..................................................................................................................................................... 6

L’analyse des inorganiques ................................................................................................................................................. 6

L’analyse des organiques .................................................................................................................................................... 8

b- Eaux ...................................................................................................................................................................... 10

Mesures chimiques............................................................................................................................................................ 10

Mesures physiques............................................................................................................................................................ 12

c- Gaz du sol - Air ambiant ....................................................................................................................................... 13

d- Techniques de séparation (toutes matrices confondues) .................................................................................... 15

4- Exemple d’outils récents qui sont prometteurs .......................................................................................................... 16

a- Sols - sédiments ................................................................................................................................................... 16

L’analyse des inorganiques : ............................................................................................................................................. 17

L’analyse des composés organiques ................................................................................................................................ 17

b- Eaux ...................................................................................................................................................................... 18

Mesures chimiques............................................................................................................................................................ 18

Mesures physiques et physico chimiques ......................................................................................................................... 19

c- Gaz du sol - Air ambiant ....................................................................................................................................... 19

5- Conclusion .................................................................................................................................................................. 19

6- Références ................................................................................................................................................................. 21


1- Introduction

Les techniques de mesures sur site désignent des techniques capables de donner en direct des résultats analytiques sur le terrain. Aussi, cet article se limite aux outils donnant une réponse « immédiate » sur site. De ce fait les techniques impliquant des prélèvements qui demandent une analyse au laboratoire différée (par exemple les échantillonneurs passifs) ou une phase d’interprétation des données (comme pour les méthodes géophysiques) sont exclues de cet article. L’intérêt de ces techniques est généralement de donner immédiatement une réponse et ainsi de pouvoir sélectionner les échantillons à prélever qui seront ultérieurement envoyés pour analyse dans un laboratoire, mais aussi de multiplier à moindre coûts le nombre d’analyses sur site et ainsi de pouvoir faire des traitements statistiques et/ou géostatistiques en vue d’obtenir par exemple des cartes de répartition de la pollution permettant une meilleure évaluation et donc gestion de cette dernière. Les attentes des utilisateurs vis-à-vis des appareils de mesures sont :

la simplicité d’utilisation,

la rapidité de la mesure,

un moindre cout par analyse,

le fait qu’il y ait peu ou pas de préparation des échantillons,

et que les résultats des mesures sur site soient cohérents avec les méthodes de référence (laboratoire).

2- Contextes - besoins

Dans ce chapitre, pour chaque milieu, sont repris les besoins en mesures in situ et le type de mesures recherchées. a- Sols-sédiments

Le fait que tout sol ou sédiment pollué ou non est, une fois excavé, considéré comme un déchet incite de plus en plus à développer et à utiliser des outils de mesures sur site permettant de déterminer les teneurs en polluants avant même d’avoir prélevé les échantillons de sol ou de sédiment. L’intérêt de ces appareils est multiple et leur utilisation est différente suivant l’état des connaissances que l’on peut avo ir sur un site. Même si la liste des polluants détectés n’est pas exhaustive, ces appareils permettent d’identifier de nombreuses familles de composés et éléments, leur gamme de concentrations/teneurs et l’étendue de la pollution. Ces premières informations peuvent ainsi permettre de mieux préparer une campagne de mesure ou/et de prélèvements plus ciblés. Dans ce cas l’information fournie par ces appareils est de nature qualitative voir semi-quantitative. Ces outils (dits « de criblage ») trouvent ainsi toute leur pertinence dans le cadre de diagnostics de sols sur des sites de grandes surfaces où des lacunes en études historiques ne permettent pas d’orienter les investigations plus poussées et plus couteuses vers les secteurs problématiques. Pour un site dont l’historique est bien documenté et/ou ayant déjà fait l’objet de mesures et d’analyses, il est possible d’utiliser ces appareils après les avoir calibrés avec les échantillons du site. Cette calibration spécifique au site permet des mesures plus précises que lorsque les mesures sont faites avec des modes de calibration standard « usine ». Dans ce cas l’information fournie par ces appareils est de nature semi-quantitative voire quantitative. Dans ces 2 cas, l’intérêt de ces appareils est, qu’en fonction du résultat obtenu en un point d’analyse, on peut adapter la taille de la maille de mesure. Au final, cela permet d’établir des cartes de répartition des polluants beaucoup plus précises. Enfin pour un site en cours de réhabilitation, ces appareils peuvent être utilisés durant le chantier pour le suivi des excavations et le tri de terres polluées. A partir des analyses faites avant la réhabilitation, il est possible de recalibrer l’appareil ce qui permet d’avoir des mesures semi-quantitatives à quantitatives. Un des objectifs des mesures sur site est d’être le plus près possible des teneurs totales des polluants inorganiques et organiques. En effet, si les techniques de laboratoires sont couramment utilisées et préférées aux mesures sur site, il n’en demeure pas moins qu’il existe de nombreux biais. Par exemple :

le dosage des éléments inorganiques est fait après la mise en solution des échantillons généralement obtenue par des attaques acides ou alcalines. En fonction de la solution de digestion utilisée, la dissolution sera plus ou moins complète. Ainsi, par exemple, les teneurs en éléments traces métalliques extraits par l'eau régale ER (mélange d’acide chlorhydrique et d’acide nitrique, NF ISO 11466, 1995) peuvent représenter entre 60 et 97% de la teneur obtenue par l'extraction avec l'acide fluorhydrique HF (NF ISO 14866-1, 2001) en fonction de l'élément considéré et/ou de la matrice (Tableau 1). Il convient donc de se renseigner sur la méthode de


minéralisation utilisée pour pouvoir comparer ces résultats à ceux des techniques directes qui donnent une mesure de la teneur totale en élément.

Tableau 1 : Comparaisons entre les deux méthodes (ER : Eau Régale et HF : acide FluoHydrique) de mise

en solution établies par Colinet [1]

Élément droites de régression r²

Al AlER = 0,40 AlHF 0,84

Fe FeER =0,98 FeHF 0,94

Mn MnER = 1,10 MnHF 0,92

Cu CuER = 0,89 CuHF 0,91

Zn ZnER = 0,93 ZnHF 0,97

Cr CrER =0,40 CrHF NS

Ni NiER = 0,69 NiHF 0,96

Pb PbER = 1,03 PbHF 1

Co CoER = 0,98 CoHF 0,88

le dosage des composés organiques nécessite une étape d’extraction. A noter que la phase d’extraction est différente entre les techniques de laboratoire et les techniques de terrain car les solvants utilisés ne sont pas toujours les mêmes. En laboratoire, les extraits obtenus sont purifiés et éventuellement concentrés avant d’être analysés. La multiplication des étapes peut entrainer une perte d’une partie des polluants de l’échantillon. De plus, certains composés organiques sont très volatils, le prélèvement puis la conservation, même dans de bonnes conditions, des échantillons peuvent poser des problèmes.

b- Eaux

Pour les eaux souterraines deux types de données peuvent être acquises par des mesures directes sur site. Ce sont soit des données chimiques, soit des données physiques qui permettent de qualifier l’hydrodynamique.

Des mesures chimiques de qualité : o Les enjeux des capteurs et outils pour de la mesure chimique sont en termes de sensibilité car il est

nécessaire que la gamme de détection soit dans la gamme d’intérêt pour la gestion des sites et sols pollués. La complexité des matrices rencontrées sur les SSP (eaux avec des pollutions métalliques et organiques, des conductivités très élevées ou des pH extrêmes…) est source d’interférences.

o Pour de la mesure en continu, l’enjeu repose sur la durabilité et la robustesse des outils. L’intérêt serait de disposer d’information en continu qui permette de mieux comprendre la dynamique du milieu souterrain. En effet, les mesures actuelles ne sont qu’une image figée de l’état de la nappe à un instant t. Ce dispositif pourrait être assorti d’un dispositif d’alerte.

Des données physiques permettant de qualifier l’hydrodynamique : o avec des capteurs de niveau qui permettent d’expliquer des remobilisations en Zone Non Saturée (ZNS),

des effets de dilution ou de concentration pour définir les sens d’écoulement (après établissement d’une carte piézométrique) et pour montrer des différences de charge entre nappes superposées.

o avec des capteurs de température et de conductivité qui permettent de tracer des éventuels mouvements d’eau et d’échange entre deux nappes ou entre des nappes et des rivières.

o avec des micro-moulinets (à hélice, thermique, voir aujourd’hui directionnel) qui permettent de mettre en évidence des mouvements verticaux et/ou horizontaux dans les nappes et/ou les piézomètres.

Ces outils trouvent leur intérêt dans le cadre de diagnostics de sites mais aussi dans celui de surveillances préventives et des suivis d’opérations de dépollution, alors plus efficaces et mieux dimensionnés.

c- Gaz du sol - Air ambiant

La mesure des polluants volatils dans les gaz du sol peut être réalisée dans le cadre de diagnostic visant à : 1) localiser une zone source de pollution en composés volatils ou de pollutions à l’origine d’émissions gazeuses ; 2) à évaluer les


risques d’intrusion de composés volatils de l’air du sol vers l’air intérieur des lieux de vie (cadre de l’Interprétation de l’Etat des Milieu) et 3) d’évaluer le potentiel de biodégradation des polluants du sous-sol et/ou le potentiel d’extraction des gaz du sol (dépollution par extraction forcée des gaz du sol). Ces mesures visent un polluant ou une famille de polluants donnés ou des sous-produits issus de la biodégradation de polluants (métabolites et/ou gaz issus du métabolisme bactérien). Les gammes de concentrations visées varient du % (air du sol très pollué, présence de phase organique) au ng/m

3 d’air (air intérieur). Il convient de noter que le milieu air

du sol est un milieu très dynamique et sensible aux fluctuations de pression-barométriques de l’atmosphère et à l’humidité induite par les précipitations. Les concentrations en composés volatils dans l’air du sol présentent de fait une grande variabilité spatiale et temporelle impliquant, selon les enjeux des diagnostics, la réalisation de plusieurs campagnes successives dans des états météorologiques contrastés si les mesures se veulent conclusives.

3- Ce qui existe et est déjà fonctionnel

Sont reprises ici des technologies largement validées. Le choix s’est effectué sur la base du recueil des pratiques actuelles des bureaux d’études.

a- Sols - sédiments

L’analyse des inorganiques

Spectroscopie Fluorescence X L’intérêt principal de cet appareil, du fait de sa miniaturisation et de sa facilité d’utilisation, est de pouvoir être utilisé sur le terrain pour apporter en temps réel une aide au diagnostic et une optimisation des campagnes d’échantillonnage. C’est notamment le cas pour les campagnes de type ASAP (Adaptive Sampling and Analysis Programs, [2]). Sur le terrain, le spectromètre de fluorescence X portable (pXRF) permet d’obtenir des données rapidement, d’améliorer la représentativité sur l’ensemble du terrain (multiplication des mesures) mais augmente l’incertitude analytique au niveau du point de mesure (préparation simplifiée de l’échantillon entraînant une moins bonne justesse de la mesure). Le pXRF peut être utilisé pour une approche exploratoire, pour cartographier un site et pour le tri et le suivi de chantier d’excavation de terres. Quelle que soit l’approche sélectionnée, il reste nécessaire qu’un pourcentage d’échantillons soit analysé par des méthodes classiques de laboratoire pour déterminer la justesse des mesures réalisées sur site (5 à 10% des échantillons analysés doivent être prélevés pour une analyse au laboratoire, les teneurs mesurées de ces échantillons doivent couvrir la gamme analytique mesurée. Si les échantillons présentent des matrices très différentes, il est nécessaire de faire des prélèvements distincts afin de pouvoir établir des droites de corrélation par matrice). L'intérêt d'utiliser ce type d’appareil portable n'est pas d'obtenir des mesures de terrain identiques à celles du laboratoire mais de pouvoir largement augmenter le nombre de mesures sur le terrain, à moindre coûts, et ainsi, de guider l'échantillonnage et d'améliorer la représentativité et la connaissance de l'état de pollution des sols. Il existe différents fournisseurs pour les pXRF (les XL3t de chez FondisBioritech, l’InnovX de chez Oxford, le Titan de chez Bruker…Figure 1). Ces appareils ont généralement des calibrations internes spécifiques à certaines matrices (sols, minerais, plastiques, alliages…) mais il est aussi possible de faire ses propres calibrations. La conception, le poids, la technologie de ces appareils sont assez semblables (détecteur, taille de la fenêtre de mesure, puissance du tube rayons-X…). Environ 25 éléments (métaux et métalloides) peuvent être analysés simultanément en quelques secondes (possibilité de modifier la liste des éléments). Les programmes et modes de fonctionnement de ces appareils permettent de cibler les mesures au type de matrice, aux gammes des teneurs et aux polluants recherchés. Il est généralement recommandé de prendre un temps de mesure supérieur à 15 voire 30 secondes. La gamme de détection va du mg/kg au %. Les limites de détection sont variables suivant les éléments et peuvent avec les nouveaux détecteurs être inférieures à 5 mg/kg. Il est possible de stocker jusqu’à 10 000 mesures. Ces appareils étant équipés de tubes à rayons X (rayonnement ionisant), il est nécessaire de faire une demande d’autorisation de détention auprès de l’Agence de la Sécurité Nucléaire (ASN). Tout organisme s’équipant de ce type d’appareil doit avoir dans son personnel, une Personne Compétente en Radioprotection (PCR).


XL3t (FondisBioritech) Innov-X alpha (Oxford) S1 Titan (Bruker)

Figure 1 : Modèles de pXRF

Suivant l'état du terrain (et la météorologie), les mesures peuvent être réalisées in situ ou sur site. Les analyses in situ ne nécessitent qu’une préparation minimale (Figure 1) :

la surface du sol doit être dégagée de la couche végétale ainsi que des cailloux et des roches,

la surface doit être plane de façon à assurer un bon contact entre la fenêtre de la source et le sol,

il ne doit pas y avoir d'eau stagnante sur le sol,

l'appareil est directement posé sur la surface du sol pour effectuer la mesure.

Figure 2 : Mode de mesure in situ (directe) sur le sol après avoir dégagé la couverture végétale

Les analyses sur site nécessitent un peu plus de préparation (Figure 3):

le sol est prélevé sous la couche végétale et séché à l'air,

le sol est homogénéisé manuellement et tamisé à 2 mm,

l'appareil est directement posé sur le tas de sol tamisé pour effectuer la mesure.


Figure 3 : Mode de mesure sur site après homogénéisation du prélèvement et tamisage à 2 mm (à gauche)

et analyse (à droite)

Sur site, le plus souvent, un mode intermédiaire est choisi :

le sol est prélevé sous la couche végétale,

le sol est homogénéisé, les cailloux, les roches et les racines sont ôtés manuellement (pas d’utilisation de tamis car le sol est encore humide),

l'appareil est directement posé sur le tas de sol pour effectuer la mesure.

Ces appareils coûtent 35 k€ en moyenne mais ce prix peut varier en fonction du nombre de mode de calibration et de certaines caractéristiques (détecteur…) des appareils. Certains fournisseurs louent ces appareils environ 1200 €/semaine et 4000 €/mois hors formation.

L’analyse des organiques

Kits d’analyses Les kits sont des tests rapides, facilement transportables sur le terrain et qui permettent de mesurer la pollution de façon semi-quantitative. Ce sont souvent des mallettes contenant les récipients, les réactifs et tout le matériel nécessaire à l’analyse. La simplicité d’utilisation et la rapidité en font des méthodes utiles et efficaces. Les kits utilisent en particulier deux procédés :

La colorimétrie : Dans un premier temps, il y a extraction de l’analyte recherché dans une matrice sol ou eau par un solvant adapté. Dans un second temps, un réactif spécifique à l’analyte est ajouté à ce dernier. En présence du polluant visé, on observe un changement de couleur d’un catalyseur précédemment introduit qui peut être interprété (corrélation intensité colorimétrique / teneurs) visuellement avec un jeu de chartes standards, ou instrumentalement par spectrophotométrie. Citons par exemple la mallette PETROFLAG (hydrocarbures HCT de 10 à 2000 mg/kg), Hanby test kit (HCT de 10 à 1000 mg/kg) ou encore RemediAid de chez Chemetrics (HCT de 0 à 1000 mg/kg). Le kit pour les PCB CLOR-N-SOIL permet en moins de 10 minutes d’obtenir des mesures semi-quantitatives (> 50 mg/kg).

Le dosage immunologique : Un dosage immunologique utilise des anticorps fixés sur un support solide, spécifiques à un analyte, pour lier et enlever sélectivement l’analyte recherché d’une matrice d’échantillons complexes. Pour initier le dosage immunologique, l’échantillon contenant l’analyte à doser et un réactif contenant une enzyme conjuguée sont mélangés avec des anticorps. L’enzyme conjuguée et l’analyte se lient compétitivement aux anticorps. Les échantillons contenant le plus d’analytes occuperont plus de sites de réception des anticorps que les enzymes conjuguées. Après incubation, les analytes de l’échantillon et les enzymes conjuguées non liées sont ôtés du récipient et des indicateurs colorés sont ajoutés. La teneur en analyte dans l’échantillon est déterminée, soit en comparant visuellement l’intensité du développement de couleur avec ceux de standards, soit par un spectrophotomètre. Citons par exemple EnSys Petro Test System (pour HCT de 10 à 1000 mg/kg), PCB immunoassay kit (analyses semi-quantitatives, 1 et 10 mg/kg), les


tests ELISA (acronyme d’Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay) pour les HAP [3] et les PCB [4]. Le kit Elisa-Viditest PAH permet de détecter facilement et rapidement les HAP dans les échantillons environnementaux (eau, sols, sédiments…) à un seuil de 10 μg/litre. Le PCB RaPID Assays

® permet une analyse semi-quantitative entre 0,5 et 10

mg/kg. Les avantages des kits sont leur faible coût, la rapidité et une bonne sensibilité. Par contre, la précision des résultats est moyenne et il y a des interférences. Les méthodes immuno-enzymatiques sont par ailleurs sensibles à la température. La méthode est le plus souvent semi-quantitative et est généralement spécifique à une famille de polluants. Ces techniques sont parfois utilisées dans le cadre de diagnostics de sol et plus fréquemment lors d’opérations de tri de terres polluées dans le cadre de chantiers de dépollution par excavation.

Les méthodes par spectrométrie

La spectrofluorimétrie UV (UVF) : La société Secomam a conçu en partenariat avec TOTAL et l’Ecole des Mines d’Alès une méthode simple, rapide, précise et portable pour quantifier les HAP sur le terrain. Basée sur l’analyse spectrophotométrie UV d’un extrait organique de sol. Les HAP sont extraits par du méthanol et la quantification de la somme des 16 HAP de l’US-EPA est faite avec un spectromètre UV à 254 nm. L’analyseur utilisé est le PASTEL UV, il est facilement transportable dans une mallette qui contient en plus de l’analyseur UV, tout le matériel nécessaire à la préparation des échantillons ainsi que les réactifs nécessaire à l’extraction des HAP (Figure 4). La gamme de mesure est comprise entre 20 et 2 000 mg/kg. La mesure est estimée en 20 minutes et la mallette contient tout le matériel nécessaire pour la réalisation de 20 tests. Le coût de l’appareil est de 6700 €.

Figure 4 : Analyseur Pastel UV – SECOMAM [5]

Il existe d’autres appareils utilisant la même technique (UFV) comme le UFV-3100 du laboratoire SiteLab.

La spectrométrie IR : Des spectrométres Infra Rouge (IR) portables ont été développés pour pouvoir analyser les TOG (Total Oil and Grease) et les TPH (Total Petroleum Hydrocarbon). L’analyse des molécules organiques dans les sols nécessite une étape d’extraction qui suivant les solvants utilisés doit être suivie d’une étape d’évaporation avant l’analyse par IR. L’analyse se fait en 10 à 15 min et la gamme analytique est comprise entre 1 à 5 000 mg/kg suivant la méthode utilisée (analyse par transmission ou réflexion). Il existe différents appareils comme l’InfraCal TOG/TPH analyzer de chez Wilks Enterprise ou l’OCMA de chez Horiba Instruments. Certains de ces appareils ont été testés dans le cadre des programmes de vérification mis en place par l’Agence de Protection de l’Environnement des Etats-Unis (US EPA). Les résultats obtenus (Tableau 2) montrent que la technique UV donne des résultats tout à fait encourageants pas rapport à d’autres comme la spectrométrie IR, les méthodes colorimétriques, le dosage immunologique, les kits analytiques… Tableau 2 : Comparaison de différentes méthodes de mesure sur site (SiteLAB: http://www.site-lab.com/epa_performance.htm)

http://www.site-lab.com/epa_performance.htm

http://www.site-lab.com/epa_performance.htm


Les méthodes par chromatographie en phase gazeuse (CG) La chromatographie en phase gazeuse nécessite une extraction par des solvants puis un passage en phase gaz avant le dosage par GC, toutes ces étapes pouvant être réalisées sur le terrain. La chromatographie en phase gazeuse peut être couplée à différents détecteurs comme les détecteurs à ionisation de flamme (FID), à photo-ionisation (PID) ou à la spectrométrie de masse (MS). Avec certains détecteurs les coûts analytiques sont plus faibles (GC/PID ou GC/FID) mais les limites de détection sont plus basses avec la GC/MS (de l’ordre du ng/kg contrairement aux autres détecteurs PID et FID 10 à 100 µg/kg). Ces méthodes nécessitent une certaine technicité de la part de l’utilisateur, en particulier pour l’étape d’extraction. La calibration est assez longue et il existe de nombreuses interférences (humidité des sols…). Même si les résultats sont immédiats, ils sont semi-quantitatifs.

b- Eaux

Mesures chimiques

Les sondes Des sondes in situ existent et sont qualifiées pour certains composés ou familles de composés (Nitrates et HAP). Ces sondes reposent sur un principe physique : l’absorption dans l’UV-visible ou la fluorescence UV. Il existe 2 principaux types de mesures pour ces paramètres :

1) la mesure à une ou plusieurs longueurs d’onde prédéterminées (notamment pour compenser la turbidité ou la présence desmatières organiques),

2) la mesure sur l’ensemble du spectre UV-visible. Une déconvolution du signal ou un modèle de régression

multilinéaire permet ensuite de déterminer les concentrations des différentes espèces après étalonnage avec des échantillons analysés au laboratoire.

Cela demande un travail d’interprétation des résultats, et peut être utilisé qualitativement en alerte. Des électrodes spécifiques existent par exemple pour les nitrates, l’ammonium et les chlorures. Ces mesures in situ de ces composés qui peuvent être des traceurs de pollution permettent ainsi de délimiter des panaches. Certains fabricants proposent des sondes intégrant 2 à 4 électrodes sélectives afin de corriger les interférences potentielles


(potassium pour l’ammonium et chlorures pour les nitrates). A noter qu’aucune sonde n’existe pour les composés phosphorés. (Aquaref [6]).

Quels capteurs pour quelles analyses ? Les capteurs sont conçus pour un ou plusieurs analytes cibles. Le capteur les distingue des autres composés présents, détermine la concentration de l’analyte et envoie un signal mesurable à l’utilisateur. Les capteurs font appel à différentes technologies pour quantifier la teneur des polluants :

Voltampérométrie : Une méthode voltampérométrique de dosage consiste à appliquer une différence de potentiel variable entre une électrode de référence (ex : Ag/AgCl) et une électrode indicatrice au contact de laquelle va se produire une réaction de

type Ox + n e- Red (ou l’inverse). En réalisant un balayage sous tension, croissante ou décroissante, sur une plage où on attend la réduction ou l’oxydation de l’analyte recherché, on obtient une courbe intensité-potentiel, I = f (E), ou voltampérogramme, qui va permettre d’identifier les espèces concernées et de calculer leurs concentrations. Dans le cas des métaux (Cu, Cd, Pb, Zn, Mn, Fe), il existe une seule sonde de mesure in situ des métaux : la sonde VIP d’Idronaut. Le principe de mesure utilisé est la voltampérométrie anodique cyclique à impulsions carrées surimposées. Les limites de détection atteintes sont très faibles, de l’ordre de quelques ng/L.

Résistances chimiques : Cette technologie est basée sur une résistance sensible chimiquement qui contient un film de polymère déposé sur un microcircuit. Lorsque les vapeurs des polluants chimiques entrent en contact avec le polymère, celui-ci gonfle et la résistance change envoyant un signal électrique mesurable. Chaque capteur est constitué de plusieurs de ces résistances chimiques avec différents polymères et une analyse mathématique du signal de chaque résistance est utilisée pour déterminer la concentration de chaque composé de l’échantillon. Comme les mesures sont faites dans la phase gazeuse, la concentration obtenue doit être convertie en concentration en phase aqueuse en utilisant la loi de Henry. Cette technologie ne s’adresse qu’aux composés organiques volatils.

Capteurs à onde acoustique de surface (SAWS) : Le capteur SAW est constitué d’un capteur d’entrée, d’un film polymère adsorbant et d’un capteur de sortie sur un substrat piézoélectrique (quartz). Le capteur d’entrée lance une onde acoustique qui traverse le film chimique et est détecté par le capteur en sortie. Le polymère adsorbe les produits chimiques (les polymères ayant différentes affinités pour différents produits chimiques) ce qui fait augmenter sa masse. Cela crée un changement de phase du signal acoustique par rapport à la référence (4

ème canal).

L’appareil SAW contient aussi 3 micro-plaquettes ASIC (Application Specific Integrated Circuit) qui analyse le signal et fournit un voltage proportionnel à la variation de phase du signal acoustique. Les SAWS sont des capteurs miniatures utilisés pour détecter les COV. Ainsi, les capteurs SAWS sont capables de distinguer les organophosphates, les hydrocarbures chlorés, les cétones, les alcools, les hydrocarbures aromatiques et aliphatiques et l’eau.

Colorimétrie de terrain Des kits colorimétriques permettent la mesure semi-quantitative de certains paramètres (nitrates, nitrites, ammonium, sulfate, sulfures, fer total et fer II) par l’ajout de réactif qui engendre un changement de couleur dont l’intensité est rel iée à la concentration. L’intensité du signal est mesurée grâce à un spectrophotomètre de terrain. Chaque kit, spécifique à un composé, est valable pour une gamme de concentration donnée. Ces mesures semblent peu sensibles notamment du fait de nombreuses interférences. Néanmoins sur certains sites, les corrélations entre mesures de laboratoire et de terrain sont relativement bonnes. Ce type d’outil s’applique pertinemment aux phases préliminaires de diagnostics, au suivi de panache dans le cadre de démonstration et suivi de l’atténuation naturelle. Enfin, ces outils permettent de contrôler l’efficacité d’une méthode de remédiation. Il existe aussi des kits pour les métaux. La plupart des kits de terrain utilisent des abaques de couleurs pour évaluer les concentrations des polluants. Dans le cas de la détermination des concentrations en As dans l’eau, un appareil de terrain l’Arsenator® Digital Arsenic Test Kit donne directement la concentration en As dans l’eau. Les résultats de cet


appareil sont corrélés (r² > 0,8) à ceux des techniques de laboratoire [7]. L’appareil a une gamme de linéarité entre 0 et 100 μg/L, avec une précision de ± 20% pour une concentration de 50 μg/L et la limite de détection est 4,4 μg/L.

Les tests immunologiques Cette méthode a été présentée dans le chapitre sur les sols et les sédiments. Dans le cadre du programme de travail d’AQUAREF [8], les tests ELISA ont été testés sur différents types d’eaux souterraines et d’eaux de surface. Ce travail s’est attaché à faire l’état de l’art de l’utilisation de ces outils, leurs avantages et inconvénients ainsi que sur leur utilisation possible dans les programmes de monitoring et les développements et études encore nécessaires. Les conclusions de ce rapport sont que : « Sur ce genre d’applications, l’utilisation des kits ELISA permet de traiter rapidement un grand nombre d’information, afin de mettre en évidence, des tendances, des évènements, non compatibles avec les outils classiques en termes de moyens humains et financiers. L’utilisation de telles chroniques, bien qu’imprécise, peut permettre de mieux dimensionner un suivi, de caractériser un site d’intérêt afin de déterminer les périodes d’échantillonnage d’intérêt ou dans certains cas le mode de fonctionnement d’un système hydrologique. L’utilisation des kits ELISA peut présenter un avantage financier certain, seulement dans la mesure où le nombre de molécules à suivre est limité : les kits étant spécifiques d’une molécule ou d’une famille de molécules, le suivi de plusieurs substances entraine rapidement une augmentation de cout qui rend les analyses classiques tout à fait concurrentielles ! »

Mesures physiques

Sonde de pression Les sondes de pression (prix minimum autour de 500 €) permettent un enregistrement en continu du niveau de la nappe. Leur utilisation sur des sites présentant une forte variabilité du niveau de la nappe naturelle ou anthropique (zones de pompage à proximité intermittentes), permet 1) de préciser (au sein d’un cycle hydrogéologique) le moment opportun des prélèvements pour mesurer la qualité de la nappe et 2) d’environner les mesures pour une meilleure interprétation des résultats. Des sondes positionnées sur plusieurs nappes superposées permettent de définir les échanges potentiels entre ces dernières. Le choix des types de sonde dépend des profondeurs d’installation et de la précision recherchée. Les sondes fonctionnent par l’enregistrement des données selon un pas de temps prédéfini (selon la durée d’acquisition, la réactivité de la nappe, la durée des évènements à mesurer, la capacité mémoire de la sonde, etc.). Ces données peuvent être soit enregistrées (puis déchargées après retrait de la sonde), soit télétransmises. Il existe aussi des sondes de pression couplées à une sonde de température et/ou de conductivité électrique (prix autour de 1700 €). Ces dispositifs permettent de coupler le suivi du niveau de la nappe et de la minéralisation de l’eau au point de mesure ; il est ainsi possible de détecter des variations de la conductivité, indépendamment ou non des fluctuations des niveaux d’eau, et de diagnostiquer l’occurrence d’évènements polluants (Cf. paragraphe ci-dessous).

Mesures de vitesses Des appareils permettent de localiser les flux entrant et sortant d’un forage. La mesure peut se faire en statique (mesure des mouvements d’eau ou AVF (« Ambient Vertical Flow ») ou en dynamique (sous pompage ou injection d’eau en tête d’ouvrage). Des anomalies des vitesses de courant enregistrées donnent, sur la verticale des longueurs crépinées, des indications sur les zones fracturées perméables dans la roche et sur les zones les plus productives (on y associe souvent la mesure de la température). Cela permet de mieux comprendre l’aquifère et donc de choisir les points de prélèvement de façon plus fine notamment en cas de polluant dit plongeant. On distingue 2 types d’appareil utilisés de manière assez classique :

Les micro-moulinets classiques à hélice. L’estimation de la vitesse de flux ainsi que sa direction est déduite à partir de la vitesse de rotation des pales de l’instrument. Ils ne permettent de détecter que des vitesses assez élevées (<1 m/min) (BRGM, 1971). On trouve de type de matériel autour de 4000€.

Des appareils thermiques apparus plus récemment permettent de mesurer de faibles débits (entre 0,1 et 3 m/min). Ce type d’appareil enregistre des pulses de chaleur émis par la sonde, qui sont ensuite enregistrés par


deux capteurs de température, ce qui permet le calcul des vitesses de flux et des débits ; les vitesses de l’eau sont mis en relation avec les vitesses de dispersion thermiques. Ces appareils sont plus couteux (15 à 20 k€).

Mesures physico-chimiques La réalisation de profils verticaux (« logging ») des paramètres physico-chimiques dans un forage, avant et après purge, permet de qualifier l’homogénéité ou l’hétérogénéité de la qualité des eaux sur sa hauteur investiguées et de mettre en évidence des mouvements verticaux en forage pendant le prélèvement. La mise en évidence de mouvements verticaux peut ensuite justifier la réalisation de mesures de vitesses au sein du forage (Cf. paragraphe précédent). Les mesures d’oxygène dissous, du pH et du potentiel redox sont importantes pour connaitre l’état physico chimique de la nappe dont dépend par exemple la spéciation des métaux et métalloïdes. Ces paramètres permettent par ailleurs de diagnostiquer et suivre l’atténuation naturelle d’un panache ou de suivre l’évolution de la nappe lors d’une opération de remédiation. . La mesure de la température permet de préciser les relations nappes / eaux de surface et de mettre en évidence des zones anomaliques souvent associées à l’existence de réactions chimiques ou biochimiques exothermiques. La mesure de la conductivité électrique fournit une indication d’environnements pollués par des composés organiques ou inorganiques hydrolysables et ioniques (dont les acides organiques marquant la conductivité dans le cadre de la biodégradation). Elle offre aussi la possibilité, lorsqu’elle est couplée avec la mesure de température, de préciser les relations nappe / eaux de surface. Les sondes in situ disponibles dans le commerce sont des sondes immergeables vendues, soit seules soit avec un boitier transmetteur (poste fixe) pouvant accueillir une ou plusieurs sondes (les prix sont compris entre 4 et 10 k€ se lon le nombre de capteurs implémentés, leur précision et selon les caractéristiques des appareils (longueur de câble, diamètre, …). Plusieurs fabricants proposent des sondes multiparamètres. La liste des paramètres est variable selon le fabricant et les options choisies. Les sondes multiparamètres peuvent être utilisées pour réaliser des mesures ponctuelles sur site, des profils en profondeur, ou encore pour du suivi en continu de manière autonome ou non. Pour le suivi en continu, un paramètre comme la conductivité électrique est assez stable et exploitable, par contre les électrodes spécifiques présentent une dérive importante dans le temps. Le changement de capteur se fait assez facilement sur site (système « plug and play ») et les étalonnages peuvent aussi être réalisés sur site. Un panel des outils existant est fourni dans le rapport de Guiges et al. [6] pour le compte d’Aquaref. Pour les paramètres physico-chimiques suivant tels que pH, Eh, conductivité, température les caractéristiques et performances des sondes sont assez proches et bien établies. Pour l’oxygène dissous 2 technologies sont principalement disponibles : les sondes à membranes et les sondes optiques. Ces dernières apparues plus récemment sur le marché sont plus faciles d’entretien, leur précision est un peu plus faible mais suffisante pour une application en surveillance de sites et sols pollués.


Il existe une vaste gamme de détecteur ou kits d’analyses permettant soit d’identifier l’occurrence d’un composé volatil dans les gaz du sol et/ou de le quantifier de façon quantitative ou semi quantitative (fourchette de concentrations). Le dispositif de mesure des gaz du sol comprend :

1) Une sonde filtrante permettant de faire le lien entre la surface et l’air du sol à profondeur voulue (piézairs,

pointes battues à pointes perdues, cannes Draeger, etc.), 2) Un ensemble de capillaires, associés à des filtres (humidité, particules, etc.) reliés à une pompe en aspiration

de faible débit (quelques litres / min), 3) En aval de la pompe, le dispositif de mesure.

Des mesures sur site peuvent également être directement réalisées à l’aide de détecteurs ou d’analyseurs portables afin de mesurer les émissions de composés volatils depuis des échantillons de sols (par exemple en émiettant du sol dans un sachet étanche puis en analysant l’air du sachet).


Détecteurs à cellules électrochimiques : La détection se base sur des réactions d'oxydo-réduction sur une interface solide-liquide sur laquelle réagit le gaz dont les molécules spécifiques s'adsorbent sur la surface d'un catalyseur et réagissent avec les ions d'une solution spécifique à la molécule recherchée. Une cellule est nécessaire par molécule spécifique. Certains détecteurs peuvent être équipés de plusieurs cellules permettant ainsi la détection de plusieurs molécules. C’est notamment le cas des détecteurs utilisés pour le suivi des biogaz de décharge (CO, CO2, H2S, CH4, O2, etc.) comme le GA5000 de chez Geotech (analyse 3 à 5 gaz). D’autres détecteurs de gaz peuvent être équipés à la demande de cellules de détection spécifiques à certains composés, comme le GasAlertMicro 5 ou le MultiRAE pour lequel des cellules spécifiques existent pour CO, CO2, O2, SO2, PH3, NH3, NO2, HCN, Cl2, ClO2, O3. Ces cellules spécifiques offrent des gammes de mesures variées avec des résolutions comprises entre 0,1 et 1 ppm. Ces appareils sont disponibles à des tarifs généralement compris entre 1 000 et 3 000 € en fonction du nombre et de la nature des gaz analysables.

Les PID (PhotoIonisation Detector) Les PID permettant la mesure de la concentration globale en composés organiques photoionisables. Ces détecteurs font passer un flux d’air dans une chambre d'ionisation équipée d'une lampe ultra-violet et de 2 électrodes soumises à une forte différence de potentiel. Plusieurs puissances de lampes sont disponibles (9,8 ; 10,6 et 11,7 eV) en fonction des potentiels d’ionisation des composés que l’on souhaite identifier. Ces détecteurs sont les plus couramment utilisés pour la détection de COV dans les gaz du sol ou l’air ambiant. Cependant, ces détecteurs fournissent uniquement des résultats semi-quantitatifs pour l’ensemble des COV ionisables. Si un seul composé est présent dans les gaz analysés, il peut être appliqué des facteurs de correction (propres à chaque molécule) afin d’avoir des résultats plus précis. Si au contraire, le gaz analysé est un mélange de plusieurs composés, les résultats ne peuvent plus être exploités en semi-quantitatif mais fournissent plutôt un indice général. Ces appareils couvrant des gammes de concentration allant de 1 ppm jusqu’à plusieurs milliers de ppm sont disponibles à des tarifs généralement compris entre 2 000 et 4 000 €.

Les FID (Flame Ionisation Detector) Les FID permettent la mesure de la concentration globale en composés organiques ionisables par flamme. Comme les PID, les détecteurs FID fournissent des concentrations en composés organiques totaux et ne sont pas spécifiques à des molécules. Ces appareils couvrant des gammes de concentration allant de 1 ppm jusqu’à plusieurs milliers de ppm sont disponibles à des tarifs généralement compris entre 4 000 et 6 000 €.

Les détecteurs Infra-rouge Les détecteurs infrarouges permettent la mesure de la concentration en CO2, ou la limite inférieure d’explosivité (LIE). La détection est basée sur l'interaction entre un rayonnement électromagnétique infrarouge et un gaz dont les molécules absorbent de l'énergie à une longueur d'onde dépendant de leurs énergies de vibration. L'atténuation d'énergie du rayonnement infrarouge est mesurée par le détecteur et est fonction de la concentration de la molécule présente sur le trajet du rayonnement. Ces appareils couvrant des gammes de concentration allant de 1 ppm jusqu’à plusieurs milliers de mg/kg sont généralement disponibles à partir de 500 €.

Tubes colorimétriques Enfin, les techniques semi quantitatives fonctionnant sur le principe de la réaction colorimétrique, dérivées du suivi hygiène sécurité environnement en milieu industriel, sont également utilisés. Ces tubes sont constitués d’un réactif chimique absorbé sur un support inerte. Ces réactifs spécifiques des gaz à détecter se colorient sur une étendue plus ou moins grande en fonction des gammes de concentration du gaz. Les tubes de la société Draëger sont les plus employés et sont utilisés avec une pompe manuelle permettant de faire passer le volume d’air souhaité dans le tube. Il existe plus de 200 types de tubes permettant de mesurer des concentrations en gaz (pour un même gaz il peut y avoir plusieurs tubes pour analyser des gammes de concentrations différentes). Ces tubes couvrant des gammes de concentration allant de 0,1 ppm jusqu’à plusieurs milliers de ppm (en fonction des types de tubes) peuvent être disponibles à partir de 50 €.les 10 tubes, et les pompes de prélèvement à partir de 300€.


Analyseurs de mercure Plusieurs analyseurs de mercure Hg° gazeux sont disponibles. Parmi ce matériel (Figure 5), il peut être différencié :

les analyseurs avec amalgamation du mercure sur un filtre d’or, puis analyse selon le principe de la fluorescence atomique (Tekran 2537A) ou de spectrométrie d’absorption atomique (MERCURY INSTRUMENTS UT3000) ou bien converti en résistance électrique (J405),

les analyseurs du mercure gazeux selon le principe de l’absorption atomique à effet Zeeman (LUMEX RA915+ / LUMEX RA915AM).

Ces analyseurs permettent la détection de mercure à de très faibles niveaux de concentration (limites de détection comprises entre 0,1 et 2 ng/m

3). Le LUMEX RA915+ présente l’avantage de fonctionner sur batterie ce qui lui permet

d’être très mobile sur le terrain.

Figure 5 : Analyseurs de mercure : à gauche le Lumex RA915+ (OhioLumex Co) et à droite le Jérome J405 (Arizona Instrument LLC).

d- Techniques de séparation (toutes matrices confondues)

Techniques « Direct Push » in situ Il s’agit d’une famille de technique qui consiste à enfoncer dans le sol, par action mécanique (battage, vibration, pression), une sonde au moyen de laquelle il est possible de mesurer, en temps réel et avec lecture directe à l’avancement, des paramètres physiques et chimiques caractérisant le sol. Les ateliers de mesure Direct Push permettent par ailleurs d’acquérir des carottes de sols meubles pour une caractérisation sur site associée ou ultérieure au laboratoire. Enfin, ces trous de sondage peuvent être équipés en tube filtrant pour la caractérisation des eaux souterraines (piézomètre) et/ou des gaz du sol (piézair). Ces techniques non sélectives fournissent un signal correspondant à un état de pollution des sols, des eaux du sol et/ou des gaz du sol. Les profondeurs moyennes d’investigation sont de 6 à 35 m. Les techniques les plus utilisées sont la MIP (« Membrane Interface Probe »), le LIF (« Laser Induced Fluorescence ») et l’XRF (« X-Ray Fluorescence »). Les deux premières techniques s’appliquent aux polluants organiques et consistent à échauffer respectivement par chauffage conductif (~100 -120 °C) ou par laser, le sol in situ au contact de la sonde. Les gaz générés (MIP) et la fluorescence obtenue (LIF) sont mesurés sur site par des détecteurs spécifiques. La MIP (société Geoprobe) s’applique aux BTEX, hydrocarbures (essences et coupes pétrolières légères) et aux COHV. Le LIF (ROST de la société Fugro, UVOST et TarGOST de la société Dakota Technologies) s’applique aux hydrocarbures pétroliers, aux BTEX et aux HAP. Les sondes MIP mesurent par ailleurs : 1) les vitesses à l’avancement (informant sur la compacité et la résistance des sols traversés) ; 2) la température in situ et 3) la conductivité électrique des sols (renseignant sur le % en argiles des terrains traversés et/ou l’occurrence de minéralisation anormales des terrains). Les principes de fonctionnement des sondes LIF et MIP sont illustrés sur la Figure 6.


Figure 6 : Principe de fonctionnement des sondes LIF (à gauche) et MIP (à droite) [9]

Le XRF fonctionne et trouve son champ d’application comme les analyseurs portables décrits ci-avant pour la mesure des teneurs en métaux, métalloïdes et de certains éléments majeurs. Ces techniques sont mises en œuvre en routine en France et en Europe depuis plus de 10 ans. Les coûts associés sont propres à chaque site, selon les profondeurs, nombres des sondages à réaliser. Dans le cas de sites à enjeux de grande dimension, des sondages pilotes sont à exécuter au préalable afin de juger des possibilités et difficultés à l’avancement et d’optimiser techniquement et financièrement l’opération. En effet, ces techniques se limitent aux sols meubles autorisant l’avancement de la sonde vers la profondeur.

La chromatographie La chromatographie est une méthode de séparation qui sert à identifier et quantifier des composés présents au sein de matrices environnementales. La chromatographie en phase gazeuse est une méthode largement reconnue comme outil analytique pour la caractérisation des sites grâce à sa capacité à séparer, détecter, identifier et quantifier des analytes cibles dans un mélange complexe. Cette technique convient pour les analytes organiques thermiquement stables. Différents détecteurs sont disponibles selon les composés que l’on veut détecter. Plus communément, ces sont les détecteurs à photoionisation (PID) pour les composés aromatiques (BTEX), à ionisation de flamme (FID) pour les hydrocarbures aliphatiques (méthane, butane), à capture d’électron (ECD) pour les composés chlorés (TCE, PCE), ou à onde acoustique de surface (SAW) pour les PCB ou les COV. On peut aussi coupler la CPG à un détecteur de masse (CPG-SM) afin d’obtenir le spectre de fragmentation de chacun des composés élués, ce qui conduit à une plus grande exactitude des résultats. Des détecteurs DELCD (Dry Electrolytic Conductivity Detector) sont également parfois intégrés pour les composés chlorés ou bromés. L’utilisation de CPG portable tend à se développer (CPG portable Modèle 4100 avec détecteur SAW (Surface Acoustic Wave), CPG Portable - Sentex Systems, Inc. Scentograph Plus II, GC/MS portable (EM640TM), etc.).

4- Exemple d’outils récents qui sont prometteurs

a- Sols - sédiments


L’analyse des inorganiques :

Les méthodes spectrométriques LIBS

(« laser-induced breakdown spectroscopy » ou spectroscopie d'émission optique de plasma créé par laser). Il s'agit d'une technique d'analyse chimique élémentaire entièrement optique, rapide et ne nécessitant aucun contact (Figure 7). L'analyse consiste à focaliser une impulsion laser à la surface d'un échantillon. La densité surfacique de puissance (éclairement) très élevée conduit à la fusion, puis à la vaporisation et à l'ionisation de la matière. L'ablation laser est suivie par la formation d'un plasma constitué d'électrons libres, d'atomes et d'ions excités. Ce plasma se refroidit au cours du temps et les atomes et les ions émettent en se désexcitant des photons dont la longueur d'onde est caractéristique de l'élément chimique. La lumière émise par le plasma est alors collectée et analysée par un spectromètre. Les raies d'émission détectées permettent d'identifier les éléments présents dans l'échantillon (analyse semi-qualitative). Comme pour les analyses par fluorescence X, la préparation des échantillons (séchage, tamisage, pastillage) permet de diminuer les interférences dues à l’état de l’échantillon (hétérogénéité, granulométrie…) en améliorant la quantification des éléments. Par contre, contrairement à la fluorescence X, cette méthode ne nécessite pas de déclaration auprès de l’ASN. Cette technique a été testée dans le cadre de plusieurs projets de recherche (Projet CALIPSO 2011-2012 [10]) et reste encore confidentielle dans le milieu des sites et sols pollués.

Figure 7 : Instrument EasyLIBS d’IVEA testé dans le cadre du projet CALIPSO (à gauche) et Idealibs de chez

Bertin Technologies (à droite).

Technologies Direct-Push Si la technique Direct-Push est utilisée en routine en Europe et aux USA dans le cadre de diagnostics visant les composés organiques, de récents développements cherchent à étendre le champ d’application de cette technologie à d’autres composés. Ainsi la technique a fait l’objet d’essais de développements et de mise en œuvre pilote (site d’Oak Ridge, USA) pour la détection in-situ de mercure élémentaire Hg° en phase libre [11].

L’analyse des composés organiques

Les méthodes IR

(InfraRouge) peuvent être utilisées pour la détection des polluants organiques. Récemment la société Ziltek en collaboration avec le CSIRO a développé une application sur un spectrométre IR portable de type Exoscan (Figure 8). Cet appareil et son application pour la détection des HCT sont commercialisés sous le nom de RemScan. Des tests de validation par l’EPA sous actuellement cours. Une application pour les HAP est en cours de développement.


Figure 8 : Utilisation d’un spectrométre IR (Exoscan) sur le terrain.

La calibration permet la quantification des HCT (C10 à C36). La mesure se fait directement sur l’échantillon en 20 secondes. Les interférences peuvent être dues à la matrice (matière organique, carbonates...) et l’humidité des sols au-delà de 5% peut aussi poser des problèmes. D’après les résultats obtenus (figure ci-dessous), les résultats de terrain sont corrélés aux analyses de laboratoire. Pour des concentrations entre 2500 et 10000 mg HCT /kg, l’erreur est de 7 à 6% alors que pour des concentrations de 1000 mg/kg, l’erreur est de 16%. A noter, que ces tests ont été faits en Australie sur des sols arides très altérés (Figure 9). Il est donc important de vérifier les résultats de cette application sur des sols plus organiques.

Figure 9 : Corrélation entre les analyses faites avec le RemScan et le laboratoire [12]

b- Eaux

Mesures chimiques

Biocapteur D’après Michel [13], « un biocapteur est un outil analytique composé d’un biorécepteur responsable de la reconnaissance spécifique de la molécule à doser et d’un transducteur qui va transformer le phénomène biologique en signal quantifiable. Le couple biorécepteur/transducteur est choisi en fonction de la molécule à doser, de la réaction biologique, du milieu dans lequel le biocapteur sera amené à être utilisé… Le biorécepteur peut être une enzyme, une protéine non-enzymatique, de l’ADN, des anticorps, des cellules (bactéries, algues…) génétiquement modifiées ou non. Le capteur peut être quant à lui optique, électrochimique, thermique, piézoélectrique…. En fonction du biorécepteur, le biocapteur sera plus ou moins spécifique. En effet, des biocapteurs enzymatiques ou immunologiques, faisant


respectivement intervenir une enzyme ou un anticorps, sont par exemple plus spécifiques que des biocapteurs microbiens. ». Un état des lieux a été dressé sur le développement des biocapteurs dans le domaine de l’environnement [13], il en ressort que : « …le nombre de biocapteurs commercialisés est faible. Ceci peut s’expliquer notamment pas le fait que (i) les milieux à analyser sont très divers d’un point de vue physico-chimique ce qui gêne potentiellement la mesure (interférents nombreux et changeant d’un site à l’autre), et (ii) le suivi de la qualité des milieux se fait traditionnellement en laboratoire. Il est intéressant de noter qu’a priori, en environnement, les biocapteurs commercialisés ou en cours d’étude concernent l’analyse de polluant en milieu aqueux (eaux souterraines, eaux usées, eaux de surface…) ; peu/pas de travaux ont été réalisés sur les sols. »

Mesures des POC (Purgeable Organic Compound) La méthode consiste à échantillonner les eaux de manière classique puis, sur site, à faire buller par un gaz neutre, un volume donné d’échantillon pour en extraire les fractions volatiles, collectées et acheminées vers des détecteurs (FID, PID, etc.) et/ou un chromatographe en phase gazeuse. Le ratio entre les masses extraites par bullage et le volume d’eau soumis au bullage permet d’approcher les concentrations en POC initialement présentes dans les eaux.

Mesures physiques et physico chimiques

Mesures de vitesse La société PHREALOG GmbH (Allemagne) [14] a mis au point un système diagraphique (Groundwater-Flow-Visualization-System) au bout duquel a été implanté une caméra orientable permettant de suivre la trajectoire de particules en suspension ; la caméra sélectionne les particules transitant par le diamètre du forage. Le dispositif calcule ensuite les vitesses des particules et restitue la vitesse locale de l’eau au point de mesure. Ce dispositif permet d’approcher la stratification verticale des vitesses et direction d’écoulement sur la verticale ce que ne permettent pas les autres systèmes de mesure de vitesse (micromoulinet à hélice ou système thermique).


Analyseurs thermo-hygrométrique La mesure de la température et de l’humidité relative des gaz du sol ou de l’air ambiant préalable à un prélèvement permet d’évaluer les risques de condensation et de saturation en humidité des supports de prélèvement souvent hydrophiles. L’évolution des pratiques de prélèvement devrait conduire à réaliser des mesures plus fréquemment lors des prélèvements de gaz du sol. Des analyseurs de température et d’humidité équipés d’une sonde permettant la réalisation de ces mesures dans les piézairs sont disponibles sur le marché. Donner des références.

Dry Electrolytic Conductivity Detector - DELCD Cette méthode qui peut être employée en direct-puch présente l’avantage d’être une méthode alternative sans radioactivité par rapport à la méthode de capture d’électron (ECD). Le DELCD est adapté pour la détection à faible niveaux de composés bromés ou chlorés. Ces détecteurs couplés à des FID permettent de couvrir une large gamme de composés car ce couplage permet la détection des hydrocarbures et des composés chlorés.

5- Conclusion

Les moyens d’investigations de terrain (sol, eau, air) les plus couramment utilisés sont :

les analyseurs portables pour la caractérisation chimiques de sols : polluants organiques et éléments traces métalliques : PID, FID, infrarouge, fluorescence X ;

Les sondes/appareil multiparamètres de mesure des paramètres physico-chimiques : Eh, pH, conductivité, oxygène dissous, pression ;

En plus, de ces techniques couramment utilisés, il existe d’autres techniques qui sont moins utilisées (en particulier par les bureaux d’études) et d’autres qui sont encore en développement (Tableau 3).


Tableau 3 : Liste des méthodes utilisées pour les mesures sur site

Technique couramment utilisée

Technique plus rarement utilisée

Technique émergente

SOL

Fluorescence X : métaux Mallette Petroflag : HCT

Mallette Secomam (UV) : HAP Chromatographie en phase gazeuse (GC) couplée FIS, PID ou MS : HCT, COV, HAP, PCB

Kit : PCB LIBS : métaux Spectrométrie Infrarouge : HCT

EAU

T, pH, EH, conductivité, turbidité Sonde à interface Sonde piézométrique

Colorimétrie de terrain : Fe, Nitrates, nitrites, sulfates Diagraphie physico-chimie Micro-moulinet

Micro-moulinet Thermique Moulinet directionnel GC

GAZ

PID Tube colorimétrique (300 composé) Multigaz (CO, CO2, H2S, CH4, O2)

Détecteur Infrarouge Détecteurs à cellules électrochimiques Thermo-hygromètre aux gaz du sol FID Analyseur de mercure

GC

Direct Push (sol, eau, gaz du sol)

MIP PID FID GC

XRF ECD SAW

DELCD

Les méthodes de mesures sur sites permettent de rapidement cerner l’essentiel de la problématique et d’orienter les investigations à l’avancement des diagnostics. Ces méthodes préliminaires s’avèrent particulièrement pertinentes, en amont des investigations pénétratives, généralisées et nécessitant des mesures différées au laboratoire. Ces méthodes sont particulièrement utiles dans le cas de sites de grandes tailles pour lesquels les informations historiques sur la localisation des zones polluées ou potentiellement polluées sont lacunaires ou inexistantes. Ces analyses préliminaires permettent ensuite de cibler les investigations et d’optimiser techniquement et économiquement les diagnostics. Par ailleurs, ces techniques trouvent des applications opérationnelles .dans le monitoring des opérations de dépollution, le suivi de chantier d’excavation et les diagnostics d’atteinte des objectifs de remédiation Cependant cette phase de criblage préalable par des outils de mesure in situ implique souvent une phase supplémentaire dans le diagnostic ce qui n’est pas toujours compatibles avec les délais comprimés de réalisation de diagnostic dans le contexte de réaménagement immobilier de terrain en friche à lotir. L’utilisation de méthodes de mesure in situ permet souvent de mieux évaluer l’hétérogénéité des sites, et donc permet de mieux orienter les diagnostics ultérieurs et ainsi de réduire le nombre d’analyse envoyé au laboratoire. Ces méthodes permettent donc in fine de réduire les coûts. Aujourd’hui certains de ces outils sont sous-utilisés ou alors sont utilisés mais les résultats obtenus sont sous-exploités. C’est le cas par exemple des mesures physico-chimiques et de la mesure des niveaux de nappe pour les eaux souterraines.


Pour une plus grande diffusion de ces techniques, il faudrait aussi améliorer l’acceptabilité de leur utilisation par les autorités (DREAL notamment), ce qui peut passer par des guides de bonne utilisation et par de la normalisation. Par exemple pour la XRF : ces mesures sur site n’ont pas pour objet de se substituent aux analyses standards normalisées et différent du laboratoire mais permettent de réduire leur nombre et sont donc complémentaires [15]. Depuis 2013, la procédure d’analyse rapide d’une sélection d’éléments dans les sols et matériaux similaires par XRF a donné lieu à une norme ISO (NF ISO 13196).

6- Références

[1] Colinet G., 2003. Éléments traces métalliques dans les sols. Contribution à l’étude de leur déterminisme spatial en région limoneuse belge. Thèse de doctorat : Faculté universitaire des Sciences agronomiques de Gembloux (Belgique). [2] US-DOE (2001). Adaptive Samplingand AnalysisPrograms (ASAPs), Characterization, Monitoring, and Sensor Technology

Crosscutting Program and Subsurface Contaminants Focus Area. Report DOE/EM-0592, 25p. [3] USEPA-4035: Soil screening for polynuclear aromatic hydrocarbons by immunoassay,

http://www.epa.gov/osw/hazard/testmethods/sw846/pdfs/4035.pdf [4] USEPA-4020: Screening for polychlorinated biphenyls by immunoassay,

http://www.epa.gov/osw/hazard/testmethods/sw846/pdfs/4020.pdf [5] Berho C., Valat C., Spinelli S., Guigues N., Roig B., Gonzales C., Fouillac AM. (2007). Use of screening tools for contamination mapping in Hardt catchment – Alsace case Study. SWIFT-WFD contract n° SSPI-CT-2003-502492. [6] Guigues N., Lepot B., Behro C., Salvetat F. 2013. Panorama de l’existant et retour d’expérience sur les capteurs et analyseurs en ligne pour la mesure des paramètres physico-chimiques dans l’eau – 76 p. [7] Safarzadeh-Amiri A, Fowlie P, Kazi AI, Siraj S, Ahmed S, Akbor A. (2011). Validation of analysis of arsenic in water samples using Wagtech Digital Arsenator. Sci Total Environ. 2011 Jun 1;409(13):2662-7. doi: 10.1016/j.scitotenv.2011.03.016. Epub 2011 Apr 15. [8] Togola A., (2009). Applicabilité des kits ELISA dans le cadre de la surveillance des eaux souterraines et eaux superficielles, Rapport BRGM/RP-58259FR, 27 pages.

[9] Leven, C., Weiss, H., Koschitzky, H., Blum, P., Ptak, T., Dietrich, P. (2010). Direct-Push-Verfahren, Heft 15 Schriftenreihe

Altlastenforum Baden-Wurtenberg e.V. E. Schweizerbart'sche, Verlagsbuchhandlung, Stuttgart (en allemand). [10] CALIPSO (2013). Analyse de sols pollués par Spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS), rapport final 92 p et annexes. [11] Jackson D.G., Eddy-Dilek C.A., Looney B. B. (2012]. “Direct-Push Methods for the characterization of the densest NAPL –Elemental Mercury” H-074, in Remediation of Chlorinated and Recalcitrant Compounds-2012. 8

th international Conference of

Chlorinated and Recalcitrant Compounds. Monterey, CA, May 2012. [12] RemScan http://www.ziltek.com.au/pdf/RemScan_Product_Overview.pdf [13] Michel C. (2014). Projet CAPTIVEN - Biocapteurs dans le domaine environnemental. Rapport BRGM (en cours de rédaction). [14] Phrealog http://cms.esi.info/Media/documents/Inspe_GFV_ML.pdf [15] Laperche V., Beaulieu M., Auger P. (2008). Caractérisation sur site et in situ de sites et sols potentiellement pollués par spectrométrie de fluorescence X. Environnement et Technique, 275, 27-43.

http://www.epa.gov/osw/hazard/testmethods/sw846/pdfs/4035.pdf

http://www.epa.gov/osw/hazard/testmethods/sw846/pdfs/4020.pdf

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=Safarzadeh-Amiri%20A%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=21497375

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=Fowlie%20P%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=21497375

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=Kazi%20AI%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=21497375

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=Siraj%20S%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=21497375

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=Ahmed%20S%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=21497375

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=Akbor%20A%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=21497375

http://www.ziltek.com.au/pdf/RemScan_Product_Overview.pdf

http://cms.esi.info/Media/documents/Inspe_GFV_ML.pdf

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progresser dans leur démarche

environnementale. L’Agence aide en

outre au financement de projets, de la

recherche à la mise en œuvre et ce,

dans les domaines suivants : la

gestion des déchets, la préservation

des sols, l'efficacité énergétique et les

énergies renouvelables, la qualité de

l'air et la lutte contre le bruit.

L'ADEME est un établissement public

sous la tutelle conjointe du ministère

de l'Ecologie, du Développement

durable et de l’Energie, et du ministère

de l'Éducation nationale, de

l'Enseignement supérieur et de la

Recherche.

www.ademe.fr

http://www.ademe.fr/

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Outils de mesure sur site : quel besoin et quelles … · RAPPORT FINAL OUTILS DE MESURE SUR SITE : QUEL BESOIN ET QUELLES MESURES POUR QUELLE UTILISATION ? Novembre 2014 Étude réalisée