Pollution des sols : cas particulier des stations-service

Si ce souci n’est venu que tardivement, c’est bien parce que le sol a été trop longtemps considéré comme « une boîte noire », une sorte de réceptacle inconditionnel et illimité destiné à accueillir nos déchets et les polluants générés par nos activités industrielles ou urbaines.
Ainsi les autorisations d’exploitation délivrées jusqu’il y a peu ne mentionnaient aucune précaution à prendre pour prévenir la pollution du sol et du sous-sol. Ce manque de cadre législatif posait bien sûr un problème. Mais de plus en plus on reconnaît que le sol est un milieu écologiquement sensible, au même titre que le milieu « air » ou le milieu « eau » .

En plus le sol constitue le point d’intersection des domaines appartenant à l’atmosphère, l’hydrosphère et la biosphère et détermine directement la qualité de l’air que nous respirons, l’eau que nous buvons (mentionnons les concentrations préoccupantes des teneurs en pesticides et en nitrates dans de nombreux aquifères), toute la biosphère et en particulier des légumes issus de nos potagers (FACULTES UNIVERSITAIRES SAINT-LOUIS, 1996).
C’est pourquoi enfin de plus en plus d’instruments destinés à la gestion de la pollution des sols se développent.
Les motivations et les pratiques ont beaucoup évolué dans l’appréhension du sujet. D’un côté il y a quelques années, on parlait uniquement d’assainissement des sols, alors que la question dominante est aujourd’hui plus celle de la réutilisation des sites. De l’autre, nous sommes passés d’une approche chimique, basée sur la mesure des concentrations des polluants, à une approche basée sur l’évaluation des risques.

Pollution diffuse / pollution ponctuelle

Les pollutions diffuses : se développant sur de grandes surfaces de sols, elles proviennent généralement d’épandages de produits solides ou liquides (emploi d’engrais ou de pesticides en agriculture) ou de retombées atmosphériques. La dispersion puis l’accumulation de substances dangereuses sur ces sols donne ainsi des « sites uniformément contaminés » (NF ISO 11074-1,1997).

Les pollutions ponctuelles : à l’inverse des pollutions diffuses, elles se distinguent par la présence ponctuelle dans les sols et sous-sols de substances dangereuses provenant généralement de déversements, de fuites ou de dépôt de déchets. Non confinées et en fortes concentrations, ces substances donnent naissance à des « sites localement contaminés » (NF ISO 11074 -1, 1997).

Sources de pollution ponctuelle en milieu urbain
Aujourd’hui, la majeure partie de la population d’Europe occidentale vit en ville et cela provoque l’addition d’un très grand nombre de pollutions.
La pollution des sols est une composante épineuse du développement urbain à laquelle se trouvent confrontées les collectivités locales, et les institutions en charge, tant pour garantir la santé des populations que pour accompagner le développement économique. Les pouvoirs publics n’ont le plus souvent pas de légitimité, ni de moyens propres pour intervenir. Mais ils peuvent jouer un rôle important d’information, de facilitateurs et de coordinateurs pour trouver des solutions acceptables (ADEME, 2006). Le milieu urbain est en effet à l’origine de plusieurs sources de pollution des sols.

Cas particulier des stations-service
Les stations-service sont une source importante de pollution urbaine et elles vont être le fil conducteur de ce mémoire. L’exploitation de ce type d’activité représente une source potentielle de nuisances (trafic, bruit, pollution atmosphérique, pollution du sol et des eaux) pour le voisinage direct, mais aussi pour l’environnement en général. Mais la contamination des sols par les carburants constitue un des risques majeurs pour l’environnement et constitue le thème central de ce travail. Le phénomène de pollution des sols et sous-sols provenant des stations-service se décline en deux catégories:
D’un côté, une pollution chronique se produisant sur une longue période et étant due le plus souvent à la corrosion(1) des cuves et des canalisations enterrées. De l’autre côté la pollution accidentelle due au déversement d’hydrocarbure lors du remplissage des stockages de la station ou de la distribution de carburant.
(1) Le caractère corrosif des sols est dépendant de: leur perméabilité à l’air et à l’eau, qui dépend de leur porosité, leur granulométrie, leur taux d’humidité, leur teneur en sels, leur pH et leur conductivité électrique ou leur résistivité. Ainsi dans un sol acide, humide, peu aéré et dont la conductibilité est bonne la corrosion est très agressif. Ces propriétés naturelles de corrosion mettent en place des phénomènes bien précis et sont supplées par des effets mécaniques qui contribuent à la détérioration des structures enterrées dans des sols.
Il s’agit de la corrosion électrochimique (oxydoréduction) qui peut provoquer une perforation des réservoirs et de la corrosion par électrolyse due à des courants vagabondes dont l’origine est extérieure à la structure.
De plus il existe des interactions « carburants-réservoir/conduite » qui peuvent induire une corrosion à l’intérieur de la structure. Dans ce cas, la corrosion est provoquée par l’effet électrochimique aussi et par « l’aération différentielle ». L’accumulation des dépôts divers (sédiments et biofilms) dans certaines parties des réservoirs contribue localement à la disparition de l’oxygène dissous. De même, aux points hauts, nous assistons à la formation de poches d’air. La présence de ces hétérogénéités permet d’expliquer les phénomènes de corrosion par aération différentielle. Les parties faiblement oxygénées sous les dépôts jouent un rôle d’anode et se corrodent, tandis que les zones mieux oxygénées serviront de cathodes et seront donc protégées.
Ce mécanisme peut être aussi dû aux micro-organismes (VRIGNAUD, 1998).

Liquides contaminants
Types :
La caractérisation des pollutions est la première question abordée lors de l’évaluation des risques d’un site pollué. De petites quantités de carburant diesel ou d’essence peuvent entraîner des conséquences négatives pour l’homme et l’environnement comme nous verrons plus tard.
La présence d’un type ou autre de polluant n’a pas du tout la même signification en terme d’évaluation des risques. Par exemple concernant les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), polluants caractéristiques des stations-service, des travaux récents montrent que les HAP responsables de la toxicité des HAP sont les HAP nitrés qui ne représentent qu’une petite partie des HAP (INRS, 2006). C’est pourquoi il est très important d’établir une caractérisation des polluants provenant des stations-service.
Les principaux liquides qui peuvent se trouver dans une station-service et susceptibles de provoquer une pollution du sol et/ou des eaux souterraines sont les carburants (essence, gazole) et les lubrifiants (huiles, graisses, liquides de freins).

1 – Carburants
Essence et gazole :
Les carburants tels que l’essence et le gazole sont stockés et vendus dans les stations-service.
Il s’agit des mélanges complexes d’hydrocarbures pétroliers. La composition en hydrocarbures dépend de facteurs comme l’origine du pétrole brut soumis au raffinage et les conditions de raffinage.
En outre, divers additifs sont ajoutés en petites quantités (voire en traces) pour améliorer les propriétés techniques des carburants: produits antidétonants, anti-oxydants, antigels, substituts du plomb et colorants. Le choix et la concentration de l’additif varient par ailleurs en fonction de la compagnie pétrolière. Il est impossible de dresser une liste exhaustive des additifs. Mais, par exemple, pour améliorer l’indice d’octane, l’additif méthyl-t-buthyléther (MTBE) est ajouté à l’essence en remplacement des additifs antérieurs à base de plomb (MUCK JEAN-CLAUDE, 2007).
L’essence est un liquide incolore ayant une odeur caractéristique. Elle peut être colorée en jaune. Elle se compose principalement de chaînes d’hydrocarbures de 4 à 12 atomes de carbone.
Le diesel se compose de fractions plus lourdes, principalement de chaînes d’hydrocarbures de 10 à 28 atomes de carbone (INRS, 2006).
Tant l’essence que le gazole sont composés des quatre structures principales d’hydrocarbures
(MARCHAL R., PENET S., SOLANO-SERENA F. et VANDECASTEELE J.P, 2003) :
– n-alcanes ou n-paraffines (l’octane et l’heptane jouent un rôle particulier)
– iso-alcanes ou isoparaffines
– cyclanes ou cycloparaffines
– composés aromatiques (BTEX et HAPs)

Toutefois, l’essence contient autour de 230 hydrocarbures individuels et le gazole entre 2000 et 4000 hydrocarbures que sauf pour le cas des n-alcanes et quelques branches d’hydrocarbures ne peuvent pas être identifiés comme des composants séparés.

2 – Lubrifiants
En dehors des pollutions à l’essence et au diesel, il n’est pas exclu que d’autres substances susceptibles de polluer comme les lubrifiants provenant des véhicules routières soient présentes aussi sur une station-service.
On y observe principalement les types de polluants suivants : huiles usées, graisses ou liquides de freins.
Les lubrifiants sont un mélange d’huile de base et d’additifs qui renforce les qualités naturelles de l’huile de base. Les huiles de base sont le constituant principal de l’huile (75 à 85%) . Elles peuvent être d’origine minérale ou synthétique. Les bases minérales sont produites par le raffinage du pétrole brut et les bases synthétiques par synthèse chimique.
Ces lubrifiants remplissent plusieurs fonctions dans les voitures : la lubrification du moteur sert à nettoyer le moteur et à faciliter un bon démarrage.
– Huiles usées :
L’huile de moteur usagée peut contenir des métaux lourds et des composants de HPAs.
Les lubrifiants sont utilisés aussi pour boîtes de vitesses et ponts. Ceux-ci sont de même nature que les huiles pour moteur. Ce qui les distingue des huiles moteur c’est essentiellement un cocktail d’additifs et une viscosité plus élevée.
– Graisses :
Un autre type de lubrifiant, mais solide, sont les graisses. Elles sont constituées d’un lubrifiant
liquide, d’additifs et d’un agent épaississant qui est généralement un savon métallique. Une graisse ordinaire peut avoir entre 5 et 20% d’agent épaississant (acide gras par exemple d’origine animale, hydroxyde métallique, calcium, lithium ou aluminium), 75 à 95% huile de graissage et entre 0 à 15% d’additifs.
– Liquides de freins :
Enfin, en ce qui concerne la composition des liquides de freins des voitures, au niveau mondial, quatre groupes de produits se sont imposés et servent en premier lieu de lubrifiants.

Ces groupes sont les suivants :
– Ethers de polyglycol avec/sans esters de borate
– Huiles minérales
– Esters de silicium
– Huiles de silicone
Les liquides de frein à base d’éthers de polyglycol et de leurs dérivés (les esters de borate), occupent de loin la plus grosse part sur le marché mondial. Certains systèmes de freinage exigent encore l’utilisation d’huiles minérales.
Les esters de silicium sont utilisés principalement dans la course automobile en raison de leu point d’ébullition élevé. La diffusion des huiles de silicone se limite principalement aux Etats-Unis, où ces produits sont utilisés sur de nombreux véhicules militaires.
Bien entendu, ces deux derniers types ne sont pas relevants pour notre mémoire.

Pour fabriquer les liquides de frein à base d’éther de polyglycol, on utilise également les trois composants suivants :

– Diluants à solvants
Un système de freinage, qui contiendrait uniquement de l’éther de polyglycol avec ou sans esters de borate, ne fonctionnerait plus à de basses températures en raison de la viscosité trop élevée.
C’est pourquoi il est nécessaire de diluer le lubrifiant avec un produit à faible viscosité. Ce diluant doit dissoudre en plus tous les autres composants, de sorte qu’un système à phase unique est obtenu pour toutes les températures. Les éthers de glycol sont les diluants à solvants les plus utilisés.

– Agents modifiants
Une interaction définie avec les pièces élastomères dans l’installation de freinage est exigée. Ces pièces peuvent légèrement gonfler sous l’influence du liquide de frein mais ne doivent en aucun cas rétrécir.
Comme le diluant à solvant a une tendance prononcée à faire gonfler le caoutchouc, il faut ajouter des agents modifiants pour contrôler ce phénomène.
A cet effet, on utilise des glycols. Les glycols peuvent être appelés également agents de solubilisation parce qu’ils facilitent la dissolution des inhibiteurs (voir plus loin), agissent comme solvants pour le lubrifiant et optimisent la compatibilité avec l’eau du liquide de frein.

– Inhibiteurs
Dans un liquide de frein, ces inhibiteurs doivent empêcher non seulement la corrosion des métaux dans le système de freinage, mais également l’oxydation du liquide de frein même.

Vecteurs
La présence de polluants n’est pas le seul facteur relevant dans la problématique de la pollution des sols, il faut qu’ils puissent être mobiles et avoir un effet sur quelqu’un ou quelque chose (homme, eaux souterraines, écosystèmes, …).
En outre, la migration des polluants induit également une extension des zones polluées.
Dans le cas des stations-service, l’origine de la pollution provient, soit des mauvaises habitudes telles que le déversement d’hydrocarbure lors du remplissage des stockages de la station ou de la distribution de carburant, soit des corrosions des cuves enterrées ou des fuites des canalisations.
Ensuite, les ruissellements vont provoquer le déplacement des polluants, qui peuvent contaminer ainsi la couche supérieure ou inférieure du sol et atteindre dans certains cas les nappes souterraines, ou les entraîner dans les rivières.
Dans le cas des fuites des carburants des cuves et canalisations, les polluants vont rejoindre plus facilement les nappes souterraines étant donné que ces installations se trouvent déjà enterrées dans les sols.

 

Vecteurs des polluants dans les stations-service :

Si la pollution est causée par les hydrocarbures, elle peut flotter à la surface de la nappe. Sa propagation à travers les sols dépendra alors du niveau de la nappe. Mais au fil des ans, la propagation de la pollution prend également l’allure d’un panache qui s’étend de plus en plus et peut malheureusement rejoindre, par exemple, des captages d’eau (BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES – BRGM, 2006).

La diffusion des polluants à travers ces vecteurs se produit à partir de certains mécanismes et sa compréhension est fondamentale, non seulement pour prévenir les risques pour la santé humaine, mais aussi pour dimensionner convenablement les moyens mis en œuvre pour la réhabilitation des sites pollués.
La possibilité de transfert des polluants va dépendre comme nous avons déjà mentionné des propriétés physico-chimiques de la source de danger mais aussi du fait d’être un liquide, un gaz ou un solide et des propriétés du sol, du sous-sol dans lequel elle se trouve. Cela va faciliter ou empêcher la migration ou l’expression de cet usage potentiel de mobilité de la source.
Les polluants des stations-service sont à la base des liquides.

L’ensemble des phénomènes physico-chimiques et biologiques à même de se passer dans les sols quand une pollution est constatée sont des phénomènes de volatilisation, c’est-à-dire de transfert de la source de pollution vers la surface si le polluant est volatile et des phénomènes de convection, de biodégradation (déjà vu dans la section précédente) et d’absorption.
Pour mieux comprendre le phénomène de la migration des polluants nous allons développer les mécanismes fondamentaux du transport de polluants dans différents milieux suivant le schéma de dispersion des polluants: les milieux poreux non-saturés (sols), le cas particulier des interactions bio-physico-chimiques qui se produisent au niveau de la rhizosphère et les milieux poreux saturés (nappes) (MARLY, 2007).

Tout d’abord nous examinerons les mécanismes de transfert en milieux poreux dont font partie les sols et les nappes souterraines.
Le transfert des polluants dans les sols n’est possible que dans l’eau (polluant en solution ou en suspension) et/ou l’air (polluant volatile ou pulvérulent) qu’ils contiennent.
Un milieu poreux est un milieu continu, cohésif ou non qui présente intérieurement une fraction de volume accessible à un fluide. Cette fraction de volume « vide », composée de cavernes, de crevasses, de pores… constitue ce que l’on appelle la porosité du milieu poreux.
Les vides contenus dans un milieu poreux peuvent être remplis d’eau, comme c’est le cas pour les nappes souterraines : on parle alors de milieux poreux saturé, puisqu’il est saturé d’eau. A l’inverse, si les vides ne sont pas pleins d’eau, on parle de milieu poreux non-saturé. Dans ce cas, il existe toutes les situations entre l’absence totale d’eau et une quasi-saturation en eau.

Du point de vue physique, les pores des milieux poreux sont très irréguliers, tortueux et interconnectés. En outre, l’écoulement dans les pores est souvent gêné par des étranglements et parfois même des culs-de-sac.
En conséquence, l’écoulement au sein d’un milieu est trop complexe, aussi bien au niveau de sa géométrie et de ses vitesses pour réaliser une description au niveau microscopique.
Aussi, l’écoulement dans les milieux poreux est donc généralement décrit en terme de vitesse d’écoulement macroscopique, qui représente la moyenne globale des vitesses microscopiques dans le volume total de milieu poreux considéré. La configuration détaillée de l’écoulement est donc ignorée, et l’élément de milieu poreux est traité comme un milieu uniforme et comme si l’écoulement était réparti sur toute la section, espaces solides et liquide inclus (HILLEL D., 1988).

Voir aussi notre article Station-service, pollution par libération des vapeurs