Faisabilité d'un pilote de dénitrification in situ dans un aquifère karstifié

Feasability of in situ denitrification in a karstified aquifer

• Auteur / Autrice : Marion Chatelier
• Direction : Frédérick Delay, Gilles Porel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terres solides et enveloppe superficielle
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Poitiers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Modèles mathématiques

Calcaire

Eaux souterraines -- Écoulement

Résumé

Pour pré-identifier le fonctionnement d'un pilote de dénitrification au sein d'un aquifère karstifié, des investigations hydrodynamiques, hydrochimiques et biologiques ont été menées sur le Site Expérimental Hydrogéologique (SEH) de Poitiers. La caractérisation de la géométrie des écoulements par mesures de température conclut, en ambiant et en pompage, à l'existence de connexions préférentielles entre les plans karstiques. Malgré ces écoulements complexes, la connectivité entre les puits est élevée avec une restitution de soluté pouvant atteindre 90 %. La présence de bactéries dénitrifiantes hétérotrophes autochtones est vérifiée. Sans stimulation exogène, ces bactéries sont inactives au droit du SEH. Les contrastes de concentrations en nitrates s'expliqueraient alors par des processus de dilution entre masses d’eaux, l'écoulement divergent régional et les activités anthropiques dans la zone de recharge de la nappe. La stimulation des bactéries dénitrifiantes sur un pilote ex situ implanté sur le SEH permet de proposer des modèles homogénéisés de transport intégrant les effets de dénitrification en présence d'un biofilm. L'implantation du biofilm dans le milieu génère un système hétérogène à porosités multiples caractérisé par une forte variabilité des vitesses d'écoulement. Le modèle double continuum écoulement rapide vs. écoulement lent testé pour expliquer cette hétérogénéité semble le plus à même d'être transposé à l'hydrodynamique du SEH. Sur le pilote ex situ, la cinétique d'ordre 1 mimant la dénitrification est indépendante des conditions hydrodynamiques. Il importe maintenant de conduire l'expérience à l'échelle d'un doublet de puits pour valider ces résultats.

Hydrodynamic, hydrochemical and biological investigations were held over the Hydrogeological Experimental Site (HES) in Poitiers for the purpose of pre-identifying how a denitrification pilot plant may work in a karstified aquifer. The characterization of flow settings and geometry by water temperature loggings shows for both ambient and forced flow conditions that there exist some preferential connections between karstified layers. Even with complex flow geometry, the connectivity between wells is high; to the point mass tracer restitutions between wells may reach 90%. The existence of denizen heterotrophic denitrifying bacteria is proved. Without external stimulations, the bacterial consortium is however inactive. Thus, contrasts in nitrate concentrations would be explained by various dilution rates between waters of different origins. Stimulation of denitrifying bacteria was performed in an ex-situ lab-experiment. Transport experiments in columns allow proposing different homogenized models for both transport and denitrification by a biofilm phase. The development of biofilm in a porous medium generates local heterogeneity with multiple porosities, thus yielding contrasted fluid velocities. A double continuum (rapid versus slow) seems to be a relevant assumption for interpreting column tracer tests and could be tractable for applications at the site scale. Grounded on data from ex-situ experiments, the calibrated first-order kinetics mimicking the denitrification process is independent from experimental hydrodynamic settings. To validate all these results, it urges now going farther and to proceed with a transport experiment between a doublet of wells of the HES.