Amélioration de la récupération des composés organochlorés lourds en milieux poreux saturés par soutiens thermiques et chimiques : approches par expérimentations et par modélisation d'écoulement diphasique

par Stéfan Colombano

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Eric Van Hullebusch et de Ioannis Ignatiadis.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LGE - Laboratoire Géomatériaux et Environnement (laboratoire) .


  • Résumé

    La pollution des eaux souterraines par des composés organochlorés constitue un problème majeur. En effet, ces polluants, particulièrement toxiques, dégradent durablement les sols et les eaux souterraines. Leur dispersion (par solubilisation et volatilisation) à partir des sources de pollution peut générer des panaches de contamination importants. La récupération de ces composés sous forme de produit pur (DNAPL) est principalement basée sur les techniques de pompage/traitement. Pour autant, cette technique est lente et ne permet pas de récupérer le DNAPL de manière efficace. Une quantité de DNAPL reste piégée dans le sol sous forme de saturation résiduelle (Srn). L'objectif de cette thèse est d'améliorer le rendement et la vitesse de récupération du DNAPL en utilisant les soutiens chimiques et thermiques au cours du pompage. L'augmentation de la température vise à diminuer la viscosité du DNAPL (et donc à augmenter sa mobilité) alors que l'ajout de surfactant vise à diminuer les forces capillaires qui piègent le DNAPL. Des expérimentations à l'échelle du laboratoire (basées notamment sur des suivis de permittivités, résistivités électriques et densités optiques) et une modélisation multiphasique ont été réalisées afin de pouvoir quantifier les effets de ces soutiens. Le chauffage du DNAPL, réalisé jusqu'à 50 °C (afin d'éviter la volatilisation), diminue la viscosité par un facteur 2. L'ajout d'un surfactant, le Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate-SDBS, à sa Concentration Micellaire Critique (afin d'éviter la solubilisation du DNAPL) diminue la tension interfaciale par un facteur 12. Les essais de drainage-imbibition ont été réalisés dans des cellules 1D afin d'obtenir les courbes de rétention du système diphasique (pression capillaire en fonction de la saturation en eau). Les diminutions des Srn obtenues avec le SDBS sont de 28% pour les billes de verre (BV) de 0,5 mm de diamètre et 46% pour les BV de 0,1 mm. Aucune amélioration significative du rendement épuratoire a été obtenue avec le chauffage. Les courbes ont été calées avec le modèle de van Genuchten - Mualem dans le but de fournir les données pour la modélisation. Les expériences de drainage-imbibition ont été réalisées dans des colonnes 1D pour caractériser les écoulements diphasiques (notamment le déplacement de l'interface DNAPL-eau en fonction des pressions appliquées). Le modèle d'écoulement diphasique a été réalisé avec la formulation de pression-pression (à l'aide de COMSOL Multiphysics®). La modélisation des volumes récupérés et du déplacement de l'interface sont en accord avec les résultats expérimentaux. Les rendements épuratoires avec les soutiens chimiques et thermiques étaient du même ordre de grandeur que pour les cellules 1D. Des essais de pompage ont été effectués dans un bac 2D à différents débits avec les BV de 0,5 mm et 0,1 mm. Les expériences ont également été réalisées avec et sans soutien. Les modélisations ont été comparées à l'interprétation d'images (basée sur l'étalonnage de la densité optique). Les valeurs expérimentales sont en adéquation avec les valeurs modélisées. Les rapports VDNAPL,chimique/VDNAPL,référence pour des débits lents et élevés, étaient en moyenne respectivement de 2,90 et 1,40 pour les BV de 0,5 mm et, de 1,37 et 1,18 pour les BV de 0,1 mm. Le chauffage n'a aucun effet bénéfique sur la récupération du DNAPL. Les mesures indirectes des saturations en eau (Sw) pour les expériences 1D ou 2D aboutissent aux résultats suivants: i. les permittivités mesurées sont très proches des valeurs modélisées avec le modèle de CRIM ; ii. les modélisations des résistivités électriques avec la loi d'Archie sont moins probantes ; iii. les densités optiques permettent d'estimer Sw avec précision. A l'échelle terrain, la combinaison des suivis avec la résistivité électrique (qui permet d'avoir une vision intégratice) et la permittivité (qui fournit des données précises mais spatialement limitées), permettrait de mieux quantifier les Srn.

  • Titre traduit

    Improvement of the recovery of heavy chlorinated organic compounds in saturated porous media by thermal and chemical enhancements: experimental and two-phase flow modeling approaches


  • Résumé

    Groundwater pollution by chlorinated organic compounds is a major problem. Actually, these particularly toxic pollutants, permanently degrade soil and groundwater quality. Their dispersion (by solubilization and volatilization) from the pollution source zone can generate large contaminants plumes. Chlorinated organic compounds are recovered as pure product (Dense Non-Aqueous Phase Liquids-DNAPL) mainly using pump/treat technologies. However, these technologies are time-consuming and do not recover the pure product in an efficient way. A significant amount of DNAPL remains trapped in soil as residual saturation (Srn). The objective of this PhD project was to enhance DNAPL recovery rate and yield using chemical and thermal enhancements during the pumping process. Temperature increases aimed to reduce the viscosity of DNAPL (and therefore to increase its mobility) while the addition of surfactant aimed to reduce the capillary forces that trap the DNAPL. Experiments at the laboratory scale (based on monitoring of permittivities, electrical resistivities and optical densities) and two-phase flow modeling were performed to quantify the effects of these enhancements. Heating the DNAPL up to 50 °C (to avoid volatilization) decreases the viscosity by a factor of two. The addition of surfactant, Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate-SDBS, at its Critical Micelle Concentration (to prevent DNAPL solubilization) decreases interfacial tensions by a factor of 12. Drainage-imbibition experiments were carried out in 1D cells to obtain the retention curves of the two-phase system (capillary pressure as a function of water saturation). The decreases of Srn obtained with SDBS were 28% for 0.5 mm glass beads (GB) diameter and 46% for 0.1 mm GB. We reported no significant improvement in the remediation yield with thermal enhancement. The curves were fitted with the van Genuchten – Mualem model to generate data for modeling. Drainage-imbibition experiments were carried out in 1D columns to characterize two-phase flow (and in particular the displacement of the DNAPL-water interface according to the pressures applied). The two-phase flow model used a pressure-pressure formulation (using COMSOL Multiphysics®). The modeling of recovered volumes and the displacement of the interface agreed with the experimental results. The remediation yields with chemical and thermal enhancements were of the same order of magnitude as those reported in 1D cells. For 2D tank experiments, pumping was performed at different flow rates with 0.5 mm and 0.1 mm GB. The experiments were also performed with and without enhancement. Models were compared with image interpretation (based on the optical density calibration). Comparing experimental and modeled values shows that the model fitted well with the experiments. The VDNAPL, chemical/VDNAPL, reference ratios were for low and high flow rates on average respectively 2.90 and 1.40 for 0.5 mm GB and 1.37 and 1.18 for 0.1 mm GB. Thermal enhancement had no beneficial effect on DNAPL recovery rate or yield. Indirect measurements of water saturations (Sw) for 1D or 2D experiments yielded the following results: i. the measured permittivities were very similar to the values modeled with the CRIM model; ii. modeling of electrical resistivities with Archie's Law was less accurate; iii. optical densities allow accurate Sw estimation. At field scale, the combination of monitoring both electrical resistivities (which provide a global picture) and permittivities (which provide precise but spatially limited data), is expected to provide Srn data.