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Comportement hydrodynamique des barrières réactives in situ utilisées pour la diffusion passive

Narcisse, Josianne (2008). Comportement hydrodynamique des barrières réactives in situ utilisées pour la diffusion passive. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les eaux souterraines sont consommées par une grande proportion de la population mondiale incluant le Canada et le Québec. En raison de la sollicitation des sols et des aquifères par l'activité humaine, plusieurs produits chimiques contaminent les eaux souterraines, particulièrement les produits pétroliers et les solvants. Certains peuvent être très persistants et récalcitrants à la biodégradation et présentent une menace pour la santé humaine et l'environnement. Depuis plusieurs décennies, beaucoup d'efforts ont été déployés dans la communauté scientifique en vue de trouver des techniques de décontamination efficaces. C'est ainsi que nous sommes passés des techniques conventionnelles (pompage et traitement)aux techniques passives in situ. Parmi les techniques qui ont été étudiées et mises en place, les barrières réactives perméables ont été l'une des options de traitement permettant de combler les lacunes rencontrées lors de l'application du pompage et traitement. La première étude sur le comportement hydraulique des barrières réactives, en particulier \e?, funnel-andgate, a été réalisée au milieu des années 90. Depuis, la technique s'est développée davantage et a été utilisée tant à l'échelle pilote qu'à grande échelle, plus précisément pour le traitement des solvants chlorés avec du fer zéro valent dans la zone réactive. Par ailleurs, cinq applications de barrières réactives utilisant l'oxygène comme zone réactive ont été répertoriées. Malgré cette période de développement, certains aspects du comportement hydrodynamique des barrières réactives demeurent mal compris et il n'existe aucune analyse comparative traitant des funnel-and-gate et des trench-and-gate, une variante développée afin d'améliorer le contrôle hydraulique du système.

Ce travail de recherche présente l'étude du comportement hydrodynamique des barrières réactives perméables, plus particulièrement les funnel-and-gate et les trench-and-gate, appliquées à la diffusion passive. À partir d'un modèle d'aquifère homogène et isotrope, l'étude présente une analyse comparative de^ funnel-and-gate et des trench-and-gate. Elle s'intéresse dans un premier temps à l'influence de la conductivité hydraulique de l'aquifère sur l'écoulement souterrain et sur la zone de captage des deux systèmes. Cette analyse n'a démontré aucun effet de ce paramètre sur l'écoulement souterrain dans les deux systèmes autre qu'une augmentation de la zone de captage dans un exemple d'aquifère peu perméable. L'effet est plus prononcé pour le trench-and-gate dans lequel la zone de captage est plus grande. Dans les mêmes conditions de modélisation, le trench-and-gate permet un meilleur captage hydraulique que \e funnel-and-gate. Dans un deuxième temps, l'influence de l'angle d'ouverture des entonnoirs sur la zone de captage (funnel-and-gate et trench-and-gate) a été analysée. Des trois angles d'ouverture d'entonnoir étudiés (30°, 45° et 0°), l'entonnoir de 45° a fourni la plus grande zone de captage aussi bien pour \e funnel-and-gate que le trench-andgate.

Dans le cas du trench-and-gate, l'influence des murs imperméables sur sa performance a aussi été abordée de même que celle des tranchées de réinfiltration en aval de la porte sur la zone de captage. Les tranchées de réinfiltration en aval de la zone réactive ont permis un drainage plus efficace de l'eau. Par contre, avec les tranchées drainantes seules et une absence de murs imperméables, l'efficacité des TAG ne peut être garantie.

En ce qui concerne l'étude de la diffusion passive de l'oxygène, un ensemble de puits et un mur perméable ont été considérés comme zone réactive. Globalement, le mur perméable, étant donné sa continuité, a produit des panaches d'oxygénation homogènes, alors que les puits ont généré une digitation du panache. Les travaux ont également permis d'étudier l'influence de la conductivité hydraulique sur le panache d'oxygénation généré en aval des deux types de zone réactive. L'étalement des panaches est proportionnel à un accroissement de la conductivité hydraulique. Les panaches produits par le trench-and-gate sont plus homogènes et étalés que ceux produhs par \e funnel-and-gate. L'étude de l'effet des angles d'ouverture des entonnoirs sur la zone d'oxygénation des deux systèmes a démontré une meilleure performance de l'entonnoir d'angle d'ouverture de 45°, car celui-ci a produit de plus grands panaches d'oxygénation. En ce qui concerne l'effet des tranchées de réinfiltration (trench-and-gate), la grande vitesse d'écoulement produite par la grande conductivité hydraulique de celles-ci a contribué davantage au développement du panache d'oxygénation.

L'influence de ces mêmes paramètres a également été étudiée sur la biodégradation aérobie des BTEX. Lorsque la zone réactive est représentée par des puits dans un funnel-and-gate, l'hétérogénéité du panache d'oxygénation a diminué l'efficacité de la biodégradation à la porte. Ce système pourrait être amélioré par une réorganisation de la distribution des puits.

Toutefois, le traitement est plus efficace avec le mur perméable comme zone réactive compte tenu de l'homogénéité des panaches d'oxygénation. Ces observations ont été les mêmes pour les deux entonnoirs d'angle d'ouverture analysés soient 45° et 0°. En ce qui a trait au trenchand-gate, une diminution des concentrations de BTEX arrivant à la porte a été provoquée par les tranchées drainantes, ce qui a eu pour effet de limiter le passage des BTEX à travers la porte en comparaison au funnel-and-gate. De plus, les tranchées de réinfiltration en aval de la porte ont permis une réduction des débordements du panache de BTEX et également une réduction de la concentration dans la porte pour les deux angles d'ouverture d'entonnoir analysés. En se basant sur les résultats obtenus, l'analyse comparative a permis d'aboutir à une meilleure performance du système de trench-and-gate pour les mêmes conditions de modélisation. Suite aux résultats de ce travail, comme perspective future, cette étude pourra être poursuivie par la variation d'autres paramètres influençant l'hydrodynamique des systèmes (ex. gradient) et la configuration des systèmes (ex. profondeur d'enfoncement des murs imperméables). L'étude des FAG et des TAG suspendus permettra notamment de mieux comprendre comment s'effectue le contrôle hydraulique des débordements d'eau et de contaminants sous ces systèmes.

Titre traduit

Hydrodynamics behavior of in situ reactive barriers used for passive diffusion

Résumé traduit

Groundwater is used for consumption and irrigation by a wide proportion of the world's population. Due to an increasing use of the soil and groundwater for human development, several chemical compounds find their way to the groundwater, mostly petroleum products and solvents. Some of them tend to be persistent and very recalcitrant to biodegradation and, therefore, are a concern for human health and the environment. For several years, scientists and engineers have tried to find efficient groundwater treatment technologies, the spectrum of which covers conventional techniques (e.g. pump-and-treat) and the more recent passive techniques, such as permeable reactive barriers. The first study of the hydrodynamic behavior of perméable reactive barriers, particularly the funnel-and-gate system, was performed in the middie of 1990s. This system has been used for some time at the pilot scale and large scale, mostly for the treatment of chlorinated solvents with zero-valent iron in the gate. However, five applications of this system to the treatment of dissolved hydrocarbons using aerobic biodegradation have been found. Nevertheless, some aspects of the hydrodynamic behavior of these barriers remain undocumented and there exists no comparative analysis between the funnel-and-gate system and the trench-and-gate system, a variant of the former, designed to improve the hydraulic control exerted by the system.

This work presents a study on the hydrodynamic behavior of permeable reactive barriers, namely the funnel-and-gate and the trench-and-gate systems. Using a model of a homogeneous and isotropic aquifer, a comparative analysis of the funnel-and-gate and the trench-and-gate is presented. First, the analysis shows the influence of the hydraulic conductivity of the medium on groundwater flow and the capture zone of both systems. Other than increasing the capture zone in a low-permeability aquifer, the results show no indication of a possible effect of the hydraulic conductivity on the groundwater flow in both systems. Additionally, considering the same parameters, the capture zone of the trench-and-gate system is wider than the funnel-and-gate system and, therefore, the trench-and-gate system is more effective than the funnel-and-gate in capturing groundwater. The influence of the funnel angle on the capture zone of the systems was also studied. Among the three funnel angles simulated (30°, 45° and 0°), the funnel angle of 45° produced the greatest capture zone for both systems. This study also details the influence of impermeable walls and a reinfiltration gallery on the behavior of the trench-and-gate system. Without the impermeable walls, the capture zone increased, but the system was less effective in directing the captured water towards the gate as some particles flowed underneath and through the trenches. Because of its high permeability, the reinfiltration gallery improved the drainage of the system, by rapidly directing the groundwater away from the gate and improving its downstream redistribution through the aquifer.

The passive diffusion of dissolved oxygen at the gate was also modeled for both systems using wells and a permeable wall as source of dissolved oxygen. Generally, due to its continuons nature, the permeable wall produced homogeneous dissolved oxygen plume, whereas wells produced a fingering effect in the plume, which increased its continuity. The study presents the effects of the hydraulic conductivity, the funnel angle and the reinfiltration gallery (trench-and-gate only) on the size of the dissolved oxygen plume produced by the two systems. An increase in the hydraulic conductivity of the aquifer increased size of the dissolved oxygen plume. The trench-and-gate system provides greater proportions of dissolved oxygen than the funnel-and-gate and a more homogeneous and wider plume. For both systems the funnel angle of 45° provides the greatest dissolved oxygen plume. In addition, the addition of a reinfiltration gallery showed that the large hydraulic conductivity produced a further extension of the dissolved oxygen plume. The influence of these same parameters was also studied on the aerobic biodegradation of dissolved BTEX. When wells are used for the reactive zone in a funnel-and-gate, the heterogeneity of the dissolved oxygen plume decreases the effectiveness of the biodegradation process at the gate. The use of wells could be improved by a reorganization of the well-to-well spacing. The system is more effective when the gate is represented by a permeable wall because of the homogeneity of the dissolved oxygen plume. The same observations have been made for the two funnel angles studied (i.e. 45° and 0°). Regarding the trench-and-gate, the amount of BTEX going through the gate is reduced because the concentration reaching the gate are lower than for the funnel-and-gate due to a dispersion effect created by the drainage trenches and the reinfiltration gallery. Based of the results of the comparative analysis and considering the same modeling parameters, the trench-and-gate system appears to be more effective than the funnel-and-gate. Based on the results of this work, the comparative analysis between the FAG and TAG systems could be pursued in the future by varying parameters such the hydraulic gradient or the depth of penetration of the impermeable walls. The study of hanging walls will allow a better understanding of the conditions causing underflow of groundwater and contaminants beneath the impermeable barriers.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie de la construction". Bibliogr : f.[163]-165.
Mots-clés libres: barriere, comportement, diffusion, funnel-and-gate, hydrodynamique, in, passif, reactif, site, trench-and-gate
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dubé, Jean-Sébastien
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt: 10 août 2010 18:07
Dernière modification: 20 déc. 2016 21:55
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/114

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