Comportement de la mousse en milieu poreux pour confiner une source de pollution : potentialités, contraintes et démonstration en site réel

Foam behavior in porous media to confine a source zone of contaminant : potentialities, constraints and field demonstration

• Auteur / Autrice : Clément Portois
• Direction : Olivier Atteia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et technologie (sciences de la terre, sciences de l'eau, sciences de l'image)
• Date : Soutenance le 11/01/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Montaigne-Humanités (Pessac, Gironde ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géoressources et Environnement (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Alain Dupuy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Atteia, Julio Gonçalvès, Richard Martel, Nicolas Fatin-Rouge, Patrick Höhener
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julio Gonçalvès, Richard Martel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrocarbures chlorés

Eaux souterraines -- Pollution

Écoulement en milieux poreux

Mousse (chimie)

Mots clés libres

Mousse

Modélisation transport 3D

Confinement in-situ

Solvant chlorés

Aquifère multicouches

Foam

3D transport modelling

Confinement

Chlorinated solvents

Multi-Layered aquifer

Résumé

La présence de Composés Organiques Halogénés Volatils (COHV) dans les eaux souterraines est particulièrement problématique car celle-ci peut les contaminer pendant des dizaines d’années. Le traitement de ces sites, dont les pollutions sont souvent mixtes et complexes, nécessite de développer des techniques fiables. Particulièrement dans le contexte d’un aquifère hétérogène, les techniques classiques souffrent du faible potentiel de balayage de la pollution par les agents remédiant. La génération de mousse in situ est une technique de dépollution innovante permettant de contrôler la mobilité de ces agents. La démarche générale du travail de thèse porte sur le développement de l’injection de mousse et son applicabilité dans le contexte d’un site industriel en activité contaminé par des solvants chlorés. L’originalité de ce travail porte sur l’utilisation de la mousse comme agent confinant (hydrauliquement) d’une zone source au sein même de l’usine. Le premier objectif de cette thèse consiste en la définition de l’origine de la pollution et des processus responsables du transport des composés dissous dans un système aquifère multicouche et hétérogène. Dans ce cadre, un modèle de transport en 3 dimensions a été développé et contraint à partir de données géologiques (structure 3D), hydrogéologiques (piézométrie, mesure de vitesse), et chimiques (solvant chlorés et ions majeurs). Cette combinaison d’approches a eu un impact réel sur la compréhension de la dynamique hydrogéologique du système souterrain présent au droit du site d’étude, et a permis de définir la zone d’injection de mousse. En parallèle des travaux de caractérisation du site, un travail expérimental en laboratoire a permis de définir les mécanismes à l’origine de la réduction de la perméabilité relative à l’eau par l’injection de mousse. Au travers d’une approche multi échelle, ces travaux ont notamment permis de (i) définir une formulation (concentrations en tensio-actifs et composition) et les paramètres d’injection (qualité de mousse, débit d’injection, mode d’injection) pour générer une mousse favorable à la réduction de la saturation en eau (colonne 1D). Cette baisse de saturation ayant conduit à une réduction de la perméabilité à l’eau d’un facteur supérieur à 100. (ii) D’estimer le comportement de la mousse le long d’un profil d’injection et son impact sur la réduction de la saturation en eau à quelques centimètres d’un point d’injection (pilote 2D décimétrique). (iii) De vérifier l’applicabilité en 3D du système d’injection développé et de suivre les évolutions de l’impact de la mousse dans un aquifère (essai sur un piézomètre réel). Enfin, un test d’injection de mousse en continu pendant 96h au droit de la zone source du site industriel contaminé a été réalisé. La réalisation d’un essai de pompage (post injection) au centre de la zone confinée, couplé à des mesures de flux de polluant (pré et post injection) et implémenté dans un modèle 2D, ont permis de mettre en évidence l’impact réel de la mousse sur un rayon supérieur à 2m avec une réduction du flux de polluant en aval hydraulique d’un facteur 4,5. Les différents travaux de laboratoire et de modélisation mettent en évidence les avancées et limites de la technique développée et permettent de proposer des voies d’amélioration.

The presence of Volatile Organic Compounds (VOCs) in groundwater is particularly problematic because it can contaminate them for decades. The treatment of these sites, whose pollution is often mixed and complex, requires the development of reliable techniques. Particularly in the context of a heterogeneous aquifer, conventional techniques suffer from the low potential for pollution sweeping by remedying agents. In situ foam generation is an innovative technique to control the mobility of these agents. The general approach of the thesis concerns the development of foam injection and its applicability. in the context of an industrial site in activity contaminated by chlorinated solvents. The originality of this work concerns the use of foam as a confining agent (hydraulically) of a source zone within the plant itself. The first objective of this thesis is to define the origin of pollution and the processes responsible for the transport of dissolved compounds in a multilayered and heterogeneous aquifer system. In this context, a 3-dimensional transport model has been developed and constrained based on geological data (3D structure), hydrogeological data (piezometry, groundwater velocity measurement), and chemical data (chlorinated solvent and major ions). The combination of these approaches had a real impact on the understanding of the hydrogeological dynamics of the underground system present at the study site, and allowed us to define the foam injection zone. In parallel with site characterization, experimental work in laboratory allows to define the mechanisms responsible for reducing the water-relative permeability by injecting foam. Through a multi-scale approach, we (i) define a formulation (surfactant concentrations and composition) and injection parameters (foam quality, injection rate, injection mode ) to generate a foam favorable to the reduction of water saturation (column 1D). This saturation decrease led to a reduction of the water relative permeability by a factor greater than 100. (ii) Estimate the behavior of the foam along an injection profile and its impact on the reduction saturation in water a few centimeters from an injection point (2D decimetric pilot). (iii) Verify the 3D applicability of the developed injection system and to follow the evolutions of the impact of the foam in an aquifer (test on a real piezometer). Finally, a continuous foam injection test during 96 hours at the source zone of the contaminated industrial site was carried out. Conducting a pumping test (post injection) in the center of the confined zone, coupled with contaminant fluxes measurements (pre and post injection) and implemented in a 2D model, highlighted the real impact of the injected foam over a radius greater than 2m with a reduction of the flow of pollutant downstream by a factor 4.5. The various laboratory and modeling work highlight the advances and limitations of the developed technique and make it possible to propose ways of improvement.