Thèse soutenue

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
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Auteur / Autrice : Stéfan Colombano
Direction : Eric Van HullebuschIoannis Ignatiadis
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
Date : Soutenance le 14/10/2019
Etablissement(s) : Paris Est
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) - Laboratoire Géomatériaux et Environnement / LGE
Jury : Président / Présidente : Christophe Guimbaud
Examinateurs / Examinatrices : Eric Van Hullebusch, Ioannis Ignatiadis, Marie-Odile Nicolas-Simonnot, Olivier Atteia, Dominique Guyonnet, Edvina Lamy, Nicolas Fatin-Rouge
Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Odile Nicolas-Simonnot, Olivier Atteia

Résumé

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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