Etude de l´effet des conditions d´application de l’extraction sous pression réduite dans la zone non saturée du sol

Study of the effect of application conditions for soil vapor extraction in the unsaturated zone of the soil

• Auteur / Autrice : Khaoula Esslimani
• Direction : Mariem Kacem, Belkacem Benadda, Hafida Hanine, Otmane Boudouch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie de l’environnement
• Date : Soutenance le 13/06/2024
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Atteia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mariem Kacem, Belkacem Benadda, Hafida Hanine, Otmane Boudouch, Mathieu Gautier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hicham Zaitan, Mostafa Nawdali

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols -- Décontamination

Mots clés libres

Extraction sous pression réduite

COVs

Transport/transfert de masse

Assainissement du sol

Simulation numérique

Soil Vapor Extraction

VOCs

Transport/ mass transfer

Soil remediation

Numerical simulation

Résumé

L'extraction sous pression réduite (SVE) se distingue en tant que solution largement employée pour assainir in situ les sols contaminés par des composés organiques volatils (COVs). En appliquant un vide à la matrice du sol, un flux d'air est produit à travers celle-ci, conduisant les contaminants volatils vers des puits d'extraction qui évacuent les polluants du sol. Des études expérimentales en laboratoire et sur site ont été réalisées afin de fournir une analyse complète de la SVE en suivant les polluants dans les gaz sortants. Une amélioration de cette technique avec la méthode thermique a été étudiée (T-SVE). Le transport et transfert de masse durant les expériences de laboratoire ont été simulés numériquement. Deux modèles de sol ont été choisis et caractérisés : 100 % de sable (sol 1) et du sable mélangé à 5 % de kaolin (sol 2). Des dispositifs expérimentaux sont utilisés pour analyser différents paramètres caractérisant le système d'extraction. Des essais hydrodynamiques ont été réalisés en utilisant trois teneurs massiques en eau différentes dans chaque sol. Des expériences sur des sols contaminés par deux contaminants testés (décane et toluène), en situation mono et double pollution, ont été réalisées avec des échantillons dans des conditions sèches et humides et à des débits d’extraction de 10 et 16 L.min-1. Les expériences ont été réalisées dans les conditions de température ambiante et de température égale à 60°C. Des tests d’extractions sur un site réel contaminé par des hydrocarbures ont aussi été réalisés. Il a été démontré que la quantité d’eau mobile est largement influencée par la composition du sol. Les résultats obtenus ont montré que la présence d'argile dans le sable permet une plus grande rétention des contaminants (phénomène d’adsorption) par rapport à un sol composé uniquement de sable. Des temps d’élimination plus faibles ont été observés pour le contaminant ayant la pression de vapeur plus grande (toluène). Des diminutions légères et non significatives du rendement, d'environ 1%, en passant d'un débit de 16 L.min-1 à un débit de 10 L.min-1 ont été obtenues. Il a été démontré que l'augmentation de la teneur en eau du sol rend le processus de dépollution moins efficace. Les taux d'extraction des contaminants en double pollution sont nettement inférieurs à leurs taux d'extraction en mono-pollution. Le processus T-SVE, comparé à la SVE conventionnelle, est plus efficace en termes de temps de dépollution, ainsi qu’en termes de rendement d’extraction. L´allure des courbes de l´évolution de concentrations des polluants et de dépressions obtenues en essais terrain où les conditions sont plus complexes et variables présente des tendances similaires à celle observée en laboratoire. Une première approche numérique concernant la simulation du transport / transfert de masse en se basant sur les résultats d’expériences sur colonne 1D a été effectuée. Le modèle proposé est capable de simuler les courbes d’extraction avec une bonne concordance par rapport aux résultats expérimentaux.

Soil Vapour Extraction stands out as a widely used solution for the in situ remediation of soils contaminated with volatile organic compounds (VOCs). By applying a vacuum to the soil matrix, a flow of air is produced through it, carrying the volatile contaminants to extraction wells that remove the pollutants from the soil. Experimental studies in the laboratory and on site have been carried out to provide a complete analysis of SVE by tracking pollutants in the outgoing gases. An improvement to this technique using the thermal method was studied (T-SVE). Transport and mass transfer during the laboratory experiments were numerically simulated. Two soil models were chosen and characterised: 100% sand (soil 1) and sand mixed with 5% kaolin (soil 2). Experimental set-ups were used to analyse various parameters characterising the extraction system. Hydrodynamic tests were carried out using three different water mass contents in each soil. Experiments on soils contaminated by the two contaminants tested (decane and toluene), in single and double pollution situations, were carried out with samples in dry and wet conditions and at extraction rates of 10 and 16 L.min-1. The experiments were carried out at room temperature and at 60°C. Extraction tests were carried out on a real site contaminated by hydrocarbons. It has been shown that the quantity of mobile water is largely influenced by the composition of the soil. The results obtained showed that the presence of clay in the sand resulted in greater retention of contaminants (adsorption phenomenon) compared with a soil composed solely of sand. Lower elimination times were observed for the contaminant with the highest vapour pressure (toluene). Slight and non-significant decreases in yield, of around 1%, were obtained when going from a flow rate of 16 L.min-1 to a flow rate of 10 L.min-1. It has been shown that increasing the water content of the soil makes the depollution process less effective. The extraction rates of contaminants in double pollution are significantly lower than their extraction rates in monopollution. The T-SVE process, compared with conventional SVE, is more efficient in terms of clean-up time and extraction yield. The trends in pollutant concentration and depression curves obtained in field trials, where conditions are more complex and variable, are similar to those observed in the laboratory. An initial numerical approach to the simulation of mass transport/transfer based on the results of experiments on a 1D column was carried out. The proposed model is capable of simulating the extraction curves with good agreement with the experimental results.