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Applicabilité du lavage des sols pour la réhabilitation in situ de sites hétérogènes contaminés par des hydrocarbures légers.

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Robert, Thomas (2015). Applicabilité du lavage des sols pour la réhabilitation in situ de sites hétérogènes contaminés par des hydrocarbures légers. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 303 p.

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Résumé

La réhabilitation de sites hétérogènes contaminés par une phase libre d’hydrocarbures pétroliers légers pose plusieurs défis. Lorsque l’enlèvement par excavation des sols contaminés n’est pas possible en raison de contraintes techniques, l’utilisation de technologies in situ doit être envisagée. L’extraction multiphase sous vide est une technologie in situ conventionnelle couramment employé dans de tels cas. Pour atteindre les critères de réhabilitation, près de la totalité des hydrocarbures pétroliers doit être récupérée, et l’extraction multiphase sous vide ne permet pas ce genre d’enlèvement. L’utilisation d’une technologie complémentaire est donc nécessaire afin d’envisager l’atteinte du critère de réhabilitation. Le lavage des sols à l’aide de solutions tensioactives a un bon potentiel pour augmenter la récupération des hydrocarbures, mais l’applicabilité de cette technologie à grande échelle dans des environnements hétérogènes et suivant une extraction multiphase sous vide n’est pas encore bien démontrée. L’objectif principal de la thèse était donc d’évaluer l’applicabilité du lavage des sols pour augmenter le rendement de la technologie de l’extraction multiphase sous vide sur des sites hétérogènes contaminés par une phase libre d’hydrocarbures pétroliers légers. Le déplacement immiscible des hydrocarbures par une solution tensioactive a été l’approche étudiée en raison de son aspect économique. La méthodologie générale, basée sur la réalisation d’essais et l’acquisition de données expérimentales à différentes échelles, a été divisée en 6 volets de recherche. Volet 1 : Les sols, les hydrocarbures et l’eau souterraine ont été caractérisés. Volet 2 : Une approche générale basée sur un essai de traçage dans l’eau souterraine (superficie de 25 m²) a été développée pour caractériser le contexte hydraulique d’application de la technologie du lavage de sols, mesurer l’uniformité du balayage d’une zone source hétérogène, et estimer les cibles de récupération d’hydrocarbures pétroliers. Volet 3 : Une solution de lavage à faible concentration en tensioactif (<1%) a été optimisée en fonction des propriétés spécifiques au site à l’aide d’essais en laboratoire. Volet 4 : L’application de la technologie du lavage de sols a été testée à l’intérieur de conditions réelles au site expérimental sur une superficie de 100 m². Cet essai a démontré que les sites hétérogènes composés de remblais et contaminés par un mélange dégradé d’hydrocarbures présentent des contraintes vis-à-vis l’application du lavage des sols. Ces contraintes ont entraîné une faible récupération des hydrocarbures lors de l’essai. Volet 5 : Des essais complémentaires en colonne de sol (volume de sol de 150 cm³) ont permis de mieux comprendre ces contraintes en quantifiant l’impact des propriétés hétérogènes des sols (perméabilité, distribution granulométrique, minéralogie) et du mélange d’hydrocarbures pétroliers sur les cibles de récupération spécifiques au site expérimental. Volet 6 : Un laboratoire d’essai à une échelle intermédiaire permettant de tester des approches de traitement in situ a été mis au point. Ce laboratoire a été utilisé pour tester l’impact du profil de saturation en hydrocarbures pétroliers dans les sols sur l’uniformité du balayage de la zone à traiter par les solutions de lavage. Ces six volets de recherche ont permis d’identifier et de quantifier les facteurs nuisant à l’uniformité du balayage de la solution de lavage à l’intérieur de la zone source, et les facteurs nuisant au déplacement immiscible des hydrocarbures à l’intérieur des zones balayées par la solution de lavage. Ces principaux facteurs sont : la faible porosité accessible mesurée à l’intérieur de la zone source, les gradients hydrauliques limités en condition de nappe libre, l’incapacité à produire une phase intermédiaire de microémulsion entre la solution de lavage et le mélange d’hydrocarbures pétroliers, la mouillabilité mixte du système eau-sol-hydrocarbure et le profil de saturation résiduelle en hydrocarbure dans les sols. Dans le cas spécifique au site expérimental, ces facteurs rendent la technologie du lavage de sols impraticable techniquement. Une alternative de traitement a également été testée au laboratoire d’essais à une échelle intermédiaire : une combinaison du rabattement de nappe et de la ventilation forcée des sols. Cette alternative pourrait être prometteuse dans le cas spécifique au site expérimental, mais requiert davantage de travaux d’optimisation.

Abstract

The remediation of heterogeneous sites impacted by free-phase peroleum hydrocarbons is challenging. When the excavation of contaminated soil is not feasable technically, the use of insitu remediation technologies has to be considered. Multiphase vacuum extraction is a common in-situ technology used for this purpose. However, industrial soil quality guidelines cannot be reached by multiphase vacuum extraction, and a follow-up technology must be used. Soil flushing with surfactant solutions is a promising technology for such purpose. However, the applicability of this technology as a follow-up to multiphase vacuum extraction in a heterogeneous environment is not well documented. The main objective of this thesis was to evaluate the applicability of in-situ soil flushing to enhance light non-aqueous phase liquid (LNAPL) recovery during multiphase vacuum extraction applied to heterogeneous sites. Immiscible LNAPL displacement by a low-concentration surfactant solution was the approach studied based on its economics. The project general methodology, which is based on data acquisition from laboratory and fieldscale experiments, was divided into 6 parts. Part 1: Soil, LNAPL and groundwater phases at the experimental site were characterized. Part 2: A general approach based on the use of an applied tracer test using a typical five-spot injection/extraction pattern (25 m²) was developed in order to characterize the site-specific hydraulic properties relevant to soil flushing, to measure the flow uniformity of an aqueous solution within the heterogeneous source zone, and to provide estimates for additional LNAPL recovery by immiscible displacement. Part 3: A cost-efficient, low-concentration surfactant solution was optimized through laboratory tests and considering site-specific soil, LNAPL and groundwater properties. Part 4: A pilot-scale soil flushing experiment was carried out at the experimental site over an area of 200 m². This test demonstrated that heterogeneous sites, including backfill material impacted by weathered LNAPL, are not favorable to in-situ soil flushing, and as a result, a low increase in LNAPL recovery was measured during the test. Part 5: Soil column experiments (150 cm³) were conducted in order to enhance the understanding of the pilot test results and to quantify the impacts of heterogeneous site properties (permeability, grain size distribution, mineralogy) and weathered LNAPL on site-specific LNAPL recovery by immiscible displacement using a surfactant solution. Part 6: A laboratory experiment was set-up to allow testing at an intermediate scale of in-situ technologies for heterogeneous site remediation. This laboratory test, based on sand tank experiments (up to 4 m³), was used to evaluate the impact of a typical variable residual LNAPL saturation profile on the vertical distribution of micellar solutions injected through a source zone. This general methodology allowed the identification and quantification of factors responsible for poor contact between injected solutions and residual LNAPL, and factors detrimental to LNAPL capillary desaturation and immiscible displacement within the swept portions of source zones : namely, the low accessible porosity measured within the source zone, imposed hydraulic gradients limited by the unconfined nature of the aquifer, the inability to produce a middle-phase microemulsion with anionic surfactants and the site LNAPL, the mixed wettability of the soil- LNAPL-groundwater system, and the variable residual LNAPL saturation profile typical of LNAPL contaminated sites. With respect to site conditions encountered at the experimental site, these factors make in-situ soil flushing technically impractical. An alternative treatment technology showed promising results for the treatment of low-permeability soil during a second laboratory intermediate-scale experiment: a combination of dewatering and soil vapor extraction. However, the application of this technology to the experimental site requires further optimization.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Martel, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Mots-clés libres: réhabilitation in situ; hydrocarbures pétroliers; saturation résiduelle; essais de traçage; sites hétérogènes; extraction multiphase sous vide; tensioactifs; mobilisation; nombre capillaire; solution micellaire; in-situ remediation; LNAPL; residual saturation; tracer test; heterogeneous site; multiphase vacuum extraction; surfactant; mobilization; capillary number; micellar solution
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 16 févr. 2018 21:16
Dernière modification: 01 juin 2018 15:43
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6529

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