Kinetics of degradation of chlorinated solvents in groundwater - Multiscale approaches from laboratory to field scale
Cinétiques de dégradation des solvants chlorés dans les eaux souterraines - Approches multi-échelles du laboratoire au site réel
Résumé
Since the 50's, the contamination of soils and groundwater by chlorinated solvents significantly increases. These volatile organic compounds are also widely used in industry and the majority of them are considered potential carcinogenic chemicals for human beings. This work is particularly focalised on an innovative strategy of polluted sites management : Natural Attenuation. Several mechanisms govern this approach and among them, it is direct anaerobic reductive dechlorination which seems to be the most significative degradation process. The aim of the work was to evaluate whether the study of reductive dechlorination at various different observation scales allowed for a better characterization of Natural Attenuation on a real site. The site is a still active industrial complex where a PCE (tetrachloroethylene) source zone was discovered. Moreover, another regions contaminated by mineral oils were also characterized. Physicochemical groundwater monitoring enabled to demonstrate the occurence of PCE degradation byproducts directly above the source zone, such as cis-1,2-dichloroethylene and Vinyl Chloride (VC). According to the solution of Domenico et al. (1987), the approximate transport modeling proved that the plume of dissolved organochlorinated compounds fluctuated laterally. In order to confirm the occurrence of direct reductive dechlorination at different locations of the site, several batch reactors were prepared from subsoils and groundwater. Results indicated that complete biodegradation of PCE to ethene is very localized at the site ; furthermore, the growth of dechlorinating bacteria seems to be highly restricted to the content of dissolved organic matter. The experiments carried out in a lab column provided interesting informations about the influence of sulphate and organic matter level on PCE biodegradation. The fittings of first order degradation rates with Phreeqc-2.0 demonstrated that sulfate-reduction and complete transformation of PCE to cis-1,2-DCE could be simulated in specific physicochemical conditions. According to a specific monitoring campaign, different runs carried out with the hydrodynamic model of transport and biodegradation showed that the plume of organochlorinated pollution is narrow because of fast groundwater flux. Therefore, the plume migrates quickly. Biodegradation modeling was a difficult operation, due to difficulties in fitting of chloroethenes concentrations, which are spatially and temporally heterogeneous. At the field scale, estimated degradation rates seem to be reduced, compared to the data measured at laboratory scale.
Depuis les années 50, les contaminations des sols et des eaux souterraines par les solvants chlorés se sont multipliées. Ces composés organiques volatils sont encore très fréquemment employés dans l'industrie et la plupart d'entre eux sont considérés comme des produits potentiellement cancérigènes pour l'homme. Ce travail est particulièrement focalisé sur une stratégie innovante de gestion de sites pollués : l'Atténuation Naturelle. Plusieurs mécanismes régissent cette démarche et parmi eux, c'est la déchloration réductrice anaérobie directe qui semble être le processus de dégradation le plus significatif. L'objectif de ce travail a été d'estimer si l'étude de la déchloration réductrice à plusieurs échelles d'observation permettait de mieux caractériser l'Atténuation Naturelle sur un site pilote. Le site d'étude est un complexe industriel encore en activité, où une source de pollution uniquement constituée de PCE (tétrachloroéthylène) a été mise en évidence. De plus, diverses zones polluées par des hydrocarbures d'huiles minérales ont été également caractérisées. Les campagnes de suivi physico-chimique ont permis de montrer qu'à l'aval hydraulique de la source, des sous-produits de biodégradation du PCE, comme le cis-1,2-DCE (cis-1,2-Dichloroéthylène) et le CV (Chlorure de Vinyle), ont été détectés très localement sur le site. La modélisation approximative selon la solution de Domenico et al. (1987) a démontré que le panache de composés organochlorés dissous variait latéralement. Afin de confirmer l'existence de la déchloration réductrice directe sur plusieurs points du site, plusieurs réacteurs fermés ont été préparés à partir de sous-sol et d'eaux souterraines. Les résultats ont indiqué que la biodégradation complète du PCE jusqu'à l'Ethylène est très localisée sur le site. L'activité bactérienne déchloratrice semble être fortement limitée par la quantité de matière organique dissoute, ce qui laisse suggérer un manque de donneurs d'électrons à l'échelle réelle. Les expérimentations effectuées dans une colonne de laboratoire ont fourni des informations intéressantes quant à l'influence des sulfates et de la quantité de matière organique sur la biodégradation du PCE. Les ajustements des constantes de dégradation du premier ordre sous Phreeqc-2.0 ont montré que la réduction des sulfates et la conversion complète du PCE jusqu'au cis-1,2-DCE pouvaient être simultanées dans certaines conditions physico-chimiques. Les différentes simulations exécutées avec le modèle d'écoulement, de transport et de biodégradation, selon une campagne précise, ont prouvé que le panache de pollution organochlorée est de faible largeur ; les écoulements étant rapides dans cette région, ce panache se déplace assez rapidement. La modélisation de la biodégradation s'est révélée délicate en raison des difficultés d'ajustement des concentrations en solvants chlorés mesurées, qui sont très hétérogènes spatialement et temporellement. Les constantes de dégradation estimées à l'échelle réelle semblent être relativement faibles par rapport aux données mesurées en laboratoire, du fait de l'hétérogénéité des conditions physico-chimiques modélisées à l'échelle réelle.
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