Soutenance de thèse de Quentin GIRAUD

Ce manuscrit s'intéresse au devenir de contaminants organiques dans le sol, et plus précisément celui des composés organo-halogénés volatils (COHV). Il propose des outils d'aide à la décision en utilisant la modélisation numérique appliquée à des problématiques environnementales portant sur le traitement de sites et sols pollués par des COHV. Il présente la modélisation numérique d'une technique de dépollution physique, à savoir le pompage réussi, au sein d'un aquifère, d'une phase liquide non-aqueuse plus dense que l'eau ou Dense Non-Aqueous Phase Liquid (DNAPL), ainsi qu'une méthode de d'évaluation, à la fois qualitative et quantitative, de l'efficacité dudit pompage. Les outils numériques présentés dans ce manuscrit pourront aider à dimensionner et à évaluer en termes technico-économiques un pompage de DNAPL en zone saturée. Le premier chapitre comprend une étude bibliographique sur la problématique des écoulements polyphasiques en milieu poreux et sur les COHV rencontrés lors des expériences menées sur le terrain. Il détaille les propriétés générales des COHV en milieu poreux, les différentes théories des écoulements polyphasiques en milieu poreux, la caractérisation avancée par un Partitioning Interwell Tracer Test ou PITT ; et enfin certains outils de modélisation numérique adaptés à la problématique générale de cette thèse. Ensuite, vous trouverez le chapitre qui décrit de manière générale le contexte dans lequel s'inscrit cette thèse, à savoir le projet de recherche et développement SILPHES, financé par l'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergie (ADEME), l'un des plus gros projets de R&D financé par une agence publique et bénéficiant des Investissements d'Avenir. Dans cette partie, vous pourrez y lire une présentation générale du site expérimental mais aussi des expériences sur lesquelles se base les travaux de cette thèse ; notamment la construction de casiers en béton enfouis au droit de la pollution pour travailler en milieu fermé et peu remanié. La troisième partie rassemble l'étude complète de modélisation du pompage de DNAPL à l’intérieur d’un casier. J'ai choisi d'y incorporer l'article accepté par la revue Journal of Contaminant Hydrology. Cette partie détaille tout le processus de construction du modèle numérique pour simuler le pompage de la DNAPL. J’ai été en mesure de reproduire, grâce au simulateur TMVOC, les données du pompage. De plus, cette simulation a permis de fournir, a posteriori, une estimation de la durée de pompage dans l'hypothèse d'un casier étanche. Un gain d'environ 60 % de temps aurait été possible. Nous pouvons seulement proposer une optimisation d'un système de pompage sans évaluation de l'efficacité de la technique. Cependant, le dernier chapitre illustre le fait qu’il est possible de répondre à la question de l'efficacité d'un pompage, ou toute autre technique de traitement in situ, par un test de traçage avancé : le PITT. Ce PITT nous permet d'apprécier l'efficacité de la technique de dépollution à travers plusieurs paramètres : la répartition spatiale de la DNAPL ; le volume restant de DNAPL et donc sa saturation. Les résultats post-pompage concordent parfaitement avec les estimations de DNAPL restante. De plus, la technique PITT est de 100 à 1000 fois moins chère par mètre cube étudié par rapport à une technique classique de caractérisation par carottage géologique. En lisant ce manuscrit, vous avez à disposition des outils élaborés et adaptés au traitement d'une DNAPL dans la zone saturée d'un milieu poreux. La combinaison des deux techniques présentées, à savoir la modélisation d'un pompage de DNAPL et un PITT, sont parfaitement reproductibles dans des environnements similaires et à l'échelle industrielle. Enfin, ces méthodes permettent de réduire considérablement les coûts de caractérisation (PITT) et d'exploitation par l'optimisation de systèmes de pompage.

This manuscript deals with the fate of organic contaminants in soil, more precisely of volatile organo-chlorinated compounds (VOHC). It offers some decision making techniques and tools using numerical modelling applied to environmental issues about the treatment of soils contaminated by VOHC. It presents the numerical modelling of a physical treatment technique, namely the successful pumping within an aquifer, of a Dense Non-Aqueous Phase Liquid (DNAPL), and also an tracer test assessment method, both qualitative and quantitative, for the efficiency of this pumping. This report could give some helping directions for the design and the efficiency assessment of this physical remediation method for a site contaminated by VOHC or an other DNAPL, in technico-economic indicators. Firstly, you will find a state-of-the-art bibliographic study in order to give you the necessary knowledge about multiphase flow and VOHC behaviour in porous media: general VOHC physico-chemical properties; different theories on multiphase flow; the Partitioning Inter-well Tracer Test (PITT) theory, an advanced characterisation tool; and some numerical modelling tools (i.e. TMVOC) dedicated to the general topic of this thesis. In the second part of the manuscript, the context of this thesis work is detailed. This thesis is part of the SILPHES research and development project, financially supported by the French Environmental and Energy Agency (ADEME), one of the biggest environmental R&D project supported by a public institute in France. You will find a general presentation of the experimental site and the experiences lead on site. In short, four concrete keyed enclosures were installed in a polluted area by a big DNAPL pool in order to work in a closed and almost undisturbed environment without any exterior influences. The third part deals with the complete study of the numerical modelling of the DNAPL pumping. I chose to include the accepted article by the Journal of Contaminant Hydrology. It gives a detailed description of the construction of the conceptual and numerical model in order to simulate the pumping of the DNAPL in one of the enclosures. I was able to reproduce, thanks to the TMVOC simulator, the DNAPL pumping, including this breach. Furthermore, through this simulation, I was able to give, a posteriori, an estimation of the DNAPL pumping within an hypothetical impermeable enclosure. The duration of the pumping would have lasted 60% less than the real experiment. An optimisation of the pumping system would be possible thanks to the numerical modelling. Unfortunately, it was not possible to assess the efficiency of the pumping with TMVOC. Yey, In the fourth part, you will see that the determination of the efficiency of the pumping of a DNAPL is possible, using the advanced tracer test technique called PITT, through several indicators: the spatial repartition of the DNAPL; the DNAPL volume left inside the enclosure; hence the saturation of the DNAPL. In the end, the estimated DNAPL volume left after the pumping matches the data on site. Last, but not least, the PITT technique is 100 to 1000 times cheaper, by cubic meter of studied soil, than a classical characterisation technique, such as geological loggings. Through this manuscript, you will have elaborated tools adapted to the remediation of a DNAPL in an aquifer. The combination of these two techniques, namely the DNAPL pumping and the PITT, are perfectly reproducible in similar environments up to an industrial scale. Finally, exploitation and characterisation costs for DNAPL remediation can be extremely reduced by numerical modelling and optimisation.