Wook.pt - Transfert advectif et diffusif de polluants inorganiques dans les barrières d'étanchéité minérales présentes dans les centres de stockage de

Transfert advectif et diffusif de polluants inorganiques dans les barrières d'étanchéité minérales présentes dans les centres de stockage de

dans les centres de stockage de déchets. Application aux sols fins portugais

de António José Roque 

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Sinopse

Le présent travail vise à contribuer à une meilleure connaissance de la performance hydro-géochimique des sols dont les caractéristiques géotechniques sont proches de celles des sols habituellement utilisés pour la construction des barrières d'étanchéité minérales présentes dans les Centres de Stockage de Déchets (CSD), et ainsi à une meilleure conception et à un meilleur dimensionnement des dispositifs d'étanchéité se basant sur la détermination de la conductivité hydraulique, du coefficient de diffusion effective et de la capacité de rétention des sols. Dans le but d'obtenir un échantillonnage élargi de la performance des sols, nous procédons à la préparation de lixiviats multiespèces en laboratoire, l'un acide et l'autre neutre à légèrement alcalin, au prélèvement de trente échantillons dans différentes formations argileuses portugaises et au prolongement des essais destinés à l'évaluation de l'intégrité des sols au cours du temps.

Nous commençons avec l'étude de la phénoménologie des interactions sol-eau-électrolyte, dans le but de contribuer à une meilleure compréhension du fonctionnement du système sol-lixiviat. Ainsi, après la présentation des intervalles de variation recommandés par différents auteurs pour les propriétés indice des sols à utiliser pour la construction des barrières d'étanchéité minérales, nous abordons la nature des forces qui agissent entre les particules argileuses et qui conduisent à la notion de stabilité du système sol-eau-électrolyte. Nous faisons référence, en nous basons sur une synthèse bibliographique, à certaines propriétés des sols, déterminées à partir d'essais rapides, qui peuvent indiquer, dans une première phase de l'étude, les éventuelles conséquences des interactions sol-lixiviat dans la performance hydro-géochimique des barrières d'étanchéité minérales, notamment sur leur conductivité hydraulique et leur capacité d'atténuation.

Nous décrivons les principaux processus physiques, chimiques et biologiques de rétention des polluants inorganiques dans les sols et présentons pour quelques polluants inorganiques (divisés en trois grands groupes: espèces anioniques, espèces cationiques et métaux lourds) les mécanismes de rétention responsables de leur retardement dans les sols. Nous présentons une classification qualitative de la mobilité de certains polluants inorganiques dans les sols, et notamment de ceux considérés par ce programme de recherche. Après avoir fait l'analyse des types d'écoulement, directs et couplés, dans les sols et de l'influence du couplage de divers types de gradients sur le transport des polluants à travers les sols, nous indiquons les principaux processus de transport des polluants à travers les barrières d'étanchéité minérales, ainsi que la formulation mathématique correspondante. Nous présentons les formulations théoriques (loi de Poiseuille et expression de Kozeny-Carman) et empirique (loi de Darcy) habituellement utilisées dans l'étude de la conductivité hydraulique des sols et de l'influence de différentes variables sur ce paramètre. Les principes fondamentaux de la diffusion des polluants dans une solution libre (matrice poreuse inexistante), infiniment diluée ou concentrée puis dans le sol sont présentés ainsi que les variables qui peuvent influencer la migration diffusive des espèces chimiques puis les lois de Fick utilisées dans la détermination du coefficient de diffusion des espèces chimiques dans les cas du régime permanent (première loi de Fick) et du régime transitoire (seconde loi de Fick). Nous décrivons, en nous basons sur des éléments recueillis dans la bibliographie, les principes généraux des méthodes de mesure en laboratoire de la conductivité hydraulique et du coefficient de diffusion effective et les principaux types de perméamètres et cellules de diffusion. Sur la base de ces éléments, la méthodologie qui a permis de sélectionner les équipements et les méthodes d'essai utilisés dans la réalisation du programme expérimental sera exposée.

Les caractéristiques des lixiviats produits dans les CSD de déchets ménagers et assimilés sont données ainsi que - suite à une analyse bibliographique exhaustive - une base de données relative à la composition chimique de ces lixiviats. Ces données ont permis de sélectionner les espèces chimiques inorganiques (le bromure, le chlorure, le sulfate, le sodium, le magnésium, le potassium, le calcium, l'ammonium, le cuivre, le zinc et le cadmium) et les concentrations chimiques représentatives de la composition chimique des lixiviats réels afin de préparer des lixiviats acide et neutre à légèrement alcalin. Nous décrivons la méthodologie qui a conduit au prélèvement de trente échantillons dans les principales formations argileuses portugaises et procédons à la caractérisation des sols (minéralogie et propriétés indice, physiques et chimiques) qui couvrent une vaste gamme de propriétés géotechniques. Les résultats obtenus dans les essais sont analysés ainsi que leur traitement statistique à travers des méthodes de corrélation linéaire et d'analyses multivariées, dans le but de sélectionner les échantillons représentatifs de l'échantillonnage global pour l'étude de la performance hydro-géochimique des sols.

Les essais de perméabilité en laboratoire ont été réalisés avec des équipements et dispositifs spécialement conçus pour la détermination de la conductivité hydraulique des éprouvettes préparées à partir des sept échantillons sélectionnés sur les trente et du temps de transfert d'espèces chimiques inorganiques (le chlorure, le sulfate, le sodium, le magnésium, le potassium, le calcium, le cuivre, le zinc et le cadmium) à travers les sols par advection et pour l'étude des effets des lixiviats acide et neutre à légèrement alcalin sur l'intégrité des sols à long terme. Nous présentons et justifions la méthodologie utilisée lors de la réalisation des essais. Bien que la méthodologie utilisée dans la réalisation de ces essais soit identique à celle des essais classiques de perméabilité, il existe quelques différences importantes, en particulier la nécessité de déterminer la concentration des espèces chimiques dans le percolat et de prolonger l'essai jusqu'à l'établissement du régime chimique permanent. Nous analysons la variation de la conductivité hydraulique en fonction de la fraction des vides et de la teneur en eau de compactage, ainsi que la variation du pH, de la conductivité électrique et du potentiel redox en fonction de la fraction des vides et la variation de la concentration des espèces chimiques dans le percolat en fonction de la fraction des vides. Nous évaluons l'influence de la première exposition du sol au lixiviat acide sur sa performance hydro-géochimique, en nous basons sur les valeurs de la conductivité hydraulique des éprouvettes compactées et percolées, les unes séquentiellement avec de l'eau déminéralisée puis du lixiviat acide et les autres directement avec du lixiviat acide. A partir des résultats des essais de perméabilité et en admettant des conditions aux limites proche puis extrêmes par rapport à la sollicitation des barrières d'étanchéité minérales présentes dans les CSD, nous procédons d'abord à la prévision du temps durant lequel il est possible de garantir l'intégrité et la performance hydro-géochimique des sols, puis à la prévision du temps de transport nécessaire pour que les espèces chimiques traversant les sols atteignent la concentration relative c/c0 = 0,5.

Etant donné la faible conductivité hydraulique des éprouvettes compactées, la diffusion a été jugée comme l'un des mécanismes importants, voire dominant, du transport des polluants à travers les barrières d'étanchéité construites avec des sols similaires aux échantillons testés, et ceci dans le cas de conditions aux limites spécifiques aux CSD. C'est pourquoi, nous avons procédé, en plus de l'étude du transport des espèces chimiques par advection, à l'étude du transport d'espèces chimiques inorganiques (le chlorure, le sodium, le magnésium, le potassium, le calcium, le cuivre, le zinc et le cadmium) par diffusion. Pour ce faire, des équipements et dispositifs spécifiques pour l'étude du transport des polluants par diffusion pure ont été conçus. Nous présentons et justifions la méthodologie utilisée lors de la réalisation des essais. Les résultats des essais sont analysés et nous comparons les valeurs du coefficient de diffusion effective obtenues à partir de la concentration des espèces dans le réservoir et dans l'éprouvette, moyennant l'utilisation d'une solution analytique de la seconde loi de Fick et du logiciel POLLUTEv6, respectivement. Sont également comparées les gammes des valeurs du coefficient de diffusion effective avec celles publiées dans la littérature. Nous analysons l'influence de la composition granulométrique et minéralogique des échantillons et du pH des lixiviats sur le coefficient de diffusion effective des espèces chimiques étudiées. Finalement, nous procédons à l'évaluation de l'équivalence, en termes de capacité d'étanchéité, entre une couche de sol compactée avec une teneur en eau 2% supérieure à la teneur en eau optimum Proctor normal et une couche du même sol compactée avec la même teneur en eau surmontée d'un géosynthétique bentonitique.

Au vue les résultats obtenus, il apparaît important que le dimensionnement actuel, basé sur des prescriptions réglementaires établies principalement à partir de la conductivité hydraulique des sols, évolue vers un dimensionnement qui prend en considération aussi bien le transport des polluants par advection et par diffusion que la capacité de rétention des sols. L'adoption de cette approche permettrait, très probablement dans des circonstances différentes, d'optimiser les dispositifs de confinement calculés selon les prescriptions réglementaires actuelles. Autrement dit, le dispositif de confinement serait adéquat dès lors qu'il est démontré que la concentration des polluants dans le sous-sol ou dans l'eau souterraine ne dépasserait pas dans un temps donné la concentration maximale admissible réglementaire.

Transfert advectif et diffusif de polluants inorganiques dans les barrières d'étanchéité minérales présentes dans les centres de stockage de
ISBN: 9789724920108Edição ou reimpressão: Editor: LNECIdioma: PortuguêsPáginas: 754Tipo de Produto: Livro Classificação Temática: Livros em Português > Engenharia > Engenharia Geral
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