Studio del comportamento dei DNAPLs nel suolo e nel sottosuolo: analisi sperimentale e simulazione numerica

Soil and groundwater contamination due to release and transport of organic compounds characterized by a density higher than water and a low water solubility (currently referred to as DNAPL, Dense Non Aqueous Phase Liquid), represents a diffuse environmental problem, due to their large use in industrial or commercial processes. Characterization and remediation of sites contaminated by these compounds is critical and difficult as a consequence of their peculiar physical-chemical properties. In fact, due to their limited but environmentally significant aqueous solubility, spills of these compounds typically result in the formation and migration of an organic separate phase that is denser than water and can move for significant distances in the subsurface, contaminating large volumes of the subsurface environment. When introduced into the subsurface, gravity causes the DNAPL to migrate downward through the unsaturated and saturated zone as a distinct liquid. This vertical migration is also accompanied to some extent by lateral spreading due to the effect of capillary forces and to medium spatial variability. When an amount of DNAPL reaches the water table, if it has sufficient energy, being denser than water, the free phase keeps on moving mainly downward for gravity while a dissolved phase begins to move down-gradient generating a contaminant plume where the different DNAPL constituents will be dissolved at different concentration depending on their specific water solubility. The resulting DNAPL distribution is characterized by zones of entrapment at low saturation (residual, ganglia and blobs) and high saturation (pools at permeability barriers and macro-scale entrapment zones resulting from capillary barriers). Entrapped DNAPL dissolves slowly into flowing groundwater and acts as a long-term source of contamination. The contamination scenario described above makes any remediation attempt very difficult. In site characterization, in order to select the most feasible remediation technique and to estimate the required remediation time, identification of the source position and amount is then required. A comprehensive investigation of such aspects is still lacking; some attempts have been proposed to apply the laws of multiphase and multi-component transport in order to develop specific simulators. In any case, their predictive capability and the suitability of the various assumption embodied in them, need to be evaluated versus controlled laboratory experiments. Several experimental studies have been reported in literature but there are only a few reports of NAPL source migration in comparison with those of solute transport. Tests for DNAPL remediation by using a surfactant, co-solvents or PRB have been performed. Furthermore among the NAPL-related reports, more experimental investigations have been carried out on LNAPL migration, rather than on DNAPL migration. Migration and dissolution processes have been studied at lab scale in one dimensional column. Just some two-dimensional tank tests for measuring NAPL migration in heterogeneous ground system and for studying the effect of groundwater flow on NAPL behaviour have been performed. The aim of this study is then to enhance the knowledge on DNAPL transport in porous media by means of : 1. Theoretical aspects about DNAPL migration; 2. Experimental procedure to study DNAPL migration in porous media; 3. Experimental tests in 2-D apparatus; 4. Numerical simulations. The basis for an experimental procedure have been defined and materials and methods to investigate DNAPLs behaviour in the subsurface, during experimental procedures, have been optimized. An image analysis procedure has been developed and applied to reproduce dynamic DNAPL saturation profiles during the infiltration process. In particular, the saturation measure allows to highlight the morphology of the preferential flow paths influencing DNAPLs fate. For a quantitative analysis of the characteristics of the overall flow, measures should be fast, accurate and if possible non-intrusive. All these features are specific to those techniques that use optical properties of the media as well as the image analysis methods. The image analysis represents a non-invasive and cost-effective procedure to reproduce the saturation profile under dynamic condition. Generally, the non-intrusive or non-destructive methods used to measure fluid saturation, such as gamma ray, or conventional X-ray attenuation techniques, do not allow the acquisition of dynamic fluid saturation distribution in the entire flow domain at one time. Because of practical limitations on source intensity, long counting times are needed and only one point can be measured at one time. This contrasts with the need to obtain data useful not only for the study of DNAPL behaviour in soil, but also to validate models. For these reasons the image analysis methods are valuable alternative tools in measuring transient phenomena in the entire flow domain at one time. Various parameter, linked to reflected light intensity which can be correlated to fluid saturation are reported in literature. The image procedure presented in this paper is based on reflected light intensity. The method was applied to two-phase flow in 2D experiments and allows continuous, quantitative and dynamic full field mapping of DNAPL saturation during infiltration and redistribution processes. The suitability of this method has been validated by means of a mass balance calculation of the infiltrated DNAPL amount. Materials and compounds usable in laboratory activities have been chosen and a 2-D apparatus able to simulate different hydraulic condition has been realized. The experimental activity was divided into two distinct phases. In the first phase the process of DNAPL migration has been analyzed, in the second mass transfer according to the morphology of the sources zones. In the first stage the experiments were performed using different hydraulic conditions, in order to assess the effects of stratification and the groundwater flow on the characteristics of the migration process (DNAPL infiltration and redistribution) and the behavior of sources zones. By means of performed experiments important information were obtained. The migration and redistribution processes, the infiltration and migration velocity, the characteristics of migration body, the saturation profiles and the amount of contaminated soil have been calculated for different hydraulic gradients. In the second phase two experiments with different values of water flow velocity was conducted in order to study the dissolution process under controlled conditions in a homogeneous porous medium. The influence of groundwater flow and the architecture of the sources (form and dimensions) on the processes of mass transfer have been evaluated. These experiments represent a first step towards understanding the processes of dissolution of DNAPLs, and represent therefore a starting point for future developments of the research. The obtained information provide useful data, not only for a better understanding of the behavior of DNAPLs in the soil, but also to validate the equations currently used in the study of multiphase flow, in addition, to calibrate the models commonly used. Numerical simulation with MOFAT have been carried out to obtain useful information about operative conditions, as well as the best configuration of the experimental tests, the best sampling points location, the contaminants amount and the conditions of the release, and finally the characteristics of the medium and the hydraulic conditions. Subsequently, on the basis of experimental results obtained, further numerical simulations have been developed, using the model TMVOC, in order to properly calibrate the parameters of interest and to reproduce the observed migration process. This activity was conducted in collaboration with the Christian Albrechts University in Kiel, in the European research project Model Probe. The first experimental results shown the influence of hydraulic gradient on separate phase migration. The hydraulic gradient, even if in this case accompanied to a high permeable medium, promotes the infiltration process, increasing the infiltration rate, it hampers a deviation with respect to the expected vertical direction of the motion. This shift is not revealed by the hand of some common models of multiphase transport. The displacement occurred to the barycentre of the DNAPL mass may lead to significant error in the location of sources, in the case of high gradients and high aquifer thicknesses and in the evaluation of the effects of water supply or pump and treat activities or other remediation strategy based on an increasing of water circulation. The results obtained showed the formation of residual DNAPL zones and influence of water flow on sources and contaminated soil amounts. The hydraulic gradient promotes, not only the redistribution process, but it also reduces pooled and residual DNAPL. This circumstance brings to a reduction of contaminated soil volume in presence of water motion. This effect is due to the easier penetration of water in the pores previously occupied by the DNAPL during its migration, but also it is due to the reduction of DNAPL spread with the hydraulic gradient increasing. The water motion, therefore, promotes both the drainage process, during which the DNAPL migrating occupies the pores saturated by water, and the imbibition process, during which the water returns to invade the pores previously occupied by DNAPL. These results confirm the importance of hydrodynamic conditions in determining the routes of migration and source morphology and the extension. The results of the second phase of the research shown the influence of water filtration on the mass transfer and the degree of sources reduction. These issues are critical to determine the effectiveness and efficiency of remediation activities based on the treatment of localized sources or plume containment. The mass transfer and the rate of sources reduction in presence of high-water flow velocities, are controlled by the presence of water flow. In terms of filtering close to those occurring in natural aquifers, however, is the sources architecture that most influence the mass transport and the sources reduction. The experimental work conducted to evaluate the behavior of the separated phase, together with those opened for the study of the dissolved phase, is therefore a fundamental step for a subsequent study on methodologies for the treatment of persistent sources of contamination such as DNAPL.

Nello studio e nella caratterizzazione della contaminazione dei suoli e delle falde molto spesso si riscontra la presenza di specie fluide identificabili ad un primo esame come immiscibili tra di loro e con la fase acquosa, indicati generalmente come NAPLs (Non Aqueous Phase Liquids), ed il cui comportamento si distingue da quello di qualsiasi altro inquinante presente come soluto. La caratterizzazione e la bonifica dei siti che presentano una contaminazione da DNAPLs è una questione che deve essere affrontata e che risulta spesso complicata dal particolare comportamento e destino di tali contaminanti. Infatti, a causa della bassa solubilità in acqua, lo sversamento di tali composti si traduce nella formazione e migrazione di una fase organica separata che risulta più densa dell’acqua, chiamata con l’acronimo DNAPL. La fase separata migra nella zona insatura e nell’acquifero, percorrendo distanze anche molto elevate, in funzione delle caratteristiche specifiche quali la densità, la viscosità e la tensione interfacciale dei fluidi presenti, e delle proprietà del mezzo attraversato, interessando ampie zone dell’acquifero. La fase disciolta viene trasportata nel verso del flusso idrico sotterraneo, dando origine al pennacchio di contaminazione, dove i vari costituenti si troveranno in concentrazioni dipendenti dalla loro specifica solubilità in acqua. La fase residua, intrappolata all’interno dei pori della matrice solida e gli accumuli continui al di sopra di lenti a bassa permeabilità, si comportano come sorgenti di contaminazione per la falda a lento e persistente rilascio. Uno dei maggiori problemi incontrati nella fase di caratterizzazione di siti contaminati da DNAPL risulta la localizzazione delle sorgenti secondarie di contaminazione. Per individuare la migliore tecnologia di bonifica e valutare i tempi necessari al raggiungimento degli obiettivi degli interventi stessi, è fondamentale la localizzazione delle sorgenti e la stima dei quantitativi presenti in fase separata e disciolti in falda. Considerata la difficoltà intrinseca nella caratterizzazione sperimentale diretta in campo di sorgenti sotto forma di DNAPL, una maggiore comprensione del fenomeno di migrazione può derivare dai risultati di attività sperimentali a scala di laboratorio, dalla valutazione delle leggi e dei parametri che regolano il flusso multifase. Anche se sono stati sviluppati diversi modelli numerici per lo studio del flusso multifase e del trasporto multicomponente, la loro capacità di predizione e l’applicabilità delle assunzioni in essi presenti necessita di una valutazione che passi attraverso i risultati di indagini sperimentali che consentano, quindi, di calibrare opportunamente i parametri di interesse, nonché se necessario le assunzioni di base. In passato le sperimentazioni in laboratorio ed in campo sono state condotte principalmente sulla fase disciolta e sono stati utilizzati di frequente metodi basati sulla soluzione dell’equazione del trasporto convettivo diffusivo (CDE) per simulare la contaminazione dovuta alla fase disciolta. Diversi esperimenti sono stati sviluppati per studiare il comportamento degli LNAPL, per la misura delle caratteristiche della migrazione dei DNAPLs usando colonne monodimensionali, per lo studio delle tecnologie di bonifica con surfattanti o co-solventi e con PRB utilizzando apparati bidimensionali, per lo studio della migrazione in mezzi eterogenei in vasche bidimensionali ed infine per la valutazione degli effetti della velocità del flusso idrico sotterraneo sul processo di migrazione. Ad oggi, però, non è stata sviluppata una metodologia sperimentale consolidata e completa per lo studio del comportamento dei DNAPLs. Tutto ciò contrasta con la necessità di ottenere dati utili, non solo alla comprensione dei fenomeni di migrazione, ma anche alla validazione dei modelli, che richiedono la conoscenza delle relazioni costitutive che intercorrono tra pressione, permeabilità relativa e saturazione. L’obiettivo dell’attività di ricerca è stato, quindi, quello di approfondire le conoscenze sul comportamento dei DNAPLs nei mezzi porosi attraverso le seguenti fasi: 1. Approfondimento degli aspetti teorici riguardanti il moto della fase separata; 2. Sviluppo di una metodologia sperimentale completa per lo studio dei processi di migrazione e la misura delle grandezze caratterizzanti il moto della fase libera; 3. Attività sperimentale a scala di laboratorio; 4. Simulazioni numeriche. Per caratterizzare il comportamento dei DNAPLs nel bacino sperimentale è necessaria la misura delle grandezze caratterizzanti il moto della fase libera, che è individuato tramite il rilevamento della pressione capillare e del grado di saturazione raggiunto dalle diverse fasi presenti. In particolare, la misura della saturazione consente di evidenziare le instabilità del flusso e i percorsi preferenziali dai quali dipende il destino dei DNAPLs, e di conseguenza l’attuazione di strategie di rimedio. Permette, inoltre, di studiare aspetti che non possono essere valutati direttamente in campo, come ad esempio le modalità di formazione delle sorgenti e l’influenza della loro morfologia sull’efficacia di interventi di bonifica basati sul trattamento localizzato delle sorgenti stesse. Per un’analisi quantitativa delle caratteristiche del flusso, le misure devono risultare veloci, accurate e non intrusive, in modo che non venga perturbata la geometria del mezzo poroso. Tutte queste caratteristiche sono proprie di quelle tecniche che utilizzano le proprietà ottiche dei mezzi per ricostruire i profili di saturazione. Le tecniche maggiormente utilizzate di carattere non intrusivo sono costituite dai metodi che si basano sull’attenuazione dalla dei raggi X o dei raggi gamma Tuttavia tali metodi non permettono l’acquisizione delle distribuzione di saturazione dei fluidi nell’intero dominio allo stesso istante. Nel presente lavoro è stata messa a punto una procedura di analisi di immagine per la ricostruzione dei profili di saturazione. Il metodo proposto risulta non invasivo, essendo un metodo di misura indiretto, facilmente applicabile in sperimentazioni a scala di laboratorio e, a differenza di metodi più sofisticati, come i raggi x o gamma, restituisce un monitoraggio dinamico della saturazione analizzando tutto il dominio considerato ad uno stesso istante. La validità del metodo è stata testata attraverso un bilancio di massa, confrontando i volumi infiltrati con quelli calcolati. Sono stati inoltre individuati, compatibilmente con la possibilità di utilizzare l’analisi delle immagini, i materiali idonei alla sperimentazione. In particolare sono state analizzate diverse soluzioni per il mezzo poroso, per l’inquinante, e per il tracciante e sono stati condotti esperimenti preliminari al fine di valutarne la compatibilità alle attività di manipolazione delle sostanze inquinanti nell’ambito di procedure sperimentali. Per lo studio a scala di laboratorio dei processi di migrazione dei DNAPLs nei mezzi porosi è stato progettato e realizzato un apparato bidimensionale, che simula le condizioni idrauliche presenti in un acquifero reale e che consente lo studio della migrazione di un DNAPL rappresentativo in differenti condizioni idrauliche, attraverso la visualizzazione della migrazione e la misura dei parametri necessari alla descrizione del moto. L’attività sperimentale è stata suddivisa in due fasi distinte. Nella prima fase è stato analizzato il processo di migrazione della fase separata, nella seconda il trasferimento di massa in funzione della morfologia delle sorgenti. Nella prima fase gli esperimenti sono stati realizzati utilizzando diverse condizioni al contorno per il gradiente idraulico, al fine di valutare l’effetto delle stratificazioni e del flusso idrico sotterraneo sulle caratteristiche di migrazione (infiltrazione e ridistribuzione del contaminante) e sul comportamento delle sorgenti secondarie. Sono stati valutati le velocità di infiltrazione e ridistribuzione del contaminante, le caratteristiche del corpo di migrazione, i profili di saturazione, la quantità di DNAPL residuo e le porzioni di suolo interessate dalla contaminazione residua per diverse condizioni al contorno. Nella seconda fase sono stati condotti due esperimenti con differenti valori delle velocità del flusso idrico per studiare il processo di dissoluzione in condizioni controllate in un mezzo poroso dalle caratteristiche omogenee e valutare qualitativamente l’influenza del flusso idrico sotterraneo e dell’architettura delle sorgenti (forma e dimensioni) sui processi di trasferimento di massa. Tali esperimenti rappresentano un primo passo verso la comprensione dei processi di dissoluzione dei DNAPLs, e costituiscono, dunque, un punto di partenza per gli sviluppi futuri dell’attività di ricerca. Le informazioni ottenute attraverso le prove sperimentali forniscono dati utili, non solo alla comprensione del comportamento dei DNAPLs nel suolo, ma anche per la validazione delle equazioni attualmente impiegate nello studio del moto delle fasi separate e consentono, inoltre, di calibrare i modelli comunemente impiegati. Per ottenere una descrizione completa del fenomeno di migrazione e per definire vari aspetti riguardanti le modalità operative delle prove sperimentali, sono state elaborate simulazioni numeriche preliminari, utilizzando il modello MOFAT, attraverso le quali sono stati individuati, la migliore configurazione dell’apparato sperimentale, la localizzazione dei punti di prelievo e di misura, i quantitativi di contaminante da utilizzare e le condizioni di immissione, ed infine le caratteristiche del mezzo poroso e le condizioni idrauliche al contorno. Successivamente, sulla base dei risultati sperimentali ottenuti, sono state elaborate ulteriori simulazioni numeriche, utilizzato il modello TMVOC, allo scopo di calibrare opportunamente i parametri di interesse e di riprodurre le modalità di migrazione osservate. Tale attività è stata condotta in collaborazione con l’Università Christian Albrechts di Kiel, nell’ambito del progetto di ricerca europeo Model Probe. Dalle prove sperimentali emerge chiaramente una forte influenza del gradiente idraulico sul moto della fase separata. Si osserva, all’aumentare del gradiente applicato, un incremento nella velocità di migrazione ed uno spostamento del corpo di migrazione della direzione del flusso idrico sotterraneo. Tale spostamento non risulta invece evidenziato dall’applicazione di alcuni modelli di trasporto multifase. L’errore che si commetterebbe nella localizzazione delle sorgenti con l’utilizzo di tali modelli di simulazione potrebbe non essere di piccola entità per gradienti elevati, come quelli che si stabiliscono in prossimità di pozzi utilizzati per l’approvvigionamento idrico o per trattamenti di bonifica delle acque di falda (pump & treat), e per spessori consistenti dell’acquifero. Un ulteriore aspetto di rilevante interesse, soprattutto nell’ambito delle metodologie di bonifica basate sul trattamento localizzato delle sorgenti, riguarda l’individuazione delle sorgenti di contaminazione, la cui determinazione rappresenta uno dei problemi più controversi e di difficile soluzione, e la determinazione della loro estensione. Non risulta infatti possibile determinare in campo con le comuni tecniche di indagine diretta o con le prospezioni geofisiche individuare la presenza di DNAPL residuale. Tali aspetti, dunque, possono essere studiati in maniera dettagliata solo nell’ambito di attività sperimentali condotte in condizioni controllate e con idonee tecniche di individuazione. I risultati ottenuti nel corso dell’attività sperimentale hanno evidenziato le modalità di formazione delle zone di DNAPL residuale e l’influenza del flusso idrico sull’estensione delle sorgenti e sui volumi di suolo contaminato. In presenza di gradiente idraulico si riducono le quantità di DNAPL alla saturazione residua e, di conseguenza, risultano minori i volumi di suolo interessati dalla contaminazione. Tale circostanza è dovuta, in parte alla maggiore facilità con la quale il DNAPL viene spiazzato dall’acqua nei pori precedentemente occupati durante la sua migrazione, ed in parte alla riduzione della dispersione durante la migrazione evidenziata nel corso della sperimentazione. Il moto di filtrazione delle acque, dunque, favorisce sia il processo di drenaggio, durante il quale il DNAPL migrando occupa i pori saturati dall’acqua, che il processo di imbibizione, durante il quale l’acqua ritorna ad invadere i pori precedentemente occupati dal DNAPL. Tali risultati confermano l’importanza delle condizioni idrodinamiche dell’acquifero interessato dalla contaminazione nel determinare i percorsi di migrazione e la disposizione e l’estensione delle sorgenti. I risultati della seconda fase dell’attività sperimentale mostrano l’influenza del moto di filtrazione delle acque sui processi di trasferimento di massa e sul grado di riduzione delle sorgenti. Tali aspetti risultano fondamentali per determinare l’efficacia e l’efficienza di interventi di bonifica basati sul trattamento localizzato delle sorgenti e sul contenimento del plume di fase disciolta. Il processo di trasferimento di massa e le modalità di riduzione delle sorgenti, in presenza di elevate velocità di filtrazione delle acque, risultano controllati in misura maggiore dalla presenza del flusso idrico. In condizioni di filtrazione prossime a quelle che si verificano negli acquiferi naturali, invece, è l’architettura delle sorgenti che influenza maggiormente il trasporto di massa e la riduzione delle sorgenti. L’attività sperimentale condotta per valutare il comportamento della fase separata, congiuntamente a quella avviata per lo studio della fase disciolta, rappresenta dunque un passo fondamentale per un successivo studio, dai risvolti più applicativi, sulle metodologie per il trattamento di sorgenti di contaminazione persistenti quali i DNAPL.