Numerical modelling of the dynamics of chlorinated solvent pollution in aquifers and their remediation with engineered nano-particlesan integrated approach

Resumen

La escasez mundial de agua es una de las principales preocupaciones ambientales del siglo XXI. La principal fuente de agua potable es el agua subterránea que fluye en el subsuelo. Se ha demostrado que el aumento de las actividades agrícolas e industriales en las últimas décadas es perjudicial para las aguas subterráneas. Si bien estos recursos hídricos son limitados, la escasez se desencadena aún más por la pérdida de calidad debido a actividades antropogénicas como la deposición de desechos y las fugas en vertederos. Los contaminantes de los desechos antropogénicos a menudo migran a través del subsuelo y llegan a un acuífero subyacente. La aparición de estos contaminantes amenaza la calidad de los recursos hídricos y, a menudo, requiere esfuerzos de remediación. En las últimas décadas se han desarrollado y probado varias metodologías de remediación in situ y ex situ; Recientemente, el uso de nanopartículas de ingeniería (ENP) para la degradación de contaminantes in situ ha ganado mucho interés en el campo de la remediación de aguas subterráneas. Se ha descubierto que estos ENP son eficaces debido a su alta superficie reactiva, la mínima interrupción del sistema de aguas subterráneas y sus agresivas capacidades de degradación de contaminantes. Sin embargo, la implementación a escala de campo de esta técnica de remediación a menudo es un desafío, ya que cada sitio contaminado requiere un diseño y una estrategia de remediación personalizados. La remediación de aguas subterráneas a escala de campo utilizando ENPs requiere mucha investigación científica y recursos técnicos, debido a la complejidad y la accesibilidad limitada del sistema de contaminación-aguas subterráneas. Por lo tanto, es necesario desarrollar una estrategia de remediación sólida que incluya estudios a escala de laboratorio y de campo, así como la aplicación de un enfoque numérico. El éxito en el esfuerzo de remediación a menudo se ve limitado por la falta de un conocimiento detallado de las propiedades hidrogeológicas y de contaminantes del acuífero. Si bien la información sobre la dinámica de la contaminación y el acuífero se puede estudiar en el campo, a menudo se carece de conocimiento sobre el comportamiento continuo y constante de la contaminación, tanto a escala temporal como espacial. El uso de un modelo numérico integrado puede ser útil para cerrar la brecha entre los estudios de campo y los conocimientos relevantes necesarios para la remediación de aguas subterráneas. En esta tesis doctoral, se han desarrollado cinco Trabajos de Investigación (RW) destinados a construir un enfoque numérico integrado para la evaluación de la contaminación de disolventes clorados en aguas subterráneas y su remediación mediante ENPs: - RW1: El desarrollo de un flujo multifásico multiescala en la simulación de medios porosos en el software Comsol Multiphysics y verificar el resultado con un estudio de referencia reportado en la literatura (Capítulo 3). - RW2: El desarrollo de un modelo de infiltración de DNAPL a escala de campo utilizando los datos disponibles pero limitados del acuífero en el Laboratorio de Innovation Garage en Dinamarca (Capítulo 3). - RW3: La implementación de una formulación numérica en Comsol Multiphysics para la inyección de nanopartículas en un medio poroso y verificar el resultado del modelo con un estudio de referencia reportado en la literatura (Capítulo 4). - RW4: La implementación de una simulación de transporte de nanopartículas inverso y directo en medios porosos a escala de arena de columna y escala de arena de tanque (Capítulo 4). - RW 5: La conceptualización y el desarrollo de una simulación numérica para una estrategia de remediación de extremo a extremo implementada en un acuífero hipotético (Capítulo 5). En RW1, el objetivo ha sido la revisión de las formulaciones numéricas existentes para flujo bifásico en un medio poroso, su implementación en el software Comsol y su validación a través de modelos de referencia. En primer lugar, se desarrolló la infiltración de contaminante (DNAPL) en una arena homogénea de pequeña escala de una dimensión y se comparó con el modelo de referencia. En una segunda etapa, se ha construido un modelo bidimensional con el dominio del acuífero formado por varias capas de arena. El resultado muestra que la formulación numérica está de acuerdo con los resultados del modelo de referencia. Usando esta formulación numérica validada, el RW2 ha consistido en el desarrollo de un modelo 3D mejorado de un escenario general del sistema de agua subterránea. El objetivo de este ejercicio ha sido el estudio integral de la migración de DNAPL en las condiciones reales de campo para demostrar el potencial del modelado numérico en la comprensión de las rutas de migración de los contaminantes. En general, los resultados de este RW muestran que el modelado numérico puede servir como una herramienta muy conveniente en el apoyo de las campañas de remediación. En RW3, se implementó una formulación numérica del transporte de nanopartículas de ingeniería (ENP) en el software Comsol y se verificó utilizando los modelos de referencia publicados en la literatura. Sobre esta formulación verificada, se ha construido el modelo inverso para determinar los valores de los parámetros que impulsan la movilidad de los ENP en columnas rellenas de arena realizadas en el marco del proyecto financiado por Metal-Aid EC (RW4). El análisis de sensibilidad también se ha realizado para demostrar el alcance de la incertidumbre asociada con cada parámetro. Finalmente, los parámetros obtenidos se han utilizado para simular la inyección de ENPs en un tanque lleno de arena. El modelo utiliza un parámetro simplista independiente de la velocidad para la simulación en ausencia de los datos necesarios y, por lo tanto, los resultados predictivos han sido diferentes de los resultados observados en el laboratorio. Sin embargo, el ejercicio de modelado en RW4 muestra el potencial del enfoque numérico para simular la inyección de nanopartículas en el acuífero. Una vez que se han validado los modelos numéricos individuales sobre movilidad de contaminantes y transporte de ENP, se ha construido un marco numérico integrado (RW 5). La infiltración de contaminantes en un dominio bidimensional se ha simulado utilizando la misma formulación de dos fases que en RW2. La arquitectura de la zona fuente de contaminantes (TCE) predicha por el modelo se ha utilizado para modelar la disolución y el transporte de contaminantes acuosos. El modelo predice que la distribución espacial y temporal de contaminantes es muy importante para la remediación mediante nanopartículas. A partir de estos resultados, el modelo predice además la simulación de la inyección de ENP y su transporte subterráneo, y la reacción con la pluma contaminante. Como conclusión general, esta investigación de doctorado demuestra que el desarrollo de un enfoque numérico robusto que puede proporcionar una solución de modelado de extremo a extremo para una estrategia de remediación general utilizando la inyección de ENP en un acuífero contaminado.