Mass transfer in non-aqueous phase liquid contaminanted heterogeneous porous media

Abstract

Dense Non-aqueous Phase Liquids (DNAPL) form a group of organic chemical compounds that are immiscible with water. When spilled in the subsurface environment, they cause long-term contamination due to their low aqueous solubility. The entrapment of DNAPLs in natural soils typically exhibits complex morphologies. This generates uncertainty both in the prediction of heterogeneity effect on the mass flux produced by their dissolution and in the effect of soil structure on their fate and transport. Experimental investigation on the effect of dual-permeability structure on dissolution, fate and transport of a common DNAPL (Tetrachloroethylene) was conducted on natural and artificial physical dual-permeability models. Flow similarity with typical field-scale conditions was maintained by using a modified Peclet (Pe) number. Fractured model theory was implemented. It was shown that although conservative flow demonstrated strong dual transport regime, the effect of dual structure on the DNAPL transport was masked by time-dependent sorption effects. However, at field-scale this time-dependence diminishes and equilibrium sorption models can apply. This can lead to dual flow regimes in the transport of dissolved NAPLs in real dual-permeability domains. In contrast, dual structure did not demonstrate an effect on pure-phase DNAPL dissolution either by sorption or by diffusion. Strong non rate-limited dissolution was confirmed in the dual NAPL source systems even for unrealistically high aqueous velocities. Analytical 2-dimensional and 3-dimensional models were formulated for the calculation of mass flux from a single NAPL source under uniform and non-uniform flow conditions. Existing understanding on NAPL source dissolution was enhanced by the incorporation of rate-limiting effects in these models. A new flow by-pass factor, Fb, was developed to capture permeability contrast effects. The model was validated by numerical and experimental data for typical field conditions, Da_source> 10, Pe_source > 1 και 0,5 < kr < 2 (error ±15%). Typical mass flux from DNAPL was found strongly sensitive to the mean groundwater velocity, u¯, to the source cross-sectional area, A_source and to the permeability ratio, kr, that induced flow by-pass effects. Field-scale heterogeneity effect on DNAPL source zone dissolution was examined by performing numerical simulations of DNAPL spill and dissolution in 2-dimensional 50m × 10m permeability fields of stochastic properties and by implementing a mass flux normalisation method by Soga et al. (2004). 4 heterogeneity groups of 10 cases each were investigated under 3 flow scenarios, in order to separate between field-induced and relative permeability-induced flow heterogeneity levels. Normalised mass flux was found to be relatively steady with source zone depletion ranging mainly between 0.5 and 1.0 for typical field heterogeneity. Mass flux reduction was observed in the heterogeneous compared to uniform flow scenario. This reduction was caused primarily by relative permeability effects rather than field heterogeneity itself. The developed analytical model was up-scaled to describe mass transfer from a distributed NAPL source zone. Numerical field-scale simulations showed that this model can predict successfully field-scale mass flux. The field-scale by-pass factor, Fˆb, was found to be the main parameter that controls normalised mass flux from a NAPL source zone.

Τα πυκνά υγρά μη υδατικής φάσης (DNAPL) αποτελούν μια ομάδα οργανικών χημικών ενώσεων που δεν αναμειγνύονται με το νερό. Όταν διαρρέουν στο υπόγειο περιβάλλον, προκαλούν μακροχρόνια ρύπανση λόγω της χαμηλής υδατοδιαλυτότητάς τους. Η παγίδευση των DNAPL σε φυσικά εδάφη συνήθως εμφανίζει περίπλοκη μορφολογία. Αυτό δημιουργεί αβεβαιότητα τόσο στην πρόβλεψη της επίδρασης της ετερογένειας στο ρυθμό μεταφοράς μάζας από την διάλυσή τους, όσο και στην επίδραση της δομής του εδάφους στην τύχη και μεταφορά τους. Διερευνήθηκε πειραματικά η επίδραση της δομής διπλής διαπερατότητας στην τύχη και μεταφορά ενός κοινού DNAPL (τετραχλωροαιθυλένιο) σε φυσικά και τεχνητά μοντέλα διπλής διαπερατότητας. Η αναλογικότητα της ροής προς τις τυπικές συνθήκες πεδίου διασφαλίστηκε με τη χρήση ενός τροποποιημένου αριθμού Peclet (Pe). Αποδείχθηκε ότι, παρόλο που η συντηρητική ροή έδειξε ισχυρό καθεστώς διπλής μεταφοράς, η επίδραση της διπλής διαπερατότητας στη μεταφορά DNAPL επικαλύφθηκε από την επίδραση της χρονικά εξαρτώμενης προσρόφησης. Ωστόσο, σε κλίμακα πεδίου αυτή η χρονική εξάρτηση εξαλείφεται και μπορούν να εφαρμοστούν μοντέλα προσρόφησης σε ισορροπία. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε καθεστώτα διπλής ροής στη μεταφορά διαλυμένων NAPL σε πραγματικά πεδία διπλής διαπερατότητας. Αντίθετα, η δομή δεν επέδρασε στην διάλυση του DNAPL είτε μέσω προσρόφησης είτε μέσω διάχυσης. Επιβεβαιώθηκε ισχυρή μη περιορισμένη λόγω παροχής ταχύτητα διάλυσης στα διπλά συστήματα πηγής NAPL ακόμη και για μη ρεαλιστικές (υψηλές) ταχύτητες ύδατος. Αναπτύχθηκαν δισδιάστατα και τρισδιάστατα αναλυτικά μοντέλα για τον υπολογισμό της ροής μάζας από μια μοναδική πηγή NAPL υπό ομοιόμορφες και μη ομοιόμορφες συνθήκες ροής. Η υφιστάμενη κατανόηση σχετικά με τη διάλυση πηγής NAPL εμπλουτίστηκε με την ενσωμάτωση περιοριστικών επιδράσεων σε αυτά τα μοντέλα. Ένας νέος παράγοντας παράκαμψης ροής, το Fb, αναπτύχθηκε για να περιλάβει την επίδραση των αντιθέσεων της διαπερατότητας. Το μοντέλο επιβεβαιώθηκε με αριθμητικά και πειραματικά δεδομένα για τυπικές συνθήκες πεδίου, Da_source> 10, Pe_source > 1 και 0,5 < kr < 2 (σφάλμα: ±15%). Η τυπική ροή μάζας από το DNAPL βρέθηκε ισχυρά ευαίσθητη ως προς τη μέση ταχύτητα των υπόγειων υδάτων, u¯, προς την επιφάνεια διατομής της πηγής, A_source και προς τον λόγο διαπερατότητας, kr, ο οποίος προκάλεσε φαινόμενα παράκαμψης ροής. Η επίδραση της ετερογένειας του πεδίου στη διάλυση της πηγής-ζώνης DNAPL εξετάστηκε πραγματοποιώντας αριθμητικές προσομοιώσεις της διαρροής και διάλυσης του DNAPL σε δισδιάστατα πεδία 50m × 10m στοχαστικών ιδιοτήτων περατότητας και με την εφαρμογή μιας μεθόδου κανονικοποίησης της ροής μάζας από τους Soga et al. (2004) διερευνήθηκαν 4 ομάδες ετερογένειας με 10 περιπτώσεις η καθεμία και 3 σενάρια ροής. Η κανονικοποιημένη ροή μάζας βρέθηκε να παραμένει σχετικά σταθερή κατά την εξάντληση της πηγής-ζώνης και να κυμαίνεται κυρίως μεταξύ 0,5 και 1,0 για τυπική ετερογένεια πεδίου. Παρατηρήθηκε ελάττωση της ροής μάζας στο σενάριο ετερογενούς ροής σε σύγκριση με την ομοιόμορφη ροή. Αυτή η ελάττωση προκλήθηκε κυρίως λόγω της επίδρασης της σχετικής διαπερατότητας παρά από την ίδια την ετερογένεια του πεδίου. Το αναλυτικό μοντέλο που αναπτύχθηκε αναβαθμίστηκε για να περιγράψει τη μεταφορά μάζας από μια κατανεμημένη πηγή-ζώνη NAPL. Αριθμητικές προσομοιώσεις κλίμακας πεδίου έδειξαν ότι, το μοντέλο αυτό μπορεί να προβλέψει επιτυχώς τη ροή μάζας σε κλίμακα πεδίου. Ο παράγοντας παράκαμψης ροής, κλίμακας πεδίου, Fˆb, βρέθηκε να είναι η κύρια παράμετρος που ελέγχει την κανονικοποιημένη ροή μάζας από μία πηγή-ζώνη NAPL.