Valutazione dell'influenza della presenza di materiale fine sui tempi di bonifica dei sistemi pumping & treat

In the remediation of contaminated sites, the Pumping & Treat solution was one of the first to be applied and today it’s still one of the most widespread. However, although there are sites where these systems have been active for over 20 years, the remediation objectives have not yet been achieved. This thesis focuses on the study of the factors which cause an increase in the clean-up time, among which in particular the influence of the presence of fine materials. For this purpose, several analytical models are presented (Batch Flushing, Square Root Model, Dandy-Sale Model and Multi-Rate Mass Transfer) but also numerical models which may be coupled with optimization algorithms. In order to point out the effects induced by the contact between layers of fine material and a contamination, different synthetic cases have been implemented in MODFLOW/MT3DMS which simulate the groundwater flow and the transport of a contamination, due to a 5-years TCE spill, in a lithologically homogeneous aquifer or in a heterogeneous one, where a low permeability clay layer is present. After removing the contaminating source, the effects of two management strategies were evaluated: natural attenuation or activation of a pumping well and treatment of the water withdrawn (P&T). The results of numerical modeling were then compared with the solutions obtained by two analytical approaches: Batch Flushing Model, valid in presence of homogeneous soils, and Square Root Model (SRM), useful in simulating the inverse diffusion from low permeability layers. From this comparison, the validity of the two models was verified in reference to specific hydrogeological conditions: in fact, the Batch Flushing Model, if applied to heterogenous aquifers, provides unrealistic and much shorter clean-up times compared to reality. It was also confirmed the role, played by fine material, in lengthening the reclamation times due to the accumulation of contaminants in the less permeable areas. Finally, some indications are provided in order to estimate the clean-up time of a P&T system, suggesting the type of approach to use and the parameters to define, in reference to site-specific conditions.

Nell’ambito delle bonifiche di siti contaminati, il sistema di intervento Pump&Treat è stato uno dei primi ad essere applicato e ad oggi è ancora uno tra i più diffusi. Tuttavia, nonostante vi siano siti dove tali sistemi sono attivi da oltre 20 anni, gli obiettivi di bonifica non sono ancora stati raggiunti. Il presente elaborato è focalizzato sullo studio dei fattori che causano un aumento della durata dell’intervento richiesto, tra i quali in particolare la presenza di strati di materiale fine. A questo scopo, si presentano sia modelli analitici (ad es. Batch Flushing Model, Square Root Model, Dandy-Sale Model e Multi-Rate Mass Transfer) sia modelli numerici accoppiati ad algoritmi di ottimizzazione. Per osservare gli effetti del contatto tra strati di materiale fine ed una contaminazione, sono stati sviluppati in MODFLOW/MT3DMS alcuni casi sintetici, nei quali si simula il flusso di falda e il trasporto di una contaminazione, derivante da uno sversamento di 5 anni di TCE, in un acquifero litologicamente omogeneo o in uno eterogeneo per la presenza di una lente argillosa poco permeabile. Rimossa la sorgente contaminante, si valutano i risultati di due strategie di gestione: attenuazione naturale o attivazione di un pozzo e trattamento delle acque prelevate (P&T). I risultati della modellazione numerica sono stati confrontati con le soluzioni ottenute mediante due approcci analitici: Batch Flushing, valido in presenza di terreni omogenei, e Square Root Model (SRM), utile per simulare la diffusione inversa da strati a bassa permeabilità. Dal confronto è emersa la validità dei modelli analitici proposti, se applicati alle condizioni idrogeologiche previste: infatti, il Batch Flushing, se usato per acquiferi eterogenei, fornisce tempi di bonifica non realistici e molto più brevi rispetto alla realtà. Si conferma, inoltre, il ruolo chiave nell’allungamento dei tempi di bonifica indotto dall’accumulo di contaminanti negli elementi di materiale fine. Infine, vengono fornite indicazioni su come affrontare la stima dei tempi di bonifica di sistemi P&T, suggerendo il tipo di approccio da utilizzare e i parametri da adottare, in funzione delle condizioni sito-specifiche.