Reactive transport modelling of a chlorinated solvents plume and uncertainty analysis : a case study

Chlorinated solvents are a class of contaminants that are often found in contaminated sites across the world. Among the possible remediation strategies available for such pollutants, biological-based in-situ methodologies, such as Monitored Natural Attenuation and Enhanced Bioremediation are becoming increasingly diffused, due to their efficiency, costs, and operators’ safety. Such techniques require the suitability of the target site for the bioremediation application be demonstrated, through lines of evidence supported by field data, laboratory analysis (qPCR, CSIA), and tools such as numerical models. The present work focuses on the application of analytical and numerical models, coupled with stable-isotope analyses and statistical analysis of field data, as support tools to demonstrate the existence of degradation mechanisms active in groundwater contaminated by chlorinated solvents at a former industrial site located in southern Italy. First, the available groundwater head, concentration and isotopic datasets were organized and analyzed. Then, after the selection of the most appropriate codes to represent reactive transport mechanisms, a preliminary 1D model for the site was elaborated by means of PHREEQC and BIOCHLOR-ISO, simulating both the contaminant degradation and the isotopic fractionation effect. Subsequently, the model was extended to 2D, mainly using MODFLOW-USG Transport, but also including simulations with other codes such as PHT-USG, and a comprehensive uncertainty analysis was carried out on model parameters and predictions. The results of the 1D and the 2D models clearly supported the hypothesis of active natural biodegradation mechanisms active at the site, therefore a forecast model was implemented considering two scenarios involving bioremediation, to test different plume management actions and the relative remediation time frame. The results of the uncertainty analysis procedure were used to test the uncertainty of the forecast model predictions as well, allowing calculation of a probability associated with the remediation time frame. Finally, an assessment 2D isotopic composition distribution within the contaminant plume was computed using PHT-USG.

I solventi clorurati sono una classe di contaminanti molto diffusi all'interno di siti contaminati in tutto il mondo. Tra le possibili strategie di bonifica disponibili per tali inquinanti, le metodologie biologiche in-situ, come l'attenuazione naturale monitorata e il biorisanamento, stanno diventando sempre più diffuse grazie alla loro efficienza, ai costi relativamente contenuti e alla sicurezza dgli operatori. Tali tecniche richiedono la dimostrazione dell'idoneità del sito per l'applicazione del biorisanamento, attraverso linee di evidenza supportate da dati di campo, analisi di laboratorio (qPCR, CSIA) e strumenti come i modelli numerici. Il presente lavoro si è concentrato sull'applicazione di modelli analitici e numerici, accoppiati ad analisi degli isotopi stabili e all'analisi statistica dei dati di campo, come strumenti di supporto per dimostrare l'esistenza di meccanismi di degradazione attivi nelle acque sotterranee contaminate da solventi clorurati presso un ex stabilimento industriale situato nell'Italia meridionale. In primo luogo, sono stati organizzati ed analizzati i dati disponibili relativi a carichi idraulici, concentrazioni e composizioni isotopiche rilevate nelle acque sotterranee. Quindi, dopo la selezione dei codici numerici ritenuti più appropriati per rappresentare i meccanismi di trasporto reattivo, è stato elaborato un modello preliminare 1D per il sito mediante i codici PHREEQC e BIOCHLOR-ISO, simulando sia il trasporto reattivo della contaminazione che il frazionamento isotopico. Successivamente, il modello è stato esteso per rappresentare condizioni bidimensionali, utilizzando principalmente il codice MODFLOW-USG Transport, ma includendo anche simulazioni con altri codici come PHT-USG, ed è stata effettuata un'analisi dettagliata dell'incertezza sui parametri e sulle previsioni del modello. I risultati dei modelli 1D e 2D hanno chiaramente supportato l'ipotesi di meccanismi di biodegradazione naturale attivi nel sito, pertanto è stato implementato un modello previsionale considerando due scenari che prevedono il biorisanamento, per testare diverse azioni di gestione del pennacchio e i relativi tempi di bonifica. I risultati della procedura di analisi dell'incertezza sono stati utilizzati anche per quantificare l'incertezza delle previsioni del modello, permettendo di associare una probabilità ai tempi di bonifica. Infine, è stata calcolata la distribuzione della composizione isotopica in 2D all'interno del pennacchio di contaminanti utilizzando PHT-USG.