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Étude expérimentale d’une technique de filtration radiale pour une application
au sein de Barrières Perméables Réactives (BPR)
Experimental study of radial filtration in Permeable Reactive Barriers (PRB)
Courcelles B.
École Polytechnique de Montréal
RÉSUMÉ: Les Barrières Perméables Réactives (BPR) constituent une technique de réhabilitation environnementale utilisant le
gradient naturel de l’eau souterraine pour la diriger vers un filtre réactif capable de traiter les contaminants. Une des principales
configurations géométriques consiste à canaliser l’eau vers un filtre réactif dans lequel l’écoulement est vertical ascendant. La
traversée de plusieurs mètres de filtre peut toutefois générer des pertes de charges importantes, qui perturbent l’écoulement régional et
conduisent au contournement du système. Afin de limiter ces pertes de charges, un nouveau filtre à écoulement radial visant à réduire
la longueur de cheminement dans le matériau réactif a été conçu à l’École Polytechnique de Montréal. La présente étude vise à
vérifier expérimentalement les hypothèses du concept de filtre radial et à caractériser ses performances hydrauliques comparativement
aux filtres traditionnels. Les résultats démontrent que les filtres radiaux permettent effectivement de limiter les pertes de charges,
améliorant ainsi substantiellement l’hydraulique des filtres et augmentant le champ d’application des BPR, en particulier aux
aquifères n’autorisant que peu de pertes de charges sous peine de contournement du système de traitement.
ABSTRACT: Permeable Reactive Barriers (PRB) constitute an environmental remediation technique in which natural gradients are
exploited to channel the groundwater towards a reactive filter. One of the main geometric configurations consists in realizing an
upward vertical filtration in a reactive filter able to treat the contaminants. Crossing several meters of filter can however generate
excessive head losses, modify the regional flow and lead to a bypass of the system. To minimize these head losses, a new radial-flow
filter consisting in reducing the filtration length has been developed at Polytechnique Montreal. The present study aims to
experimentally verify the assumptions of the radial filtration and characterize its hydraulic performances compared to traditional
filters. The results show that radial filters can effectively reduce head losses, improve substantially the hydraulic of filters and increase
the scope of PBRs, in particular to aquifers allowing few head losses to prevent any bypass.
MOTS-CLÉS: barrières perméables réactives, filtration, milieux granulaires, réseau d’écoulement, décontamination.
1 INTRODUCTION
Pour faire face aux problèmes d’augmentation des sites
contaminés, les Barrières Perméables Réactives (BPR)
constituent une technique de réhabilitation in situ efficace pour
le traitement des eaux souterraines (Blowes et al. 1995). Leur
originalité réside dans l'exploitation des gradients naturels pour
diriger l'eau souterraine vers un matériau réactif capable de la
décontaminer par dégradation, adsorption ou précipitation. Cette
technique ne nécessite ainsi aucun apport d’énergie externe, ce
qui réduit considérablement les frais d’exploitation lors de la
réhabilitation d’un site contaminé (RECORD, 2010).
Les BPR sont habituellement mises en œuvre selon trois
grandes configurations géométriques: (1) un mur continu
constitué de tranchées remplies de matériau réactif ou de puits
d'injection de réactifs (Blowes et al 1995), (2) une configuration
avec porte filtrante (usuellement dénommée « funnel-and-
gate ») composée de deux parois imperméables canalisant le
panache contaminé vers une zone réactive (Starr et Cherry
1994), et (3) une configuration en caisson qui est une variante
de la précédente dans laquelle la filtration s’effectue de manière
verticale ascendante (Porter 1998, Warner et al. 1998).
Les murs continus représentent la configuration la plus
commune pour les BPR (Blowes et al. 1995). Ils sont
habituellement composés de matériaux réactifs installés en aval
d’un panache de contamination, perpendiculaire à l'écoulement
des eaux souterraines. Comme ils constituent la configuration
historique de BPR, ces murs continus ont été largement mis en
œuvre et leur efficacité a été documentée dans la littérature
(O'Hannesin et Gillham 1998). Une méthode de conception est
également dédiée à cette configuration et s'appuie sur le temps
de séjour des polluants dans le milieu réactif (Gavaskar et al.
1998, Powell et al. 1998).
Dans la configuration « funnel-and-gate », deux parois
imperméables sont préalablement réalisées dans le sol. Il peut
s’agir de parois minces, de parois composites, de palplanches ou
encore de murs en coulis bentonite-ciment. Un matériau réactif
est ensuite mis en place à l’exutoire de ces parois imperméables
après excavation, sol-mixing ou tranchage. Dans cette
configuration, le support réactif est placé verticalement et
perpendiculairement à l'écoulement des eaux souterraines et la
filtration est réalisée horizontalement.
Comme variante de la géométrie précédente, une
configuration avec écoulement vertical ascendant dans un
caisson réactif a été mise au point. Ces caissons sont la plupart
du temps de forme cylindrique ou parallélépipédique et deux
configurations différentes ont été développées et brevetées par
Soletanche-Bachy (filtres cylindriques) et l'Université de
Waterloo (filtres parallélépipédiques). Cet écoulement vertical
ascendant dans des filtres réactifs manufacturés est ainsi plus
uniforme (Elder 2000) et facilite la maintenance (Courcelles
2007).
La conception de BPR repose principalement sur trois
aspects techniques: (1) le milieu réactif doit être adapté aux
contaminants et sa sélection doit tenir compte de facteurs tels la
géochimie, les conditions biologiques et hydrogéologiques du
site, (2) la taille des filtres doit être sélectionnée pour assurer un
temps de séjour suffisant et garantir des réactions complètes
(Shoemaker et al. 1995, O'Hannesin et Gillham 1998, Warren et
al. 1995), et finalement (3) le matériau réactif doit avoir une
