Configurations of pile-type permeable reactive barrier considering well stability and aquifer heterogeneity

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the applicability of pile-type PRB as a method for the prevention and remediation of contaminated groundwater was studied. The factors affecting the performance of pile-type PRB in a single well were evaluated using sensitivity analysis. A design for multi-transect pile-type PRB considering construction constraints (well spacing, well diameter) and heterogeneity of aquifer was proposed and evaluated for its performance. Groundwater flow and solute transports were simulated using numerical modeling program, MODFLOW, MODPATH, and MT3D, and the performance of pile-type PRB was evaluated based on the results. The design factors affecting the contaminant removal efficiency of the pile-type PRB include the hydraulic conductivity difference of the aquifer and the reactive material in the PRB, the diameter of the well, and reactivity of reactive material. As the difference in hydraulic conductivity between the surrounding aquifer and reactive material increases, the capture zone of pile-type PRB increases, but converges from a certain level (about 25 times). The effect of the diameter of the well was that the capture zone of the pile-type PRB had about 1.7 times the diameter of the well.
For designing configurations of pile-type PRB system for remediation of contaminated groundwater and prevention of contaminants spreading, it is necessary to consider the construction constraints relevant to the stability of wells. Multiple transect configurations with saw-tooth arrays were proposed considering the construction constraints such as well diameter and well spacing between adjacent wells. We developed a performance curve of contaminant removal efficiency of pile-type PRB system according to well spacing and multiple transect configurations. The performance curve allows the selection of configurations of pile-type PRB system including single or multiple transect, according to the target removal efficiency of contaminants and the construction constraints such as well spacing and well diameter. For a given contaminated region, the single transect pile-type PRB system can be complemented by the multi-transects configuration with higher efficiency for preventing contaminant spreading without increasing the number of wells. The probabilistic modeling was conducted to estimate the effect of heterogeneity of hydraulic conductivity on the pollution prevention efficiency of a PRB system. Based on the distribution of removal efficiency, the safety factor could be determined against heterogeneity of aquifer permeability. These results are expected to be used effectively to optimize well diameter, well spacing of pile-type PRB system and the number of wells to install.
Longevity of reactive material was estimated by considering sorption parameters of Langmuir model. The removal efficiency of reactive material over time was analyzed by considering sorption parameters, and the result was compared with the target remediation level to estimate the longevity of reactive material. This method can be helpful in estimating the replacement cycle of reactive material considering longevity of reactive material during operation of pile-type PRB.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 오염된 지하수의 확산방지 및 정화를 위한 방법으로서 관정형 투수성 반응벽체의 적용 가능성에 대해 연구하였다. 단일 관정에서 오염 차단 성능에 영향을 미치는 요소들을 평가하였고, 실제 현장에서 반응벽체 시공 시 발생하는 시공 제한조건 (관정 간격, 관정 직경) 및 오염현장 대수층의 불균질성을 고려한 효율적 관정 배치 방안을 제시하고 그 성능을 평가하였다. 지하수 흐름과 오염물질의 거동은 수치적 모델링 코드인 MODFLOW, MODPATH, MT3D 프로그램을 이용해 모사하고, 이를 통해 관정형 반응벽체의 오염차단 성능을 평가하였다. 단일 관정에 대한 주요 설계 인자로서, 주변 대수층과 관정 내 반응성 매질의 수리전도도, 관정 직경 및 매질의 반응성을 반응벽체의 오염물질 제거 성능 결정 요소로 고려하였다. 다수의 수치 모델링 결과에서, 단일 관정의 포획 너비는 주변 대수층과 반응매질의 수리전도도의 차이에 비례하여 증가하다가, 약 25배 부터는 관정 직경의 약 1.8배에 수렴하였다. 다양한 크기의 관정 직경을 가정한 pile-type PRB를 모사한 결과에서, 포획너비는 관정 직경의 약 1.7배로 일정한 성능을 보였다.
오염된 지하수의 정화 및 확산 방지를 위한 관정형 투수성 반응벽체의 배열을 설계하기 위해서는 관정 간 구조적 안정성과 연관된 시공 제한조건을 고려하여야 한다. 관정 직경 및 관정 간격과 같은 시공 제한조건을 고려하여 톱니 구조 배열을 사용한 multiple transect configuration을 제안하였고, 관정 간격과 multiple transect configuration에 따른 관정형 반응벽체의 오염물질 제거효율 성능곡선을 개발하였다. 성능곡선을 통해 오염 물질의 목표 제거 효율, 관정 간격 및 관정 직경과 같은 시공 제한조건에 따라 관정형 반응벽체의 배열을 선택할 수 있다. 대수층의 불균질성이 관정형 반응벽체의 오염물질 제거효율에 미치는 영향은 확률론적 모델링 기법을 사용하여 평가하였다. 대수층 수리전도도의 불균질성에 대한 안전율은 1) 관정 직경의 증가, 2) 관정 간격의 감소 등의 방법으로 결정할 수 있다. 이러한 결과들은 관정형 반응벽체 시스템의 관정 직경, 관정 간격 및 시공할 관정 개수를 최적화하는 데에 효과적으로 사용될 것으로 예상된다.
반응 매질의 사용 연한은 제한된 흡착능을 가진 Langmuir 흡착 모델을 이용하여 평가하였다. 주어진 성능의 반응 매질을 파과한 유출수 내의 오염농도와 환경 기준치를 비교하여 반응 매질의 사용 연한을 추정하였으며, 이는 관정형 반응벽체 시스템의 운영 중, 반응 매질의 교체주기 산정 방법으로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1. Groundwater remediation technologies 1
• 1.2. Permeable reactive barrier (PRB) technology 4
• 1.3. Use of non-pumped well for remediation of deep aquifer contamination 7
• 1.4. Configuration of pile-type PRB 9
• 1.5. Reactive material of PRB system 11
• 1.6. Modeling prevention of contaminant spreading by PRB system 12
• 1.7. Objectives 13
• 2. Material and Methods 14
• 2.1. PRBs configurations with multiple transects 14
• 2.2. Hydrologic modeling 15
• 2.3. Conceptual model 16
• 2.4. Analysis 19
• 2.4.1. Capture zone 19
• 2.4.2. Removal efficiency 20
• 3. Results and discussion 21
• 3.1. Use of non-pumped well for remediation of deep aquifer contamination 21
• 3.1.1. Effect of hydraulic conductivity on capture zone of pile-type PRB 21
• 3.1.2. Effect of hydraulic gradient (fixed hydraulic conductivity) on capture zone of pile-type PRB 22
• 3.1.3. Effect of well diameter (fixed hydraulic conductivity and gradient) on capture zone of pile-type PRB 23
• 3.1.4. Effect of DART structure on capture zone of pile-type PRB 24
• 3.2. Configuration of pile-type PRB considering well stability and aquifer heterogeneity 30
• 3.2.1. Multiple-transects PRB systems w.r.t well spacing (d2) 30
• 3.2.2. Determination well diameter (d1) of PRB system 33
• 3.3. Design well configuration considering heterogeneity of aquifer 35
• 3.3.1. Effect of hydrodynamic dispersion of the aquifer on the contaminant removal efficiency of pile-type PRB system 35
• 3.3.2. Effect of heterogeneity of aquifers on the contaminant removal efficiency of pile-type PRB system 37
• 3.4. Estimation of longevity of reactive material for pile-type PRB 41
• 4. Conclusions 49
• Nomenclature 51
• References 52