Ρύπανση Υδάτων και Εδαφών Ενότητα 4η: Μηχανισμοί ρύπανσης και τεχνολογίες

εξυγίανσης εδαφών και υπόγειων υδάτων

Τσικριτζής Λάζαρος

Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης

Άδειες Χρήσης

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.

• Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

2

Χρηματοδότηση • Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια

του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

3

Σκοποί ενότητας Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας οι φοιτητές θα πρέπει να:

• γνωρίζουν τους μηχανισμούς και τις βασικές σχέσεις που διέπουν τη μεταφορά ρύπων στα εδάφη.

• χρησιμοποιούν τις σχέσεις αυτές για να επιλύουν απλά προβλήματα μεταφοράς ρύπων σε υπόγεια νερά που διαπερνούν χαλαρά ιζήματα.

• επιλέγουν τις κατάλληλες τεχνικές απορρύπανσης εδαφών και υπόγειων νερών in situ και ex situ.

4

Περιεχόμενα ενότητας

5

• Μηχανισμοί μεταφοράς ρύπων μέσω των χαλαρών ιζημάτων και (συναγωγή, διάχυση, διασπορά και προσρόφηση).

• Τεχνολογίες απορρύπανσης εδαφών και υπόγειων νερών in situ και ex situ (άντληση και επεξεργασία,, εκφύσηση αέρα, πλύση εδάφους, ενεργοί τοίχοι, βιοεξυγίανση).

Μεταφορά σε πορώδη μέσα (Εισαγωγικά)

• Μεταφορά μάζας σε κεκορεσμένα πορώδη μέσα.

• Έδαφος: ομογενές πορώδες μέσο.

• Μηχανισμοί μεταφοράς :

• Συναγωγή.

• διάχυση.

• Διασπορά.

• προσρόφηση.

6

Βασικές σχέσεις ροής ρευστών (1/2)

• Qv ή q (m3/sec) Παροχή όγκου = ο όγκος ρευστού /

μονάδα χρόνου.

• Qm ή qm (Kg/sec): Παροχή μάζας = η μάζα ρευστού που μεταφέρεται στη μονάδα του χρόνου.

• v (m/sec): H γραμμική ταχύτητα ροής.

• ε (%): Το ποσοστό των πόρων του εδάφους.

• Α (m2): Η διατομή της ροής.

• Αact (m2): H ενεργός διατομή της ροής σε πορώδες μέσο

(έδαφος) Αact = Α. Ε.

• C (Kg/m3): H συγκέντρωση ενός συστατικού.

7

Βασικές σχέσεις ροής ρευστών (2/2)

• Παροχή Qv =ΔV/Δt =ΔL.A/Δt

Q=v.A ή v=Q/A.

• Μάζα συστατικού (ρύπου) σε όγκο ΔV ρευστού.

Δm= C . Q . Δt = C.v.A.Δt.

• Παροχή μάζας qm = Δm/Δt.

• Παροχή μάζας ανά μονάδα επιφανείας της διατομής Α.

F= qm /A = C.v.

8

Ροή λόγω συναγωγής (1/3)

• Μεταφορά του ρύπου λόγω της συνολικής κίνησης του ρευστού.

• Εξίσωση Darcy : (στρωτή ροή Re=1-10) v = -(K/ε)(dh/dx), όπου: • v = μέση γραμμική ενδοπορώδης ταχύτητα ροής. • K = υδραυλική αγωγιμότητα [εξαρτάται από το ρευστό

και το πορώδες γεωλογικό μέσο]. • dh/dx = υδραυλική κλίση στην κατεύθυνση ροής. • ε = ενεργό πορώδες.

9

Ροή λόγω συναγωγής (2/3)

Κ=kρg/μ Όπου: • k η ειδική διαπερατότητα, [χαλίκια : διαπερατά,

άργιλος : αδιαπέραστh]. • ρ η πυκνότητα. • μ το δυναμικό ιξώδες του ρευστού. • g η επιτάχυνση της βαρύτητας.

10

Ροή λόγω συναγωγής (3/3)

F= qm /A =C . v • Ισχύει και για τη μεταφορά σε πορώδη

μέσα (έδαφος), εάν αντί Α Αact. • qm = Δm/Δt=C.v.Αact, • qm = C.v.A.ε και άρα: • F= qm / Α= C.v.ε.

11

Ροή λόγω μοριακής διάχυσης (1/4) • Μεταφορά του ρύπου λόγω της διαφοράς συγκέντρωσης

[Γίνεται και χωρίς να υπάρχει υδραυλική κλίση, δηλαδή χωρίς κίνηση όλου του ρευστού (συναγωγή)].

1os νόμος του Fick.

F=qm/A= -Dm(∂C/∂x)

όπου Dm είναι ο συντελεστής μοριακής διάχυσης (m2/sec)

και F η ροή μάζας / επιφάνεια (flux).

• Αν Α είναι το εμβαδόν μιας διατομής, τότε η μάζα m συστατικού που διέρχεται από αυτή σε χρόνο Δt είναι:

m= -A.Dm(∂C/∂x)Δt

• Αν ∂C=0 μηδενίζεται η ροή διάχυσης.

12

Ροή λόγω μοριακής διάχυσης (2/4)

2os νόμος του Fick. ∂C/∂t = Dm(∂2C/∂2x) Δίνει την ταχύτητα μεταβολής της συγκέντρωσης του ρύπου.

• C η συγκέντρωση, x η απόσταση, • Ισχύει και για τη μεταφορά σε πορώδη μέσα (έδαφος),

αν αντί Dm πάρουμε το De De= τ .Dm, • De ο φαινομενικός συντελεστής διάχυσης και • τ = παράγων πολυπλοκότητας (= 0,5 - 0,01).

13

Ροή λόγω μοριακής διάχυσης (3/4)

• Βραδεία διάχυση.

• Κατανομή Gauss της συγκέντρωσης C (βλ. Σχήμα ).

• Για οριακές συνθήκες.

C=C0erfc[x/2(Det)0,5] • erfc[z] από πίνακες.

• Παράδειγμα και ασκήσεις.

14

Πηγή: Fetter (1993).

Προσομοίωση μεταφοράς μάζας ρύπου, λόγω διακχύσεως. Μία ποσότητα ρύπου εισήχθη σε υδροφορία σε χρόνο tk και δημιουργήθηκε πηγή συγκεντρώσεως C0.

Ροή λόγω μοριακής διάχυσης (4/4)

15

Μεταφορά λόγω μηχανικής διασποράς (1/2)

• Ανάμειξη και εξάπλωση ρύπων λόγω: • διαφορετικών ταχυτήτων σε μια διατομή λόγω τριβών

στα τοιχώματα.

• διαφορετικών διαδρομών σύντομων και «ζικ-ζακ».

• διαφορετικών ταχυτήτων ανάλογων με το μέγεθος του πόρου.

• Υδροδυναμική διασπορά: συνδυασμός διάχυσης και διασποράς επιμήκης και εγκάρσια.

16

Μεταφορά λόγω μηχανικής διασποράς (2/2)

• Ισχύει ο νόμος του Fick, αρκεί:

• να αντικαταστήσουμε το συντελεστή μοριακής διάχυσης Dm με το συντελεστή υδροδυναμικής διασποράς. Dx=axV

m+Dmτ.

• ax: σταθερά υδροδυναμικής διασποράς.

• και m= 1 έως 2.

17

Μεταφορά λόγω προσρόφησης (1/6)

• Συσσώρευση μιας ουσίας σε μια διεπιφάνεια (κυρίως υγρού –στερεού).

• Ορολογία: Προσρόφημα (υγρό) Προσροφητής (έδαφος).

• Διαφορά απορρόφησης / προσρόφησης / ρόφησης. • Η προσρόφηση επηρεάζει την αποδόμηση, κίνηση,

εξαέρωση των ρύπων κλπ. • Ισόθερμος προσρόφησης:

• η σχέση μεταξύ της C του προσροφήματος και της C του προσροφητή σε θ = σταθερή (Σχήμα).

18

Μεταφορά λόγω προσρόφησης (2/6)

Ισόθερμοι προσρόφησης.

Πηγή: Βουδριάς (2000).

19

Μεταφορά λόγω προσρόφησης (3/6)

• Ισόθερμος Freundlich. qe=KC1/n

• C η συγκέντρωση του ρύπου στο διάλυμα (Μ/Μ).

• qe η συγκέντρωση του ρύπου στην διεπιφάνεια του εδάφους (Μ/L3).

• K παράμετρος της ισοθέρμου Freundlich.

• 1/n αδιάστατη παράμετρος (0, 1 , <1 ή >1).

• Συνήθως 1/n=1 (γραμμική) ή 1/n<1 (ευνοϊκή).

• Λογαρίθμηση logqe =logK+1/n .logC. • To1/n προσδιορίζεται από την κλίση, ενώ το K από την

τεταγμένη (με πειραματικά δεδομένα).

20

Μεταφορά λόγω προσρόφησης (4/6)

• Συχνά η ισόθερμος καμπύλη είναι γραμμική [κυρίως για χαμηλές τιμές υδρόφοβων ρύπων].

qe=KdC Ισχύει όταν 1/n=1

• Kd o γραμμικός συντελεστής προσροφήσεως ή κατανομής (Σχήμα lindane).

21

Μεταφορά λόγω προσρόφησης (5/6)

• Ο Kd συσχετίζεται γραμμικά με το κλάσμα foc οργανικού άνθρακα του προσροφητή και το συντελεστή κατανομής του άνθρακα Koc.

• Koc = Kd / foc.

• Ισχύει για f>1% w/w.

• Παράδειγμα:

22

Μεταφορά λόγω προσρόφησης (6/6)

• Ρόφηση lindane από χώμα.

Πηγή: Βουδριάς (2000).

23

Απορρύπανση υπόγειων υδάτων

• Μέθοδοι ex situ και in situ.

• Πηγές ρύπανσης του υπεδάφους. (Οι υπόγειοι υδροφορείς και το περιβάλλον έδαφος λαμβάνονται ως ενιαίο σύστημα με αλληλεπιδράσεις).

• Οργανικοί ρυπαντές: μεγάλη διαλυτότητα-αυστηρά όρια.

• Εξυγίανση: δαπανηρή και τεχνικά δύσκολη.

24

Άντληση και επεξεργασία - Α&Ε (Pump and Treat) ex situ

• Άντληση από υδροφορέα επεξεργασία επί τόπου ή σε κεντρική μονάδα επιστροφή στον υδροφορέα ή αλλού.

• Παράλληλη αντιμετώπιση της εστίας ρύπανσης ή πρόληψη.

• Πλεονέκτημα: η χρήση συμβατικών (δοκιμασμένων) μεθόδων.

25

Ζώνες σύλληψης (1/2)

• Γεωτρήσεις κατάντη της εστίας ρύπανσης.

• Κάθε γεώτρηση έχει τη δική της ζώνη σύλληψης.

• Επίπεδος υδροφορέας ζώνη συμμετρική.

• Υδροφορέας με κλίση ζώνη ασύμμετρη και σύλληψη κυρίως στα ανάντη της γεώτρησης.

• Αύξηση ταχύτητας νερού μείωση σύλληψης.

26

Ζώνες σύλληψης (2/2)

• Ενδιαφέρει ο αριθμός, η θέση και η παροχή των γεωτρήσεων.

• Χρήση μαθηματικών μοντέλων.

27

Υπέρ και κατά της μεθόδου pump and treat

• Κυρίως εφαρμόζεται σε απλές περιπτώσεις και χρησιμοποιεί δοκιμασμένες μεθόδους.

Μειονεκτήματα: • Tailing. Όταν ο ρυθμός ελάττωσης του ρύπου στον

υδροφορέα σταδιακά πέφτει, αλλά η συγκέντρωση του ρυπαντή παραμένει πάνω από τα όρια (ασυμπτωτική προσέγγιση). • Συνέπεια η υπερβολική αύξηση του χρόνου

εξυγίανσης. • Πιθανό το «πισωγύρισμα» του ρυπαντή, λόγω βραδειας

διάχυσης σε περιοχές υψηλής υδραυλικής αγωγιμότητας που είχαν εξυγιανθεί.

28

Επεξεργασία διαλυμένων ανόργανων ρύπων

• Ιόντα μετάλλων: κροκίδωση-καθίζηση-διήθηση (με τη μορφή υδροξειδίων σε υψηλό pH ή σουλφιδίων).

• π.χ Fe2+ (με αερισμό και αλκαλ. pH) Fe(ΟΗ)3.

• Τα ανιόντα απομακρύνονται με:

• Ιοντο-ανταλλακτικές ρητίνες.

• Όσμωση ή ηλεκτροδιάλυση (πιο ακριβές).

29

Επεξεργασία διαλυμένων οργανικών ρύπων (1/3)

Πτητικοί:

• με εκφύσηση (Air stripping).

• Παροχή αέρα σε πύργο κατ΄αντιρροή.

• Απαέρια : Πιθανή ανάγκη δέσμευσης με ενεργό άνθρακα (Activated Carbon –AC).

30

Επεξεργασία διαλυμένων οργανικών ρύπων (2/3)

Μη πτητικοί ρύποι:

• Προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα (AC).

• Απομάκρυνση μετάλλων διήθηση σε άμμο διήθηση σε AC (Σχήμα).

• Όταν ο AC κορεστεί αναγέννηση ή απόρριψη σε χώρο ταφής τοξικών.

31

Επεξεργασία διαλυμένων οργανικών ρύπων (3/3)

Απομάκρυνση οργανικών με ενεργό άνθρακα.

•

Πηγή: Βουδριάς (2000).

Σύστημα κοκκώδους ενεργού άνθρακα.

32

In situ επεξεργασία υπόγειου νερού (1/2)

Η εξυγίανση γίνεται επί τόπου, στο υπέδαφος.

Η in situ βιολογική εξυγίανση προϋποθέτει:

• Οξειδωτικό μέσο (συνήθως οξυγόνο).

• Παροχή ανόργανων θρεπτικών (Ν,Ρ).

• Ύπαρξη μικροοργανισμών (δύσκολο) για την αποικοδόμηση.

• Υδροδιαπερατό υπεδαφος.

Χρειάζονται δύο γεωτρήσεις,

• μία για την «ένεση» των υλικών εξυγίανσης.

• μια για την εξαγωγή των οξειδωμένων ρύπων (Σχήμα).

33

Πηγή:Βουδριάς (2000).

In- situ βιολογική επεξεργασία υπόγειου νερού.

In situ επεξεργασία υπόγειου νερού (2/2)

34

Πλεονεκτήματα της in situ επεξεργασίας (1/2)

• Καταστρέφει τους ρυπαντές, δεν τους μεταφέρει (όπως η Α&Ε).

• Μικρότερο κόστος λόγω μικρότερης κλίμακας.

• Λιγότερος χρόνος αποκατάστασης.

• Ελάττωση της επαφής των ρύπων με περιβάλλον.

35

Πλεονεκτήματα της in situ επεξεργασίας (2/2)

Στους πτητικούς ρυπαντές (π.χ βενζίνη) μπορεί να εφαρμοστεί και η in situ εκφύσηση με αέρα.

H μέθοδος αυτή περιλαμβάνει τη διοχέτευση αέρα στον υδροφόρο και τη δημιουργία κενού στην πάνω (ακόρεστη) ζώνη, όπου συλλέγονται οι ατμοί της βενζίνης και απομακρύνονται.

36

Έλεγχος της πηγής της ρύπανσης

• Εξυγίανση: • Έλεγχος- απομόνωση πηγής. • Απορρύπανση υπόγειου νερού / εδάφους.

Δύσκολη και συχνά ασύμφορη. • Σχεδόν αδύνατος ο τέλειος καθαρισμός.

• Τρόποι ελέγχου της πηγής ρύπανσης : • Απομάκρυνση αποβλήτων - διάθεση αλλού. • Καλύμματα χαμηλής υδραυλικής

αγωγιμότητας. • Διαφραγματικοί τοίχοι.

37

Απομάκρυνση και διάθεση των αποβλήτων

• Χωματερές. Με συμβατικά μηχανήματα μεταφορά στους ΧΥΤΑ.

• Επικίνδυνα απόβλητα : Ομοίως + αξιολόγηση κινδύνου (πιθανές αστοχίες).

• Εφαρμογή νομοθεσίας (παράδειγμα ΗΠΑ με μεταχειρισμένους διαλύτες).

• Πιθανή προ-επεξεργασία (καύση, πλύση, βιο-εξυγίανση κλπ).

38

Απομόνωση (containment) της πηγής (1/7)

• Η πηγή ρύπανσης μπορεί να είναι σε επαφή με τον υδροφορέα σοβαρός κίνδυνος.

Πηγή: Βουδριάς (2000).

39

Απομόνωση της πηγής της ρύπανσης (2/7)

Διαφραγματικοί τοίχοι. • Διαφραγματικός τοίχος με χαμηλή υδραυλική αγωγιμότητα

(αδιαπέραστος) σε κατάλληλο βάθος. Ο ρόλος του τοίχου: 1) απομόνωση της πηγής. 2) εκτροπή της ροής του υπόγειου νερού.

• Παράλληλη χρήση μεθόδου Α & Ε. • Χρήση φρεατίων για άντληση διαρροών. • Τοίχοι περιφερειακοί. • Τοίχοι στα ανάντη της πηγής (+ φρεάτια κατάντη για σύλληψη και

επιστροφή ρύπων) + χρήση μεθόδου Α & Ε. • Τοίχοι στα κατάντη της πηγής (+ φρεάτια για σύλληψη ρύπων) +

χρήση μεθόδου Α & Ε.

40

Απομόνωση της πηγής της ρύπανσης (3/7)

Περιφερειακός διαφραγματικός τοίχος.

Πηγή: LaGrega et al. (1994).

41

Διαφραγματικός τοίχος στα κατάντη της πηγής.

Πηγή: LaGrega et al. (1994).

Απομόνωση της πηγής της ρύπανσης (4/7)

42

Απομόνωση της πηγής της ρύπανσης (5/7)

• Σχεδίαση διαφραγματικού τοίχου.

• Μαθηματική προσομοίωση –νόμος Darcy.

• Ο τοίχος πρέπει να πάει σε βάθος μέχρι να βρει αδιαπέραστο υλικό (εξαιρέσεις LNAPLs αδιάλυτα στο νερό) βλ. προηγούμενο Σχήμα.

43

Απομόνωση της πηγής της ρύπανσης (6/7)

• Επιφανειακό κάλυμμα πηγής. • Για πλήρη απομόνωση της πηγής ειδικό κάλυμμα (επαρκεί

όταν ο υδροφόρος είναι πολύ βαθιά). • Δομή καλύμματος (Σχήμα).

• Ζώνη φύτευσης. • Ζώνη μεγάλης υδραυλ. αγωγιμότητας (άμμος χαλίκια). • Διαχωρισμός με γεω-ύφασμα για να μη γίνεται μίξη υλικών. • Σύνθετος φραγμός. • Ζώνη συλλογής αερίου (αν έχουμε αναερόβια σήψη).

• Εναλλακτικά : άσφαλτος (μειονεκτήματα). ΑΣΚΗΣΗ.

44

Ειδικό κάλυμμα πηγής ρύπανσης.

Πηγή: Βουδριάς (2000).

Απομόνωση της πηγής της ρύπανσης (7/7)

45

In situ ενεργοί τοίχοι (1/7)

• Αντιμετωπίζουν τα μειονεκτήματα της Α&Ε • Αποτελούνται από :

• Μη διαπερατούς τοίχους κατάντη του πλουμίου. • Ενεργά διαπερατά τμήματα (πύλες).

• Το υπόγειο νερό περνά μέσα από τις πύλες και καθαρίζει (με προσρόφηση, εκφύσηση, οξειδοαναγωγή).

• Πλεονεκτήματα. • Δεν χρειάζονται οι εγκαταστάσεις της Α&Ε. • Μικρότερο κόστος monitoring του υδροφορέα.

ΟΡΟΙ: treatment or reactive walls / funnel & gate systems.

46

In situ ενεργοί τοίχοι (2/7)

Διαπερατή ενεργή τάφρος. • Μία τάφρος με διαπερατό υλικό σε όλο το πλάτος του

πλουμίου. • Διαφορές με Α&Ε:

• Ο αντιδραστήρας in situ. • Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής μεγάλος.

• Εναλλακτική λύση. • Απευθείας εκφύσηση, όταν το υπέδαφος είναι

διαπερατό. • Αν όμως το υπέδαφος δεν είναι πολύ διαπερατό και η

ρύπανση ρηχή, τότε λύση είναι η τάφρος.

47

Τάφρος με διαπερατό υλικό.

Πηγή: Βουδριάς (2000).

In situ ενεργοί τοίχοι (3/7)

48

In situ ενεργοί τοίχοι (4/7)

Συστήματα χωνιού και πύλης. • Ένα αδιαπέραστο χωνί + διαπερατές πύλες. • Υλικά πύλης : χαλίκια, κελύφη, ενεργός ανθρακας,

ρινίσματα σιδήρου. • Μία πύλη για στενό πλούμιο (το πιο απλό).

• σε όλο το βάθος του υδροφορέα (διαλυτοί ρύποι). • σε μέρος του υδροφορέα ( μη υδατοδιαλυτοί).

• Πλεονέκτημα : Περιορίζεται το μέγεθος του in situ αντιδραστήρα.

• Είδη διεργασιών στην πύλη (ΠΙΝΑΚΑΣ 1).

49

Δύο περιπτώσεις χωνίου με μια πύλη.

Πηγή: Βουδριάς (2000).

In situ ενεργοί τοίχοι (5/7)

50

In situ ενεργοί τοίχοι (6/7)

• Πολλαπλές πύλες.

• Πύλες εν σειρά (η μία πίσω από την άλλη). Π.χ

• 1η πύλη με εκφύσηση (για ΤCE).

• 2η πύλη με βιολογικό φίλτρο (για ακετόνη).

• 3η πύλη με ενεργό άνθρακα (για πενταχλωροφαινόλη).

• Πολλαπλές παράλληλες πύλες.

• για μεγάλο πλάτος πλουμίου.

• max χρόνος παραμονής + max ζώνη σύλληψης.

51

In situ ενεργοί τοίχοι (7/7)

• Παράμετροι σχεδιασμού ενός συστήματος ενεργών τοίχων

• Διαστάσεις πυλών – τοίχων - τάφρων (υπόψη ότι κόστος πυλών >> κόστος τοίχων).

• Γραμμές ροής (για να συλληφθεί όλο το πλούμιο).

• Υδραυλικός χρόνος παραμονής.

• Πιθανός κορεσμός (και καταστροφή) των πυλών με ρυπαντές.

52

In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (1/8)

• Βιοαποικοδόμηση: η μετατροπή οργανικών ρύπων σε ανόργανα απλά προϊόντα (CO2, H2O, Cl, PO4) με τη βοήθεια μικροοργανισμών (μ/ο).

• In situ βιοεξυγίανση: η χρήση αυτόχθονων μ/ο για τη βιοαποδόμηση ρύπων του υπεδάφους.

53

In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (2/8)

• Το δύσκολο σημειο είναι η ύπαρξη μ/ο στο υπέδαφος και η κατανόηση των βιολογικών διεργασιών του υπεδάφους.

• Για την ανάπτυξη των in situ μ/ο απαιτείται η εισαγωγή θρεπτικών (Ν, Ρ) και οξειδωτικών ουσιών (Ο2, ΝΟ3) [Βιοενίσχυση].

54

In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (3/8)

Παράμετροι σχεδιασμού της in situ βιοεξυγίανσης.

1. Βαθμός ευκολίας αποικοδόμησης (απλοί ΗC με C1-5, αλκοόλες, οξέα, ΗC με C12-20, PCBs, φυτοφάρμακα).

2. Παρουσία μ/ο (τεχνικές προσδιορισμού).

3. Ύπαρξη θρεπτικών.

4. Δέκτες ηλεκτρονίων (οξειδωτικά).

5. Υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά περιοχής (αγωγιμότητα, πάχος υδροφόρου κλπ).

6. Υπόγεια κατανομή ρύπων (όρια βιοαντιδραστήρα).

55

In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (4/8)

Περιγραφή της in situ βιοεξυγίανσης. • Αερόβια διαδικασία. Απαιτείται προσθήκη Ο2.

• Τα υπόγεια νερά έχουν λίγο Ο2. Γίνεται άντληση υπόγειου νερού, προσθήκη Ο2 και θρεπτικών και επαναεισαγωγή στο υπέδαφος. (Ενίσχυση βιολογικής δραστηριότητας).

• Η in situ μοιάζει με την ex situ (προσθήκη Ο2 + θρεπτικών), αλλά ο αντιδραστήρας απρόβλεπτος.

• Η άντληση ύδατος κατάντη και η επανεισαγωγή ανάντη αυξάνει την υδραυλική κλίση.

56

Σύστημα in situ βιοεξυγίανσης.

Πηγή: Anderson (1994).

In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (5/8)

57

In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (6/8)

Παραλλαγές της in situ βιοεξυγίανσης.

• Το υπόγειο νερό μπορεί μετά την άντληση να υποστεί πρόσθετη επεξεργασία πριν εισαχθεί στο υπέδαφος.

• Μέρος του αντλούμενου νερού μπορει να διατεθεί σε άλλον αποδέκτη.

• Η προσθήκη Ο2 γίνεται με αερισμό, καθαρό Ο2 ή Η2Ο2.

• Για την επεξεργασία τυχόν ρυπανθέντος εδάφους γίνεται εισαγωγή (μετά από διήθηση) του νερού, το οποίο αντλήθηκε και εμπλουτίσθηκε.

58

In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (7/8)

Εισαγωγή θρεπτικών και Ο2 στον υδροφορέα.

Συστήματα φρεάτων για την εισαγωγή θρεπτικών και οξυγόνου σε υδροφορία.

Πηγή: Anderson (1994).

59

In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (8/8)

Παροχή Οξυγόνου.

• Η παροχή Ο2 είναι καθοριστική (Παράδειγμα αναλογίας Ο2 – βακτηρίων για αποδόμηση βενζίνης – Πίνακας 1).

• Η χρήση αέρα (αερισμός) αυξάνει σχετικά λίγο (8 mg/L) το διαλυμένο οξυγόνο.

• Η χρήση καθαρού Ο2 ανεβάζει το νούμερο στα 40 mg/L (δεν επαρκεί πάντα).

• Για πολύ ενεργά βιολογικά συστήματα χρησιμοποιείται Η2Ο2.

60

ΑΠΟΡΡΥΠΑΝΣΗ ΕΔΑΦΩΝ • Ρύπανση εδαφών πολύπλοκο φαινόμενο.

• Σπουδαιότεροι ρυπαντές:

• Βαριά μέταλλα.

• Οργανικά (διαλύτες, εντομοκτόνα κλπ).

• Μικροβιακοί παθογόνοι παράγοντες.

• Νιτρικά (από λιπάσματα, αποχετεύσεις).

• Η νομοθεσία επιβάλει αξιολόγηση και εξυγίανση (κόστος γης υψηλό).

61

Στάδια απορρύπανσης εδαφών

• Απομάκρυνση και καταστροφή της πηγής.

• Επεξεργασία - εξυγίανση του εδάφους.

• Εκσκαφή της περιοχής.

• Επεξεργασία εδάφους σε αντιδραστήρα (φυσικές-χημικές-βιολογικές μέθοδοι, π.χ εκχύλιση).

• Προτιμάται η in situ επεξεργασία (π.χ για HC).

• Γενικά η απορρύπανση εδαφών τεχνικά δύσκολη και ακριβή.

62

Απομάκρυνση - καταστροφή της πηγής ρύπανσης (π/ρ) (1/2)

Στάδια μεθόδου.

1. Εκσκαφή της π/ρ .

2. Καταστροφή ή επεξεργασία.

3. Μεταφορά σε ΧΥΤΑ.

• Όταν η τοξικότητα ή και η ποσότητα μεγάλη απομόνωση της π/ρ (διαφραγματικοί τοίχοι, καλύμματα).

• Επιλογή κατάλληλης τεχνολογίας επεξεργασίας.

63

Απομάκρυνση - καταστροφή της πηγής ρύπανσης (π/ρ) (2/2)

Τεχνολογίες θερμικής επεξεργασίας:

• Καύση (σε κλίνη ή σε κλίβανο).

• Θερμική επεξεργασία με υπέρυθρη ακτινοβολία.

• Οξείδωση με υγρό αέρα.

• Πυρολυτική καύση.

• Υαλοποίηση.

64

Τεχνολογίες φυσ/χημικής επεξεργασίας

• Απομάκρυνση πτητικών ρυπαντών με υποπίεση. • Πλύση εδάφους. • Θερμική εκρόφηση χαμηλής θερμοκρασίας. • Σταθεροποίηση και στερεοποίηση. -In situ υαλοποίηση. • Χημική εκχύλιση. • In situ χημική απορρύπανση. • Αποχλωρίωση. • Οξείδωση – αναγωγή. Τα παραγόμενα προιόντα (π.χ ιλύς) συχνά απαιτούν πρόσθετη επεξεργασία (π.χ σταθεροποίηση) πριν διατεθούν.

65

Απομάκρυνση πτητικών ρυπαντών με υποπίεση (1/2)

• Εφαρμόζεται in situ (στην ακόρεστη ζώνη) και ακολουθεί επεξεργασία των ρύπων.

• Περιγραφή εγκατάστασης: Φρεάτια / Αντλία κενού / Διαχωριστής υγρών-αερίων / Επεξεργαστής απαερίων με ενεργό άνθρακα (Σχήμα).

• Εφαρμόζεται και σε εδάφη χαμηλής διαπερατότητας (άργιλος) και για βενζίνη/ diesel.

• Παραλλαγή: χρήση θερμού αέρα (ή ατμού) στην ακόρεστη αλλά και στην υδροφόρα ζώνη.

66

In situ απομάκρυνση πτητικών ρυπαντών με υποπίεση.

Πηγή: Βουδριάς (2000).

Απομάκρυνση πτητικών ρυπαντών με υποπίεση (2/2)

67

Πλύση εδάφους (1/2)

• Οι ρύποι συγκεντρώνονται κυρίως στους λεπτούς κόκκους (<63 μm).

Αποτελούν το 10-15 %. • Διαχωρισμός με βάση το μέγεθος των κόκκων

(κοκκομετρια) και την πυκνότητα. • Το ρυπασμένο κλάσμα επεξεργασία ΧΥΤΑ.

68

Πλύση εδάφους (2/2)

Περιγραφή: • Σχάρες. • Νερό + πρόσθετα (οξέα - βάσεις κλπ). • Διαχωρισμός σε άργιλο-ιλύ- άμμο και νερό

(ρυπασμένο). Η επιλογή προσθέτων γίνεται με βάση εργαστηριακές δοκιμές.

69

Θερμική εκρόφηση χαμηλής θερμοκρασίας (1/3)

• Φθηνότερη από καύση λόγω χαμηλών θερμοκρασιών (90-500 0C).

• Δεν υπάρχουν προϊόντα καύσης. Οι ρύποι παραλαμβάνονται ως συμπυκνωμένο υγρό.

70

Θερμική εκρόφηση χαμηλής θερμοκρασίας (2/3)

Περιγραφή • Εκσκαφή. • Ξήρανση και θερμική εκρόφηση (μεταφορά

ρύπων με Ν2). • Ψύξη στερεών και επιστροφή. • Επεξεργασία αερίου κλάσματος:

• Απομάκρυνση σκόνης (και 10-15 % ρύπων). • Συμπύκνωση (υγροποίηση ρύπων) -

Επαναχρησιμοποίηση Ν2.

71

Θερμική εκρόφηση χαμηλής θερμοκρασίας (3/3)

• Αρνητική πίεση στο σύστημα για αποφυγή διαρροών.

• Η μέθοδος εφαρμόζεται και in situ με παροχή θερμού αέρα (όπως η απομάκρυνση πτητικών με υποπίεση).

72

In situ υαλοποίηση (1/2)

• Ισχυρή θέρμανση (1600-2000 οC) ώστε να καταστραφούν οι οργανικοί ρυπαντές με πυρόλυση.

• Τα αέρια παραπροϊόντα επεξεργάζονται.

• Οι ανόργανοι ρυπαντές εγκλωβίζονται στην παραγόμενη ύαλο.

73

In situ υαλοποίηση (2/2)

• Περιγραφή: • Τοποθέτηση 4 ηλεκτροδίων στο έδαφος. • Αρχική ενίσχυση αγωγιμότητας με νιφάδες γραφίτη • Τήξη του επιφανειακού εδάφους. (Ταχύτητα

εξάπλωσης 2-5 cm/sec). • Παραγωγή υαλοποιημένης μάζας.

• Συμπληρωματικά στοιχεία. • Δυναμικότητα : μέχρι 500 tn εδάφους (10 Χ 10 Χ 8 m3). • Μείωση του πορώδους και συνεπώς του όγκου. • Κατανάλωση ενέργειας 1600-2000 kWhr/ tn.

74

Στερεοποίηση – σταθεροποίηση (1/3)

• Αφορά: ρυπασμένα εδάφη, ιλύες, στάχτη. • Γίνεται in situ και ex situ. • Περιγραφή:

• Προσθήκη τσιμέντου ή ιπτάμενης τέφρας. • Προσθήκη αντιδραστηρίων για βαρέα μέταλλα. • Μετατροπή σε υαλώδη μάζα υψηλής αντοχής και

μικρής υδραυλικής αγωγιμότητας. • Χρήση ελικοειδών δειγματοληπτών auger για εισπίεση

υλικών.

• Παραλλαγή: In situ εφαρμογή για κατασκευή διαφραγματικών τοίχων.

75

Στερεοποίηση – σταθεροποίηση (2/3)

• Συμπληρωματικά στοιχεία: • Δυναμικότητα: 60-100 m3 εδάφους / 8h. Βάθος μέχρι

30 m. • Αύξηση όγκου 30 %. • Εφαρμογές: εδάφη ρυπασμένα με βαριά μέταλλα,

φυτοφάρμακα, PCBs, PAHs. • Τεχνολογίες βιολογικής επεξεργασίας εδαφών • Όπως κεφ. 10 για υπόγεια ύδατα. in situ - ex situ / Οργαν. ρυπαντές, απλοί / Προσθήκη νερού – θρεπτικών - Ο2.

76

Πηγή: Βουδριάς (2000). Ανάμιξη εδάφους-τσιμέντου για in situ σταθεροποίηση.

Στερεοποίηση – σταθεροποίηση (3/3)

77

Απομάκρυνση πτητικών με υποπίεση (1/4)

• Όπως στο κεφ. 10 για υπόγεια ύδατα.

• Γίνεται in situ και ex situ.

• Εφαρμόζεται υποπίεση (κενό) για να εξαεριωθούν οι πτητικοί ρύποι από το έδαφος, οι οποίοι στη συνέχεια επεξεργάζονται.

• Προϋποθέσεις:

οι ρύποι πτητικοί και μη διαλυτοί.

78

Απομάκρυνση πτητικών με υποπίεση (2/4)

Πλεονεκτήματα: • Εφαρμογή in situ.

• Αποτελεσματική στα πτητικά.

• Εφαρμογή σε μεγάλους όγκους εδάφους.

• Απλή εγκατάσταση-λειτουργία.

• Συνδυασμός με άλλες τεχνολογίες.

79

Πηγή: Suthersan (1996).

In situ απομάκρυνση πτητικών.

Απομάκρυνση πτητικών με υποπίεση (3/4)

80

Πηγή: Βουδριάς (2000).

Ex situ απομάκρυνση πτητικών.

Απομάκρυνση πτητικών με υποπίεση (4/4)

81

Βιοαερισμός εδάφους – bioventing (1/8)

Βιοαποικοδόμηση: Ο2 + μ/ο (μικρο-οργανισμοί) CO2 + H2O + βιομάζα. • Ρυθμός βιοαποικοδόμησης: Εξαρτάται από Ο2 και

υπολογίζεται από Ο2 & CO2.

• Στην απομάκρυνση πτητικών υπό κενό γίνεται & παρ/λη αποικοδόμηση λόγω εισαγωγής αέρα (Σχήμα).

• Εφαρμογή για μη αλογονωμένες οργ. ενώσεις. Πλεονεκτήματα: 1) Εφαρμόζεται και για ημι-πτητικά. 2) Ελαττώνει την ποσότητα των απαερίων.

82

Βιοαερισμός εδάφους – bioventing (2/8)

Περιγραφή της τεχνολογίας. • Όμοια με απομάκρυνση πτητικών με υποπίεση. • Όμως στο βιοαερισμό σκοπός είναι να αυξηθεί ο ρυθμός

βιοαποδόμησης (β/α). Χρειάζεται 2-4% Ο2.

• Επεξεργασία ατμών στην επιφάνεια ή υπογείως (φυσική β/α).

• Εναλλακτικά: αντί υποπίεση ανακυκλοφορία αέρα (όμως κίνδυνος διαρροών). • Αναρρόφηση αέρα από καθαρή περιοχή. • Προσθήκη θρεπτικών (όχι πάντα). • Η προσθήκη γίνεται συχνά με κατείσδυση υδατικού

διαλύματος, Ν2 4,3 και Ρ 0,6 kg/100 kg BOD.

83

Πηγή: Βουδριάς (2000).

Βιοαερισμός με επεξεργασία ατμών (a) επιφανειακά (b) υπόγεια.

Βιοαερισμός εδάφους – bioventing (3/8)

84

Πηγή: Βουδριάς (2000).

Βιοαερισμός με (a) παροχή αέρα (b) ανακυκλοφορία αέρα

Βιοαερισμός εδάφους – bioventing (4/8)

85

Βιοαερισμός εδάφους – bioventing (5/8)

Συνθήκες βιοαερισμού. • Οξυγόνο:

• Υπολογισμός O2 με βάση τη στοιχειομετρία (π.χ για n-εξάνιο C6H14 3,5 g O2 / g εξανίου).

• Τεχνικές προσθήκης O2. • με αέρα (O2: 8mg/L) Κατανάλωση 2330 όγκοι

πορώδους. • με υδατικό διάλυμα O2 (O2: 40 mg/L) Κατανάλωση

470. • με διάλυμα Η2Ο2 (O2: 250 mg/L) Κατανάλωση 82.

86

Βιοαερισμός εδάφους – bioventing (6/8)

Συνθήκες βιοαερισμού (συνέχεια). Υγρασία. • Η β/α αυξάνει με την υγρασία (μέχρι ενός ορίου, 40-60 %). • Τα πολύ υγρά εδάφη εμποδίζουν την κυκλοφορία του αέρα. • Χαμηλή παροχή αέρα μικρές απώλειες υγρασίας. • Όμως σε αργιλώδη εδάφη θέλουμε μείωση υγρασίας για

καλύτερη κυκλοφορία Ο2 (Σχεδίαση Σχ. 4). Θερμοκρασία. • Αύξηση θερμοκρασίας κατά 10 oC διπλασιάζει την β/α.

• Ρυθμός β/α Y = A · e−Ea/RT. • Α= σταθερά, Εa = ενέργεια ενεργοποίησης. • Μεταβολή ρυθμού β/α: Καμπύλη εκθετική, ασύμπτωτος

στο Α (Σχ.5).

87

Βιοαερισμός εδάφους – bioventing (7/8)

• Συμπληρωματικά στοιχεία για το βιοαερισμό. • Θέση υπόγειου υδροφορέα.

• Αν βρίσκεται σε βάθος > 3,5 m Οk, με τον όρο ότι το επιφανειακό έδαφος (περίπου 0,6 m) δεν απαιτεί επεξεργασία.

• Αν βρίσκεται σε βάθος < 3,5 m Οk, αρκεί η επιφάνεια να είναι καλυμμένη.

• Όταν είναι εφικτή η ex situ (εκσκαφή) εφαρμόζονται άλλες τεχνολογίες, αν η αποδόμηση μέσω του βιοαερισμού είναι δύσκολη. Π.χ για αποδόμηση μέτριας δυσκολίας θερμική εκρόφηση.

88

Βιοαερισμός εδάφους – bioventing (8/8)

Δεν υπάρχουν έτοιμες «συνταγές». Παράμετροι σχεδιασμού βιοαερισμού: • Ανίχνευση ρυπαντών. • Αξιολόγηση του βαθμού αποικοδόμησής τους. • Υπολογισμος κατανομής ρύπων (με χημική ανάλυση). • Προσδιορισμός υδρογεωλογίας με δοκιμές πεδίου. • Ειδικές εργαστηριακές μελέτες για υπολογισμό β/α. • In situ δοκιμές αναπνοής για πρόοδο β/α στο πεδίο (μέσω

μέτρησης συγκεντρώσεων Ο2 και CO2). • Πρέπει να παίρνεται υπόψη το υπόβαθρο (η φυσική αναπνοή

του υπεδάφους) μιας «καθαρής περιοχής». (Έχει λιγότερο Ο2 και περισσότερο CO2 από την ατμόσφαιρα).

89

Βιβλιογραφία (1/2)

• Τεχνολογίες αποκατάστασης εδαφών και υπογείων υδάτων από επικίνδυνους ρύπους, Ε. Γιδαράκος, Μ. Αιβαλιώτη, Εκδόσεις Ζυγός, Θεσσαλονίκη, 2005.

• Μέθοδοι ελέγχου ρυπάνσεως περιβάλλοντος, Γ.Σ. Βασιλικιώτης, Κ.Κ. Φυτιάνος., Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 1986.

• Έλεγχος ρύπανσης περιβάλλοντος, Θ.Α. Κουιμτζής, Κ. Σαμαρά–Κωνσταντίνου, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 1994.

• Χημεία Περιβάλλοντος, Θ.Α. Κουιμτζής, Κ. Φυτιάνος, Κ. Σαμαρά-Κωσταντίνου, Εκδόσεις University Studio Press, Θεσσαλονίκη, 1998.

• Εργαστηριακές ασκήσεις εδαφολογίας, Κ. Σινάνης , Θεσσαλονίκη, 2003.

• Εξυγίανση εδαφών και υπόγειων υδάτων από επικίνδυνα απόβλητα, Ε.Α. Βουδριάς, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, Έκδοση του Πανεπιστημίου, Ξάνθη, 2000.

90

Βιβλιογραφία (2/2)

• Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater; American Public Health Association; 20th edition; 1999.

• Σημειώσεις εργαστηρίου (Ε. Αμανατίδου - Λ. Τσικριτζής , και συν., ΤΕΙ ΔΜ, Κοζάνη 2009).

91

Τέλος Ενότητας