Ρύπανση Υδάτων και Εδαφών

Transcript

1 Ρύπανση Υδάτων και Εδαφών Ενότητα 4η: Μηχανισμοί ρύπανσης και τεχνολογίες εξυγίανσης εδαφών και υπόγειων υδάτων Τσικριτζής Λάζαρος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης

2 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

3 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

4 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

5 Περιεχόμενα ενότητας 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). 5

6 Μεταφορά σε πορώδη μέσα (Εισαγωγικά) Μεταφορά μάζας σε κεκορεσμένα πορώδη μέσα. Έδαφος: ομογενές πορώδες μέσο. Μηχανισμοί μεταφοράς : Συναγωγή. διάχυση. Διασπορά. προσρόφηση. 6

7 Βασικές σχέσεις ροής ρευστών (1/2) Q v ή q (m 3 /sec) Παροχή όγκου = ο όγκος ρευστού / μονάδα χρόνου. Q m ή q m (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 (m 2 ): Η διατομή της ροής. Α act (m 2 ): H ενεργός διατομή της ροής σε πορώδες μέσο (έδαφος) Α act = Α. Ε. C (Kg/m 3 ): H συγκέντρωση ενός συστατικού. 7

8 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 q m = Δm/Δt. Παροχή μάζας ανά μονάδα επιφανείας της διατομής Α. F= q m /A = C. v. 8

9 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

10 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

11 Ροή λόγω συναγωγής (3/3) F= q m /A =C. v Ισχύει και για τη μεταφορά σε πορώδη μέσα (έδαφος), εάν αντί Α Α act. qm = Δm/Δt=C. v. Α act, qm = C. v. A. ε και άρα: F= qm / Α= C. v. ε. 11

12 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 (m 2 /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

13 Ροή λόγω μοριακής διάχυσης (2/4) 2os νόμος του Fick. C/ t = D m ( 2 C/ 2 x) 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 D m πάρουμε το D e D e = τ. D m, D e ο φαινομενικός συντελεστής διάχυσης και τ = παράγων πολυπλοκότητας (= 0,5-0,01). 13

14 Ροή λόγω μοριακής διάχυσης (3/4) Βραδεία διάχυση. Κατανομή Gauss της συγκέντρωσης C (βλ. Σχήμα ). Για οριακές συνθήκες. C=C 0 erfc[x/2(d e t) 0,5 ] erfc[z] από πίνακες. Παράδειγμα και ασκήσεις. 14

15 Ροή λόγω μοριακής διάχυσης (4/4) Πηγή: Fetter (1993). Προσομοίωση μεταφοράς μάζας ρύπου, λόγω διακχύσεως. Μία ποσότητα ρύπου εισήχθη σε υδροφορία σε χρόνο t k και δημιουργήθηκε πηγή συγκεντρώσεως C 0. 15

16 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

17 Μεταφορά λόγω μηχανικής διασποράς (2/2) Ισχύει ο νόμος του Fick, αρκεί: να αντικαταστήσουμε το συντελεστή μοριακής διάχυσης D m με το συντελεστή υδροδυναμικής διασποράς. D x =a x V m +D m τ. a x : σταθερά υδροδυναμικής διασποράς. και m= 1 έως 2. 17

18 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

19 Μεταφορά λόγω προσρόφησης Ισόθερμοι προσρόφησης. (2/6) Πηγή: Βουδριάς (2000). 19

20 Μεταφορά λόγω προσρόφησης (3/6) Ισόθερμος Freundlich. q e =KC 1/n C η συγκέντρωση του ρύπου στο διάλυμα (Μ/Μ). q e η συγκέντρωση του ρύπου στην διεπιφάνεια του εδάφους (Μ/L 3 ). 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 logq e =logk+1/n. logc. To1/n προσδιορίζεται από την κλίση, ενώ το K από την τεταγμένη (με πειραματικά δεδομένα). 20

21 Μεταφορά λόγω προσρόφησης (4/6) Συχνά η ισόθερμος καμπύλη είναι γραμμική [κυρίως για χαμηλές τιμές υδρόφοβων ρύπων]. q e =K d C Ισχύει όταν 1/n=1 K d o γραμμικός συντελεστής προσροφήσεως ή κατανομής (Σχήμα lindane). 21

22 Μεταφορά λόγω προσρόφησης (5/6) Ο K d συσχετίζεται γραμμικά με το κλάσμα f oc οργανικού άνθρακα του προσροφητή και το συντελεστή κατανομής του άνθρακα Koc. K oc = K d / f oc. Ισχύει για f>1% w/w. Παράδειγμα: 22

23 Μεταφορά λόγω προσρόφησης Ρόφηση lindane από χώμα. (6/6) Πηγή: Βουδριάς (2000). 23

24 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

25 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

26 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

27 Ζώνες σύλληψης (2/2) Ενδιαφέρει ο αριθμός, η θέση και η παροχή των γεωτρήσεων. Χρήση μαθηματικών μοντέλων. 27

28 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

29 Επεξεργασία διαλυμένων ανόργανων ρύπων Ιόντα μετάλλων: κροκίδωση-καθίζηση-διήθηση (με τη μορφή υδροξειδίων σε υψηλό ph ή σουλφιδίων). π.χ Fe 2+ (με αερισμό και αλκαλ. ph) Fe(ΟΗ) 3. Τα ανιόντα απομακρύνονται με: Ιοντο-ανταλλακτικές ρητίνες. Όσμωση ή ηλεκτροδιάλυση (πιο ακριβές). 29

30 Πτητικοί: Επεξεργασία διαλυμένων οργανικών ρύπων (1/3) με εκφύσηση (Air stripping). Παροχή αέρα σε πύργο κατ αντιρροή. Απαέρια : Πιθανή ανάγκη δέσμευσης με ενεργό άνθρακα (Activated Carbon AC). 30

31 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

32 Επεξεργασία διαλυμένων οργανικών ρύπων (3/3) Απομάκρυνση οργανικών με ενεργό άνθρακα. Πηγή: Βουδριάς (2000). Σύστημα κοκκώδους ενεργού άνθρακα. 32

33 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

34 In situ επεξεργασία υπόγειου νερού (2/2) Πηγή:Βουδριάς (2000). In- situ βιολογική επεξεργασία υπόγειου νερού. 34

35 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

36 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

37 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

38 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, βιοεξυγίανση κλπ). 38

39 Απομόνωση (containment) της πηγής (1/7) Η πηγή ρύπανσης μπορεί να είναι σε επαφή με τον υδροφορέα σοβαρός κίνδυνος. Πηγή: Βουδριάς (2000). 39

40 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

41 Απομόνωση της πηγής της ρύπανσης (3/7) Περιφερειακός διαφραγματικός τοίχος. Πηγή: LaGrega et al. (1994). 41

42 Απομόνωση της πηγής της ρύπανσης (4/7) Διαφραγματικός τοίχος στα κατάντη της πηγής. Πηγή: LaGrega et al. (1994). 42

43 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

44 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

45 Απομόνωση της πηγής της ρύπανσης (7/7) Ειδικό κάλυμμα πηγής ρύπανσης. Πηγή: Βουδριάς (2000). 45

46 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

47 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

48 In situ ενεργοί τοίχοι (3/7) Τάφρος με διαπερατό υλικό. Πηγή: Βουδριάς (2000). 48

49 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

50 In situ ενεργοί τοίχοι (5/7) Δύο περιπτώσεις χωνίου με μια πύλη. Πηγή: Βουδριάς (2000). 50

51 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

52 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

53 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

54 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

55 In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (3/8) Παράμετροι σχεδιασμού της in situ βιοεξυγίανσης. 1. Βαθμός ευκολίας αποικοδόμησης (απλοί ΗC με C 1-5, αλκοόλες, οξέα, ΗC με C 12-20, 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

56 In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (4/8) Περιγραφή της in situ βιοεξυγίανσης. Αερόβια διαδικασία. Απαιτείται προσθήκη Ο 2. Τα υπόγεια νερά έχουν λίγο Ο 2. Γίνεται άντληση υπόγειου νερού, προσθήκη Ο 2 και θρεπτικών και επαναεισαγωγή στο υπέδαφος. (Ενίσχυση βιολογικής δραστηριότητας). Η in situ μοιάζει με την ex situ (προσθήκη Ο 2 + θρεπτικών), αλλά ο αντιδραστήρας απρόβλεπτος. Η άντληση ύδατος κατάντη και η επανεισαγωγή ανάντη αυξάνει την υδραυλική κλίση. 56

57 In situ βιοεξυγίανση υπόγειων υδάτων (5/8) Σύστημα in situ βιοεξυγίανσης. Πηγή: Anderson (1994). 57

58 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

59 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

60 In situ βιοεξυγίανση υπόγειων Παροχή Οξυγόνου. υδάτων (8/8) Η παροχή Ο 2 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 Ο 2 ανεβάζει το νούμερο στα 40 mg/l (δεν επαρκεί πάντα). Για πολύ ενεργά βιολογικά συστήματα χρησιμοποιείται Η 2 Ο 2. 60

61 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

62 Στάδια απορρύπανσης εδαφών Απομάκρυνση και καταστροφή της πηγής. Επεξεργασία - εξυγίανση του εδάφους. Εκσκαφή της περιοχής. Επεξεργασία εδάφους σε αντιδραστήρα (φυσικέςχημικές-βιολογικές μέθοδοι, π.χ εκχύλιση). Προτιμάται η in situ επεξεργασία (π.χ για HC). Γενικά η απορρύπανση εδαφών τεχνικά δύσκολη και ακριβή. 62

63 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

64 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

65 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

66 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

67 Απομάκρυνση πτητικών ρυπαντών με υποπίεση (2/2) In situ απομάκρυνση πτητικών ρυπαντών με υποπίεση. Πηγή: Βουδριάς (2000). 67

68 Πλύση εδάφους (1/2) Οι ρύποι συγκεντρώνονται κυρίως στους λεπτούς κόκκους (<63 μm). Αποτελούν το %. Διαχωρισμός με βάση το μέγεθος των κόκκων (κοκκομετρια) και την πυκνότητα. Το ρυπασμένο κλάσμα επεξεργασία ΧΥΤΑ. 68

69 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

70 Θερμική εκρόφηση χαμηλής θερμοκρασίας (1/3) Φθηνότερη από καύση λόγω χαμηλών θερμοκρασιών ( C). Δεν υπάρχουν προϊόντα καύσης. Οι ρύποι παραλαμβάνονται ως συμπυκνωμένο υγρό. 70

71 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 % ρύπων). Συμπύκνωση (υγροποίηση ρύπων) - Επαναχρησιμοποίηση Ν2. 71

72 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

73 In situ υαλοποίηση (1/2) Ισχυρή θέρμανση ( οc) ώστε να καταστραφούν οι οργανικοί ρυπαντές με πυρόλυση. Τα αέρια παραπροϊόντα επεξεργάζονται. Οι ανόργανοι ρυπαντές εγκλωβίζονται στην παραγόμενη ύαλο. 73

74 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 kwhr/ tn. 74

75 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

76 Στερεοποίηση σταθεροποίηση (2/3) Συμπληρωματικά στοιχεία: Δυναμικότητα: 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

77 Στερεοποίηση σταθεροποίηση (3/3) Πηγή: Βουδριάς (2000). Ανάμιξη εδάφους-τσιμέντου για in situ σταθεροποίηση. 77

78 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

79 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

80 Απομάκρυνση πτητικών με υποπίεση (3/4) Πηγή: Suthersan (1996). In situ απομάκρυνση πτητικών. 80

81 Απομάκρυνση πτητικών με υποπίεση (4/4) Πηγή: Βουδριάς (2000). Ex situ απομάκρυνση πτητικών. 81

82 Βιοαερισμός εδάφους bioventing (1/8) Βιοαποικοδόμηση: Ο 2 + μ/ο (μικρο-οργανισμοί) CO 2 + H 2 O + βιομάζα. Ρυθμός βιοαποικοδόμησης: Εξαρτάται από Ο 2 και υπολογίζεται από Ο 2 & CO 2. 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

83 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% Ο 2. 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, Ν 2 4,3 και Ρ 0,6 kg/100 kg BOD. 83

84 Βιοαερισμός εδάφους bioventing (3/8) Πηγή: Βουδριάς (2000). Βιοαερισμός με επεξεργασία ατμών (a) επιφανειακά (b) υπόγεια. 84

85 Βιοαερισμός εδάφους bioventing (4/8) Πηγή: Βουδριάς (2000). Βιοαερισμός με (a) παροχή αέρα (b) ανακυκλοφορία αέρα 85

86 Βιοαερισμός εδάφους bioventing (5/8) Συνθήκες βιοαερισμού. Οξυγόνο: Υπολογισμός O 2 με βάση τη στοιχειομετρία (π.χ για n-εξάνιο C 6 H 14 3,5 g O 2 / g εξανίου). Τεχνικές προσθήκης O 2. με αέρα (O 2 : 8mg/L) Κατανάλωση 2330 όγκοι πορώδους. με υδατικό διάλυμα O 2 (O 2 : 40 mg/l) Κατανάλωση 470. με διάλυμα Η 2 Ο 2 (O 2 : 250 mg/l) Κατανάλωση

87 Βιοαερισμός εδάφους bioventing (6/8) Συνθήκες βιοαερισμού (συνέχεια). Υγρασία. Η β/α αυξάνει με την υγρασία (μέχρι ενός ορίου, %). 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

88 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

89 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 Ο 2 και CO 2 ). Πρέπει να παίρνεται υπόψη το υπόβαθρο (η φυσική αναπνοή του υπεδάφους) μιας «καθαρής περιοχής». (Έχει λιγότερο Ο2 και περισσότερο CO2 από την ατμόσφαιρα). 89

90 Βιβλιογραφία (1/2) Τεχνολογίες αποκατάστασης εδαφών και υπογείων υδάτων από επικίνδυνους ρύπους, Ε. Γιδαράκος, Μ. Αιβαλιώτη, Εκδόσεις Ζυγός, Θεσσαλονίκη, Μέθοδοι ελέγχου ρυπάνσεως περιβάλλοντος, Γ.Σ. Βασιλικιώτης, Κ.Κ. Φυτιάνος., Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, Έλεγχος ρύπανσης περιβάλλοντος, Θ.Α. Κουιμτζής, Κ. Σαμαρά Κωνσταντίνου, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, Χημεία Περιβάλλοντος, Θ.Α. Κουιμτζής, Κ. Φυτιάνος, Κ. Σαμαρά- Κωσταντίνου, Εκδόσεις University Studio Press, Θεσσαλονίκη, Εργαστηριακές ασκήσεις εδαφολογίας, Κ. Σινάνης, Θεσσαλονίκη, Εξυγίανση εδαφών και υπόγειων υδάτων από επικίνδυνα απόβλητα, Ε.Α. Βουδριάς, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, Έκδοση του Πανεπιστημίου, Ξάνθη,

91 Βιβλιογραφία (2/2) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater; American Public Health Association; 20th edition; Σημειώσεις εργαστηρίου (Ε. Αμανατίδου - Λ. Τσικριτζής, και συν., ΤΕΙ ΔΜ, Κοζάνη 2009). 91

92 Τέλος Ενότητας