Αειφορική διαχείριση εδάφους στην Yδρολογική λεκάνη του Ανθεμούντα με βάση την Ευρωπαϊκή Θεματική στρατηγική για το έδαφος

Transcript

1 LIFE07 ENV/GR/ SOIL SUSTAINABILITY (So.S.) Αειφορική διαχείριση εδάφους στην Yδρολογική λεκάνη του Ανθεμούντα με βάση την Ευρωπαϊκή Θεματική στρατηγική για το έδαφος Ενέργεια 11: Εφαρμογή του ΕΔΡΕ σε συγκεκριμένη περιοχή Τίτλος παραδοτέου Θεματικός οδηγός απορρύπανσης εδαφών Μελετητική Ομάδα Δρ. Χρήστος Βατσέρης: Τεχνικός Διευθυντής Δρ. Θωμάς Τσατσαρέλης: Υπεύθυνος έργων Δρ. Στυλιανός Παπαδόπουλος: Γενικός Διευθυντής Ιούνιος 2012

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη... 3 Summary Εισαγωγή Αλληλεπίδραση των ρύπων με το έδαφος Κίνηση των ρύπων στο έδαφος Μεταγωγή (advection) Διάχυση (molecular diffusion) Διασπορά (mechanical dispersion) Κατηγορίες τεχνικών εξυγίανσης αποκατάστασης ρυπασμένων πεδίων Ολική εκσκαφή Επεξεργασία με φυσικοχημικές και βιολογικές μεθόδους Εγκλωβισμός της ρύπανσης Απλή παρακολούθηση της διαδικασίας εξασθένησης Τεχνικές αποκατάστασης ρυπασμένων ακόρεστων εδαφών Μέθοδος βιοεξυγίανσης Βιοαερισμός (Bioventing) Φυτοεξυγίανση (Phytoremediation) Τεχνική αγροκαλλιέργειας (Landfarming) Επεξεργασία σε σωρούς (Biopiles) Βιοαντιδραστήρες (Bioreactors) Φυσικοχημικές μέθοδοι Άντληση εδαφικού αέρα (Soil Vapour Extraction) Έκπλυση εδάφους (Soil Flushing) Ηλεκτροκινητική απορρύπανση (Electrokinetics) Φυσική εξασθένηση (Natural Attenuation) Πλύση εδάφους (Soil washing) Σταθεροποίηση - Στερεοποίηση (Stabilization - Solidification) Θερμικές μέθοδοι Θέρμανση με ηλεκτρική αντίσταση (Electrical Resistance Heating) Αποτέφρωση (Incineration) Πυρόλυση (Pyrolysis) Θερμική εκρόφηση (Thermal desorption) Αποκατάσταση κορεσμένων εδαφών υπόγειων υδάτων Βιοαναρρόφηση (Bioslurping) Αεροδιασπορά (Air Sparging) Διαπερατά Ενεργά Φράγματα (Permeable Reactive Barriers) Αεροδιαχωρισμός (Air Stripping) Άντληση και επεξεργασία (Pump and Treat) Χημική οξείδωση / αναγωγή Διάγραμμα ροής για την επιλογή των κατάλληλων τεχνολογιών απορρύπανσης οργανικής ρύπανσης Σύγκριση τεχνολογιών απορρύπανσης Προστασία από την επέκταση της ρύπανσης Συστήματα κάλυψης... 53

3 9.2. Κατακόρυφα περιμετρικά διαφράγματα Υδραυλικά συστήματα Βιβλιογραφία Z:\INTERGEO-DATA\PROJECTS\E.U\G1770- Soil Sustainability\REPORT\DELIVERABLE - Θεματικός οδηγός απορρύπανσης\deliverable INTERGEO - Θεματικός οδηγός απορρύπανσης doc 2

4 Περίληψη Η παρούσα τεχνική έκθεση αποτελεί ένα θεματικό οδηγό για την απορρύπανση επιβαρυμένων εδαφών. Αρχικά γίνεται αναφορά στις διεργασίες των ρύπων στο έδαφος και στους μηχανισμούς μεταφοράς τους. Στη συνέχεια εξετάζονται οι διάφορες τεχνολογίες απορρύπανσης εδαφών που χρησιμοποιούνται, οι μηχανισμοί δράσης τους και η αποτελεσματικότητά τους για διαφορετικές κατηγορίες ρύπανσης. Επίσης δίδονται ποιοτικές πληροφορίες για την πολυπλοκότητά τους, το κόστος εφαρμογής και τον απαιτούμενο χρόνο για την ολοκλήρωση της απορρύπανσης. Τέλος γίνεται αναφορά και σε τεχνολογίες προστασίας από την επέκταση της ρύπανσης σε επιβαρυμένα πεδία. Summary This technical report comprises a thematic guide for the treatment of contaminated soil. Firstly, the fate of contaminants in soil and their transport mechanisms are stated. Furthermore a description of the various soil remediation technologies is presented including their efficiency for treating different types of contaminants. In addition qualitative information on the complexity of the technology, costs for its implementation and the required period of time for the treatment process are given. Finally, technologies of restricting the contamination of remediated sites are also presented. 3

5 1. Εισαγωγή Η εξέταση και ανάλυση των εναλλακτικών λύσεων απορρύπανσης στηρίζεται σε δεδομένα που συγκεντρώνονται κατά τον περιβαλλοντικό έλεγχο Φάσης Ι και ΙΙ. Ο σκοπός της αξιολόγησης των διαφόρων τεχνολογιών είναι να προσδιοριστούν αυτές οι οποίες ανταποκρίνονται στους στόχους απορρύπανσης των πεδίων. Για ρυπασμένα πεδία θα πρέπει επίσης να ληφθούν υπόψη οι απαιτήσεις του προϋπολογισμού και να διατηρηθεί ένα πρόγραμμα εργασίας, ώστε το έργο της αποκατάστασης να καταστεί οικονομικά βιώσιμο. Η επιλογή της προτεινόμενης λύσης θα πρέπει να γίνει λαμβάνοντας υπόψη τις εξής παραμέτρους και δεδομένα: Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του ρύπου. Έκταση της υφιστάμενης ρύπανσης. Γεωλογικά και υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά της κορεσμένης και ακόρεστης ζώνης καθώς και υδραυλική επικοινωνία με το δυνητικό αποδέκτη. Διεύθυνση και ταχύτητα ροής του υπόγειου νερού. Διεθνείς πρακτικές για την εφαρμογή τεχνολογιών απορρύπανσης σε αντίστοιχες περιπτώσεις. Εμπειρίες από εφαρμογή τεχνολογιών απορρύπανσης και ιδιαίτερα σε παρεμφερείς ή όμοιες υδρογεωλογικές συνθήκες στην Ελλάδα. Τον υφιστάμενο περιβαλλοντικό κίνδυνο της ρύπανσης σε συνδυασμό με την πιθανή επαφή του χώρου με ευαίσθητο αποδέκτη. Οικονομικοτεχνικές συνθήκες. Επίσης η επιλογή της κατάλληλης λύσης εξυγίανσης / αποκατάστασης θα πρέπει να βασιστεί στα παρακάτω κριτήρια: 1. Τις πιθανές περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την εφαρμογή των συγκεκριμένων τεχνολογιών και τρόπους αντιμετώπισής τους. 2. Την εφαρμογή τεχνολογίας με όσο το δυνατόν λιγότερες τεχνικές και κατασκευαστικές παρεμβάσεις και έργα σε περίπτωση ύπαρξης υπόγειων εγκαταστάσεων που συνιστούν ιδιαίτερη προσοχή και περιορισμό των κινήσεων. 3. Την απλότητα της μεθόδου και τη διαθεσιμότητα της αντίστοιχης τεχνολογίας. 4. Το κόστος επένδυσης και την ευκολία συντήρησης. 4

6 5. Την ασφάλεια κατά τη λειτουργία της τεχνικής απορρύπανσης. 2. Αλληλεπίδραση των ρύπων με το έδαφος Οι σπουδαιότεροι τύποι ρύπων στο έδαφος μπορεί να είναι (Μαγκανάς, 2004): - Πετρελαιοειδή προϊόντα. - Βαρέα μέταλλα, όπως μόλυβδος, χρώμιο, κάδμιο, αρσενικό, χαλκός, σίδηρος, μαγγάνιο. - Συνθετικές οργανικές χημικές ενώσεις όπως διαλύτες, βιομηχανικά απόβλητα, εντομοκτόνα και ζιζανιοκτόνα. - Μικροβιακοί παθογόνοι παράγοντες. - Νιτρικά ιόντα προερχόμενα από λιπάσματα και λύματα. Το σύνολο της αλληλεπίδρασης των ρύπων με το έδαφος περιγράφεται με την έννοια της γεωχημικής υποβάθμισης. Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στη γεωχημική υποβάθμιση μπορούν να χωριστούν σε φυσικές, χημικές και βιολογικές. Οι κυριότερες είναι (Μαγκανάς, 2004): Προσρόφηση απελευθέρωση ρύπων (Φυσική διεργασία) Διάλυση Καθίζηση (Φυσική διεργασία) Αντιδράσεις οξέος βάσης (Χημική διεργασία) Οξείδωση Αναγωγή (Χημική διεργασία) Ζεύξη ιόντων (Χημική διεργασία) Ραδιενεργός απομείωση (Χημική διεργασία) Μικροβιακή κυτταρική σύνθεση (Βιολογική διεργασία) 3. Κίνηση των ρύπων στο έδαφος Μετά τη διαφυγή τους στο έδαφος οι ρύποι κινούνται στην μερικώς κορεσμένη ζώνη. Μέρος τους συγκρατείται από τους εδαφικούς κόκκους. Οι διαλυμένοι ρύποι όταν φτάσουν στην κορεσμένη ζώνη, παρασύρονται από την υπόγεια ροή βαρυτικά και κατεισδύουν προς τα κατάντη (Μαγκανάς, 2004). Αυτή η διαδικασία απεικονίζεται στην εικόνα 1. 5

7 Εικόνα 1: Κίνηση ρύπων στο έδαφος και το υπόγειο νερό (US EPA, 2000) Διακρίνονται τρεις μηχανισμοί μεταφοράς των ρύπων στο έδαφος, η μεταγωγή, η διάχυση και η διασπορά. 3.1 Μεταγωγή (advection) Κατά τη μεταγωγή ο ρύπος παρασύρεται από το υπόγειο νερό και ακολουθεί την κίνησή του μέσω των εδαφικών πόρων. Η συγκέντρωση του ρύπου μεταβάλλεται από θέση σε θέση. Αν δεν υπάρχει υπόγεια ροή ύδατος, η μεταγωγή δεν προκαλεί μεταφορά ρύπων Διάχυση (molecular diffusion) Κατά τη διάχυσή του, ο ρύπος διαχέεται στο υπόγειο νερό λόγω διαφοράς συγκέντρωσης και κινείται από τη μεγαλύτερη προς μικρότερη συγκέντρωση. Η διάχυση δύναται να πραγματοποιηθεί ακόμα και αν δεν υπάρχει υπόγεια ροή Διασπορά (mechanical dispersion) Η διασπορά του ρύπου οφείλεται στην τυχαία διάταξη των κόκκων του εδάφους. Έτσι η κίνηση του νερού είναι μη ομοιόμορφη και εμφανίζονται διαφορετικές ταχύτητες ροής στο έδαφος. Η διασπορά πραγματοποιείται τόσο κατά μήκος όσο και εγκάρσια. Σχηματικά απεικονίζεται στην εικόνα 2. 6

8 Εικόνα 2: Μηχανισμός Διασποράς ρύπων στο υπόγειο νερό (Μαγκανάς, 2004) 4. Κατηγορίες τεχνικών εξυγίανσης αποκατάστασης ρυπασμένων πεδίων Στη διεθνή βιβλιογραφία και στην καθημερινή πρακτική παγκοσμίως αναφέρονται γενικά 4 μεγάλες κατηγορίες μέτρων εξυγίανσης ρυπασμένων πεδίων (Βουδριάς, 2003): 1. Η ολική εκσκαφή (total excavation) και απομάκρυνση (removal) προς τελική διάθεση και καταστροφή σε ειδικούς χώρους διάθεσης επικίνδυνων αποβλήτων (hazardous waste treatment). 2. Η επεξεργασία με φυσικοχημικές και βιολογικές μεθόδους είτε επιτόπου χωρίς εκσκαφή (in situ) ή στο πεδίο μετά από εκσκαφή (on site) και επανατοποθέτηση του επεξεργασμένου εδαφικού υλικού στην αρχική του θέση. 3. Ο επιτόπου εγκλωβισμός (in situ containment) της ρύπανσης με διάφορους τρόπους, όπως κάλυψη με αδιαπέρατα φυσικά ή τεχνητά καλύμματα, κατασκευή αδιαπέρατων πλευρικών φραγμάτων (impermeable boundaries) ή υδραυλικών φραγμάτων (hydraulic barriers) για το υπόγειο νερό κ.ά. 4. Η απλή παρακολούθηση (natural attenuation) της διαδικασίας εξασθένησης των ρύπων με ταυτόχρονο περιορισμό ή εξάλειψη των ρυπογόνων δραστηριοτήτων. 7

9 4.1. Ολική εκσκαφή Η ολική εκσκαφή (total excavation) (εικόνα 3), απομάκρυνση του ρυπασμένου εδάφους και τελική διάθεση καταστροφή του σε ειδικούς χώρους διάθεσης επικίνδυνων αποβλήτων, εφαρμόζεται κυρίως είτε σε περιπτώσεις όπου ο βαθμός και ο τύπος της ρύπανσης δεν απαιτούν πολύπλοκες και χρονοβόρες διαδικασίες επεξεργασίας, είτε όπου υπάρχει μεγάλος χρονικός περιορισμός στην αποκατάσταση του πεδίου (άμεση αποκατάσταση). Προφανώς, σε όλες τις περιπτώσεις θα πρέπει να υφίσταται η δυνατότητα τελικής διάθεσης σε ειδικό χώρο διάθεσης. Επιπρόσθετα, η ολική εκσκαφή είναι συνήθως πραγματοποιήσιμη και οικονομικά συμφέρουσα μόνο όταν ο όγκος του ρυπασμένου εδάφους είναι σχετικά μικρός και βρίσκεται σε μικρό βάθος (Papadopoulos et al., 2002). Εικόνα 3: Σχηματική απεικόνιση της μεθόδου της ολικής εκσκαφής (total excavation) Επεξεργασία με φυσικοχημικές και βιολογικές μεθόδους Η επεξεργασία του ρυπασμένου εδάφους με φυσικοχημικές και βιολογικές μεθόδους στοχεύει είτε στην πλήρη εξάλειψη του ρύπου, είτε στη μείωση της συγκέντρωσής του σε επίπεδα που δεν αποτελούν κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον. Οι τεχνικές φυσικοχημικής και βιολογικής επεξεργασίας, ανάλογα με τις οικονομοτεχνικές συνθήκες που εκάστοτε ισχύουν, μπορούν να εφαρμοσθούν είτε στο πεδίο μετά από εκσκαφή (on site), είτε επιτόπου χωρίς εκσκαφή (in situ) (εικόνα 4). Το επεξεργασμένο εδαφικό υλικό, μετά την εξυγίανσή του μπορεί να επανατοποθετηθεί στην αρχική του θέση. Οι τεχνικές αυτές αποτελούν συνήθως την πλέον ολοκληρωμένη λύση για την εξυγίανση 8

10 ενός ρυπασμένου πεδίου και στις περισσότερες περιπτώσεις το κόστος είναι αρκετά μικρότερο από αυτό της ολικής εκσκαφής. Τέλος, η επεξεργασία με in situ ή on site τεχνικές αποτελεί και τη μόνη λύση πλήρους εξυγίανσης και αποκατάστασης των υπογείων νερών (US EPA, 2000). Εικόνα 4: Σχηματική απεικόνιση της μεθόδου απορρύπανσης με επεξεργασία επιτόπου χωρίς εκσκαφή (in situ) Εγκλωβισμός της ρύπανσης Ο επιτόπου εγκλωβισμός (in situ containment) της ρύπανσης, περιλαμβάνει συνδυασμό δράσεων με σκοπό τον πλήρη εγκιβωτισμό του ρυπασμένου εδάφους (εικόνα 5), έτσι ώστε κατά την διάρκεια των μέτρων αυτών να διασφαλίζεται η μη περαιτέρω διασπορά ρύπων προς ευαίσθητους αποδέκτες πχ μέσω του αέρα ή μέσω της κίνησης του υπόγειου νερού. Οι τεχνικές αυτές συνήθως περιλαμβάνουν πρόσθετα μέτρα υδραυλικής κατακράτησης των υπόγειων νερών η στραγγισμάτων του εγκιβωτισμένου χώρου. Παρόμοια μέτρα απομόνωσης της ρύπανσης εφαρμόζονται γενικά σε ρυπασμένα πεδία μεγάλης επιφάνειας και μεγάλων ρυπασμένων ποσοτήτων εδάφους ιδιαίτερα σε απομακρυσμένες περιοχές (εγκαταλειμμένα λατομεία, ανεξέλεγκτες χωματερές ή πρώην βιομηχανικές περιοχές) όπου δεν υπάρχει άμεση γειτονία είτε με κατοικήσιμους οικισμούς είτε με πιθανά ή ενεργά αξιοποιήσιμα υπόγεια ή επιφανειακά αποθέματα. Ακόμη ο εγκιβωτισμός ρυπασμένων πεδίων εφαρμόζεται σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχουν οι απαιτούμενοι οικονομικοί πόροι για την πλήρη εξυγίανση με επεξεργασία λόγω των 9

11 μεγάλων ρυπασμένων ποσοτήτων, οπότε και τα μέτρα εγκλωβισμού / απομόνωσης της ρύπανσης αποτελούν την προτιμώμενη λύση αποκατάστασης (US EPA, 2000). Εικόνα 5: Σχηματική απεικόνιση επιφανειακού εγκιβωτισμού της ρύπανσης Απλή παρακολούθηση της διαδικασίας εξασθένησης Η απλή παρακολούθηση (natural attenuation) της διαδικασίας εξασθένησης (αραίωση, διάσπαση, αλλοίωση, βιοαποικοδόμηση) των ρύπων σε ένα πεδίο, έχοντας πρώτα περιορίσει στο ελάχιστο ή εξαλείψει τις πηγές ρύπανσης, αποτελεί την τελευταία δυνατότητα παρέμβασης. Είναι η πιο παθητική λύση σε σχέση με τις υπόλοιπες, αφού στηρίζεται αποκλειστικά και μόνο στις φυσικές διαδικασίες εξασθένησης των οργανικών κυρίως ρύπων συντηρώντας κατ αυτόν τον τρόπο τον περιβαλλοντικό κίνδυνο για μεγάλο χρονικό διάστημα. Εφαρμόζεται σε πεδία όπου η ρύπανση είναι σχετικά μικρή, οι ρύποι είναι βιοαποικοδομήσιμοι, και δεν υπάρχει άμεσος κίνδυνος για την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον. Επίσης είναι το ελάχιστο μέτρο που πρέπει να εφαρμόζεται σε ρυπασμένες περιοχές όταν οι διαθέσιμοι οικονομικοί πόροι είναι ιδιαίτερα περιορισμένοι. Σε αρκετές περιπτώσεις τα μέτρα εξυγίανσης που σχεδιάζονται για ένα συγκεκριμένο πεδίο είναι δυνατό να εμπλέκουν και τις τέσσερις (4) κατηγορίες ως ένας βέλτιστος συνδυασμός λαμβάνοντας υπόψη τόσο τις εκάστοτε οικονομοτεχνικές συνθήκες όσο και το βαθμό της υφιστάμενης περιβαλλοντικής επικινδυνότητας. Στις περιπτώσεις αυτές, περισσότερες από μία τεχνικές συνδυάζονται και εφαρμόζονται είτε σταδιακά είτε ταυτόχρονα έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια ακολουθία μέτρων απορρύπανσης (treatment train) (US EPA, 2000). 10

12 5. Τεχνικές αποκατάστασης ρυπασμένων ακόρεστων εδαφών Για την αποκατάσταση ρυπασμένων εδαφών απαιτείται πρώτα η απομάκρυνση της πηγής ρύπανσης και στη συνέχεια ακολουθεί η επεξεργασία του εδάφους που έχει ρυπανθεί. Η τεχνική που χρησιμοποιείται για την επεξεργασία του εδάφους είναι συνάρτηση του είδους και της συγκέντρωσης του ρύπου, του είδος του εδάφους, του κόστους και της διαθέσιμης τεχνολογίας και τεχνογνωσίας. Για την αποκατάσταση των ακόρεστων ρυπασμένων εδαφών, δηλαδή εδαφών στα οποία δεν υπάρχει υδροφορία, υπάρχουν 3 γενικές ομάδες μεθόδων αποκατάστασης (US EPA, 2000): Βιοεξυγίανση Φυσικοχημικές μέθοδοι Θερμικές μέθοδοι 5.1. Μέθοδος βιοεξυγίανσης Η μέθοδος της βιοεξυγίανσης (bioremediation) αποτελεί μια από τις σημαντικότερες μεθόδους απορρύπανσης των εδαφών και των υπόγειων υδροφορέων και βασίζεται στην αποδόμηση των οργανικών ουσιών και την τελική μετατροπή τους σε αβλαβείς ουσίες μέσω της δράσης μικροοργανισμών. Κατά την τελευταία δεκαπενταετία, η μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί για την απορρύπανση εδαφών από πολυαρωματικούς υδρογονάνθρακες (poly-aromatic hydrocarbons, PAH), πτητικές οργανικές ουσίες (όπως BTEX) χλωριούχους οργανικούς ρύπους (όπως ο τετραχλωράνθρακας, οι πενταχλωροφαινόλες-pcp και PCBs) και άλλες οργανικές ενώσεις. Η βιολογική αποδόμηση των οργανικών ενώσεων γίνεται μέσω της δράσης μικροοργανισμών (βακτηριδίων, μυκήτων, κλπ) οι οποίοι αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας τον άνθρακα ή/και την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τον μεταβολισμό (αποσύνθεση) των οργανικών ουσιών. Το τελικό προϊόν της αποσύνθεσης των οργανικών ουσιών μέσω των μικροοργανισμών είναι ανόργανες ουσίες (διοξείδιο του άνθρακα και νερό) που συνήθως θεωρούνται λιγότερο επιβλαβείς από τις αρχικές ενώσεις, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις ατελούς αποσύνθεσης παράγονται και άλλες απλές ενώσεις όπως μεθάνιο, υδρόθειο, νιτρικά και θειικά άλατα (Papadopoulos et al., 2003). 11

13 Για να συντελεσθεί η αποσύνθεση των οργανικών ουσιών μέσω μικροοργανισμών απαιτούνται οι εξής προϋποθέσεις (Παπασιώπη, 2009): - Η παρουσία κατάλληλων μικροοργανισμών, δηλαδή μικροοργανισμών που παράγουν ένζυμα κατάλληλα για τον μεταβολισμό της συγκεκριμένης οργανικής ουσίας. - Η παρουσία οργανικών ουσιών οι οποίες με την αποσύνθεσή τους θα παράσχουν την απαιτούμενη ενέργεια στους μικροοργανισμούς για να αναπτυχθούν. - Η παρουσία θρεπτικών ουσιών (nutrients), όπως το άζωτο, ο φώσφορος, το κάλιο, το θείο κλπ που είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. - Η παρουσία δεκτών ηλεκτρονίων (electron acceptors), δηλαδή ατόμων ή ριζών τα οποία δέχονται τα ηλεκτρόνια που προκύπτουν κατά την οξείδωση των οργανικών ουσιών. - Η παρουσία κατάλληλων συνθηκών για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών και συγκεκριμένα: κατάλληλη υγρασία, θερμοκρασία και ph και η απουσία ορισμένων χημικών ουσιών σε συγκεντρώσεις που είναι τοξικές για τους μικροοργανισμούς. Αν και η βιολογική αποσύνθεση των οργανικών ενώσεων υπό αναερόβιες συνθήκες είναι δυνατή, η αερόβια αποσύνθεση προτιμάται επειδή καταλήγει σε περισσότερο αβλαβή προϊόντα (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα αντί μεθανίου). Συνεπώς, ο καλός αερισμός του εδάφους (soil venting) με έντονη μηχανική αναμόχλευση ή με τεχνητή κυκλοφορία αέρα είναι απαραίτητος ώστε να δημιουργηθούν κατάλληλες συνθήκες για την ανάπτυξη αερόβιων βακτηριδίων (εικόνα 3). Η βιολογική απορρύπανση εδαφών έχει εφαρμοσθεί στην αποσύνθεση πολυαρωματικών υδρογονανθράκων, πετρελαιοειδών και άλλων οργανικών ενώσεων. Η μέθοδος είναι αποτελεσματική για την απορρύπανση εδαφών πάνω από τη στάθμη του υπόγειου ορίζοντα (δηλαδή στην ακόρεστη ζώνη), επειδή στα κορεσμένα εδάφη δεν είναι ευχερής ο αερισμός και συνεπώς ευνοούνται συνθήκες αναερόβιας αποσύνθεσης. Επίσης, η μέθοδος είναι αποτελεσματική σε σχετικώς χονδρόκοκκα εδάφη λόγω πιο εύκολου αερισμού τους (συνήθως χρησιμοποιείται σε εδάφη με διαπερατότητα k > 10-3 cm/s). Τα κυριότερα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι (Παπασιώπη, 2009): 1. Η βιολογική απορρύπανση απαιτεί κάποιο χρονικό διάστημα που μπορεί να κυμανθεί από μερικές εβδομάδες έως κάποια χρόνια, ανάλογα με το είδος και την έκταση της ρύπανσης. 12

14 2. Όταν το έδαφος περιέχει πολλούς οργανικούς ρύπους, είναι πιθανόν οι πλέον τοξικοί για τον άνθρωπο να διασπώνται δυσκολότερα, και συνεπώς η απορρύπανση του εδάφους από τους ρύπους αυτούς να καθυστερήσει, λόγω ευχερέστερης διάσπασης των υπόλοιπων οργανικών ουσιών (οι οποίες όμως έχουν μικρότερο ενδιαφέρον από πλευράς ρυπαντικού φορτίου). 3. Η μέθοδος είναι ευαίσθητη σε πολλούς παράγοντες (παρουσία δεκτών ηλεκτρονίων, θρεπτικών ουσιών, υγρασία, θερμοκρασία, ph κλπ), οι οποίοι θα πρέπει να ελέγχονται και να ρυθμίζονται διαρκώς ώστε να επιτυγχάνονται βέλτιστοι ρυθμοί δράσης των μικροοργανισμών και συνεπώς βέλτιστη απόδοση της βιολογικής αποδόμησης των ρύπων. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές βιοεξυγίανσης οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν είτε επί τόπου στο χώρο (in situ), είτε μετά από εκσκαφή του εδάφους (ex situ). Οι τεχνικές αυτές είναι οι εξής: In situ βιοεξυγίανση: Βιοαερισμός (Bioventing) Φυτοεξυγίανση (Phytoremediation) Ex situ βιοεξυγίανση: Τεχνική αγροκαλλιέργειας (Landfarming) Επεξεργασία σε σωρούς (Biopiles) Βιοαντιδραστήρες (Bioreactors) Βιοαερισμός (Bioventing) Ο βιοαερισμός περιλαμβάνει τη διοχέτευση αέρα στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με στόχο την ενεργοποίηση της μικροβιακής δράσης και τη βιοαποδόμηση των υφιστάμενων ρύπων (εικόνα 6). Κύριος στόχος της διεργασίας του βιοαερισμού ρυπασμένων εδαφών είναι η αύξηση της συγκέντρωσης του οξυγόνου στο υπέδαφος με απευθείας εισαγωγή αέρα σε αυτό, μέσω κατάλληλων γεωτρήσεων. Με την αύξηση της συγκέντρωσης του οξυγόνου στο έδαφος, ενισχύονται οι υπάρχοντες μικροοργανισμοί, που έχουν την ικανότητα να αποικοδομούν αερόβια τους υφιστάμενους οργανικούς ρύπους. 13

15 Ανάλογα με την περίπτωση, εκτός από την παροχή οξυγόνου μπορεί να κριθεί αναγκαία και η παροχή θρεπτικών συστατικών (π.χ. φωσφόρου και αζώτου), ενισχύοντας περαιτέρω την ανάπτυξη και τη δράση των μικροοργανισμών. Επίσης μπορεί να δημιουργηθεί η ανάγκη άντλησης του εδαφικού αέρα κατά την εφαρμογή του βιοαερισμού, για την αποφυγή συσσώρευσης πτητικών ρύπων. Σε αυτήν την περίπτωση, συνήθως πραγματοποιείται συνδυασμός της τεχνικής άντλησης εδαφικού αέρα με βιοαερισμό (Παπαδόπουλος και Βατσέρης, 2002). 14

16 Εικόνα 6: Βιολογική αποκατάσταση ρυπασμένων εδαφών με τη μέθοδο του βιοαερισμού 15

17 Οι ρύποι οι οποίοι μπορούν να αντιμετωπιστούν με επιτυχία με την τεχνική του βιοαερισμού είναι κυρίως βιοαποικοδομήσιμα οργανικά συστατικά (π.χ. πετρελαϊκοί υδρογονάνθρακες). Σημαντικό για την απόδοση της τεχνολογίας είναι οι προς απομάκρυνση ρύποι να παρουσιάζουν σχετικά χαμηλή πτητικότητα και υψηλή διαλυτότητα στο νερό, ώστε να αποτρέπεται η εξάτμισή τους εις βάρος της βιοαποικοδόμησής τους. Ο βιοαερισμός έχει εφαρμοστεί επιτυχώς για την αντιμετώπιση διαφόρων διαρροών ρύπων, όπως βενζίνη, diesel, jet fuel, πετρέλαιο, μη χλωριωμένων διαλυτών, ορισμένων ειδών ζιζανιοκτόνα και ΡΑΗs Φυτοεξυγίανση (Phytoremediation) Η μέθοδος της φυτοεξυγίανσης εκμεταλλεύεται τις φυσικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στα φυτά, οι οποίες περιλαμβάνουν την απορρόφηση νερού και χημικών ενώσεων, τη διαπνοή και την έκκριση ουσιών από το ριζικό σύστημα. Για την κατανόηση των μηχανισμών μέσω των οποίων συντελείται η φυτοεξυγίανση είναι απαραίτητη η γνώση της ανατομίας και φυσιολογίας των φυτών καθώς επίσης και των διαδικασιών μέσω των οποίων τα φυτά απορροφούν τα μέταλλα και τα θρεπτικά συστατικά είτε από το εδαφικό διάλυμα μέσω των ριζών ή από την ατμόσφαιρα μέσω των φύλλων. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά που ενδείκνυται να συγκεντρώνουν τα φυτά που χρησιμοποιούνται στην φυτοεξυγίανση είναι: α) αυξημένη ικανότητα απορρόφησης και ανθεκτικότητας σε υψηλές συγκεντρώσεις Βαρέων Μετάλλων (Υπερ-συσσωρευτές), β) να έχουν μειωμένη ικανότητα απορρόφησης Βαρέων Μετάλλων αλλά να εκκρίνουν ουσίες από το ριζικό τους σύστημα μετατρέποντας τα ευδιάλυτα μέταλλα του εδάφους σε αδιάλυτες σύμπλοκες ενώσεις, (Μεταλλο-αποκλιστές). Από τα βασικά πλεονεκτήματα της φυτοαποκατάστασης είναι το γεγονός ότι μπορεί να εφαρμοστεί συμπληρωματικά, είτε με κάποια άλλη συμβατική και εμπορικά διαθέσιμη τεχνολογία αποκατάστασης είτε με κάποια άλλη φυσική τεχνολογία απομάκρυνσης ρύπων όπως η βιοεξυγίανση (Δεινάκη, 2010). Οι μηχανισμοί της φυτοεξυγίανσης μπορούν να ταξινομηθούν ως εξής (Γιδαράκος κα, 2009): 1. Μηχανισμοί αποδόμησης (για την καταστροφή ή τον μετασχηματισμό οργανικών ρύπων) 16

18 Φυτοαποδόμηση (Phytodegradation) ή Φυτομετατροπή (Phytotransformation): πρόσληψη των ρύπων από το υπέδαφος και μεταβολισμός αυτών εντός του φυτού, στις ρίζες, στον κορμό ή στα φύλλα. Ριζοαποικοδόμηση (Phizodegradation) ή Φυτοδιέγερση (Phytostimulation) ή Φυτοβοηθητική βιοεξυγίανση (Plant-Assisted Bioremediation): ενίσχυση της βιοαποδόμησης των ρύπων του υπεδάφους στην περιοχή του ριζικού συστήματος του φυτού από τους υφιστάμενους μικροοργανισμούς. 2. Μηχανισμοί συσσώρευσης (για τον περιορισμό ή την απομάκρυνση οργανικών ή/ και ανόργανων ρύπων). Φυτοεκχύλιση (Phytoextraction) ή Φυτοσυσσώρευση (Phytoaccumulation) ή Φυτοαπορρόφηση (Phytoabsorption): πρόσληψη των ρύπων από το υπέδαφος και συσσώρευση αυτών εντός του φυτού, στις ρίζες, στον κορμό ή στα φύλλα. Ριζοδιήθηση (Rhizofiltration): προσρόφηση των ρύπων στις ρίζες του φυτού. 3. Μηχανισμοί απομάκρυνσης (για την μεταφορά οργανικών ή/ και ανόργανων ρύπων στην ατμόσφαιρα) Φυτοεξάτμιση (Phytovolatilization): πρόσληψη των ρύπων από το υπέδαφος, εξάτμιση αυτών και μεταφορά τους στην ατμόσφαιρα μέσω των φύλλων. 4. Μηχανισμοί ακινητοποίησης (για τη σταθεροποίηση οργανικών ή/ και ανόργανων ρύπων) Φυτοσταθεροποίηση (Phytostabilization): ακινητοποίηση / σταθεροποίηση των ρύπων εντός του υπεδάφους. Υδραυλικός έλεγχος (Hydraulic Control) ή Φυτοϋδραυλική (Phytohydraulics): έλεγχος της ροής των υπογείων υδάτων μέσω πρόσληψης νερού από το φυτό, η οποία μπορεί να φτάσει ακόμη και 1350L/day, ανάλογα πάντα με το είδος, το μέγεθος και την ηλικία του φυτού / δέντρου. Φυσικά, ο συγκεκριμένος μηχανισμός μπορεί να δραστηριοποιηθεί σε περίπτωση σχετικά ρηχών υδροφορέων. Στην εικόνα 7 απεικονίζονται εποπτικά οι κυριότεροι μηχανισμοί της φυτοεξυγίανσης. 17

19 Εικόνα 7: Μηχανισμοί φυτοεξυγίανσης (Naval Facilities Engineering Command, 2012) Τεχνική αγροκαλλιέργειας (Landfarming) Η τεχνική αγροκαλλιέργειας (Landfarming) αποτελεί μια ex situ μέθοδο βιοεξυγίανσης. Κατά την τεχνική αυτή, το έδαφος απλώνεται σε μια μεγάλη επιφάνεια, δημιουργώντας ένα στρώμα πάχους cm. Σε τακτά χρονικά διαστήματα το έδαφος οργώνεται με αγροτικά μηχανήματα, ώστε να εμπλουτίζεται με οξυγόνο που είναι απαραίτητο για τις αερόβιες βιολογικές δράσεις και παράλληλα γίνεται συστηματική προσθήκη υγρασίας και θρεπτικών συστατικών. Σχηματικό διάγραμμα της εγκατάστασης επεξεργασίας με τεχνικές αγροκαλλιέργειας παρουσιάζεται στην εικόνα 8. Η κάτω επιφάνεια διαμορφώνεται με κλίση 1% προς ένα σημείο συλλογής των στραγγισμάτων και διαστρώνεται με αδιαπέρατη γεωμεμβράνη για να μην υπάρχει ανεξέλεγκτη διαρροή στραγγισμάτων προς το υπέδαφος. Πάνω από τη γεωμεμβράνη τοποθετείται διαπερατό στρώμα άμμου και πάνω στο στρώμα 18

20 αυτό γίνεται η διάστρωση του ρυπασμένου εδάφους. Η μέθοδος αυτή είναι πολύ εύκολη στην εφαρμογή της και δεν παρουσιάζει τεχνικές δυσκολίες, προϋποθέτει όμως την ύπαρξη μιας μεγάλης έκτασης, διότι το πάχος του εδαφικού στρώματος δεν μπορεί να ξεπεράσει τα 60cm. Το όριο αυτό αντιστοιχεί στο μέγιστο βάθος οργώματος των διαθέσιμων αγροτικών μηχανημάτων (Παπασιώπη, 2009). Εικόνα 8: Εγκατάσταση επεξεργασίας με τεχνικές αγροκαλλιέργειας (Παπασιώπη, 2009) Επεξεργασία σε σωρούς (Biopiles) Όταν δεν υπάρχει επαρκής διαθέσιμη επιφάνεια η επεξεργασία του εδάφους μπορεί να γίνει σε σωρούς ή λάκκους. Μια εγκατάσταση επεξεργασίας σε σωρό παρουσιάζεται στις εικόνες 9 και 10. Όταν το έδαφος έχει χαμηλή σχετικά διαπερατότητα, ο σωρός κατασκευάζεται σε διαδοχικά στρώματα πάχους 60 cm περίπου, τα οποία χωρίζονται μεταξύ τους με ένα λεπτό στρώμα διαπερατής άμμου. Τα διαπερατά στρώματα συνδέονται με μια αντλία, μέσω της οποίας γίνεται η διοχέτευση αέρα στον σωρό. Όταν υπάρχει κίνδυνος διαφυγής πτητικών ενώσεων ο σωρός καλύπτεται πλήρως με αδιαπέρατη γεωμεμβράνη (Mountouris et al., 2009). Η επεξεργασία σε λάκκο (εικόνα 10) μπορεί να πραγματοποιηθεί στην ίδια την περιοχή στην οποία έγινε η εκσκαφή του εδάφους, μετά από την κατάλληλη στεγάνωση του πυθμένα. Στην περίπτωση αυτή είναι δυνατή η κάλυψη της επάνω επιφάνειας και η απόδοσή της σε κοινή χρήση (Παπασιώπη, 2009). 19

21 Εικόνα 9: Επεξεργασία σε σωρό (Παπασιώπη, 2009) Εικόνα 10: Επεξεργασία σε λάκκο (Παπασιώπη, 2009) 20

22 Βιοαντιδραστήρες (Bioreactors) Οι βιοαντιδραστήρες είναι δεξαμενές οι οποίες υποστηρίζουν βιολογικές διεργασίες σε ελεγχόμενες συνθήκες, ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη λειτουργία των μικροοργανισμών. Στους βιοαντιδραστήρες, το έδαφος αναμιγνύεται με νερό και το μίγμα τροφοδοτεί αντιδραστήρα όπου προεπιλεγμένοι μικροοργανισμοί προσροφούν ή αποδομούν τους ρύπους. Τα οργανικά αποδομούνται μερικώς ή ολικώς ενώ τα ανόργανα απομακρύνονται με ιζηματοποίηση. Το τελικό προϊόν, μετά από ξήρανση αποτελεί πλήρως λειτουργικό έδαφος (Gonzalez et al., 2008). Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι: Αποτελεσματική και σχετικά γρήγορη μέθοδος (η πιο άμεση από τις βιολογικές μεθόδους). Απομάκρυνση και οργανικών και ανόργανων ρύπων. Μεγάλο εύρος εφαρμοσιμότητας. Το έδαφος διατηρεί τα χαρακτηριστικά του και μπορεί να επανέλθει στην αρχική του θέση. Μειονεκτήματα: Απαιτούνται ειδικές εγκαταστάσεις. Παράγονται μεγάλες ποσότητες στερεών και υγρών αποβλήτων.. Η απόδοση εξαρτάται από τις ιδιότητες του εδάφους. Σχετικά υψηλό κόστος, το οποίο είναι ανάλογο των ιδιοτήτων του εδάφους και του ρύπου Φυσικοχημικές μέθοδοι Οι φυσικοχημικές μέθοδοι επεξεργασίας ρυπασμένων εδαφών αφορούν στις παρακάτω μεθόδους: In situ Άντληση εδαφικού αέρα (Soil Vapour Extraction) Έκπλυση εδάφους (Soil Flushing) Ηλεκτροκινητική απορρύπανση (Electrokinetics) 21

23 Φυσική εξασθένηση (Natural Attenuation) Ex situ Πλύση εδάφους (Soil washing) In situ / Ex situ Σταθεροποίηση - Στερεοποίηση (Stabilization - Solidification) Άντληση εδαφικού αέρα (Soil Vapour Extraction) Η τεχνολογία άντλησης εδαφικού αέρα (soil vapour extraction) από την ακόρεστη ζώνη του εδάφους στοχεύει στο φυσικό διαχωρισμό των αέριων ρύπων από το έδαφος, μέσω εφαρμογής υποπίεσης. Όταν ο εδαφικός αέρας παραμένει ακίνητος μετά από μια διαρροή και διήθηση ρύπου στο έδαφος, γίνεται κορεσμένος σε ατμούς του υφιστάμενου ρύπου, που προέρχονται από την υγρή φάση (εικόνα 11). Αυτοί οι κορεσμένοι σε ρύπο ατμοί είναι δυνατόν να απομακρυνθούν με άντληση του εδαφικού αέρα, μέσω κατάλληλων γεωτρήσεων. Καθώς ο εδαφικός αέρας ανανεώνεται, η συγκέντρωση του ρύπου στην αέρια φάση αρχίζει να μειώνεται, διαταράσσοντας την κατάσταση ισορροπίας μεταξύ της υγρής και της αέριας φάσης του ρύπου και ενισχύοντας παράλληλα την εξάτμιση μεγαλύτερων ποσοτήτων του. Επομένως, η ανάπτυξη ροής και η απομάκρυνση του αέρα ρυπασμένων εδαφών ενισχύει την εξάτμιση των υφιστάμενων ρύπων και γενικότερα ενεργοποιεί βασικούς μηχανισμούς μεταφοράς μάζας (Γιδαράκος κα, 2009). Οι ρύποι που αντιμετωπίζονται με επιτυχία από την τεχνολογία άντλησης εδαφικού αέρα είναι κυρίως πτητικά και ορισμένα ημι-πτητικά οργανικά συστατικά. Για να καταστεί αποδοτική η εφαρμογή της τεχνικής, οι προς απομάκρυνση ρύποι θα πρέπει να παρουσιάζουν ελάχιστη διαλυτότητα στο νερό και αμελητέα τάση προσρόφησης στα εδαφικά σωματίδια, ώστε να είναι δυνατή και σχετικά εύκολη η μεταφορά τους στην αέρια φάση. Ενώσεις που παρουσιάζουν τέτοιου είδους χαρακτηριστικά είναι οι ελαφριοί υδρογονάνθρακες και για το λόγο αυτό η τεχνολογία άντλησης εδαφικού αέρα έχει βρει ευρεία εφαρμογή στην αποκατάσταση ρυπασμένων εδαφών από οργανικούς και κυρίως πετρελαϊκούς ρύπους. 22

24 Εικόνα 11: Σύστημα απορρύπανσης του εδάφους με την μέθοδο της αναρρόφησης υπόγειου αέρα Έκπλυση εδάφους (Soil Flushing) Κατά την έκπλυση του εδάφους (soil flushing) εγχέεται ή διηθείται ένα υδατικό διάλυμα στη ρυπασμένη ζώνη του εδάφους, ακολουθούμενη από άντληση του υπόγειου νερού και του διαλύματος που περιέχει τους απομακρυνόμενους ρύπους, επεξεργασία του στην επιφάνεια του εδάφους και απόρριψη ή επανέγχυσή του. Μία σχηματική αναπαράσταση της επί τόπου έκπλυσης του εδάφους δίδεται στην εικόνα 12. Η εισαγωγή του διαλύματος έκπλυσης μπορεί 23