ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ «Εξυγίανση ρυπασμένου υπόγειου υδροφορέα από οργανικούς και ανόργανους ρύπους με εφαρμογή της τεχνολογίας των διαπερατών αντιδρώντων φραγμάτων.» ΦΩΤΕΙΝΗ ΣΗΜΑΝΤΗΡΑΚΗ Μηχανικός Περιβάλλοντος, Μ.Sc. ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Ευάγγελος Γιδαράκος, Καθηγητής (Επιβλέπων) Ευάγγελος Βουδριάς, Καθηγητής Γεώργιος Καρατζάς, Kαθηγητής Δανάη Βενιέρη, Επ. Καθηγήτρια Eυάγγελος Διαμαντόπουλος, Καθηγητής Κωνσταντίνος Κομνίτσας, Καθηγητής Νικόλαος Ξεκουκουλωτάκης, Επ. Καθηγητής ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΧΑΝΙΑ ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2014
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η επιστημονική κοινότητα αποδίδει ιδιαίτερη έμφαση στην εξεύρεση και εφαρμογή κατάλληλων μεθόδων απομάκρυνσης τοξικών ρύπων από τα υπόγεια ύδατα με υψηλή απόδοση αλλά και χαμηλό κόστος. Μια εξ αυτών είναι η χρήση των αντιδρώντων φραγμάτων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στο ζήτημα της ταυτόχρονης απομάκρυνσης επίμονων, τοξικών και συχνά εμφανιζόμενων οργανικών και ανόργανων ρύπων από υπόγειους υδροφορείς με την χρήση κατάλληλων πληρωτικών υλικών. Οι ρύποι που μελετήθηκαν, επιλέχθηκαν με κριτήριο την συχνότητα εμφάνισής τους στο υπέδαφος και τα υπόγεια ύδατα αλλά και την τοξικότητα και επικινδυνότητά τους για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Στην παρούσα διατριβή, επιλέχθηκαν και μελετήθηκαν ως πληρωτικά υλικά δυο είδη ιλύος (αναερόβια χωνευμένη και μη χωνευμένη ιλύς), δύο είδη κόμποστ (μη ώριμο και ώριμο) και ένα ανόργανο υλικό, ο ελληνικός φυσικός ζεόλιθος. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε πλήρης χαρακτηρισμός των συγκεκριμένων υλικών με στόχο τον ακριβή προσδιορισμό των παραμέτρων που έχουν άμεση επίδραση στον βαθμό ρόφησης οργανικών και ανόργανων ρύπων. Ακολούθησαν, πειράματα διαλείποντος έργου υπό κατάλληλες σταθερές συνθήκες και για τα πέντε υλικά. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η επίδραση καθοριστικών παραμέτρων (ποσότητα υλικού και χρόνος επαφής) στον βαθμό απομάκρυνσης των μετάλλων (καδμίου και ψευδαργύρου) και των πτητικών υδρογονανθράκων (βενζόλιο, τολουόλιο, αιθυλοβενζόλιο, m, p, o ξυλόλια-btex) από τα υδατικά διαλύματα. Με βάση τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων έγινε επιλογή του καλύτερου οργανικού υλικού τόσο από άποψη ποιότητας και καταλληλότητας διάθεσης στο έδαφος όσο και από άποψη απόδοσης στην δέσμευση των ρύπων. Η σειρά καταλληλότητας των υλικών που μελετήθηκαν με σκοπό την αξιοποίησή τους σε τεχνολογίες εξυγίανσης υπογείων υδάτων είναι η εξής: ώριμο κόμποστ > ζεόλιθος > μη ώριμο κόμποστ > μη χωνευμένη ιλύς > χωνευμένη ιλύς. Το ώριμο κόμποστ και ο ζεόλιθος διερευνήθηκαν περεταίρω. Συγκεριμένα, μελετήθηκε η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης των ρύπων και του ph αλλά και η πιθανή ύπαρξη ανταγωνιστικών φαινομένων παρουσία μετάλλων και BTEX. Τα πειραματικά αποτελέσματα των κινητικών και ισόθερμων πειραμάτων εφαρμόστηκαν σε ευρέως χρησιμοποιούμενα μαθηματικά μοντέλα με σκοπό να διερευνηθεί η δυνατότητα αξιόπιστης χρήσης τους. Στην συνέχεια, η έρευνα επεκτάθηκε, για τον ζεόλιθο και το ώριμο κόμποστ, σε πειράματα συνεχούς ροής. Τα πειράματα έλαβαν χώρα σε κυλινδρικές στήλες κατακόρυφης ροής από κάτω προς τα πάνω. Αυτή η σειρά πειραμάτων, προσεγγίζει περισσότερο τις πραγματικά επικρατούσες συνθήκες στο υπέδαφος σε σύγκριση με τα πειράματα διαλείποντος έργου. Πιο συγκεκριμένα, έλαβε χώρα η μελέτη της επίδρασης της αρχικής συγκέντρωσης, της ταχύτητας ροής αλλά και της δυνατότητας - 1 -
των δύο υλικών να εκροφούν τους ρύπους που έχουν δεσμεύσει όταν εκπλυθούν με απιονισμένο νερό ή άλλο κατάλληλο μέσο εκχύλισης. Η τρίτη σειρά πειραμάτων ολοκληρώθηκε με την διερεύνηση της χρήσης μαθηματικών μοντέλων συνεχούς ροής για την προσομοίωση των πειραματικών αποτελεσμάτων και την εξεύρεση του πιο αξιόπιστου μοντέλου. Τέλος, η διατριβή περιλαμβάνει πειράματα σε επίπεδο μεγαλύτερης κλίμακας με αξιοποίηση της φυσικής ροής. Συγκεκριμένα, κατασκευάστηκε πειραματική διάταξη με διαδοχή στρωμάτων που να αντιστοιχεί σε εκείνη που συναντάται στο υπέδαφος και στην τεχνολογία των αντιδρώντων φραγμάτων. Στα πειράματα αυτά μελετήθηκε η δυνατότητα ταυτόχρονης απομάκρυνσης οργανικών και ανόργανων ρύπων, η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης, η ταυτόχρονη χρήση του ώριμου κόμποστ και του ζεόλιθου σε σειρά καθώς και η επίδραση της κλίσης των στρωμάτων. H σειρά προτίμησης των ρύπων και για τα δύο υλικά με μικρές αποκλίσεις μεταξύ των πειραμάτων είναι : Cd > Zn > m,p ξυλόλια> αιθυλοβενζόλιο> ο-ξυλόλιο > τολουόλιο > βενζόλιο. Η διατριβή ολοκληρώθηκε με την μελέτη απόδοσης της πιλοτικής δεξαμενής στην εξυγίανση πραγματικών δειγμάτων από υπόγεια ύδατα περιοχής διυλιστηρίου και με προσομοίωση της ροής στην δεξαμενή μέσω της χρήσης λογισμικού (Princenton Transport Code-PTC). - 2 -
ABSTRACT The scientific community focuses on finding methods for the removal of the toxic pollutants from the ground and groundwater with high performance and low cost. The reactive barriers technology is based on the application of the appropriate filters downstream to the pollution source. The filters should have low cost, high availability and high efficiency for a wide range of pollutants in order to be an optimal solution for reactive barriers.τhe present study focuses on the removal of toxic and frequently encountered contaminants from groundwater. The pollutants selection was based on their frequent appearance in ground and groundwater as well as their toxicity for the environment and humans. This thesis studied two types of sludge (unaerobically digested and undigested), two types of compost (unmature and mature) and an inorganic material, Greek natural zeolite. Full characterization of these materials took place, in order to determine accurately the parameters, which have direct effects on the organic and inorganic pollutants sorption. Batch experiments under stable conditions took place in order to determine the sorption of the organic volatile hydrocarbons (Benzene, Toluene, Ethylbenzene, m-p,o Xylenes -BTEX) and the inorganic contaminants (Cd, Zn) from the five materials. The effects of the contact time and the material dose were studied for the five materials. The ideal organic material was selected both in terms of quality and suitability for ground disposal and in terms of pollutants binding based on these experimental results. The suitability of all the studied materials for application in the reactive barriers technology follows the order: mature compost>zeolite>unmature compost>undigested sludge>digested sludge. Mature compost and zeolite were further analyzed. The effect of the initial concentration and the ph value were also studied for both materials. In addition, the existence of competing phenomena in polluted solutions which contain both BTEX and metals, were studied. The experimental results of kinetic and isotherm experiments were applied to widely used mathematical models in order to study the possibility of their reliable use. The study was extended for zeolite and compost to column experiments. The experiments took place in cylindrical columns by applying vertical up-flow. These series of experiments offer better simulation to the real field conditions. In addition, the effect of the initial concentration, the flow rate and the material s quantity in the column as well as the desorption capacity of both materials and the seven studied pollutants were studied. The column experimental results were applied to respective mathematical models in order to find the most reliable model. Finally, this dissertation includes experiments at a larger scale by utilizing the natural flow. In more details, the experimental setup was built to simulate the stratification - 3 -
that occurs in the subsurface and the reactive barriers technology. The possibility of the simultaneous removal of organic and inorganic pollutants, the effect of the initial concentration, the simultaneous use of compost and zeolite in series and the effect of the layer s slope were examined during these experiments. The selectivity of both materials, with small differences follows the order Cd > Zn > m,p xylenes> ο-xylene > toluene>benzene. The removal efficiency of compost and zeolite was studied for real contaminated groundwater. Last, the solution flow into the tank was simulated by the Princenton Transport Code (PTC). - 4 -