ΠΕΡΑΤΑ ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΑ (permeable reactive barriers PRBs) Η ιδέα: επί τόπου επεξεργασία χωρίς (καμία) ενεργητική παρέμβαση στη ροή του υπόγειου νερού απόβλητα ρύπος υλικό πλήρωσης που συντελεί στην αποδόμηση του ρύπου, πχ Fe 0 + Cr +6,Fe 0 + TCE, κηπευτικά υπολείμματα +TCE επεξεργασμένο νερό διάφραγμα (συνεχές) 1
Παραλλαγή σχεδιασμού: ασυνεχές διάφραγμα funnel and gate Περατό τμήμα διαφράγματος και σωλήνες δειγματοληψίας πλήρωση διαφράγματος gate funnel = πέτασμα μπεντονίτη 2
Το προφίλ των περατών διαφραγμάτων Περιγραφή: Τάφρος που διανοίγεται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους και πληρώνεται με υλικό κατάλληλο για την εξυγίανση ρυπασμένου υπόγειου νερού, δημιουργώντας έτσι έναν περατό τοίχο. Καθώς το υπόγειο νερό περνά μέσα από τον περατό τοίχο, το υλικό πλήρωσης είτε ακινητοποιεί τους ρύπους είτε αντιδρά με αυτούς, διασπώντας τους σε ακίνδυνα προϊόντα. Εναλλακτικός σχεδιασμός: δημιουργία ζώνης επί τόπου επεξεργασίας με εισπίεση/έγχυση προσθέτων (όλο και πιο συχνός). Τεχνικά χαρακτηριστικά ρυπασμένο μέσο: διαλυμένος ρύπος στο υπόγειο νερό μηχανισμός αποκατάστασης: βιολογική-αβιοτική αντίδραση στόχος αποκατάστασης: μείωση εξερχόμενης συγκέντρωσης επί τόπου τεχνολογία Επίπεδο ανάπτυξης: πρώτη εφαρμογή: 1995, σήμερα: κλίμακα πεδίου (σπάνια απαιτείται πια πιλοτική δοκιμή) Χρονικός ορίζοντας: δεκαετίες Κόστος: μέτριο (πχ 50% του κόστους άντλησης & επεξεργασίας) 3
Οι δύο κύριες συνιστώσες των τεχνολογιών αποκατάστασης Πρόσβαση στον ρύπο τα περατά διαφράγματα απαιτούν διαχείριση της κίνησης του υπόγειου νερού, ώστε όλο το ρυπασμένο νερό της περιοχής επεξεργασίας να διέλθει μέσα από το διάφραγμα (η διαχείριση είναι παθητική, δηλ. δεν απαιτεί μόνιμη παροχή ενέργειας) Απόδοση μηχανισμού αποκατάστασης εξαρτάται από το ταίριασμα ρύπου υλικού πλήρωσης και από τη διατήρηση της ικανότητας του υλικού πλήρωσης για αντίδραση (πιθανή η ανάγκη συντήρησης) 4
Παραδείγματα μηχανισμού αποκατάστασης για τριχλωροαιθένιο (TCE) Βιολογική (= με τη δράση μικροοργανισμών) αποδόμηση: πλήρωση διαφράγματος με υλικά ή εισπίεση ουσιών που μπορούν να δράσουν ως δότες ηλεκτρονίων για την αποχλωρίωση του TCE σε στάδια, δηλ. στα παράγωγα με λιγότερα άτομα χλωρίου διχλωροαιθένιο (DCE) βινυλοχλωρίδιο (VC) αιθένιο Αβιοτική αποδόμηση (πλέον συνήθης): αντίδραση τριχλωροαιθένιου με σίδηρο μηδενικού σθένους, είτε με προσθήκη ρινισμάτων σε σταθερό διάφραγμα ή με εισπίεση νανοσωματιδίων σιδήρου, με παράγωγα αιθίνιο (ακετυλένιο) και στη συνέχεια αιθένιο 5
Στοιχεία σχεδιασμού διαφράγματος Πού τοποθετείται σε σχέση με τη ρυπασμένη περιοχή; Πώς διαστασιολογείται; *πάχος; (χρόνος παραμονής ρύπου στο διάφραγμα) μήκος & βάθος; (περιοχή υπό εξυγίανση = περιοχή επεξεργασίας) Ποσότητα υλικού πλήρωσης; Ενδεικτικές διαστάσεις (από περιστατικά) Απαραίτητος χρόνος αποκατάστασης; * βλέπε και λυμένο παράδειγμα 6
Πού τοποθετείται το διάφραγμα; Στα κατάντη της περιοχής με την μεγαλύτερη ρύπανση (συνήθως όχι στα κατάντη της περιβάλλουσας της ρυπασμένης περιοχής) Περιοχή επεξεργασίας?? Muegge (2008) 7
Θέση διαφράγματος στόχος αποκατάστασης Στόχος: έλεγχος πηγής Στόχος: προστασία αποδέκτη στα κατάντη ITRC (2011) 8
Mohawk Labs (Muegge, 2008) Μήκος ρυπασμένης περιοχής: 1.5 km Μήκος περιοχής επεξεργασίας: ~400 m Μήκος PRB: 210 m 9
Βάση Ακτοφυλακής Elizabeth City (Wilkin & Puls, 2003) Μήκος ρυπασμένης περιοχής, CrVI: ~60 m Μήκος περιοχής επεξεργασίας: ~50 m Μήκος PRB: 46 m 10
Mηχανισμός αποκατάστασης Cr(VI) Αβιοτική αντίδραση: Ενώσεις εξασθενούς χρωμίου αντιδρούν με σίδηρο μηδενικού σθένους, είτε με προσθήκη ρινισμάτων σε σταθερό διάφραγμα ή με εισπίεση νανοσωματιδίων σιδήρου, και σχηματίζουν ενώσεις τρισθενούς χρωμίου 2 0 CrO 4 Fe 2H 2O 2H Cr(OH) 3 Fe(OH) 3 Σημειώσεις: Ο Fe +3 σε ph>3 καταβυθίζεται ( ) στη μορφή Fe(OH) 3 Το Cr +3 σε ph>5.5 καταβυθίζεται ( ) στη μορφή Cr(OH) 3 Με άλλα λόγια, υπό σπάνιες συνθήκες μπορεί να γίνει επανοξείδωση. 11
Βάση Ακτοφυλακής Elizabeth City (ITRC, 2011) Κατασκευή περατού διαφράγματος: 1996 Συγκεντρώσεις στα κατάντη φτάνουν κάτω από τις τιμές στόχου των 100 μg/l (χρώμιο) και 5 μg/l (TCE) Παύση παρακολούθησης: 2009 12
3 σχεδιασμοί: σύγκριση ροϊκών γραμμών σύνορο περιοχής επεξεργασίας Ψωμάς, 2010 θύρες συνεχές περατό διάφραγμα χαμηλής περατότητας πετάσματα 13
Αξιολόγηση εναλλακτικών σχεδιασμών περατών διαφραγμάτων (Ψωμάς, 2010) Συνεχές Διάφραγμα Διάφραγμα Θύρας-Πετασμάτων 1 Θύρας 5-10-15m Διάφραγμα Θύρας-Πετασμάτων 2 Θυρών 5m Διάφραγμα Θύρας-Πετασμάτων 1 Θύρας 10m με Μερικό Εγκιβωτισμό Βέλτιστος σχεδιασμός μικρότερο κόστος κατασκευής μικρότερο μακροπρόθεσμο κόστος (αμελητέα αύξηση απαιτούμενου χρόνου λειτουργίας) 14
Ενδεικτικές διαστάσεις (Ψωμάς, 2010) ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΥΔΡΟΦΟΡΕΑ min - max Πάχος υδροφορέα (m) 2.7 20 Άνω στάθμη υδροφορέα (m) 0 24.4 Κάτω στάθμη υδροφορέα (m) 3 36.6 Υδραυλική αγωγιμότητα (m/s) 10-8 10-3 Υδραυλική αγωγιμότητα (m/d) 9x10-4 305 Ταχύτητα μεταγωγής (m/d) 3x10-4 7.3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΡΥΠΑΣΜΕΝΗΣ ΕΚΤΑΣΗΣ Mήκος/πλάτος (m) 60/40 3160/1445 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΟΣ (ΣΥΝΕΧΕΣ) Μήκος (m) 15.3 700 Πάχος (m) 0.08* 4 Βάθος (m) 1.5 35.7 * δημιουργία διαφράγματος με υδραυλική διάρρηξη (hydraulic fracturing) όχι εκσκαφή 15
Χρόνος επεξεργασίας: (πρόταση) χρόνος άφιξης ρύπου από το πιο απομακρυσμένο σημείο της περιοχής επεξεργασίας στο διάφραγμα Gavaskar et al. (2000) 16
Δύο μεγέθη με μονάδες χρόνου Χρόνος παραμονής ρύπου στο διάφραγμα Χρόνος επεξεργασίας Gavaskar et al. (2000) 17
2 σχεδιασμοί: χρόνος επεξεργασίας 35 χρόνια 80 χρόνια Ψωμάς, 2010 18
Περιγραφή περιστατικού: Αποθήκη και εργαστήριο Mohawk, CA Χώρος, αίτια ρύπανσης, τύπος ρύπων Χαρακτηριστικά υπεδάφους τύπος εδάφους, στάθμη υπόγειου ορίζοντα, υδραυλική κλίση, ταχύτητα μεταγωγής Έκταση ρύπανσης Έργα αποκατάστασης τύπος έργων, στοιχεία σχεδιασμού, πρόοδος Αναφορά: Muegge (2008) 19
Αποθήκη και εργαστήριο Mohawk, CA Υπαίθριες δεξαμενές αποθήκευσης χημικών λειτουργούν από το 1967, απομακρύνονται το 1988 και μεταφέρονται στο εσωτερικό κτηρίων Η ρυπασμένη περιοχή, στην οποία έχουν συμβάλει κι άλλες βιομηχανικές εγκαταστάσεις, εκτείνεται πέρα από το όριο της ιδιοκτησίας Δειγματοληψίες από > 100 πηγάδια εντοπίζουν πλήθος χλωριωμένων ενώσεων: PCE, TCE, cis 1,2-DCE (κύριος ρύπος), VC, χλωροβενζόλιο, διχλωροβενζόλιο και πετρελαιοειδή 20
Έκταση cis 1,2-DCE 1.5 km 10 mg/l 21
Χαρακτηριστικά υπεδάφους Δύο υδροφορείς Α1 (0-6.6m) και Α2 (6.6-21m) με περατά τμήματα χαλίκων και άμμων Κίνηση του υπόγειου νερού κυρίως μέσω των χαλίκων-άμμων με ταχύτητες 0.9 m/d (Α1: άμμος) 1.7 m/d (Α2: χάλικες) Στάθμη υπόγειου νερού: 1.8-3.3 m 22
Τομή υπεδάφους & διαφράγματος Ασυνέχεια στο διάφραγμα λόγω παρουσίας σωλήνα φυσικού αερίου 23
Έργα αποκατάστασης Ανάντη του διαφράγματος Άντληση & επεξεργασία + άντληση εδαφικού αέρα (1993-2001): απομάκρυνση 12,250 kg VOCs Άντληση εδαφικού αέρα (2001-έτος βιβλ. αναφοράς:2008): απομάκρυνση 571 kg VOCs Ενισχυμένη βιολογική αναερόβια αποχλωρίωση (2005- έτος βιβλ. αναφοράς:2008): συγκεντρώσεις PCE, TCE μειώνονται κατά 70% σε επιλεγμένα πηγάδια Φυσική εξασθένηση και παρακολούθηση (1993-έτος βιβλ. αναφοράς:2008): συγκεντρώσεις VOCs μειώνονται κατά 50% 24
Έργα αποκατάστασης (συνέχεια) Περατό διάφραγμα στο όριο της ιδιοκτησίας Αρχικός σχεδιασμός: μήκος 300 m, πάχος 1.75 m, βάθος 7.5 m, στόχος αποτακάστασης: 2.5 μg/l cis 1,2- DCE στα κατάντη: (κόστος σιδήρου 2,500,000 δολ.) Τελικός σχεδιασμός: μήκος 210 m, σχεδιασμός ανά τμήματα, πάχος 0.6-1.2 m, βάθος από 1.8m έως 7.2 ή 9.9 m, στόχος αποκατάστασης: 600 μg/l σύνολο πτητικών οργανικών ουσιών (VOCs) στα κατάντη, σε συνδυασμό με φυσική εξασθένηση και παρακολούθηση (στα κατάντη) για 20 χρόνια (κόστος σιδήρου 872,000 δολ.) 25
Σχεδιασμός διαφράγματος Βασίστηκε σε τυπικές τιμές για τον σίδηρο που χρησιμοποιείται στα περισσότερα διαφράγματα (T 1/2 = 0.6 h για TCE, 3.1 h για cis 1,2-DCE) Για ταχύτητα υπόγειου νερού μέσα στο διάφραγμα 0.9-1.7 m/day (ίδια με την ταχύτητα φυσικής ροής στα περατά στρώματα) Δύο μεταβλητές: πάχος διαφράγματος (0.6 ή 1.2 m) και ποσοστό σιδήρου στο μείγμα σιδήρου/άμμου (20% - 100%) 26
Παράμετροι σχεδιασμού 27
Παρακολούθηση λειτουργίας διαφράγματος σε 5 διατομές & 2 κατάντη πηγάδια Κατάντη πηγάδι Β Κατάντη πηγάδι Α Διατομή 3 Κατεύθυνση ροής υ.ν. 28
Συγκεντρώσεις VOCs στη διατομή 3 Στόχος 29
Υπερβάσεις στόχου στις 5 διατομές 30
Συγκεντρώσεις cis 1,2-DCE και TCE στο κατάντη πηγάδι Α 31
Συγκεντρώσεις cis 1,2-DCE και TCE στο κατάντη πηγάδι Β 32
Περατό διάφραγμα στο χώρο Mohawk: Αποτίμηση 5ετίας Ο στόχος επιτυγχάνεται σε μία διατομή παρακολούθησης μέσα σε έναν χρόνο μετά την κατασκευή του διαφράγματος στις υπόλοιπες διατομές παρατηρούνται σποραδικές υπερβάσεις Η απόκριση στα κατάντη πηγάδια είναι μεταβλητή Πρόβλεψη ολοκλήρωσης της λειτουργίας του διαφράγματος (εκτίμηση στην 5ετία): άλλα 10 χρόνια 33
Περατά διαφράγματα: το μέλλον; Ανοιχτά ζητήματα συντήρησης σε περιπτώσεις σταθερών διαφραγμάτων (δηλ. τάφρων που πληρώνονται με υλικά) Περιμένουμε δεδομένα από χώρους όπου ο στόχος αποκατάστασης έχει επιτευχθεί για χρονική περίοδο ικανή ώστε να σταματήσει η παρακολούθηση 34
Βιβλιογραφικές αναφορές Gavaskar, A. et al. (2000) Design guidance for application of permeable reactive barriers for groundwater remediation, http://www.cluin.org/conf/itrc/prbll_061506/prb-2.pdf Interstate Technology & Regulatory Council (ITRC) (2011) Technical Regulatory Guidance Document: Permeable Reactive Barrier: Technology Update, http://www.itrcweb.org/guidancedocuments/prb-5-1.pdf Muegge, J. (2008) An assessment of zero valence iron permeable reactive barrier projects in California. California Dept. of Toxic Substances Control, Document 1219. Wilkin R.T. & R.W. Puls (2003) Capstone report on the application, monitoring, and performance of Permeable Reactive Barriers for ground-water remediation: Vol. 1 Performance evaluation at two sites, EPA/600/R- 03/045a Ψωμάς, Α. (2010) Περατά διαφράγματα-αντιδραστήρες για την αποκατάσταση υπογείων υδάτων: εφαρμογές ευρείας κλίμακας και αξιολόγηση εναλλακτικών σχεδιασμών, Διπλωματική Εργασία, Τομέας Γεωτεχνικής, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών ΕΜΠ. 35