Wybór efektywnej metody remediacji wód podziemnych zanieczyszczonych chlorowanymi etenami jest procesem złożonym i wymaga przyjęcia odpowiedniej metodyki działań; w pracy podjęto próbę jej wypracowania. Aby wybrać właściwą strategię remediacji, konieczne jest w pierwszej kolejności szczegółowe rozpoznanie hydrogeologiczne, geologiczne i geochemiczne rejonu badań oraz miarodajne określenie warunków krążenia wód podziemnych i migracji zanieczyszczeń. Niezbędne jest wykonanie badań laboratoryjnych, w celu określenia parametrów migracji oraz numerycznych modeli hydrodynamiki i transportu mas (zanieczyszczeń) dla prognozowania migracji zanieczyszczeń w wodach podziemnych, wyboru działań naprawczych (remediacji) i ich oceny oraz weryfikacji. Aby zweryfikować zaproponowaną metodykę wybrano jako obszar modelowy rejon Nowej Dęby, w którym występują wody podziemne zanieczyszczone TCE i PCE. W rejonie tym dodatkową trudnością przy planowaniu działań remediacyjnych była konieczność uwzględnienia utrzymania eksploatacji wód podziemnych przez ujęcie.
W celu rozpoznania warunków hydrogeologicznych obszaru modelowego przeprowadzono badania terenowe, które polegały na pomiarze zwierciadła wód podziemnych oraz analizie niestabilnych parametrów fizykochemicznych (pH, Eh, temperatura, stężenie tlenu rozpuszczalnego i jonów chlorkowych, zasadowość). Na podstawie wyników badań terenowych oraz zebranych materiałów archiwalnych opracowano model koncepcyjny transportu TCE i PCE w wodach podziemnych. W modelu tym zebrano najbardziej istotne informacje oraz dokonano pewnych założeń dotyczących transportu mas i zachodzących procesów. Ustalono, że najistotniejszy wpływ na migrację TCE i PCE w wodach podziemnych w rejonie Nowej Dęby ma sorpcja i biodegradacja, następnie procesy te były przedmiotem badań laboratoryjnych.
Badania sorpcji (testy batch i badania kolumnowe) oraz biodegradacji (badania izotopowe i kameralne) wykazały, że w rozważanym przypadku zarówno opóźnienie migracji TCE i PCE w wyniku sorpcji, jak i ich samoistna biodegradacja są niewielkie. Stwierdzono, przy tym, że badania laboratoryjne mogą z powodzeniem być wykorzystywane do: (i) wyznaczania parametrów migracji TCE i PCE dla badanej warstwy wodonośnej, (ii) lepszego zrozumieniu migracji zanieczyszczeń w środowisku gruntowo wodnym, (iii) tworzenia modelu numerycznego transportu mas.
W kolejnym etapie przeprowadzono symulacje migracji zanieczyszczeń na modelu transportu mas w programie Visual Modflow. Symulowano scenariusze dla wybranych metod
remediacji wód podziemnych takich jak: kontrolowane samooczyszczanie (MNA), „pompuj i oczyszczaj”. przepuszczalna bariera aktywna (PRB) oraz chemiczne utlenianie in situ (ISCO) jako metoda wspomaganego samooczyszczania (ENA). Za cele remediacji przyjęto: (i) stan, w którym w całej warstwie wodonośnej stężenia zarówno TCE jak i PCE nie będą przekraczać wartości dopuszczalnych dla „dobrego” stanu chemicznego wód, tj. 50 g/dm3 oraz (ii) osiągnięcie standardów jakości wód przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz.U.07.61.417), czyli ƩTCE i PCE < 10 g/dm3.
Wyniki symulacji przedstawiono w postaci map rozkładu stężeń TCE i PCE w odpowiednich krokach czasowych. Dzięki temu możliwe było stwierdzenie, po jakim czasie osiągano charakterystyczne stężenia (rys. 55):
a. PCE < 50 µg/dm3 w całej rozpatrywanej warstwie wodonośnej, b. TCE < 50 µg/dm3 w całej rozpatrywanej warstwie wodonośnej, c. „dobry” stan chemiczny w rejonie ujęcia,
d. ∑TCE i PCE < 10 µg/dm3 w rejonie ujęcia,
e. ∑TCE i PCE < 10 µg/dm3 w całej rozpatrywanej warstwie wodonośnej.
Rysunek 54. Porównanie rozważanych metod remediacji wód podziemnych w rejonie Nowej Dęby
Na podstawie przyjętych założeń wykazano, że remediacja wód podziemnych zanieczyszczonych TCE i PCE oparta o procesy samooczyszczania nie będzie skutecznym sposobem działania w rejonie Nowej Dęby, a efekty uzyskane przy zastosowaniu aktywnych metod remediacji („pompuj i oczyszczaj”, PRB i samooczyszczania wspomaganego ISCO) różnią się pod m.in. pod względem kosztów i czasu, po jakim osiągnięty zostanie przyjęty cel remediacji. Symulacje potwierdziły, że ze względu na znaczny stopień zanieczyszczenia wód podziemnych w rejonie Nowej Dęby i długi czas trwania ewentualnej remediacji nie jest możliwe osiągnięcie dobrego stanu chemicznego w terminie wymaganym przez Prawo wodne (Dz.U.01.115.1229), tj. do końca 2015 roku.
Wyniki symulacji pozwalają także na porównanie przewidywanej wydajności rozważanych metod remediacji, mierzonej wielkością usuwanego ładunku zanieczyszczeń z warstwy wodonośnej. Na rys. 56 zestawiono procentową zmianę ładunku sumy TCE i PCE pozostającego w warstwie wodonośnej w czasie. Szybkość redukcji ładunku zanieczyszczeń jest charakterystyczna dla każdej z metod i zmienna w czasie. Najszybsze zmiany obserwuje się zwykle w przeciągu pierwszych 10 lat od rozpoczęcia remediacji. Zgodnie z przewidywaniami najwolniejsza redukcja ładunku spośród rozważanych metod ma miejsce w przypadku remediacji opartej na samooczyszczaniu – scenariusz Ic, w którym nie będą podejmowane żadne działania naprawcze, a ujęcie zostanie wyłączone z użycia. Szczególnie, że tym przypadku zmniejszenie ładunku TCE i PCE ma związek także z odpływem jego części poza granice modelu. Ze względu na stwierdzoną niewielką zdolność sorpcyjną gruntu
Rysunek 55. Porównanie wydajności rozważanych metod remediacji wód podziemnych w rejonie Nowej Dęby (objaśnienia w tekście)
budującego warstwę wodonośną i znikomy potencjał biodegradacji TCE i PCE, strategia remediacji oparta na MNA nie daje wymaganych efektów.
Dzięki symulacjom możliwe jest prognozowanie migracji zanieczyszczeń w czwartorzędowej warstwie wodonośnej w przypadku zastosowania różnych metod remediacji oraz porównania szybkości oczyszczania, m.in. dzięki wizualizacji zmian stężeń zanieczyszczeń w wodach podziemnych w czasie. Jednak o wiarygodności modelu decydować będzie szereg czynników, takich jak: wystarczające rozpoznanie terenu badań, prawidłowo przeprowadzona schematyzacja oraz odpowiedni dobór algorytmów obliczeniowych. Uzyskane wyniki symulacji (np. czasy osiągnięcia celu remediacji) traktować należy jako orientacyjne. Wiąże się to przede wszystkim ze specyfiką narzędzia jakim jest modelowanie matematyczne, związaną z koniecznością schematyzacji warunków hydrogeologicznych, ze względu na możliwości dostępnych obecnie programów komputerowych. Wynika to także z ograniczonych możliwości rozpoznania środowiska gruntowo-wodnego jako ośrodka ciągłego, dla którego dysponujemy jedynie danymi z punktów wiertniczych (dane punktowe). Poza tym, jak uważają np. Kania i Witczak (2011), aby modele transportu mas były wiarygodne, powinny być wykalibrowane w oparciu o dane doświadczalne, uzyskane np. z obserwacji migracji zanieczyszczeń lub eksperymentów z użyciem sztucznych znaczników. Niewystarczające jest oparcie się wyłącznie na wykalibrowanym modelu przepływu wód. W opisywanym przypadku rejonu Nowej Dęby brak było danych umożliwiających przeprowadzenie kalibracji modelu migracji zanieczyszczeń w proponowany sposób. Występowanie zanieczyszczenia rozpoznano w 2008 roku, a za dane wyjściowe przyjęto stan z 2010 roku. Dysponowano więc krótkotrwałymi obserwacjami, na podstawie których nie było możliwe wnioskowanie o przebiegu migracji TCE i PCE w warstwie wodonośnej. Jednak należy podkreślić, że brak danych jest powszechnym problemem w rozpoznaniu zanieczyszczenia wód podziemnych i planowaniu efektywnej ich remediacji. Zastosowanie modelu daje jednak możliwość sprawdzenia hipotez dotyczących wielkości ładunku zanieczyszczenia i czasu trwania iniekcji zanieczyszczenia do warstwy wodonośnej, warunków migracji zanieczyszczeń, itp., poprzez wykonanie tzw. zadania odwrotnego – ustalenia warunków brzegowych i początkowych na podstawie współczesnego rozkładu zanieczyszczeń w wodach podziemnych.
W niektórych publikacjach (np. Gavaskar, 1999; Gupta, Fox, 1999) uważa się, że modelowanie hydrodynamiczne z wykorzystaniem pakietów wyznaczających linie prądu jest wystarczające do skutecznego prognozowania migracji zanieczyszczeń oraz projektowania efektywnej remediacji wód podziemnych. Na podstawie wyników uzyskanych w tej pracy
można jednak stwierdzić, że wyłącznie połączenie modelowania hydrodynamicznego i transportu mas daje dobre rezultaty. Pierwsze podejście nie bierze bowiem pod uwagę procesów biotycznych i abiotycznych, jakie zachodzą w środowisku gruntowo-wodnym, a które mogą wpływać na transport masy zanieczyszczeń w wodach podziemnych (np. dyspersja, sorpcja, biodegradacja).
Wybór efektywnej metody remediacji dla rozważanego w pracy przypadku oparto na wynikach badań modelowych. Przyjęto kryteria, które pozwalały na porównanie efektywności proponowanych metod. Jako najistotniejsze wybrano kryterium środowiskowe, czyli osiągnięcie „dobrego” stanu chemicznego wód podziemnych i standardów jakości wody przeznaczonej do spożycia. Z rozważanych metod remediacji dla przyjętych kryteriów i obszaru modelowego efektywną okazała się metoda „pompuj i oczyszczaj”.
Przedstawione w pracy rozważania dotyczące wyboru efektywnej metody remediacji oparte o analizę wielokryterialną mogą być wykorzystywane z powodzeniem również w innych lokalizacjach, w których występuje zanieczyszczenie wód podziemnych, nie tylko chlorowanymi etenami. Dobór kryteriów powinien być indywidualny dla konkretnej sytuacji i w zależności m.in. od założonego celu remediacji. Przypisane wagi pozwalają z kolei wskazać czynniki najbardziej istotne z punktu widzenia inwestora (koszty) lub wymogów administracyjnych, społecznych i środowiskowych.
Dalsze badania w rejonie Nowej Dęby powinny obejmować wykonanie ponownego zdjęcia hydrogeochemicznego, zwłaszcza w zakresie oznaczenia stężeń TCE i PCE w wodach podziemnych. Dzięki temu możliwe byłoby wykalibrowanie modelu transportu mas, a co za tym idzie przeprowadzenie bardziej wiarygodnych symulacji migracji „chmury” zanieczyszczeń w rozpatrywanej warstwie wodonośnej. Biorąc pod uwagę możliwości finansowe użytkownika omawianych wód niezbędne jest podjęcie działań zmierzających w pierwszej kolejności do likwidacji zagrożenia związanego z eksploatacją przez ujęcie Nowa Dęba wód zanieczyszczonych TCE i PCE, ponieważ obecnie stosowane rozwiązania mają charakter prowizoryczny i tymczasowy. W drugiej kolejności konieczna jest realizacja działań naprawczych (remediacji) współfinansowanych z budżetu państwa zmierzających w kierunku możliwie szybkiego uzyskania przez rozpatrywane wody podziemne „dobrego” stanu chemicznego. Przeprowadzona w pracy analiza pozwala zdaniem autorki na wstępne wytypowanie efektywnych rozwiązań, jednak ostateczny wybór metody remediacji powinien być poprzedzony testami polowymi.