5. Remediacja wód podziemnych zanieczyszczonych TCE i PCE
5.1. Przegląd wybranych metod remediacji
Metody remediacji wód podziemnych zanieczyszczonych chlorowanymi etenami różnią się pod względem aktywności i intensywności procesów, a co za tym idzie także czasu trwania i kosztów prowadzenia prac. Wybór metody remediacji zależy od charakterystyki zanieczyszczonego terenu oraz ograniczeń ekonomicznych (Lemming i in., 2010) i powinien być każdorazowo poprzedzony szczegółowym rozpoznaniem hydrogeologicznym, a także zweryfikowany badaniami laboratoryjnymi i/lub pilotowymi oraz modelowaniem matematycznym.
Historycznie rzecz biorąc, najbardziej popularną metodą remediacji warstwy wodonośnej była metoda „pompuj i oczyszczaj” (ang. pump and treat). Obecnie coraz częściej odchodzi się od tego typu konwencjonalnych metod remediacji ze względu na większą efektywność metod in situ. Poza metodami aktywnej remediacji istnieją możliwości ograniczania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w środowisku gruntowo-wodnym, do których zalicza się m.in. bariery ochronne nieprzepuszczalne (np. fizyczne lub hydrauliczne). Efektywnym rozwiązaniem dla zrównoważonej remediacji in situ wód podziemnych
zanieczyszczonych TCE i PCE coraz powszechniej stosowanym w ostatnich latach są tzw. przepuszczalne bariery aktywne (ang. permeable reactive barriers – PRB) (Malina, 2011). Remediację środowiska gruntowo wodnego zanieczyszczonego substancjami organicznymi można także oprzeć na procesach samooczyszczania kontrolowanego (ang. monitored natural attenuation – MNA) lub wspomaganego (ang. enhanced natural attenuation – ENA). Poza tym stosuje się także chemiczne utlenianie in situ (ang. in situ chemical oxidation - ISCO) oraz metody termiczne. W tabeli 4 zestawiono najczęściej stosowane obecnie metody remediacji środowiska gruntowo-wodnego zanieczyszczonego substancjami organicznymi, w tym chlorowanymi etenami.
Tabela 4. Wybrane metody remediacji środowiska wodno-gruntowego zanieczyszczonego substancjami organicznymi, w tym chlorowanymi etenami
(na podstawie: IOŚ 2007; Malina 2007, 2011; Stroo, Ward, 2010)
Metoda Opis Przykład
zastosowania Konwencjonalna metoda
„pompuj i oczyszczaj”
Ekstrakcja wody podziemnej w celu jej
oczyszczenia na powierzchni przy użyciu różnych metod
z użyciem wież strippingowych
ex situ
Mercer i in., 1990 Rivett i in., 2006 z adsorpcją na węglu
aktywowanym ex situ (on site) z utlenianiem katalitycznym ex
situ (on site)
Napowietrzanie Wprowadzanie powietrza do środowiska gruntowo-wodnego
strefy aeracji z ekstrakcją par (wentylacja)
w odwiertach tworzy się podciśnienie w celu wygenerowania gradientów ciśnienia, które wymuszają przepływ powietrza porowego i powodują odprowadzanie związków lotnych z gruntu
Frank, Barkley, 1995 Malina, 1999
strefy aeracji z biodegradacją (biowentylacja)
tlen jest dostarczany do zanieczyszczonego gruntu przez wymuszony przepływ (ekstrakcja lub iniekcja powietrza) w celu stymulacji aktywności mikrobiologicznej i biodegradacji tlenowej zanieczyszczeń
Malina, 1999 Sui i in., 2006
warstwy wodonośnej z ekstrakcją par i biodegradacją (ang. air (bio)sparging)
zatłaczanie do warstwy wodonośnej powietrza umożliwia przejście zanieczyszczeń do fazy gazowej a warunki tlenowe dodatkowo stymulują aktywność mikrobiologiczną i biodegradację
Malina, 1999 Rabideau i in., 1998
Bioremediacja Wykorzystanie procesu biodegradacji – biochemicznego rozkładu zanieczyszczeń organicznych z wykorzystaniem
kometabolizm w warunkach aerobowych
do zanieczyszczonej warstwy wodonośnej wprowadza się toluen, metan, fenol, itp. w celu stymulacji mikroorganizmów, które rozkładając te substancje wytwarzają enzymy umożliwiające biodegradację węglowodorów chlorowanych
Tom Kuo i in., 2004
redukcyjna dehalogenacja w warunkach anaerobowych
chlorowane eteny są wykorzystywane przez mikroorganizmy jako akceptory elektronów, a donorem jest np. wodór.
Borum, 2002 Nijenhuis i in., 2007
Płukanie in situ Wprowadzanie wody do środowiska gruntowo-wodnego celem desorpcji zanieczyszczeń z użyciem kosolentu woda lub woda zawierająca dodatki zwiększające
rozpuszczalność zanieczyszczeń (SOC) są aplikowane do warstwy wodonośnej;
zanieczyszczenia są wymywane i usuwane wraz z wodą
Strbak, 2000) z użyciem substancji
powierzchniowo czynnej
Mulligan i in., 2001
Metody termiczne in situ Podniesienie temperatury w środowisku gruntowo-wodnym celem przyspieszenia odparowania zanieczyszczeń
z zatłaczaniem gorącego powietrza, wody lub pary
do warstwy wodonośnej wprowadzane jest gorące powietrze, woda lub para wodna w celu
odparowania lotnych zanieczyszczeń
Szewczyk i in., 2011
z podgrzewaniem elektrooporowym
strefa aeracji i/lub saturacji jest podgrzewana, co ma na celu przeprowadzenie zanieczyszczeń w formę lotną i usunięcie przy pomocy ekstrakcji
Beyke, Fleming, 2002
Procesy chemiczne in situ Usuwanie zanieczyszczeń przy wykorzystaniu substancji chemicznych wprowadzanych do środowiska gruntowo-wodnego
chemiczne utlenianie (ISCO) przekształcenie związków chemicznych niebezpiecznych w związki, które nie stwarzają zagrożeń, są mniej toksyczne; najczęściej stosowane czynniki: nadtlenek wodoru H2O2
(tzw. utlenianie Fentona), ozon, nadmanganian sodu lub potasu
Edel i in., 2009
chemiczna redukcja przekształcenie niebezpiecznych związków chemicznych w mniej toksyczne; najczęściej stosuje się: żelazo zerowartościowe (Fe0), związki żelaza (piryt, magnetyt, glaukonit), polisiarczki.
Szecsody i in., 2004
Bariery ochronne Izolacja zanieczyszczonego terenu
fizyczne ścianki szczelne szlamowe lub stalowe Bouwer i in., 1988
hydrauliczne depresja wytwarzana podczas pompowania wody z zespołu studni pionowych umożliwia kontrolę hydrauliczną rozprzestrzeniania się
zanieczyszczeń
Van der Haar, Van Roekel, 1993
Przepuszczalne bariery aktywne
Pasywna remediacja wód podziemnych podczas ich przepływu przez strefę z materiałem aktywnym
USEPA, 1998
z użyciem żelaza zerowarościowego (Fe0)
podczas przepływu zanieczyszczonej wody podziemnej przez materiał aktywny następuje unieruchomienie zanieczyszczeń lub redukcja ich stężenia wskutek indukowanych procesów fizykochemicznych i biologicznych
Puls, Sivaves, 1999 z użyciem substancji
uwalniających tlen (np. ORC®)
Parker, 2009 z użyciem materiałów
biologicznych
AFCEE, 2008 Heino i in., 2008
5.1.1. Samooczyszczanie warstwy wodonośnej
Remediacja środowiska gruntowo wodnego zanieczyszczonego substancjami organicznymi oparta na procesach MNA lub ENA jest już od kilkunastu lat zalecana do stosowania przez USEPA (np. Dyrektywa OSWER – USEPA, 1999). W USA wypracowano także metodykę działań zmierzających do zastosowania MNA/ENA do remediacji środowiska gruntowo-wodnego zanieczyszczonego PCE i TCE (AFCEE i in., 2004; Morse i in., 1998; Wiedemeier i in., 1998), która znalazła zastosowanie również w Europie (Carey i in., 2000; Declercq i in., 2012; Rügner i in., 2006).
Przykłady samooczyszczania środowiska gruntowo-wodnego przedstawiono m.in w pracach: Borum (2002), Clement i in. (2000), Hunkeler i in. (2005), Kuchovsky, Sracek (2007), Kästner i in. (2006), Lenczewski i in. (2003), McGuire i in. (2004), Witt i in. (2002). Przeprowadzone dotychczas badania laboratoryjne, modelowe oraz terenowe wykazały możliwości wspomagania biodegradacji chlorowanych etenów poprzez dodanie odpowiedniego donora elektronów (np. maślanu lub mleczanu) lub/i bioaugumentacji z użyciem szczepu Dehalococcoides (Aulenta i in., 2005). ENA może być także realizowane np. przez biostymulację, tj. dostarczenie wody, donorów elektronów, substancji biogennych i powierzchniowo czynnych (SPC), a także optymalizację temperatury i pH (Malina, 2007). Głównym celem w tym przypadku jest na ogół wspomaganie redukcyjnej dehalogenacji chlorowanych etenów w warstwie wodonośnej. Wykazano, że szybkość biodegradacji chlorowanych etenów może być stymulowana przez dodatek biodegradowalnej substancji organicznej (np. melasy) i stworzenie warunków redukcyjnych w warstwie wodonośnej (np. Buchner i in., 2010).
5.1.2. Metoda „pompuj i oczyszczaj”
Metoda „pompuj i oczyszczaj” polega na wydobyciu (pompowaniu) zanieczyszczonej wody na powierzchnię i jej oczyszczaniu (Malina, 2011; Stroo, Ward, 2010) przy użyciu np. wież strippingowych bądź adsorpcji na filtrach z węglem aktywnym. Woda może być następnie zrzucana do cieku powierzchniowego lub wprowadzana ponownie do warstwy wodonośnej poprzez studnie chłonne lub zbiorniki infiltracyjne. Dzięki wprowadzeniu wody ponownie pod powierzchnię wytwarza się dodatkowo barierę hydrauliczną ograniczającą rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń. Odwrócony lej depresji powoduje wzrost gradientu hydraulicznego w kierunku miejsca poboru wody (Malina, 2007). Nawadnianie zanieczyszczonej warstwy wodonośnej odpompowaną wodą (po jej oczyszczeniu) umożliwia płukanie gruntu w strefie aeracji.
Remediacja warstwy wodonośnej jest w tym przypadku czasochłonna, a oczyszczanie może trwać przez dziesiątki lat. Z tego powodu zaleca się, aby metodę stosować jedynie w miejscach, gdzie konieczne jest hydrauliczne ograniczenie rozprzestrzeniania „chmury” zanieczyszczeń w celu ochrony zagrożonych receptorów (np. ujęcia wód podziemnych) (Kresic, Mikszewski, 2012).
5.1.3. Przepuszczalne bariery aktywne
PRB stanowią strefę remediacji biernej, której zadaniem jest oczyszczanie pasywne przepływającego strumienia wód podziemnych w obszarze wytworzonej strefy ze specjalnie dobranym materiałem aktywnym (Malina, 2007, 2011) (Rys. 11). Technologia PRB jest rozwiązaniem innowacyjnym opartym na koncepcji opracowanej na University of Waterloo (Kanada) i coraz powszechniej stosowanym w ostatnich latach na świecie (w Polsce dotychczas nie zastosowana w skali technicznej). Literatura podaje liczne przykłady efektywnego wykorzystania PRB z różnymi materiałami aktywnymi do usuwania TCE i PCE z wód podziemnych. Materiałem aktywnym może być w tym przypadku żelazo metaliczne (zerowartościowe) Fe0 (Puls, Sivaves, 1999) lub HRC® – substancja uwalniająca wodór (ang. hydrogen release compound) (Parker, 2009). Inne rozwiązanie polega na stymulowaniu procesów biologicznych w barierach (ścianach) biologicznych (AFCEE 2008; Heino i in., 2008; Malina 2011). Przykładowym aktywnym materiałem biologicznym mogą być ścinki drzewne zmieszane z kompostem (Heino i in., 2008).
PRB mogą być wykonywane jako bariery ciągłe lub w systemie „parkan i bramka” (ang. funnel and gate). Konstrukcja PRB jest zależna od głębokości, na jakiej ma być wybudowana bariera, co w przypadku zachowania się (migracji) DNAPL w warstwie wodonośnej związane jest z głębokością występowania warstwy nieprzepuszczalnej podścielającej zanieczyszczoną warstwę wodonośną. Głębsze instalacje wymagają bardziej wyspecjalizowanego sprzętu, dłuższego czasu budowy i generują wyższe koszty (Gavaskar, 1999). Zazwyczaj stosowanie PRB jest ograniczone do płytkich głębokości, tj. mniejszych niż 21 m (Naftz i in., 2002).
Zastosowanie PRB powinno być poprzedzone wykonaniem badań laboratoryjnych (statycznych i kolumnowych) w celu sprawdzenia stosowalności tej metody, wyboru efektywnego materiału aktywnego, ustalenia czasu półtrwania zanieczyszczeń dla wybranych materiałów aktywnych oraz wynikającego z tego wymaganego czasu przepływu przez barierę (Gupta, Fox, 1999). Dopiero po przeprowadzeniu takich badań możliwe jest dokładne ustalenie parametrów bariery, np. szerokości, porowatości i współczynnika
przepuszczalności. Według danych literaturowych czas półtrwania TCE w przypadku zastosowania Fe0 wynosi 1,3±0,9 h, a stała rozpadu – 0,71±0,38 dm3/h (Stroo, Ward, 2010).
Rysunek 11. Koncepcja przepuszczalnej bariery aktywnej (Stroo, Ward, 2010)
5.1.4. Chemiczne utlenianie in situ
Metoda ISCO polega na usuwaniu zanieczyszczeń przy wykorzystaniu substancji chemicznych wprowadzanych do środowiska gruntowo-wodnego, dzięki czemu dochodzi do przekształcenia (utleniania) związków chemicznych niebezpiecznych w związki mniej toksyczne, które nie stwarzają zagrożenia (Malina, 2007). Utleniaczem mogą być np.: nadtlenek wodoru H2O2 (tzw. utlenianie Fentona) (Bryant, Wilson, 1999), ozon, nadmanganian sodu lub potasu (Edel i in., 2009). Dostarczane są one do zanieczyszczonej warstwy wodonośnej różnymi metodami w fazie gazowej, ciekłej albo stałej (Siegrist i in., 2011). Odbywa się to najczęściej za pomocą sond iniekcyjnych (rys. 12a) lub studni (rys. 12b). Na rysunku 12 na czerwono zaznaczono zanieczyszczone wody podziemne, a kolorem błękitnym roztwór zawierający utleniacze wprowadzone do warstwy wodonośnej.
Rysunek 12. Koncepcja chemicznego utleniania in situ (Siegrist i in., 2011, zmienione, objaśnienia w tekście)
5.1.5. Metody termiczne
W przypadku metod termicznych głównym celem jest podwyższenie temperatury środowiska gruntowo-wodnego, co powoduje wzrost lotności związków organicznych (np. PCE i TCE), a tym samym szybkości ich odparowania. Związki te są następnie odprowadzane przy pomocy intensywnej ekstrakcji powietrza gruntowego (Szewczyk i in., 2011). Jedną z takich metod może być ekstrakcja wspomagana parą wodną (ang. steam enhanced extraction), w której para wodna jest zatłaczana do środowiska gruntowo-wodnego w obrębie ogniska zanieczyszczeń (USEPA, 2004).
Innym przykładem metody termicznej jest ekstrakcja wspomagana podgrzewaniem elektrooporowym, w której wzrost temperatury w strefie aeracji i/lub saturacji ma na celu przeprowadzenie zanieczyszczeń w formę lotną i usunięcie przy pomocy ekstrakcji (Beyke, Fleming, 2002).