Συγκριτική αξιολόγηση μεθόδων απορρύπανσης της ακόρεστης ζώνης εδάφους μολυσμένου με κηροζίνη

Abstract

Soil contamination by industrial and urban wastes is nowadays one of the most important pollution problems worldwide. The petroleum hydrocarbons are included in the list of toxic pollutants that have contaminated extensive areas all over the world. An inevitable consequence of liquid pollutants release on the ground is their transport by a variety of mechanisms (e.g. gravity flow, dissolution, volatilization, dispersion, sorption, etc) in the unsaturated zone of soil, and subsequent pollution of the underlying aquifers. Conventional methods of ex-situ soil remediation are the soil excavation and its transportation in appropriate places (e.g. incinerator, bio-piles, etc). During the last years, there is a growing interest for the development and application of low-cost and sustainable (low environmental impact) in-situ soil remediation technologies. In the present work, two relatively new in-situ remediation technologies, bioventing and steam injection, were tested on the vadose zone of a low permeability and fractured glacial till sediment that was contaminated by jet fuel. The experimental site is situated in an abandoned military airport (Kluczewo) in North-Western Poland. The area was polluted extensively by jet fuel over a long period (1935-1992). The geological characterization revealed the existence of vertical desiccation fractures at the upper layers and horizontal/sub-horizontal tectonic fractures at the deeper ones, and a relatively low permeability and heterogeneous micro-porous matrix. The same geologic conditions dominate in a major part of the subsurface in Northern and Central Europe. Due to the multi-scale heterogeneities, ranging from the pore-scale to the field-scale, and the creation of preferential flow paths in such soils, it is very difficult to design successful remediation strategies based on vertical wells. For this reason, in both field experiments (bioventing and steam injection), the soil was stimulated by opening hydraulic fractures which acted as horizontal wells of fluid injection/extraction, and enhanced the influence radius of remediation. The main goal of the work is to evaluate, under field conditions, steam injection and bioventing as sustainable and efficient technologies for the removal of petroleum hydrocarbons from highly heterogeneous soils. In order to determine the efficiency of each remediation method, soil samples were collected from twelve wells and seven depths, and placed inside specific flasks pre-filled with dichloromethane (DCM). After the accelerated extraction of non-aqueous phase liquid (NAPL) from the soil and its dissolution in DCM, the composition and concentration of hydrocarbons (NAPL) was performed by using GC-MS and GC-FID. In order to clarify the main NAPL removal mechanisms and evaluate the effectiveness of steam injection and bioventing, lab-scale experiments were also conducted in soil tanks by using synthetic NAPL (PMMA cell with 55 cm x 50 cm x 12 cm dimensions) and keep the conditions comparable to the field ones. Due to pore structure heterogeneities, the main NAPL removal mechanism in bioventing was the volatilization of hydrocarbons and the fast vapour transfer through diffusion (due to the high concentration gradient) from the porous matrix to the high hydraulic conductivity preferential flow paths of injected air (ventilation). Respectively, due to the low soil permeability, in steam injection the main removal mechanism of semi- and non-volatile substances was steam distillation (namely the reduction of NAPL compounds bubble point because of the coexistence of immiscible water). The comparison of the two remediation technologies, steam injection and bioventing, indicate that both methods are efficient with respect to the reduction of the pollutant mass (~72%) in highly heterogeneous and fractured soils. With respect to cost issues, steam injection albeit faster, is 14-25% more expensive than bioventing. Finally, concerning the risks associated with the reduction of residual NAPL in groundwater, bioventing was more effective (~93%) than steam injection (8-68%).

Η ρύπανση του εδάφους από βιομηχανικά και αστικά απόβλητα αποτελεί παγκοσμίως ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα. Ανάμεσα στους πιο επικίνδυνους ρύπους συγκαταλέγονται και οι υδρογονάνθρακες πετρελαιοειδών. Αναπόφευκτη συνέπεια της διαφυγής των υγρών ρύπων στο έδαφος είναι η μεταφορά τους προς στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους μέσω μιας σειράς διεργασιών (ροή, διαλυτοποίηση, εξάτμιση, διασπορά, ρόφηση, κτλ) και η ρύπανση των υποκείμενων ταμιευτήρων υπογείων υδάτων. Οι πλέον κλασσικές μέθοδοι απομακρυσμένης (ex situ) απορρύπανσης εδαφών περιλαμβάνουν εκσκαφή και μεταφορά του εδάφους σε κατάλληλους χώρους (π.χ. αποτεφρωτήρες, βιο-σωροί, κλπ). Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνολογιών επιτόπιας απορρύπανσης των εδαφών (in situ soil remediation) με χαμηλό κόστος και ελάχιστο περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Στην παρούσα εργασία μελετώνται δύο σχετικά νέες μέθοδοι επιτόπιας απορρύπανσης: α) ο βιοαερισμός και, β) η έγχυση ατμού. Και στις δύο περιπτώσεις, για να αυξηθεί η ακτίνα δράσης της απορρύπανσης, το έδαφος διεγέρθηκε με την δημιουργία οριζόντιων υδραυλικών ρωγμών που λειτουργούν ως οριζόντια φρεάτια διαβίβασης και εξαγωγής ρευστών. Το πεδίο μελέτης είναι ένα πρώην στρατιωτικό αεροδρόμιο της Βόρειο-Δυτικής Πολωνίας, το Kluczewo, το οποίο έχει ρυπανθεί εκτεταμένα με κηροζίνη για μεγάλο χρονικό διάστημα (1935-1992). Το έδαφος της περιοχής αυτής παρουσιάζει ρωγμές ενώ η πορώδης μήτρα έχει σχετικά χαμηλή διαπερατότητα. Οι ίδιες γεωλογικές συνθήκες επικρατούν σε μεγάλο μέρος του υπεδάφους της Βόρειας Ευρώπης. Λόγω της ισχυρά ετερογενούς φύσης αυτών των εδαφών από την κλίμακα των πόρων στην κλίμακα του πεδίου και της δημιουργίας προτιμητέων μονοπατιών ροής, είναι αρκετά δύσκολο να σχεδιαστούν αποδοτικές μέθοδοι απορρύπανσης. Κύριος στόχος της εργασίας είναι η αξιολόγηση της απόδοσης των δύο μεθόδων απορρύπανσης μετά την εφαρμογή τους στην ακόρεστη ζώνη ετερογενούς εδάφους που έχει ρυπανθεί εκτενώς με υδρογονάνθρακες πετρελαιοειδών (κηροζίνη). Για να προσδιοριστεί η απόδοση κάθε μεθόδου, συλλέχθηκαν δείγματα εδάφους από ένα μεγάλο αριθμό σημείων και πραγματοποιήθηκαν χημικές αναλύσεις μέτρησης της συγκέντρωσης και της σύστασης των υδρογονανθράκων με GC-MS και GC-FID. Προκειμένου να διευκρινιστoύν καλύτερα οι κύριοι μηχανισμοί απομάκρυνσης του ρύπου και να εκτιμηθεί η αποδοτικότητα της έγχυσης ατμού και του βιοαερισμού, διεξήχθησαν πειράματα έγχυσης ατμού και βιοαερισμού και σε εργαστηριακή κλίμακα (oρθογώνιο κελί από PMMA με διαστάσεις 55 cm x 50 cm x 12 cm και υπό ακόρεστες συνθήκες). Λόγω των ετερογενειών της πορώδους δομής, στον βιοαερισμό ο κύριος μηχανισμός απομάκρυνσης ρύπου ήταν η εξάτμιση των υδρογονανθράκων και η σχετικά γρήγορη μεταφορά των ατμών μέσω διάχυσης και λόγω της μεγάλης βαθμίδας συγκέντρωσης από την μικροπορώδη μήτρα προς μονοπάτια προτιμητέας ροής (preferential flow paths) αέρα (αερισμός). Αντιστοίχως, λόγω της χαμηλής διαπερατότητας του εδάφους, στην περίπτωση της έγχυσης ατμού ο κύριος μηχανισμός απομάκρυνσης των ημι-πτητικών και μη πτητικών συστατικών ήταν η απόσταξη ατμού (δηλαδή η μείωση του σημείου ζέσεως των υδρογονανθράκων λόγω της παρουσίας μη αναμίξιμης υδατικής φάσης). Η σύγκριση των δύο μεθόδων απορρύπανσης με διάνοιξη οριζόντιων υδραυλικών ρωγμών έδειξε ότι και οι δύο μέθοδοι είναι αρκετά αποδοτικές όσον αφορά στη μείωση της μάζας του ρύπου (~72%) σε ισχυρά ετερογενή εδάφη με ρωγμές. Η έγχυση ατμού όμως είναι πολύ πιο γρήγορη (3 μήνες) από το βιοαερισμό (12 μήνες) αλλά ταυτόχρονα και αρκετά πιο ακριβή από αυτόν (14-25%). Όσον αφορά το ποσοστό μείωσης επικινδυνότητας του υπολειπόμενου ρύπου, ο βιοαερισμός δίνει με μεγάλη διαφορά καλύτερα αποτελέσματα (93%) από ότι η έγχυση ατμού (8-68%) όπου παρατηρείται και μεγάλη διακύμανση τιμών.