Rekultywacja wód gruntowych - Groundwater remediation

Rekultywacja wód gruntowych to proces stosowany do oczyszczania zanieczyszczonych wód gruntowych poprzez usuwanie zanieczyszczeń lub przekształcanie ich w nieszkodliwe produkty. Wody podziemne to woda znajdująca się pod powierzchnią gruntu, która nasyca przestrzeń porową w podpowierzchni. Na całym świecie od 25 do 40 procent światowej wody pitnej pochodzi z odwiertów i studni kopanych . Wody gruntowe są również wykorzystywane przez rolników do nawadniania upraw oraz przez przemysł do produkcji dóbr codziennego użytku. Większość wód gruntowych jest czysta, ale wody gruntowe mogą zostać zanieczyszczone lub skażone w wyniku działalności człowieka lub w wyniku warunków naturalnych.

Liczne i różnorodne działania ludzi wytwarzają niezliczone odpady i produkty uboczne. W przeszłości usuwanie takich odpadów nie podlegało wielu kontrolom regulacyjnym. W konsekwencji materiały odpadowe są często usuwane lub składowane na powierzchniach lądowych, gdzie przenikają do wód gruntowych. W rezultacie zanieczyszczone wody gruntowe nie nadają się do użytku.

Obecne praktyki mogą nadal wpływać na wody gruntowe, takie jak nadmierne stosowanie nawozów lub pestycydów , wycieki z działalności przemysłowej , infiltracja ze spływów miejskich i wycieki z wysypisk . Korzystanie z zanieczyszczonych wód gruntowych stwarza zagrożenie dla zdrowia publicznego poprzez zatrucie lub rozprzestrzenianie się chorób, a praktyka remediacji wód gruntowych została opracowana w celu rozwiązania tych problemów. Zanieczyszczenia znajdujące się w wodach gruntowych obejmują szeroki zakres parametrów fizycznych, nieorganicznych, organicznych, bakteriologicznych i radioaktywnych. Zanieczyszczenia i zanieczyszczenia można usunąć z wód gruntowych za pomocą różnych technik, doprowadzając w ten sposób wodę do standardu, który jest współmierny do różnych zamierzonych zastosowań.

Techniki

Zmielone techniki rekultywacji obejmują wodę biologiczne, chemiczne i fizyczne, przetwarzania technologii. Większość technik uzdatniania wód gruntowych wykorzystuje kombinację technologii. Niektóre z tych technik oczyszczania biologicznego obejmują bioaugmentation , bioventing , biosparging , bioslurping i fitoremediacji . Niektóre techniki obróbki chemicznej obejmują wstrzykiwanie ozonu i tlenu , wytrącanie chemiczne , separację membranową , wymianę jonową , absorpcję węgla , utlenianie chemiczne w wodzie i odzyskiwanie wzmocnione środkami powierzchniowo czynnymi . Niektóre techniki chemiczne mogą być wdrażane przy użyciu nanomateriałów . Fizyczne techniki obróbki obejmują między innymi pompowanie i oczyszczanie , nadmuchiwanie powietrza i ekstrakcję dwufazową .

Technologie oczyszczania biologicznego

Bioaugmentacja

Jeżeli badanie możliwości obróbki nie wykaże degradacji (lub wydłużony okres laboratoryjny przed osiągnięciem znaczącej degradacji) zanieczyszczenia zawartego w wodzie gruntowej, pomocne może być zaszczepienie szczepami, o których wiadomo, że są zdolne do degradacji zanieczyszczeń. Proces ten zwiększa stężenie reaktywnego enzymu w systemie bioremediacji , a następnie może zwiększać szybkości degradacji zanieczyszczeń w stosunku do szybkości niewzmocnionych, przynajmniej początkowo po zaszczepieniu.

Bioodpowietrzanie

Bioventing to technologia remediacji na miejscu, która wykorzystuje mikroorganizmy do biodegradacji składników organicznych w systemie wód gruntowych. Biowentylacja wzmaga aktywność rodzimych bakterii i archeonów oraz stymuluje naturalną biodegradację in situ węglowodorów poprzez indukcję przepływu powietrza lub tlenu do strefy nienasyconej oraz, w razie potrzeby, poprzez dodanie składników odżywczych. Podczas bioodpowietrzania tlen może być dostarczany poprzez bezpośredni wtrysk powietrza do pozostałości zanieczyszczeń w glebie. Bioodpowietrzanie przede wszystkim pomaga w degradacji zaadsorbowanych pozostałości paliwa, ale także pomaga w degradacji lotnych związków organicznych (LZO), ponieważ pary poruszają się powoli przez biologicznie czynną glebę.

Biospalanie

Biosparging to technologia remediacji in situ , która wykorzystuje miejscowe mikroorganizmy do biodegradacji składników organicznych w strefie nasycenia. Podczas biosmarowania powietrze (lub tlen) i składniki odżywcze (w razie potrzeby) są wstrzykiwane do strefy nasycenia w celu zwiększenia aktywności biologicznej rdzennych mikroorganizmów. Biospargowanie można stosować do zmniejszania stężeń składników ropy naftowej, które są rozpuszczone w wodach gruntowych, zaadsorbowane w glebie poniżej zwierciadła wody i na obrzeżach kapilary .

Biosiorbanie

Bioslurping łączy w sobie elementy bioodpowietrzania i wspomaganego próżniowo pompowania wolnego produktu, który jest lżejszy od wody ( lekka niewodna faza ciekła lub LNAPL) w celu odzyskania wolnego produktu z wód gruntowych i gleby oraz do bioremediacji gleb. System bioslurper wykorzystuje rurkę „slurp”, która sięga do warstwy wolnego produktu. Podobnie jak słomka w szklance wciąga ciecz, pompa wciąga ciecz (w tym produkt wolny) i gaz glebowy w górę rury w tym samym strumieniu procesowym. Pompowanie podnosi LNAPL, takie jak olej, ze szczytu lustra wody iz obrzeża kapilary (tj. obszaru tuż nad strefą nasycenia, gdzie woda jest utrzymywana w miejscu przez siły kapilarne). LNAPL jest wyprowadzany na powierzchnię, gdzie jest oddzielony od wody i powietrza. Procesy biologiczne w określeniu „bioslurping” odnoszą się do tlenowej biologicznej degradacji węglowodorów, gdy powietrze jest wprowadzane do gleby skażonej strefą nienasyconą.

Fitoremediacja

W procesie fitoremediacji sadzi się pewne rośliny i drzewa , których korzenie z czasem wchłaniają zanieczyszczenia z wód gruntowych. Proces ten można przeprowadzić w obszarach, w których korzenie mogą czerpać wodę gruntową. Niewiele przykładów roślin, które są wykorzystywane w tym procesie, to paproć chińska Pteris vittata, zwana również paprocią hamulcową, jest bardzo wydajnym akumulatorem arsenu . Genetycznie zmienione drzewa topoli są dobrymi pochłaniaczami rtęci, a transgeniczne rośliny gorczycy indyjskiej dobrze wchłaniają selen .

Przepuszczalne bariery reaktywne

Główny artykuł: przepuszczalne bariery reaktywne

Niektóre rodzaje przepuszczalnych barier reaktywnych wykorzystują organizmy biologiczne do remediacji wód gruntowych.

Technologie obróbki chemicznej

Wytrącanie chemiczne

W oczyszczaniu ścieków powszechnie stosuje się strącanie chemiczne w celu usunięcia twardości i metali ciężkich . Ogólnie, proces obejmuje dodawanie środka do wodnego strumienia odpadów w naczyniu reakcyjnym z mieszadłem, partiami lub ze stałym przepływem. Większość metali można przekształcić w nierozpuszczalne związki w reakcjach chemicznych między środkiem a rozpuszczonymi jonami metali. Nierozpuszczalne związki (osady) usuwa się przez osadzanie i/lub filtrowanie.

Wymiana jonów

Wymiana jonów na remediację wód gruntowych jest praktycznie zawsze przeprowadzana poprzez przepuszczanie wody pod ciśnieniem w dół przez nieruchome złoże medium ziarnistego (zarówno medium kationowymienne, jak i anionowymienne) lub kulki. Kationy są wypierane przez określone kationy z roztworów, a jony są wypierane przez określone aniony z roztworu. Mediami jonowymiennymi najczęściej używanymi do remediacji są zeolity (zarówno naturalne, jak i syntetyczne) oraz żywice syntetyczne.

Adsorpcja węgla

Najczęściej używany do remediacji węgiel aktywny pochodzi z węgla kamiennego . Węgiel aktywny adsorbuje lotne związki organiczne z wód gruntowych; związki przyczepiają się do grafitowej powierzchni węgla aktywnego.

Utlenianie chemiczne

W tym procesie, zwanym utlenianiem chemicznym in situ lub ISCO, utleniacze chemiczne są dostarczane pod powierzchnię w celu zniszczenia (przekształcenia w wodę i dwutlenek węgla lub w substancje nietoksyczne) cząsteczek organicznych. Utleniacze są wprowadzane jako ciecze lub gazy. Utleniacze obejmują powietrze lub tlen, ozon i niektóre płynne chemikalia, takie jak nadtlenek wodoru , nadmanganian i nadsiarczan . Ozon i tlen mogą być wytwarzane na miejscu z powietrza i elektryczności i bezpośrednio wtłaczane do gleby i wód gruntowych. Proces ma potencjał utleniania i/lub wzmacniania naturalnie występującej degradacji tlenowej. Udowodniono, że utlenianie chemiczne jest skuteczną techniką w przypadku gęstej fazy ciekłej fazy niewodnej lub DNAPL, gdy jest ona obecna.

Odzysk wzmocniony środkiem powierzchniowo czynnym

Zwiększony odzysk środków powierzchniowo czynnych zwiększa mobilność i rozpuszczalność zanieczyszczeń wchłoniętych do nasyconej matrycy gleby lub obecnych w postaci gęstej cieczy fazy niewodnej . Odzyskiwanie wzmocnione środkami powierzchniowo czynnymi polega na wstrzykiwaniu środków powierzchniowo czynnych ( środków powierzchniowo czynnych, które są głównym składnikiem mydła i detergentu) do zanieczyszczonych wód gruntowych. Typowy system wykorzystuje pompę ekstrakcyjną do usuwania wód gruntowych za punktem wstrzykiwania. Wydobyta woda gruntowa jest oczyszczana na powierzchni w celu oddzielenia wstrzykiwanych środków powierzchniowo czynnych od zanieczyszczeń i wód gruntowych. Gdy środki powierzchniowo czynne oddzielą się od wód gruntowych, są ponownie wykorzystywane. Stosowane środki powierzchniowo czynne są nietoksyczne, nadają się do kontaktu z żywnością i ulegają biodegradacji. Odzyskiwanie wzmocnione środkami powierzchniowo czynnymi stosuje się najczęściej, gdy wody gruntowe są zanieczyszczone gęstymi cieczami fazy niewodnej (DNAPL). Te gęste związki, takie jak trichloroetylen (TCE), toną w wodach gruntowych, ponieważ mają większą gęstość niż woda. Następnie działają jako ciągłe źródło smug zanieczyszczeń, które mogą rozciągać się na mile w warstwie wodonośnej. Związki te mogą bardzo powoli ulegać biodegradacji. Są one powszechnie spotykane w pobliżu pierwotnego wycieku lub wycieku, gdzie uwięziły je siły kapilarne.

Przepuszczalne bariery reaktywne

Główny artykuł: przepuszczalne bariery reaktywne

Niektóre przepuszczalne bariery reaktywne wykorzystują procesy chemiczne do remediacji wód gruntowych.

Technologie obróbki fizycznej

Pompuj i traktuj

Pompowanie i uzdatnianie to jedna z najczęściej stosowanych technologii rekultywacji wód gruntowych. W tym procesie woda gruntowa jest pompowana na powierzchnię i poddawana obróbce biologicznej lub chemicznej w celu usunięcia zanieczyszczeń.

Rozpylanie powietrza

Rozpylanie powietrza to proces wdmuchiwania powietrza bezpośrednio do wód gruntowych. Gdy pęcherzyki unoszą się, zanieczyszczenia są usuwane z wody gruntowej poprzez fizyczny kontakt z powietrzem (tj. stripping) i przenoszone do strefy nienasyconej (tj. gleby). Gdy zanieczyszczenia przedostają się do gleby, zwykle do usuwania oparów stosuje się system ekstrakcji oparów z gleby .

Dwufazowa ekstrakcja próżniowa

Dwufazowa ekstrakcja próżniowa (DPVE), znana również jako ekstrakcja wielofazowa, to technologia wykorzystująca system wysokiej próżni do usuwania zarówno zanieczyszczonych wód gruntowych, jak i oparów glebowych. W systemach DPVE montowana jest studnia wysokopróżniowa z częścią ekranowaną w strefie skażonych gleb i wód gruntowych. Systemy ekstrakcji cieczy/oparów obniżają poziom wód gruntowych, a woda szybciej przepływa do studni ekstrakcyjnej. DPVE usuwa zanieczyszczenia z góry i spodu lustra wody. Ponieważ zwierciadło wody wokół studni obniża się w wyniku pompowania, odsłonięta zostaje nienasycona gleba. Obszar ten, zwany obrzeżem kapilarnym , jest często silnie zanieczyszczony, ponieważ zawiera nierozpuszczone chemikalia, chemikalia lżejsze od wody oraz opary, które wydostały się z rozpuszczonej wody gruntowej poniżej. Zanieczyszczenia w nowo odsłoniętej strefie można usunąć przez ekstrakcję oparów. Na powierzchni gruntu wyekstrahowane opary i substancje organiczne w fazie ciekłej oraz wody gruntowe są oddzielane i oczyszczane. Zastosowanie dwufazowej ekstrakcji próżniowej w tych technologiach może skrócić czas czyszczenia na miejscu, ponieważ obrzeże kapilary jest często najbardziej zanieczyszczonym obszarem.

Szumowanie oleju w studni monitoringu

Studnie monitoringowe są często wiercone w celu pobrania próbek wód gruntowych do analizy. Te studnie, które zwykle mają średnicę sześciu cali lub mniej, mogą być również używane do usuwania węglowodorów z smugi zanieczyszczeń w warstwie wodonośnej wód gruntowych za pomocą odpieniacza oleju typu pasowego. Taśmowe odpieniacze oleju, które są proste w konstrukcji, są powszechnie stosowane do usuwania oleju i innych pływających zanieczyszczeń węglowodorowych z przemysłowych systemów wodnych.

Odpieniacz oleju ze studnią monitorującą regeneruje różne oleje, od lekkich olejów opałowych, takich jak benzyna, lekki olej napędowy lub nafta, po produkty ciężkie, takie jak ropa nr 6, kreozot i smoła węglowa. Składa się z poruszającego się w sposób ciągły pasa, który porusza się na układzie kół pasowych napędzanych silnikiem elektrycznym. Materiał taśmy wykazuje silne powinowactwo do płynów węglowodorowych i odprowadzania wody. Pas, który może mieć pionowy spadek ponad 100 stóp, jest opuszczany do studni monitorującej za interfejsem LNAPL/woda. Gdy taśma przechodzi przez ten interfejs, zbiera ciekłe zanieczyszczenia węglowodorowe, które są usuwane i zbierane na poziomie gruntu, gdy taśma przechodzi przez mechanizm wycieraczki. W zakresie, w jakim węglowodory DNAPL osadzają się na dnie odwiertu monitorującego, a dolne koło pasowe odpieniacza taśmowego dociera do nich, zanieczyszczenia te można również usunąć za pomocą odpieniacza oleju odwiertu monitorującego.

Zazwyczaj odpieniacze taśmowe usuwają bardzo mało wody wraz z zanieczyszczeniem, więc proste separatory typu przelewowego mogą być używane do zbierania wszelkich pozostałych cieczy węglowodorowych, co często sprawia, że ​​woda nadaje się do powrotu do warstwy wodonośnej. Ponieważ mały silnik elektryczny zużywa niewiele energii elektrycznej, może być zasilany z paneli słonecznych lub turbiny wiatrowej , dzięki czemu system jest samowystarczalny i eliminuje koszty dostarczania energii elektrycznej do odległej lokalizacji.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki