15. Techniki rekultywacji podłoży zdegradowanych.
rekultywacja gruntów - rozumie się przez to nadanie lub przywrócenie gruntom zdegradowanym albo zdewastowanym wartości użytkowych lub przyrodniczych przez właściwe ukształtowanie rzeźby terenu, poprawienie właściwości fizycznych i chemicznych, uregulowanie stosunków wodnych, odtworzenie gleb, umocnienie skarp oraz odbudowanie lub zbudowanie niezbędnych dróg,
Proces rekultywacji obejmuje trzy podstawowe rodzaje działań
I. Zabiegi techniczne związane z ukształtowaniem rzeźby terenu oraz warunków wodnych w układzie najbardziej korzystnym dla zamierzonych upraw roślin oraz przyszłego wykorzystania.
II. Zabiegi mające na celu zainicjowanie na zdegradowanym terenie procesów tworzenia się gleby poprzez detoksykację gruntu oraz wytworzenie warstwy glebotwórczej.
III. Zabiegi biotechniczne związane z wprowadzanie roślinności z uwzględnieniem następstwa gatunków od roślin pionierskich do docelowych.
Celem tych zabiegów jest przywrócenie zanieczyszczonemu podłożu gruntowemu w miarę możliwości:
ü pierwotnej postaci i właściwości fizycznych, mechanicznych i chemicznych, umożliwiających wykorzystywanie podłoża do celów budowlanych;
ü pierwotnych właściwości biologiczno-chemicznych, umożliwiających wykorzystywanie podłoża do celów produkcji rolnej i leśnej;
ü pierwotnych walorów rekreacyjnych.
Wybór sposobu rekultywacji, rozumianego jako oczyszczanie podłoża gruntowego z różnorodnych zanieczyszczeń, zależy od następujących czynników:
ü rodzaju gruntu i budowy podłoża gruntowego (np. grunty niespoiste, spoiste, organiczne, podłoża gruntowe jednorodne lub uwarstwione, obecność i ruch wody gruntowej);
ü rodzaju zanieczyszczeń, ich stężenia, stanu skupienia (np. lotny, ciekły, stały), właściwości chemicznych i fizycznych oraz podatności na biodegradację;
ü wielkości zanieczyszczonego podłoża gruntowego (powierzchnia, głębokość);
ü czasu trwania zanieczyszczenia (dni lub lata);
ü sposobu wykorzystania oczyszczonego podłoża w przyszłości (np. tereny budowlane, rolniczo-leśne, rekreacyjne).
W poszczególnych sposobach oczyszczania podłoża gruntowego względnia się i wykorzystuje charakterystyczne różnice pomiędzy właściwościami zanieczyszczeń oraz właściwościami ziaren i cząstek gruntu. W przypadku zanieczyszczeń bierze się przede wszystkim pod uwagę ich lotność, rozpuszczalność w wodzie lub w rozpuszczalnikach organicznych, podatność na rozkład chemiczny lub techniczny oraz podatność na biodegradację. W przypadku gruntów uwzględnia się rozmiar i kształt ziaren i cząstek, gęstość właściwą oraz zdolność adsorpcji i absorpcji zanieczyszczeń.
Zabiegi oczyszczające stosowane w przypadku podłoża gruntowego zanieczyszczonego substancjami ropopochodnymi można najogólniej podzielić na dwie podstawowe grupy:
ü oczyszczanie w warunkach ex-situ (tzu. poza miejscem naturalnego występowania)
ü oczyszczanie w warunkach in-situ (tzn. bezpośrednio w miejscu występowania gruntów zanieczyszczonych).
Istota technik oczyszczania podłoża gruntowego ex-situ z zanieczyszczeń substancjami ropopochodnymi polega na wydobyciu zanieczyszczonego gruntu z miejsca jego występowania i przetransportowaniu go w nowe wytypowane miejsce, w którym jest on poddawany odpowiedniej technologii oczyszczania. Wydobywanie oraz transport większych objętości gruntów zanieczyszczonych substancjami ropopochodnymi są bardzo kosztowne, a ponadto powodują możliwość uwalniania się z gruntu do atmosfery od 60% do 90% zanieczyszczeń lotnych i dodatkowego skażenia powietrza, stanowiąc tym samym zagrożenie dla ludzi.
Oczyszczanie gruntu za pomocą płukania polega na usuwaniu zanieczyszczeń `rozpuszczalnych w czynniku ekstrahującym poprzez intensywne mieszanie gruntu i ekstrahenta, oddzieleniu oczyszczonych cząstek gruntu od roztworu i oczyszczeniu roztworu płuczącego.
Stosuje się dwie metody usuwania zanieczyszczeń z gruntu: rozpuszczanie lub rozpraszanie w roztworze ekstrahującym. Do płukania może być wykorzystywana woda, roztwory kwasów, roztwory zasad lub rozpuszczalniki. Dodatkowo, w celu ułatwienia przebiegu procesów, do wody dodaje się związki kompleksujące lub środki powierzchniowo czynne, stymulujące desorpcję i rozpuszczanie zanieczyszczeń. W celu zwiększenia efektywności proces usuwania zanieczyszczeń z gruntu można prowadzić pod zwiększonym ciśnieniem.
Do oddzielenia zanieczyszczonego roztworu od oczyszczonego gruntu stosuje się różne sposoby, wykorzystujące różnice w wymiarach, kształcie i gęstości cząstek, jak również różnice w prędkości ich opadania oraz właściwości magnetyczne. Do oddzielenia zanieczyszczeń stosuje się hydrocyklony, układy oparte na złożach fluidalnych, spiralne układy Humphreya, wibratory i inne.
Dodatkowy, poważny problem stanowią silnie zanieczyszczone wody popłuczncz ne, poddawane efektywnym procesom oczyszczania, w wyniku, których powstają znaczne ilości osadu klasyfikowanego jako odpad niebezpieczny. Zatem w dalszej kolejności konieczne jest albo unieszkodliwienie osadu np. metodami termicznymi, albo kontrolowane jego składowanie.
Płukanie gruntu nic jest w pełni skutecznym sposobem usuwania. zanieczyszczeń, ponieważ część z nich może być zatrzymywana miedzy ziarnami przez siły przyciągania kapilarnego. Technika płukania gruntu jest przydatna do usuwania zanieczyszczeń organicznych i metali ciężkich z gruntów piaszczystych o zawartości cząstek ilastych oraz substancji organicznych nic przekraczających 10% do 15%
Termiczne oczyszczanie gruntów w zależności od zastosowanej temperatury dzieli się na niskotemperaturowe i wysokotemperaturowe.
Oczyszczanie niskotemperaturowe przebiega w temperaturach do 750°C i polega na podgrzaniu gruntu do temperatury niezbędnej do odparowania organicznych zanieczyszczeń, których pary następnie są kierowane do spalania lub poddawane kondensacji. Ten sposób stosowany-jest do oczyszczania gruntów niespoistych zanieczyszczonych lżejszymi frakcjami ropy naftowej.
Oczyszczanie wysokotemperaturowe wymaga stosowania temperatur w granicach 800 do 1100°C, gdyż polega na spalaniu zanieczyszczeń organicznych gruntu w odpowiednio skonstruowanych, obrotowych piecach umożliwiających stały kontakt cząstek gruntu z gorącymi gazami palnika. .Jest stosowane do oczyszczania głównie gruntów gliniastych zanieczyszczonych cięższymi frakcjami ropy naftowej.
Termiczny sposób oczyszczania jest również przydatny do usuwania halogenowanych substancji organicznych, przy czym - aby nie dopuścić do emisji dioksyn konieczne jest utrzymanie w dopalaczu temperatury powyżej 1000 do 1100°C .
W praktyce inżynierskiej stosuje się dwie zasadnicze biologiczne metody usuwania z gruntu zanieczyszczeń substancjami ropopochodnymi: zabiegi agrotechniczne np. kompostowanie w pryzmach oraz oczyszczanie w bioreaktorach. Obie techniki polegają na wspomaganiu naturalnych procesów mineralizacji zanieczyszczeń przez stworzenie optymalnych warunków (temperatura, zawartość wilgoci, pH, Eh, akceptor elektronów, obecność odpowiednich mikroorganizmów) dla mikrobiologicznego rozkładu zanieczyszczeń
W metodzie agrotechnicznej wydobyty, zanieczyszczony grunt układany jest w postaci cienkich warstw o grubości od 0,5 m do 1,0 m na powierzchni odpowiednio skonstruowanej, nieprzepuszczalnej warstwy podkładowej, wyposażonej w system drenażu (rys 1). Regularne spulchnianie tak ułożonego zanieczyszczonego gruntu zapewnia dostęp tlenu tlenowym mikroorganizmom, rozkładającym zanieczyszczenia. Możliwe jest także nawadnianie i dostarczanie roztworów soli biogennych oraz pierwiastków śladowych. Procesy rozkładu można przyspieszyć przez przykrycie warstw gruntu rodzajem namiotu, wymuszone natlenienie oraz podniesienie temperatury zanieczyszczonej warstwy. Metoda jest przydatna do usuwania zanieczyszczeń łatwo przyswajalnych przez mikroorganizmy. Można ją stosować od jednego do trzech razy w roku.'
Rys. 1.
Jej odmianę stanowi bioremediacja zanieczyszczonego gruntu (zmieszanego z odpowiednimi dodatkami przyspieszającymi samooczyszczanie), układanego w pryzmach z warstwami wentylacyjnymi i odpowiednio uszczelnionym dnem. W celu przyspieszenia procesów biodegradacji - pryzmę gruntu zanieczyszczonego zrasza się wodnymi rozworami miogenów.
Z przeprowadzonych badań wynika, że w warunkach krajowych w piaskach ilość węglowodorów w ciągu 80 dni ulega prawie całkowitej redukcji (98%), a w glinach może być zredukowana o około 68%.
Oczyszczanie gruntu w bioreaktorze polega na kontrolowanym, biologicznym procesie rozkładu zanieczyszczeń. Nawodniona masa zanieczyszczonego gruntu w warunkach stałego kontaktu z biomasą mikroorganizmów, przy odpowiednim zaopatrzeniu w tlen i substancje biogenne, jest efektywniej oczyszczana niż w poprzedniej metodzie. Jednakże proces jest bardziej złożony i wymaga bardziej skomplikowanych i kosztownych urządzeń.
W niektórych przypadkach niska dostępność licznych zanieczyszczeń organicznych dla mikroorganizmów, m.in. spowodowana ich sorpcją na cząstkach gruntu, może przyczyniać się do niewystarczającej efektywności procesu oczyszczania. W konsekwencji koncentracja resztkowa może przekraczać koncentrację dopuszczalną. W takich przypadkach konieczne jest zastosowanie dodatkowego wspomagania procesu oczyszczania, polegającego na:
ü wprowadzaniu zaszczepki z odpowiednich mikroorganizmów (bioaugmentacja), co głównie ma miejsce przy usuwaniu z gruntu chlorowanych węglowodorów;
ü podziale gruntu na dwie frakcje: podatną oraz niepodatną na biodegradację;
ü zastosowaniu chemicznej detoksyfikacji w celu przekształcenia określonych organicznych zanieczyszczeń w związki podatne na biodegradację.
Metody oczyszczania podłoża gruntowego ex-situ - ze względu na konieczność wydobywania i transportowania zanieczyszczonego gruntu i wody - stosowane są głównie przy jednorazowych zanieczyszczeniach substancjami ropopochodnymi niewielkich obszarów podłoża gruntowego, np. w wyniku lokalnych awarii rurociągów lub cystern.
W sytuacjach gdy zastosowanie technik oczyszczania podłoża ex-situ jest niemożliwe (np. duża powierzchnia i głębokość zanieczyszczonego podłoża, zabudowa terenu, zanieczyszczenie wód gruntowych), do usuwania substancji ropopochodnych stosuje się techniki oczyszczania in-situ. Ich istota polega na zastosowaniu odpowiednich zabiegów oczyszczających bezpośrednio w terenie w obu strefach - aeracji i saturacji - zanieczyszczonego podłoża gruntowego.
Różnorodność lokalnych warunków gruntowo-wodnych i rodzajów zanieczyszczeń skażających naturalne podłoże gruntowe spowodowała, że w ostatnich latach opracowano i zaczęto z powodzeniem stosować szereg różnorodnych technik oczyszczania podłoża gruntowego in-situ.
Oczyszczanie naturalne polega na wykorzystaniu do rozkładu i neutralizacji zanieczyszczeń:
- naturalnych procesów przebiegających w gruncie (np. sorpcji, rozpraszania, rozcieńczania, utleniania);
- aktywności mikroorganizmów heterotroficznych występujących w gruncie, dla których zanieczyszczenia gruntu w postaci substancji organicznych są źródłem pożywienia.
Proces ten przebiega powoli, wymaga długiego czasu i ciągłego monitoringu „kurczenia się" obszaru zanieczyszczonego. Technika ta, nazywana także bioremediacją naturalną, polega więc na ocenie i wykorzystaniu potencjalnych możliwości i naturalnych zdolności systemu hydrologicznego w podłożu gruntowym do biologicznego rozkładu smugi zanieczyszczeń (rys. 2).
Rys. 2
Umożliwia ona efektywne usunięcie zanieczyszczeń ropopochodnych (np. benzyna, olej napędowy, kreozot i pentachlorofenol), lecz jest nieskuteczna przy usuwaniu związków wysokocząsteczkowych, słabo rozpuszczalnych (np. chlorowane dwufenole i dioksyny).
Istnieją możliwości i są stosowane sposoby przyspieszania naturalnych procesów bioremediacji przez stworzenie w podłożu gruntowym korzystniejszych warunków namnażania się i rozwoju mikroorganizmów utylizujących zanieczyszczenia gruntu (np. cyrkulacja wodnego roztworu soli biogennych nasyconego tlenem). Można także grawitacyjnie dostarczać do podłoża gruntowego roztwór substancji biogennych za pomocą zraszania jego powierzchni (tzw. rozdeszczania) lub lokalnego rozlania na powierzchni nad obszarem zanieczyszczonym (rys. 3).
Rys. 3
Powierzchniowe grawitacyjne wprowadzanie wodnych roztworów substancji biogennych stosuje się w przypadku płytkich (do około 5 m) zanieczyszczeń podłoża gruntowego. Przy głębszym zanieczyszczeniu bardziej odpowiednie jest podpowierzchniowe grawitacyjne rozprowadzenie roztworu biogenów za pomocą galerii infiltracyjnych oraz złóż filtracyjnych.
Odrębne techniki bioremediacji gruntów, opracowane w USA wspólnie przez specjalistów z zakresu geotechniki i biologii, nazywane Bio SprageTM oraz Bio InjectionTM , opisano w pracy.
Istota pierwszej z wymienionych technik polega na usuwaniu powietrza z zanieczyszczeniami lotnymi z zewnętrznych części zanieczyszczonego obszaru w strefie aeracji, oczyszczeniu ich na powierzchni terenu metodami ex-situ z jednoczesnym wzbogaceniem w tlen i podgrzaniem, a następnie na ponownym wprowadzeniu do wnętrza źródła zanieczyszczeń w strefie saturacji. Utworzony w ten sposób obieg zamknięty okazał się bardzo efektywny i przyspieszający oczyszczenie zarówno strefy aeracji, jak również strefy saturacji.
W drugiej z wymienionych technik wykorzystano stosowaną w geotechnice koncepcję technologiczną wykonywania kolumn wapiennych, do wprowadzenia w zanieczyszczone podłoże gruntowe wodnych roztworów substancji biogenicznych, substancji powierzchniowo czynnych, akceptorów elektronów, enzymów i mikroorganizmów przyspieszających proces oczyszczania.
Biowentylacja gruntu w strefie aeracji, nazywana czasami natlenianiem gruntu, polega na przyspieszeniu tlenowej biodegradacji zanieczyszczeń w wyniku wymuszonego przepływu (przedmuchiwania) powietrza.
Wprowadzenie do zanieczyszczonego podłoża gruntowego odpowiedniej ilości powietrza stymuluje rozwój naturalnych populacji bakteryjnych przez dostarczenie tlenu, niezbędnego im w biodegradacji zanieczyszczeń organicznych do prostych związków mineralnych. W przypadku gdy szybkość parowania substancji ropopochodnych jest większa niż szybkość ich biodegradacji, następuje odparowanie zanieczyszczeń i proces może przebiegać w warunkach naturalnego wietrzenia, wytwarzanego podciśnienia lub zatłaczania powietrza, przy czym następuje znaczne obniżenie stężenia zanieczyszczeń w gruncie, szczególnie przy podwyższonej temperaturze i na ogół nie wymaga dodatkowego poddawania powietrza wysysanego z otworów procesom oczyszczania.
Typowy układ studni iniekcyjnych wtłaczających do zanieczyszczonego podłoża gruntowego czyste powietrze i studni ekstrakcyjnych zasysających i usuwających powietrze zanieczyszczone przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4
Różne koncepcje biowentylacji gruntów w strefie aeracji, polegające na zastosowaniu:
- wyłącznie studni iniekcyjnych w strefie zanieczyszczonej,
- studni iniekcyjnych w strefie zanieczyszczonej i jednocześnie studni ekstrakcyjnych poza nią,
- studni ekstrakcyjnych w strefie zanieczyszczonej i jednocześnie studni iniekcyjnych poza nią,
- studni iniekcyjnych w strefie zanieczyszczonej łącznie ze studniami odwadniającymi i dodawaniem soli mineralnych.
oraz rozmieszczenie studni monitorujących zmiany zanieczyszczenia podłoża gruntowego przedstawiono na rys. 5.
Metoda biowentylacji należy do powolnych procesów oczyszczania i jest skuteczna przy oczyszczaniu strefy aeracji podłoża piaszczystego zanieczyszczonego głównie lotnymi związkami organicznymi (np. BTEX, benzyna, trójchloroetylen, pentachloroetylen).
Rys. 5
Istota metody polega na wysysaniu zanieczyszczeń w strefie aeracji przez wytworzenie w oczyszczanym obszarze podciśnienia, które powoduje zasysanie lotnych frakcji zanieczyszczeń i odprowadzenie ich poprzez studnie na powierzchnię terenu do instalacji oczyszczającej (rys. 6). W instalacji oczyszczającej drobne cząstki i ciecz usuwa się w bębnach lub separatorach, a zanieczyszczenia lotne - zależnie od ich stężenia - są spalane, utleniane na złożach katalitycznych lub sorbowane na węglu aktywnym. Tę technikę oczyszczania stosuje się przy usuwaniu zanieczyszczeń obejmujących dużą powierzchnię i występujących na znacznej głębokości oraz traktuje jako bezkonkurencyjną przede wszystkim dla strefy aeracji.
Rys. 6
Odpowiednio rozmieszczone i zagłębione studnie wytwarzają podciśnienie wewnątrz podłoża gruntowego i powodują powstawanie strumieni powietrznych, stwarzających korzystne kierunki przepływu powietrza i zanieczyszczeń. Sterowanie strumieniami powietrza, w zależności od lokalnych warunków gruntowych (np. przewarstwienia lub soczewki gruntów nieprzepuszczalnych), może być realizowane zgodnie ze schematami przedstawionymi na rys..6:
a) granice obszaru i kierunki przepływu strumieni powietrza reguluje się intensywnością pracy pompy,
b) granice obszaru i kierunki przepływu strumieni powietrza reguluje się intensywnością pracy pompy i dodatkowym uszczelnieniem powierzchni terenu zanieczyszczonego oraz instalacją dodatkowej studni napowietrzającej,
c) przebieg oczyszczania monitoruje się urządzeniami umieszczonymi w instalacji podciśnieniowej oraz na dodatkowych stanowiskach pomiarowych.
Prowadzone obserwacje ciągłe lub okresowe umożliwiają dokumentowanie przebiegu oczyszczania podłoża (stężenie zanieczyszczeń, poziom podciśnienia) oraz granic i skuteczności oczyszczania.
Jednym z możliwych i łatwych sposobów kontroli skuteczności i zasięgu oczyszczania metodą podciśnienia jest zastosowanie pierwiastka radonu Rn-222.
...
misiak10-1985