Oczyszczanie wód podziemnych

Oczyszczanie wód podziemnych to proces stosowany do oczyszczania zanieczyszczonych wód podziemnych poprzez usuwanie zanieczyszczeń lub przekształcanie ich w nieszkodliwe produkty. Wody gruntowe to woda znajdująca się pod powierzchnią gruntu, która nasyca przestrzeń porów w podłożu. 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 i gałęzi przemysłu do produkcji dóbr codziennego użytku. Większość wód podziemnych jest czysta, ale wody podziemne mogą zostać zanieczyszczone lub skażone w wyniku działalności człowieka lub w wyniku warunków naturalnych.

Liczne i różnorodne działania człowieka wytwarzają niezliczone odpady i produkty uboczne. W przeszłości usuwanie takich odpadów nie podlegało wielu kontrolom regulacyjnym. W rezultacie materiały odpadowe były często usuwane lub składowane na powierzchniach lądowych, gdzie przedostawały się do wód gruntowych. W efekcie zanieczyszczone wody podziemne nie nadają się do wykorzystania.

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 ze składowisk odpadów . Korzystanie z zanieczyszczonej wody gruntowej stwarza zagrożenie dla zdrowia publicznego poprzez zatrucie lub rozprzestrzeniania się chorób, a praktyka rekultywacji wód podziemnych została opracowana w celu rozwiązania tych problemów. Zanieczyszczenia występujące w wodach gruntowych obejmują szeroki zakres parametrów fizycznych, nieorganicznych, chemicznych, organicznych, bakteriologicznych i radioaktywnych. Zanieczyszczenia i zanieczyszczenia można usuwać z wód gruntowych za pomocą różnych technik, doprowadzając w ten sposób wodę do standardu współmiernego do różnych zamierzonych zastosowań.

Techniki

Techniki oczyszczania wód gruntowych obejmują biologiczne, chemiczne i fizyczne technologie oczyszczania . Większość technik oczyszczania wód gruntowych wykorzystuje kombinację technologii. Niektóre z biologicznych technik oczyszczania obejmują bioaugmentację , biowentylację , biosparging , bioslurping i fitoremediację . Niektóre techniki obróbki chemicznej obejmują wtrysk ozonu i tlenu, wytrącanie chemiczne , separację membranową , wymianę jonową , absorpcja węgla, wodne utlenianie chemiczne i odzyskiwanie wzmocnione środkiem powierzchniowo czynnym . Niektóre techniki chemiczne mogą być realizowane przy użyciu nanomateriałów . Techniki obróbki fizycznej obejmują między innymi pompowanie i obróbkę , przedmuchiwanie powietrzem i ekstrakcję dwufazową .

Technologie oczyszczania biologicznego

Bioaugmentacja

Jeśli badanie możliwości leczenia wykaże brak degradacji (lub wydłużony okres laboratoryjny przed osiągnięciem znacznej degradacji) w zanieczyszczeniu zawartym w wodach gruntowych, pomocne może być zaszczepienie szczepami, o których wiadomo, że są zdolne do degradacji zanieczyszczeń. Proces ten zwiększa stężenie reaktywnego enzymu w bioremediacji , a następnie może zwiększać szybkość degradacji zanieczyszczeń w stosunku do szybkości niezwiększonych, przynajmniej początkowo po zaszczepieniu.

Biowentylacja

Biowentylacja to technologia rekultywacji na miejscu, która wykorzystuje mikroorganizmy do biodegradacji składników organicznych w systemie wód gruntowych. Biowentylacja zwiększa aktywność rodzimych bakterii i archeonów oraz stymuluje naturalną biodegradację węglowodorów in situ poprzez indukowanie przepływu powietrza lub tlenu do strefy nienasyconej i, jeśli to konieczne, poprzez dodanie składników odżywczych. Podczas biowentylacji tlen może być dostarczany poprzez bezpośrednią iniekcję powietrza do zanieczyszczeń resztkowych w glebie. Biowentylacja pomaga przede wszystkim w degradacji zaadsorbowanych resztek paliwa, ale pomaga również w degradacji lotnych związków organicznych (LZO), ponieważ opary przemieszczają się powoli przez biologicznie aktywną glebę.

Biosparowanie

Biosparging to technologia remediacji in situ , która wykorzystuje rodzime mikroorganizmy do biodegradacji składników organicznych w strefie nasyconej. W biospargingu powietrze (lub tlen) i składniki odżywcze (w razie potrzeby) są wtryskiwane do strefy nasyconej w celu zwiększenia aktywności biologicznej rodzimych mikroorganizmów. Biosparging może być stosowany do zmniejszania stężeń ropopochodnych , które są rozpuszczone w wodach gruntowych, adsorbowanych w glebie poniżej lustra wody i na obrzeżach kapilarnych .

Bioslurpowanie

Bioslurping łączy w sobie elementy biowentylacji i wspomaganego podciśnieniem pompowania wolnego produktu, który jest lżejszy od wody ( lekka niewodna faza ciekła lub LNAPL) do odzyskiwania wolnego produktu z wód gruntowych i gleby oraz do bioremediacji gleb. System bioslurper wykorzystuje rurkę „slurp”, która rozciąga się do warstwy wolnego produktu. Podobnie jak słomka w szklance zasysa ciecz, pompa zasysa ciecz (w tym wolny produkt) i gaz glebowy w górę rury w tym samym strumieniu procesowym. Pompowanie podnosi LNAPL, takie jak ropa, z górnej części lustra wody iz obrzeża kapilary (tj. obszaru tuż nad strefą nasycenia, gdzie woda jest utrzymywana na miejscu przez siły kapilarne). LNAPL zostaje wyniesiony na powierzchnię, gdzie zostaje oddzielony od wody i powietrza. Procesy biologiczne określane terminem „bioslurping” odnoszą się do tlenowej biologicznej degradacji węglowodorów podczas wprowadzania powietrza do zanieczyszczonej strefy nienasyconej gleby.

Fitoremediacja

W procesie fitoremediacji sadzi się rośliny i drzewa , których korzenie z czasem absorbują zanieczyszczenia z wód gruntowych. Proces ten można przeprowadzić w obszarach, w których korzenie mogą pobierać wody gruntowe. Kilka przykładów roślin wykorzystywanych w tym procesie to chińska paproć drabinkowa Pteris vittata, znana również jako paproć hamulcowa, jest bardzo wydajnym akumulatorem arsenu . Genetycznie zmienione 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 rekultywacji wód podziemnych.

Technologie obróbki chemicznej

Opady chemiczne

Wytrącanie chemiczne jest powszechnie stosowane w oczyszczaniu ścieków w celu usunięcia twardości i metali ciężkich . Na ogół proces obejmuje dodawanie środka do wodnego strumienia odpadów w naczyniu reakcyjnym z mieszaniem, porcjami lub ze stałym przepływem. Większość metali można przekształcić w nierozpuszczalne związki w wyniku reakcji chemicznych między środkiem a rozpuszczonymi jonami metali. Nierozpuszczalne związki (osad) usuwa się przez sedymentację i/lub filtrację.

Wymiana jonów

Wymiana jonowa w celu uzdatniania wód gruntowych jest praktycznie zawsze przeprowadzana poprzez przepuszczanie wody w dół pod ciśnieniem przez nieruchome złoże ziarnistego ośrodka (środek kationowymienny lub środek anionowymienny) lub kuliste kulki. Kationy są wypierane przez określone kationy z roztworów, a jony są wypierane przez określone aniony z roztworu. Mediami jonowymiennymi najczęściej stosowanymi do remediacji są zeolity (zarówno naturalne, jak i syntetyczne) oraz żywice syntetyczne.

Adsorpcja węgla

Najczęściej stosowany węgiel aktywny do rekultywacji pochodzi z węgla kamiennego . Węgiel aktywny adsorbuje lotne związki organiczne z wód gruntowych; związki przyczepiają się do podobnej do grafitu 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 gazowy tlen mogą być wytwarzane na miejscu z powietrza i elektryczności i bezpośrednio wstrzykiwane do zanieczyszczenia gleby i wód gruntowych. Proces ten może potencjalnie utleniać i/lub zwiększać naturalnie występującą degradację tlenową. Udowodniono, że utlenianie chemiczne jest skuteczną techniką w przypadku gęstej fazy niewodnej lub DNAPL, jeśli jest obecny.

Zwiększona regeneracja środka powierzchniowo czynnego

Wspomagane odzyskiwanie środków powierzchniowo czynnych zwiększa mobilność i rozpuszczalność zanieczyszczeń wchłoniętych do nasyconej matrycy glebowej lub występujących w postaci gęstej fazy niewodnej . Odzyskiwanie wspomagane środkami powierzchniowo czynnymi polega na wstrzykiwaniu środków powierzchniowo czynnych (środków powierzchniowo czynnych, które są podstawowym składnikiem mydła i detergentów) do zanieczyszczonej wody gruntowej. Typowy system wykorzystuje pompę ekstrakcyjną do usuwania wód gruntowych poniżej punktu wstrzykiwania. Wyekstrahowana woda gruntowa jest oczyszczana nad ziemią w celu oddzielenia wstrzykniętych środków powierzchniowo czynnych od zanieczyszczeń i wód gruntowych. Po oddzieleniu środków powierzchniowo czynnych od wód gruntowych są one ponownie wykorzystywane. Stosowane środki powierzchniowo czynne są nietoksyczne, przeznaczone do kontaktu z żywnością i ulegają biodegradacji. Odzyskiwanie wspomagane środkami powierzchniowo czynnymi jest stosowane najczęściej, gdy wody gruntowe są zanieczyszczone gęstymi cieczami w fazie niewodnej (DNAPL). Te gęste związki, takie jak trichloroetylen (TCE), toną w wodach gruntowych, ponieważ mają większą gęstość niż woda. Następnie działają jako ciągłe źródło zanieczyszczeń, które mogą rozciągać się na wiele kilometrów w warstwie wodonośnej. Związki te mogą bardzo powoli ulegać biodegradacji. Często można je znaleźć w pobliżu pierwotnego wycieku lub wycieku, gdzie zostały uwięzione przez siły kapilarne.

Przepuszczalne bariery reaktywne

Główny artykuł: Przepuszczalne bariery reaktywne

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

Technologie obróbki fizycznej

Pompuj i lecz

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

Rozpylanie powietrza

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

Dwufazowa ekstrakcja próżniowa

Dwufazowa ekstrakcja próżniowa (DPVE), znana również jako ekstrakcja wielofazowa, to technologia wykorzystująca system wysokiej próżni do usuwania zarówno zanieczyszczonej wody gruntowej, jak i oparów glebowych. W systemach DPVE w strefie zanieczyszczonych gruntów i wód podziemnych instaluje się studnię wydobywczą wysokopróżniową z sekcją ekranowaną. Systemy ekstrakcji cieczy/par obniżają poziom wód gruntowych i woda przepływa szybciej do studni ekstrakcyjnej. DPVE usuwa zanieczyszczenia znad i pod lustrem wody. Ponieważ poziom wody wokół studni obniża się w wyniku pompowania, odsłonięta jest nienasycona gleba. Obszar ten, zwany prążkiem kapilarnym , jest często silnie zanieczyszczony, ponieważ zawiera nierozpuszczone chemikalia, chemikalia lżejsze od wody oraz opary, które wydostały się z rozpuszczonych wód gruntowych poniżej. Zanieczyszczenia w nowo odsłoniętej strefie można usunąć przez ekstrakcję oparów. Po znalezieniu się nad ziemią 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 oczyszczania na miejscu, ponieważ obwódka kapilarna jest często najbardziej zanieczyszczonym obszarem.

Odtłuszczanie ropy ze studni monitorującej

Studnie monitoringowe są często wiercone w celu pobrania próbek wód gruntowych do analizy. Te studnie, które zwykle mają średnicę sześciu cali lub mniejszą, mogą być również używane do usuwania węglowodorów z chmury zanieczyszczeń w warstwie wodonośnej wód gruntowych za pomocą odpieniacza olejowego 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 olejowy z odwiertem monitorującym usuwa różne oleje, od lekkich olejów opałowych, takich jak benzyna, lekki olej napędowy lub nafta, po ciężkie produkty, takie jak olej 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 paska ma silne powinowactwo do węglowodorów płynów i do przelewania wody. Taśma, która może mieć pionowy spadek o ponad 100 stóp, jest opuszczana do studni monitorującej poza interfejsem LNAPL/woda. Gdy taśma przechodzi przez ten interfejs, zbiera ciekłe zanieczyszczenia węglowodorowe, które są usuwane i gromadzone na poziomie gruntu, gdy taśma przechodzi przez mechanizm wycieraczki. W zakresie, w jakim DNAPL osadzają się na dnie odwiertu monitorującego i dociera do nich dolne koło pasowe skimmera taśmowego, zanieczyszczenia te mogą być również usuwane przez odpieniacz olejowy do odwiertu monitorującego.

Zazwyczaj odpieniacze taśmowe usuwają bardzo mało wody z zanieczyszczeniem, więc proste separatory typu jazowego mogą być używane do zbierania pozostałej cieczy węglowodorowej, 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 zasilania energią elektryczną w odległe miejsce.

Zobacz też

• Toksyczne tortury
• Brązowe pole
• CERCLA
• Zanieczyszczenie wód gruntowych
• Pióropusz (hydrodynamika)
• Zastosowania nanotechnologii w rekultywacji wód podziemnych

Linki zewnętrzne

• Alternatywne technologie oczyszczania EPA dla podziemnych zbiorników magazynowych