Metódy tepelnej podpory
Princíp
Metódy tepelnej podpory predstavujú skupinu metód, pri ktorých sa využíva tepelná energia na podporu degradácie alebo na zvýšenie mobility kontaminantov v horninovom prostredí. Zahrievaním kontaminovaného horninového prostredia sa vytvárajú vhodné podmienky na uvoľňovanie kontaminantov viazaných na pevné častice. Určité typy kontaminantov sa vplyvom dodaného tepla degradujú alebo vyparujú. V prípade zmeny skupenstva na plynnú fázu potom kontaminanty ľahšie migrujú cez horninové prostredie. Po ich zachytení extrakčnými vrtmi sa dostávajú na povrch, kde sa zvyčajne ďalej zneškodňujú (US EPA, 2001e).
Použiteľnosť
Metóda sa zvyčajne používa pri vážne kontaminovaných lokalitách s menším rozsahom znečistenia (US EPA, 2001e), alebo sa aplikuje do najviac znečistených miest v rámci kontaminovanej oblasti (tzv. hot spots) v pásme nasýtenia aj pásme prevzdušnenia (Anonym, 2002b). Hlavným dôvodom širokej aplikovateľnosti metód tepelnej podpory je zvýšená mobilita kontaminantov pri vyššej teplote (Davis, 1997). Z teoretického hľadiska je možné tepelné metódy in situ použiť pri všetkých kontaminantoch, ktoré je možné splyňovať a následne odstrániť z horninového prostredia (FRTR, 2008). Metódy tepelnej podpory sa obzvlášť osvedčili pri čistení kontaminácií spôsobenými chlórovanými rozpúšťadlami, prchavými a poloprchavými látkami, BTEX, ketónmi, palivami, olejmi, PCB, pesticídmi a aj niektorými prchavejšími kovmi (napr. meď), a to pri rôznych podmienkach na sanovaných lokalitách (US EPA, 2004c).
Metódy tepelnej podpory mobilizujú aj takmer nerozpustné látky, akými sú vazelíny a dechty, resp. kontaminanty prítomné vo voľnej fáze (US EPA, 2001e; Juhlin et al., 2004; Beyke a Fleming, 2005; Heron et al., 2005). Zvyšovaním teploty podzemnej vody sa vytvárajú lepšie podmienky na biodegradáciu znečisťujúcich látok (Friis et al., 2006). Okrem zemín je možné aplikovať metódu tepelného ošetrenia aj na znečistenie v rozvoľnených či tektonicky porušených skalných horninách (Davis et al., 2005).
Termické čistenie pásma nasýtenia je vždy súčasťou integrovaného sanačného postupu. Jeho využitie vo väčšine prípadov nie je celkovým riešením problému, ale prispieva k urýchleniu sanácie a zvyšuje účinnosť ďalších sanačných technológií (Motsch et al., 2002).
Napríklad, ak sa zvýši teplota podzemnej vody z 20 °C na 90 °C, koncentrácia trichlóretylénu (TCE) v podzemnej vode sa približne zdvojnásobí, ale aj tak až 82 % TCE zostane sorbovaného na pevných časticiach. Viaceré príklady aplikovania metódy tepelného ošetrenia sa uvádzajú v literatúre (napr. US EPA, 1995d; US EPA, 2004c).
Základná charakteristika
Účinnosť metód tepelnej podpory pri jednotlivých organických kontaminantoch závisí od ich fyzikálno-chemických vlastností. Pri zvýšenej teplote sa napr. znižuje ich hustota, zvyšuje sa tlak pár a znižuje sa absorpcia na pevné a organické súčasti horninového prostredia (Isherwood et al., 1992). So vzrastajúcou teplotou klesá viskozita kontaminantov. Zahrievanie podporuje aj difúzne procesy, zvyšuje sa koncentrácia znečisťujúcej látky v podzemnej vode (Treybal, 1980) a tým sa zefektívňuje sanačné čerpanie. Pri dodávaní tepla do horninového prostredia sa zároveň iniciuje rast populácie baktérií, ktoré dokážu degradovať určité typy kontaminantov (Friis, 2006).
Najdôležitejšou vlastnosťou ovplyvňujúcou využitie metód tepelnej podpory je tlak pár, ktorý podmieňuje, aké množstvo kontaminantu bude prítomné v plynnej fáze (Heron et al., 1998). Čím je tlak pár vyšší, tým je kontaminant prchavejší, a preto v plynnej fáze bude prítomný jeho väčší podiel . Odstraňovanie kontaminantov v plynnej fáze je oveľa jednoduchšie, ako keď sú kontaminanty rozpustené vo vode, naviazané na horninové prostredie alebo tvoria voľnú fázu (NAPL). Tlak pár sa dramaticky zvyšuje s rastúcou teplotou. Príklad závislosti tlaku pár od teploty je uvedený na obr. 4.2.18.
Obr. 4.2.18. Závislosť tlaku pár od teploty – príklad pre PCE.
Zmeny iných vlastností kontaminantov v porovnaní s tlakom pár nie sú pri hodnotení efektivity metód tepelnej podpory až také dôležité (Gudbjerg, 2001). Správanie jednotlivých organických kontaminantov pri zvyšovaní teploty je spracované v literatúre (napr. Davis, 1998).
Teplo sa môže do kontaminovanej oblasti pod povrchom aplikovať mnohými technológiami. Medzi najpoužívanejšie technológie je možné zaradiť (US EPA, 2001e; US EPA, 2004c; Beyke a Fleming, 2005; Smith a Hinchee, 1993):
• Injektovanie horúceho vzduchu, horúcej vody alebo pary. – Prehriaty vzduch, voda alebo para a vháňa cez injekčné vrty situované v kontaminovanej oblasti. Tie následne ohrievajú horninové prostredie. Tým sa mobilizujú, vyparujú a deštruujú škodlivé kontaminanty.
• Elektrické odporové ohrievanie. – Elektrický prúd sa dodáva pod povrch cez kovové vrty. Teplo z elektrického prúdu sa odovzdáva do podzemnej vody a voda v horninovom prostredí sa mení na paru, ktorá odparuje škodlivé látky.
• Rádiofrekvenčné ohrievanie. – Obyčajne pozostáva z antény, ktorá emituje rádiové vlny vo vrte. Rádiové vlny zahrievajú horninové prostredie a to spôsobuje odparovanie kontaminantov.
• Tepelné vedenie (konduktívny ohrev). – Do kontaminovaného prostredia sa dodáva teplo cez kovové vrty alebo prostredníctvom plachty, ktorá pokrýva povrch nad kontaminovanou oblasťou. Po zahriatí kontaminovanej oblasti sa škodlivé látky deštruujú a vyprchávajú. Ohriate plachty sa používajú v miestach, kde je kontaminovaná zemina blízko pri povrchu. Kovové vrty sa využívajú pri dodávaní tepla hlbšie pod povrch.
V praxi je možné využiť kombináciu rôznych technológií a postupov v závislosti od potreby podporiť biologickú aktivitu v systéme alebo prchavosť látok – príklady sú uvedené na obr. 4.2.19 (Motsch et al., 2002).
Obr. 4.2.19. Možnosť kombinácie metód tepelnej podpory s inými sanačnými postupmi aplikovanými v znečistenej oblasti (Motsch et al., 2002).
Schéma technológie tepelnej podpory injektážou pary je uvedená na obr. 4.2.20. Injektovanie pary funguje na podobnom technologickom princípe ako aerácia alebo biosparging, ale dodávaná teplota je vyššia, a preto vrty musia byť teplovzdorné (US EPA, 2004c).
Obr. 4.2.20. Schéma systému tepelnej podpory na báze injektáže pary (US EPA, 2001e).
Vysvetlivky: 1 – povrch terénu, 2 – injektáž pary, 3 – extrakčný vrt, 4 – plyny a znečistená voda – odstraňovanie a čistenie, 5 – znečistená zemina a podzemná voda, 6 – hladina podzemnej vody, 7 – vrt.
Existujú rôzne spôsoby inštalácie a prevádzkovania technológie, ktorých cieľom je optimalizovať účinnosť odstraňovania kontaminantov. V praxi sa dobre osvedčila napr. technológia založená na princípe termálneho ošetrenia pri tzv. 6-fázovom zahrievaní pôdy. Konvenčný trojfázový elektrický prúd je rozdelený na šesť elektrických fáz, ktorými sa teplo distribuuje pod povrch efektívnejšie. Šesť elektród je umiestnených do hexagonálneho tvaru okolo kontaminovanej oblasti. Každá zo 6 fáz je napojená na jednu elektródu a extrakčný vrt sa nachádza obyčajne v strede ohraničenej zóny (US EPA, 1995d; Beyke, 1998).
Odstraňovanie kontaminantov zo zahrievanej zóny je založené najmä na extrakcii pár a/alebo multifázovej extrakcii. Kvôli optimálnemu riadeniu a kontrole prebiehajúcich procesov sa robia testy in situ a modelovacie štúdie. Zároveň sa zvyčajne laboratórne zisťuje, či môže dodávané teplo ničiť mikroorganizmy alebo im pomáha biosanovať škodlivé chemické látky (US EPA, 2004c).
Výhody a limitácie
Výhody technológií tepelnej podpory je možné zhrnúť takto (FRTR, 2008):
• účinnosť a rýchlosť pri čistení silne kontaminovaných lokalít so zameraním najmä na prchavé organické látky v pásme nasýtenia,
• podstatné urýchlenie rýchlosti sanačného zásahu pri rôznych typoch kontaminantov v horninovom prostredí,
• podpora mobilizácie aj takmer nerozpustných látok,
• pri odstraňovaní kontaminantov vo forme voľnej fázy (NAPL) predstavujú jednu z mála možností, ktorou sa dá kontaminácia zo zeminy priamo zneškodniť, namiesto toho, aby sa vynaložili nemalé prostriedky na vyťaženie zeminy na povrch s jej následným skládkovaním alebo upravovaním,
• výhodné uplatnenie aj v prípadoch, keď je znečistenie situované vo väčšej hĺbke, kde by vyťaženie zeminy na povrch bolo finančne náročnejšie,
• možnosť aplikovania aj v zastavanom území,
• odparovaním vody umožňujú zlepšiť prúdenie vzduchu vo veľmi vlhkých zeminách (zvlášť metódy rádiofrekvenčného a elektrického odporového zahrievania), čo predstavuje výhodu napr. oproti metóde extrakcie vzduchu.
Najvýznamnejšie nevýhody a limitácie aplikovania metód tepelnej podpory sa dajú zhrnúť takto (US EPA, 2004c):
• priepustnosť horninového prostredia – optimálne hodnoty koeficientu filtrácie sa pohybujú v rozsahu 10–2 – 10–4 m . s–1;
• prostredie s veľmi rozdielnymi hodnotami priepustnosti (heterogenita) môže spôsobovať nerovnomernú distribúciu pár do kontaminovanej oblasti alebo následne vyprchávajúcich škodlivých látok k povrchu;
• prostredie s vysokým obsahom organických látok má vysokú sorpčnú kapacitu na zachytávanie prchavých organických kontaminantov; to môže spôsobovať znižovanie účinnosti odstraňovania škodlivých látok z kontaminovanej oblasti;
• pre vysoké náklady na zriadenie systému tepelnej podpory tieto metódy nie je možné aplikovať na veľkých kontaminovaných plochách (zdroj energie, vybudovanie sanačných objektov a rozvodov);
• nakladanie s emisiami škodlivých výparov si vyžaduje ich precíznu kontrolu pre riziko možného ohrozenia ľudskej populácie a ekosystému; je potrebné zabezpečiť účinné zachytávanie a čistenie extrahovaných prchavých látok a mať potrebné povolenia na takúto činnosť; to môže podstatne zvýšiť cenu sanácie;
• možnosť vysušenia vegetácie v okolí;
• maximálna hĺbka aplikácie je limitovaná technickou dosiahnuteľnosťou, praktické aplikácie sa pohybujú v rozmedzí 3 až 48 m pod povrchom;
• straty tepla mimo čistenej oblasti (do priľahlého horninového prostredia a do vzduchu pri extrakcii výparov), resp. podstatné straty aj pri prúdení podzemnej vody z okolia do sanovanej oblasti.
Trvanie čistenia a účinnosť
Čistenie pásma prevzdušnenia alebo pásma nasýtenia aplikovaním metód tepelnej podpory môže trvať iba zopár mesiacov alebo aj niekoľko rokov. Každá lokalita je špecifická, ale obyčajne čistenie 20 000 ton kontaminovanej zeminy trvá asi 9 mesiacov. Čas potrebný na sanačný zákrok závisí od troch hlavných faktorov (US EPA, 2001e):
• typu a koncentrácie prítomných kontaminantov,
• veľkosti a hĺbky znečistenej oblasti,
• charakteru a vlastností horninového prostredia a ostatných podmienok na lokalite.
Výber optimálneho technologického postupu, inštalácie systému, ako aj riadenia činnosti počas prevádzky vzhľadom na lokálne podmienky a potreby dosiahnutia sanačných cieľov umožňuje zefektívniť proces odstraňovania znečistenia a tým dosiahnuť vyššiu účinnosť metódy za kratší čas.
Účinnosť procesu extrakcie jednotlivých kontaminantov závisí od dosiahnutia maximálnej teploty pri vybranom procese tepelného ošetrenia.
Objem čisteného pásma nasýtenia sa pri praktických aplikáciách pohybuje v rozmedzí 3 000 až 200 000 m3 (US EPA, 2004c). V prostredí s menšou priepustnosťou vzduchu a vyšším obsahom vlhkosti má technológia vyššie energetické nároky na extrakciu kontaminantov a zvýšenie teploty (FRTR, 2008).
Splnenie cieľových sanačných limitov iba pomocou metódy tepelného ošetrenia býva obyčajne problematické, najmä vzhľadom na ekonomické nároky. Dodávanie množstva energie na čistenie zvyškového obsahu kontaminantov býva často neefektívne. Účinnosť metódy spočíva najmä v odstraňovaní hlavnej masy znečistenia a vytváraní vhodnejších podmienok na ďalšie sanačné metódy, založené najmä na biologickej aktivite organizmov pri degradovaní určitých typov kontaminantov.
Použitie metód tepelnej podpory je finančne veľmi nákladné a malo by sa používať predovšetkým v silne kontaminovaných oblastiach s menším rozsahom, kde iné pasívnejšie metódy sú menej efektívne a pomalé (Motsch et al., 2002).
Cena sanačných prác závisí od vstupných parametrov (rozsah znečistenia, zdroj pary). Od toho sa odvíja náročnosť sanačného zásahu (Némethyová et al., 2000).
Finančné nároky je možné redukovať vhodnou kombináciou sanačných metód, resp. ich vhodnou nadväznosťou. Jedným z príkladov je spojenie metód tepelnej podpory s bioaugmentáciou, napr. pri odstraňovaní organických halogénderivátov TCE, DCE a pod. (Friis et al., 2006).
Pri tepelnej podpore prostredia s nižšou priepustnosťou (íly, sliene) je potrebné na redukciu znečistenia vynaložiť vyššie náklady. Príčinou je slabšie uvoľňovanie plynov cez toto prostredie.
V prípade využitia metód tepelnej podpory v hlbšie situovaných oblastiach znečistenia a s väčším rozsahom sú finančné nároky na sanáciu vyššie (FRTR, 2008).
© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží
Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,
Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová
Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,
ISBN 978-80-89343-39-3