Sanačné čerpanie a čistenie podzemných vôd
Princíp
Sanačné čerpanie predstavuje jednu zo základných metód čistenia podzemných vôd ex situ. Znečistená podzemná voda sa čerpá z horninového prostredia na povrch, kde je väčšinou potrebné na odstránenie kontaminácie realizovať ďalšie sanačné postupy ex situ (CGER, 1994).
Použiteľnosť
Sanačné čerpanie sa dá použiť na odstraňovanie rozpustených a kvapalných kontaminantov z horninového prostredia. Rozsah použiteľnosti a efektívnosť metódy sa zvyšuje v kombinácii s niektorými postupmi, napr. so zvýšením hydraulického gradientu, podporou uvoľnenia sorbovaných kontaminantov a pod. Pri návrhu systému ekonomicky efektívneho a úspešného sanačného čerpania treba zobrať do úvahy najmä hydraulické a hydrogeologické vlastnosti prostredia, ako aj vlastnosti cieľového kontaminantu (US EPA, 2005). Návrh musí byť založený na výsledkoch predchádzajúceho hydrogeologického prieskumu.
Miera komplikovanosti/obťažnosti využitia sanačného čerpania v závislosti od pôsobenia niektorých faktorov je uvedená v tab. 4.2.19.
|
Charakter kontaminantu alebo hydrogeologické vlastnosti |
Zovšeobecnená miera obťažnosti dosiahnutia cieľov sanácie
|
|
Spôsob využitia miesta a charakter pôsobenia zdroja | |
|
povaha úniku a znečistenia |
malé množstvo krátkodobý únik jednorazový únik |
|
Vlastnosti kontaminantu | |
|
schopnosť degradácie volatilita sorpčný potenciál kontaminantu |
vysoká vysoká nízky |
|
Distribúcia kontaminácie | |
|
fáza kontaminantu množstvo kontaminovaného média hĺbka dosahu kontaminácie |
vodná, plynná malé plytká |
|
Geologické podmienky | |
|
stratigrafia a litológia textúra nespevnených hornín stupeň heterogenity |
jednoduchá hrubozrnná nízky |
|
Parametre prúdenia podzemnej vody | |
|
hydraulická vodivosť
časová premenlivosť vertikálne prúdenie |
vysoká (>0,01 cm . s–1) (>0,000 1 cm . s–1) nízka nevýznamné |
|
|
|
rastúca obťažnosť
LNAPLPoznámka: LNAPL – kvapaliny nemiešateľné (nerozpustné alebo ťažko rozpustné) s vodou vytvárajúce separátnu fázu, ktoré sú ľahšie ako voda, DNAPL – kvapaliny nemiešateľné (nerozpustné alebo ťažko rozpustné) s vodou vytvárajúce separátnu fázu, ktoré sú ťažšie ako voda.
Základná charakteristika
Ciele čerpania podzemnej vody pri sanačnom čerpaní je možné rozdeliť na dve základné skupiny (Cohen et al., 1997; CGER, 1994; US EPA, 2005):
• vytvorenie lokálnej depresie hladiny podzemnej vody vzhľadom na:
o zrýchlenie prítoku kontaminovanej vody,
o zrýchlenie prítoku kvapalnej fázy kontaminantu na hladine podzemnej vody v prípade kontaminantov ľahších ako voda a relatívne nerozpustných v nej,
o zrýchlenie prítoku voľnej fázy kontaminantu po nepriepustnej horninovej báze zvodnenca v prípade kontaminantov ťažších ako voda a relatívne nerozpustných v nej,
o vytvorenie hydraulickej clony na zabránenie ďalšieho šírenia kontaminácie;
• extrakcia kontaminovanej vody na povrch na jej následné čistenie a využitie (aplikácia ďalších sanačných metód ex situ, využitie vody na premývanie pásma prevzdušnenia, zvýšenie hydraulického gradientu pri spätnej infiltrácii atď.).
V závislosti od špecifických lokálnych možností je možné uplatniť viacero stratégií aplikácie sanačného čerpania. V súlade s účelom čerpania ich možno rozdeliť na (Cohen et al., 1997):
• stratégiu vytvorenia hydraulickej clony v blízkosti zdroja, ktorá sa môže ďalej kombinovať s čiastočnými nepriepustnými bariérami (napr. podzemné tesniace steny) na izoláciu zdroja kontaminácie,
• stratégiu odstraňovania/sanácie kontaminačného mraku,
• kombinovanú stratégiu, zahŕňajúcu izoláciu zdroja aj odstraňovanie kontaminačného mraku.
Na obr. 4.2.42 sú graficky znázornené niektoré teoretické prístupy k dizajnu sanačného čerpania v rámci aplikácie uvedených stratégií. V ľavej časti je uvedený stav pred začatím sanačného čerpania, v pravej časti stav po sanačnom čerpaní (Cohen et al., 1997):
• V prvom prípade ide o umiestnenie sanačného vrtu na konci kontaminačného mraku na zamedzenie ďalšieho šírenia znečistenia v smere prúdenia podzemnej vody.
• V druhom prípade je sanačný vrt umiestnený v priestore kontaminačného mraku s tým, že úroveň kontaminácie pod dosahom sanačného vrtu je relatívne nízka a možno ju riešiť prirodzenou atenuáciou.
• V treťom prípade je hlavný sanačný vrt (prípadne drén) umiestnený v blízkosti zdroja kontaminácie (pod zdrojom v smere prúdenia vody) a slúži ako hydraulická clona na zamedzenie ďalšieho šírenia kontaminácie zo zdroja. Ďalšie vrty sú umiestnené v priestore kontaminačného mraku a ich účelom je sanácia zvyškov kontaminácie. Množstvo a dizajn rozmiestnenia závisí od lokálnych podmienok.
• V štvrtom prípade sa zdroj kontaminácie izoluje napríklad pomocou podzemných tesniacich stien (PTS) a existujúci kontaminačný mrak sa odstraňuje pomocou sanačných vrtov. Ak nie je zamedzený prístup zrážkových vôd do izolovanej oblasti, je nutná kontrola hladiny vody v priestore zdroja.
• V piatom prípade sa zdroj znečistenia odstráni (napr. odvoz kontaminovanej zeminy, odstránenie podzemných nádrží, likvidácia priemyselných objektov atď.) a zvyšková kontaminácia sa rieši rozmiestnením sanačných vrtov v rámci kontaminačného mraku.
Obr. 4.2.42. Uplatnenie niektorých typov stratégií aplikácie sanačného čerpania (Cohen et al., 1997).
Vysvetlivky: 1 – obmedzenie šírenia sa znečistenia, 2 – prerušenie šírenia sa znečistenia, 3 – aktívna sanácia v smere prúdenia podzemnej vody, 4, 11 – aktívna sanácia v smere prúdenia podzemnej vody v kombinácii s podzemnými tesniacimi stenami, 5, 12 – aktívna sanácia v smere prúdenia podzemnej vody a odstránenie zdroja znečistenia, 6 – kontaminačný mrak, 7 – prirodzená atenuácia, 8 – čerpacie sanačné vrty, 9 – čerpací vrt na kontrolu šírenia sa znečistenia, 10 – vyčistený zvodnenec.
Na obr. 4.2.43 sú uvedené príklady hydraulickej clony zdroja kontaminácie pomocou rôznych postupov a ich vplyv na hladinu podzemnej vody: a) vplyv prevádzky sanačného vrtu, b) vplyv drénu podzemnej vody, c) vplyv podzemných tesniacich stien a sanačného vrtu na kontrolu hladiny podzemnej vody (Cohen et al., 1997).
Pri plánovaní sanačného čerpania je nevyhnutné realizovať komplexný prieskum zameraný na zistenie hydraulických a hydrogeologických podmienok, zdroja kontaminácie a jeho povahy, charakteru a distribúcie znečistenia, ako aj geochemických vlastností podzemnej vody a podmienok zvodneného horninového prostredia. Nedostatočná úroveň prieskumu môže ľahko viesť k návrhu nesprávneho dizajnu sanačného čerpania, nízkej efektivite sanácie a k nesplneniu sanačných cieľov. Vzhľadom na relatívne dlhodobý charakter sanačného čerpania je výhodná možnosť viacfázového prístupu. V jednotlivých fázach projektu sanácie sa sanačné čerpanie optimalizuje na základe čiastkových výsledkov a doplnkových prieskumov.
Pri návrhu dizajnu sanačného čerpania je dôležité na základe predchádzajúceho prieskumu a testov (napr. hydraulické skúšky, laboratórne testy) určiť lokalizáciu sanačných objektov (vrtov, drenáží a miest vsakovania, PTS atď.), vystrojenie a dizajn vrtov, čerpané množstvo, prípadne optimálne zmeny hladiny podzemnej vody (a tým aj hydraulických gradientov), dosah depresných kužeľov, nakladanie s čerpanými vodami, použitie intenzifikačných postupov na prestup kontaminantu do vodnej fázy, kombináciu s ďalšími sanačnými technológiami atď. (US EPA, 2005).
Vysvetlivky: 1 – kontaminačný mrak, 2 – statická hladina podzemnej vody, 3 – hranica záchytnej zóny, 4 – smer odvodňovania zvodnenca, 5 – bariéra (podzemná tesniaca stena), 6 – podzemná tesniaca stena proti smeru prúdenia podzemnej vody, 7 – podzemná tesniaca stena v smere prúdenia podzemnej vody.
Výber spôsobu čerpania je dôležitý prvok návrhu sanačného čerpania. Na čerpanie je dôležité zvoliť vhodné čerpadlo, pričom sa zohľadňuje najmä (Spellman, 2003; US EPA, 2005):
• hĺbka hladiny podzemnej vody (vrátane jej plánovaného zníženia),
• plánované množstvo čerpanej vody (s ohľadom na vlastnosti prostredia a kapacitu sanačnej technológie),
• charakter čerpanej kontaminovanej vody – obsah a charakter kontaminantov, výskyt voľnej kvapalnej fázy, agresivita vody a prostredia, výskyt pevných alebo potenciálne abrazívnych častíc, prítomnosť výbušných alebo inak nebezpečných látok, prítomnosť látok potenciálne kolmatujúcich zariadenie atď.
Na sanačné čerpanie je možné použiť viacero typov čerpadiel, ktoré môžeme účelovo rozdeliť:
• Podľa umiestnenia:
o ponorné – umiestňujú sa priamo do vodného stĺpca (najčastejšie využívaný typ),
o horizontálne samonasávacie – umiestňujú sa nad hladinu podzemnej vody, ale maximálne zhruba 7 – 8 m nad úrovňou zníženej hladiny vody.
• Podľa princípu činnosti:
o hydrodynamické (podľa smeru prúdenia: radiálne, axiálne a diagonálne):
§ odstredivé – najčastejšie využívaný typ;
o hydrostatické:
§ piestové pomalobežné – využívajú sa napr. v prípadoch, keď je potrebné zabrániť nežiaducemu premiešaniu čerpanej podzemnej vody (napr. pri existencii dvoch kvapalných fáz),
§ membránové,
§ pneumatické –využívajú sa pri čerpaní menšieho množstva a v špeciálnych prípadoch (napr. výbušné prostredie, špecifické kontaminanty atď.),
§ peristaltické.
Špecifické použitie majú kalové čerpadlá, ktoré umožňujú čerpanie podzemnej vody so zvýšeným obsahom pevných častíc.
Pri výskyte viacerých voľných kvapalných fáz vo zvodnenej vrstve je možné využiť priame separátne čerpanie jednotlivých fáz. Na tento účel je dôležité zvoliť správne umiestnenie filtra sanačného vrtu. V prípade nemiešateľných látok ľahších ako voda sa volí umiestnenie filtra na úrovni hladiny podzemnej vody, na čerpanie nemiešateľných látok ťažších ako voda sa filter umiestňuje na báze (na nepriepustnom podloží) zvodneného kolektora. Pri čerpaní voľných kvapalných fáz sa využívajú čerpadlá vhodné na tento účel – odolné proti pôsobeniu čerpaných látok, umožňujúce efektívne nakladanie s čerpanou kvapalinou a spĺňajúce bezpečnostné predpisy a požiadavky na čerpanie horľavých alebo inak nebezpečných látok (Spellman, 2003; Polenka, 2006).
Vyčerpaná znečistená podzemná voda (resp. zmes vody a prípadného kontaminantu vo voľnej kvapalnej fáze) zvyčajne na povrchu ďalej prechádza procesom čistenia, a to uplatnením iných sanačných procesov ex situ. Medzi následné základné sanačné metódy uplatňujúce sa pri čistení znečistenej podzemnej vody môžeme zaradiť najmä (Cohen et al., 1997; Polenka, 2006):
• gravitačné metódy (najmä separácia nerozpustných kontaminantov) – gravitačné odlúčenie, sedimentácia a odstredenie;
• fyzikálno-chemické metódy – adsorpcia, stripovanie, chemická oxidácia, neutralizácia, zrážanie, flokulácia, koagulácia, flotácia, membránová separácia, ionovýmena, filtrácia atď.;
• biologické metódy – bioreaktory a močiare.
Vhodnosť použitia jednotlivých sanačných metód závisí od lokálnych podmienok a charakteru kontaminantu. Podrobnejšie informácie o jednotlivých metódach a ich využití je možné nájsť v príslušných kapitolách tejto publikácie.
Pri sanačnom čerpaní sa špecificky využíva najmä gravitačné odlučovanie. Jeho princípom je gravitačná separácia voľnej (resp. emulgovanej) kvapalnej (ľahšej alebo ťažšej ako voda), plynnej alebo tuhej fázy z vodnej fázy. Pri prietokových gravitačných odlučovačoch je potrebné dosiahnuť ustálené laminárne prúdenie s dostatočne dlhým časom zdržania, aby mohla nastať gravitačná separácia. V prípade obsahu prchavých zložiek sa do technológie zaraďuje aj stripovací stupeň.
Výhody a limitácie
Využitie sanačného čerpania je limitujú najmä tieto faktory (CGER, 1994; Cohen et al., 1997; US EPA, 2005; Polenka, 2006):
• na realizáciu sanačného čerpania (aj spätného vsakovania) je potrebné získať povolenie príslušných orgánov štátnej vodnej správy,
• sanácia málo priepustných zvodnených štruktúr alebo štruktúr s komplikovanou heterogénnou stavbou je málo účinná,
• nevhodnou zmenou hydraulických gradientov a vplyvom zmien smeru prúdenia sa môže vyvolať sekundárna kontaminácia napr. zo susedných znečistených lokalít, nežiaduca zmena fyzikálno-chemických podmienok zvodnenca alebo pokles výdatnosti blízkych vodných zdrojov, prípadne hladiny podzemných vôd s negatívnym vplyvom na biotu,
• pri dlhodobom čerpaní sa môže prejaviť vplyv kolmatácie,
• obmedzená účinnosť čistenia (problematické dosiahnutie sanačného limitu) pri výskyte vyššieho množstva NAPL kontaminantu,
• po skončení sanačného čerpania môže nastať určitý opätovný vzostup koncentrácie kontaminantu vo vode, napr. vplyvom procesov sorpcie/desorpcie.
Výhodou sanačného čerpanie je, že patrí medzi štandardné dlhodobé metódy. Keďže je nevyhnutným predpokladom exploatácie znečistenej podzemnej vody, ktorá sa následne čistí pomocou ďalších metód ex situ, tvorí základ metód čistenia podzemných vôd ex situ. Pri správnom dizajne a kombinácii s ďalšími sanačnými metódami poskytuje dobré výsledky z hľadiska obmedzenia šírenia kontaminácie, ako aj následnej sanácie kontaminovaného územia.
Trvanie čistenia a účinnosť
Vzhľadom na často pomalé prúdenie podzemnej vody a interakcie kontaminantu s tuhou fázou môže sanačné čerpanie vyžadovať značne dlhý čas (rádovo ide o roky až celé desaťročia). Konkrétny čas sanácie však významne závisí od lokálnych podmienok, a to najmä od charakteru a rýchlosti prúdenia, povahy kontaminantu, charakteru horninového prostredia a geochemických podmienok. Sanačné čerpanie býva často kombinované s rôznymi ďalšími postupmi a metódami. Preto je pri sanačnom čerpaní nutné realizovať súbežné prieskumné a vyhodnocovacie práce s cieľom optimalizovať sanačné čerpanie (Cohen et al., 1997; US EPA, 2005; Polenka, 2006).
Cieľom sanačného čerpania je dosiahnutie sanačných cieľov, ktoré sú definované najmä sanačnými limitmi, t. j. limitnou koncentráciou kontaminantu, ktorú je potrebné dosiahnuť sanáciou. Na obr. 4.2.44 je čiarkovane zobrazená teoretická závislosť poklesu koncentrácie kontaminantu od postupu čerpania. V reálnych prípadoch však vplyvom rôznych fyzikálno-chemických faktorov sa tvar krivky mení (plná čiara na obrázku), keď je pokles koncentrácie v porovnaní s teoretickou krivkou v čase pozvoľnejší a po skončení čerpania často nastáva opätovný vzostup koncentrácie kontaminantu. Tento efekt môže byť spôsobený viacerými faktormi, spomedzi ktorých je možné spomenúť napr. pomalý prestup kontaminantu do vodnej fázy (napr. desorpciou, rozpúšťaním, inovýmenou atď.), variabilitu v rýchlosti prúdenia podzemnej vody, rozdielnu dĺžku prúdnic, pomalý proces difúzie z nízko permeabilných zón atď. (Keely, 1989; Palmer a Fish, 1992).
Obr. 4.2.44. Zmena koncentrácie znečisťujúcej látky s postupom sanačného čerpania (Keely, 1989).
V rámci sanačného čerpania sa využívajú rôzne opatrenia na zvýšenie efektívnosti sanácie. Patrí medzi ne najmä vyvolanie zvýšenia hydraulického gradientu vsakovaním (injektážou) časti prečistenej vody do prostredia, použitie aditív (solventov, detergentov, kyselín, zásad) do vsakovanej vody na zvýšenie prestupu viazaného kontaminantu z pevnej fázy do vodnej, prerušované čerpanie (zlepšenie skôr ekonomickej ako sanačnej efektívnosti), aerácia, venting atď. (Palmer a Fish, 1992).
Využíva sa najmä vsakovanie prečistenej vody do horninového prostredia, ktoré sa vhodne kombinuje s inými metódami. Vsakovacie zariadenia môžu byť podzemné alebo povrchové. V rámci podzemných zariadení sa využíva vsakovanie nad hladinu alebo pod hladinu podzemnej vody. Na tento účel sa využívajú drény alebo vsakovacie vrty. Povrchovými zariadeniami na vsakovanie sú bazény, umelé nádrže, priekopy vyplnené štrkom alebo povrchový rozstrek. Jedným z problémov vsakovania je výskyt kolmatácie vsakovacích zariadení, najmä vrtov, keď sa môže výrazne znížiť efektivita vsakovania. V rámci prípravy na vsakovanie prečistených vôd do prostredia treba posúdiť vplyv vsakovanej vody na prostredie, najmä vplyv na podzemné vody, ako aj kvalitu vsakovanej vody. Pri návrhu vsakovania je potrebné nielen detailné hydrogeologické posúdenie vplyvu na prostredie, ale aj relevantné povolenia štátnej vodnej správy (Polenka, 2006).
Na nakladanie s vyčistenými podzemnými vodami sa najčastejšie využívajú aj ďalšie možnosti vypúšťania, a to najmä kombinácia vsakovania a vypúšťania do kanalizácie alebo vsakovania a vypúšťania do povrchového toku. Dôvodom je najmä nestabilita vsakovacej kapacity.
© 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