Τι μπορεί να πετύχει η Παρακολουθούμενη Φυσική Εξασθένηση σε χώρους ρυπασμένους με χλωροαιθένια

Abstract

Η ρύπανση των υπογείων νερών με χλωροαιθένια αποτελεί ένα πολύ διαδεδομένο πρόβλημα λόγω της τοξικότητας, της κινητικότητας και της επιμονής αυτών των ρύπων, και κυρίως επειδή διαρρέουν συχνά σε μη υδατική φάση. Η παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση είναι μια χαμηλού κόστους μέθοδος αποκατάστασης των ρυπασμένων με χλωροαιθένια χώρων. Γι’ αυτό είναι χρήσιμο να εξεταστεί τι μπορεί να πετύχει η εν λόγω μέθοδος κατά την εφαρμογή της στο πεδίο, κάτι που αποτελεί τον κύριο σκοπό της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Για τον σκοπό αυτόν, σε πρώτο στάδιο αντλήθηκαν συμπεράσματα από συλλογές περιστατικών ρύπανσης με χλωριωμένους διαλύτες στα οποία έχει αξιολογηθεί ή εφαρμοστεί η παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση. Σε δεύτερο στάδιο, δημιουργήθηκε, βάσει δεδομένων από τη λίστα χώρων προτεραιότητας των Η.Π.Α., μια συλλογή 17 περιστατικών ρύπανσης με χλωριωμένους διαλύτες όπου η αποκατάσταση με παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση (αποκλειστικά ή μη) έχει ολοκληρωθεί. Για καθένα από τα 17 περιστατικά συλλέχθηκαν και πινακοποιήθηκαν επιλεγμένα δεδομένα που διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: 1) αυτά που αφορούν την ταυτότητα του περιστατικού και 2) τις καθοριστικές κύριες μεταβλητές. Η πρώτη κατηγορία, «βασικά στοιχεία - ταυτότητα του περιστατικού», περιλαμβάνει τον κωδικό του περιστατικού στην Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος των Η.Π.Α., τη ρυπογόνο δραστηριότητα, τη χρονική διάρκεια εφαρμογής της παρακολουθούμενης φυσικής εξασθένησης και τυχόν επεμβατικές μεθόδους αποκατάστασης που χρησιμοποιήθηκαν σε συνδυασμό με αυτή τη μέθοδο για την εξυγίανση των υπογείων υδάτων. Ως καθοριστικές μεταβλητές για την επίδοση της παρακολουθούμενης φυσικής εξασθένησης θεωρήθηκαν οι μέγιστες καταγεγραμμένες συγκεντρώσεις χλωριωμένων διαλυτών πριν την έναρξη της αποκατάστασης, η ταχύτητα μεταγωγής, η έκταση της ρύπανσης και η ύπαρξη ή μη μεικτής ρύπανσης. Σε τρίτο στάδιο, προσομοιώθηκαν με το λογισμικό BIOCHLOR τρία περιστατικά προκειμένου να καθοριστούν ενδεικτικές τιμές για τον χρόνο αποκατάστασης, τον χρόνο και την απόσταση σταθεροποίησης και να εξαχθούν συμπεράσματα για την αποτελεσματικότητα της παρακολουθούμενης φυσικής εξασθένησης. Για τον σκοπό αυτόν, πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική έρευνα για την αναζήτηση περιστατικών ρύπανσης με χλωροαιθένια, στα οποία έχει αξιολογηθεί και/ή εφαρμοστεί η παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση, σε επιστημονικά περιοδικά, πρακτικά συνεδρίων, μελέτες περιβαλλοντικών εταιρειών και οργανισμών των Η.Π.Α. και σε ηλεκτρονικές βάσεις δεδομένων περιβαλλοντικών και στρατιωτικών οργανισμών των Η.Π.Α.. Στη συνέχεια, επιλέχθηκαν τρία αντιπροσωπευτικά περιστατικά για τρία διαφορετικά εύρη ταχυτήτων μεταγωγής: i) 6-30 m/y, 30-60 m/y και >60 m/y, δύο διαφορετικά εύρη μήκους εξάπλωσης της ρύπανσης: i) 150-500 m και ii) 500-1500 m και τρία διαφορετικά εύρη συνολικών μέγιστων συγκεντρώσεων χλωροαιθενίων: i) 0,1-1,5 mg/L, ii) της τάξης των 10 mg/L και iii) >100 mg/L. Τα τρία περιστατικά που επιλέχθηκαν να προσομοιωθούν με το BIOCHLOR ήταν ο βιομηχανικός χώρος Bendix Corpοration/Allied Automotive στο Μίσιγκαν, ο χώρος SS-45 της πρώην αεροπορικής βάσης England στη Λουιζιάνα και ο χώρος FTA-2 της αεροπορικής βάσης Tinker στην Οκλαχόμα. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν συνδυασμένα από τη συλλογή περιστατικών και τις προσομοιώσεις με το BIOCHLOR έχουν ως ακολούθως. H παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση αναμένεται να είναι αποτελεσματική σε περιστατικά με μέγιστες συνολικές καταγεγραμμένες συγκεντρώσεις μικρότερες από 1,5 mg/L και ταχύτητες μεταγωγής κάτω από 15 m/y. Ο προβλεπόμενος χρόνος αποκατάστασης στον χώρο SS-45, που έχει αυτά τα δύο χαρακτηριστικά, υπολογίστηκε ίσος με 67 χρόνια. Το αντίθετο φαίνεται να ισχύει για περιστατικά με μέγιστες συνολικές καταγεγραμμένες συγκεντρώσεις μεγαλύτερες από 100 mg/L και ταχύτητες μεταγωγής μεγαλύτερες από 60 m/y. Η μέγιστη εξάπλωση των χλωροαιθενίων στο περιστατικό Bendix, που έχει αυτά τα δύο χαρακτηριστικά, ήταν 1262 m από την πηγή πριν φτάσει σε συνθήκες μόνιμης μεταφοράς 25 χρόνια μετά την έναρξη της διαρροής. Σε ένα περιστατικό ρύπανσης (FTA-2) μετρίου μεγέθους (συγκεντρώσεις της τάξης των 10 mg/L και ταχύτητα μεταγωγής 46,7 m/y) η μέγιστη εξάπλωση των χλωροαιθενίων υπολογίστηκε ίση με 636 m πριν φτάσει σε συνθήκες μόνιμης μεταφοράς 65 χρόνια μετά την έναρξη της διαρροής. Ο ρύπος που βιοαποδομείται πιο αργά και στα τρία περιστατικά που εξετάστηκαν είναι το τριχλωροαιθένιο, σε σχέση με το cis-1,2-διχλωροαιθένιο και το βινυλοχλωρίδιο. Οι χρόνοι ημιζωής που υπολογίστηκαν για το τριχλωροαιθένιο είναι 1,12-3,75 έτη. Η συνεισφορά της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι σημαντική διότι οριοθετεί τις μέγιστες αρχικές συγκεντρώσεις και τις ταχύτητες μεταγωγής στα περιστατικά όπου η παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση αναμένεται να είναι επιτυχής και σε αυτά που αναμένεται να είναι ανεπιτυχής. Επιπλέον, μπορεί να αποτελέσει έναν μερικό οδηγό για την αξιολόγηση της φυσικής εξασθένησης με το BIOCHLOR σε περιστατικά όπου τα δεδομένα συλλέχθηκαν για κάποιο άλλο σκοπό και γι’ αυτό είναι ελλιπή.

Groundwater contamination with chloroethenes is a widespread problem due to their toxicity, mobility and persistence, and mostly because they are often released as non-aqueous phase liquids. Monitored natural attenuation is a low-cost remediation method for chloroethene-contaminated sites. For this reason, it is useful to examine the performance of this method in the field, which is the main goal of this thesis. In order to achieve this objective, the first step was to draw conclusions from compilations of chlorinated solvent-contaminated sites, where monitored natural attenuation has been evaluated or implemented. At a second stage, a new compilation of 17 case studies of chlorinated solvents-contaminated sites was created, where remediation by monitored natural attenuation (as a sole remediation technique or in conjunction with others) has been completed, based on data from the U.S.A. National Priorities List. For each of the 17 case studies selected data were gathered and tabulated. These data are divided into two main categories; 1) those concerning the identity of the contaminated site and 2) the key variables that determine the performance of monitored natural attenuation. The category "main characteristics – case study identity" includes the following; U.S.A. Environmental Protection Agency code of the case study, contaminating activity, duration of application of monitored natural attenuation and any active remediation methods used in conjunction with this method for groundwater remediation. The key variables that were considered to determine the performance of monitored natural attenuation were the following; maximum recorded concentrations of chlorinated solvents prior to implementing monitored natural attenuation, seepage velocity, plume extent and presence or absence of mixed contamination. At a third stage, three case studies were simulated with the BIOCHLOR software, in order to determine indicative values for the remediation time, the time and distance of plume stabilization, and to draw conclusions about the effectiveness of monitored natural attenuation. For this purpose, an extensive literature research was carried out, in order to find case studies of chloroethene-contamination in groundwater, where monitored natural attenuation has been evaluated or implemented, in journals, conference proceedings, environmental studies by consulting companies and organizations in the U.S.A. and online databases of U.S.A. environmental and military organizations. Three representative case studies were subsequently selected for the three following ranges of seepage velocities; i) 6-30 m/y, 30-60 m/y and >60 m/y, the following two ranges of plume length; i) 150-500 m and ii) 500-1500 m, and the three following ranges of total maximum chloroethene concentrations; i) 0.1-1.5 mg/L, ii) on the order of magnitude of 10 mg/L and iii) >100 mg/L. The three sites that were chosen to be simulated with BIOCHLOR were the industrial site Bendix Corporation/Allied Automotive in Michigan, the operable unit SS-45 at the former England Air Force Base site in Louisiana and site FTA-2 at Tinker Air Force Base in Oklahoma. The conclusions drawn jointly from the case study compilations and the simulations with BIOCHLOR are as follows. Monitored natural attenuation is expected to be effective at contaminated sites with total maximum recorded concentrations below 1.5 m/L and seepage velocities below 15m/y. The remediation time at site SS-45, which has these two features, was calculated to be 67 years. On the contrary, it seems that monitored natural attenuation is not effective at contaminated sites with recorded maximum total concentrations greater than 100 mg/L and seepage velocities greater than 60 m/y. At the Bendix site, which is representative of these concentration and seepage velocity ranges, chloroethenes travel 1262 m downgradient of the inferred source area before reaching steady state 25 years after their release. At site FTA-2, where contamination is of moderate size (concentrations on the order of 10 mg/L and seepage velocity 46.7 m/y) chloroethenes travel 636 m downgradient of the inferred source area before reaching steady state 65 years after their release. At all three case studies, trichloroethene is the contaminant that is biotransformed most slowly compared with cis-1,2-dichloroethene and vinyl chloride. Calculated trichloethene half-life ranges between 1.12 and 3.75 years. The findings of this thesis are important because it defines the range of maximum concentrations and seepage velocities at case studies where monitored natural attenuation is expected to be successful and at case studies where this method is expected to be unsuccessful. In addition, it provides partial guidance for the evaluation of natural attenuation with BIOCHLOR in case studies where data were obtained for another purpose and therefore are incomplete.