Διερεύνηση συμβολής της φυσικής εξασθένησης στην αποκατάσταση χώρων ρυπασμένων με πετρελαιοειδή

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η επιρροή της φυσικής εξασθένησης στην αποκατάσταση ρυπασμένων χώρων με πετρελαιοειδή. Τα πετρελαιοειδή ανήκουν στην κατηγορία των ρύπων που δεν αναμειγνύονται με το νερό, αποτελώντας μια μη υδατική υγρή φάση στο υπέδαφος. Έτσι, η ρυπασμένη περιοχή διακρίνεται: στην έκταση που έχει καταλάβει η μη υδατική φάση, η οποία δρα ως πηγή περαιτέρω ρύπανσης, καθώς τα συστατικά των πετρελαιοειδών διαλύονται σιγά-σιγά, και στην έκταση όπου εξαπλώνονται οι διαλυμένοι, πλέον, ρύποι. Η περιοχή στην οποία ανιχνεύονται οι διαλυμένοι ρύποι είναι βέβαια πολύ μεγαλύτερη από την έκταση που καταλαμβάνει η πηγή. Σκοπός της διπλωματικής ήταν να προκύψουν ποσοτικά συμπεράσματα για την αποτελεσματικότητα της φυσικής εξασθένησης. Προς αυτήν την κατεύθυνση, επιδιώχθηκε να ποσοτικοποιηθούν μεγέθη όπως η μέγιστη απόσταση επέκτασης των διαλυμένων συστατικών των πετρελαιοειδών, το χρονικό διάστημα που απαιτείται να σταματήσει η επέκτασή τους (δηλαδή να προκύψει εξισορρόπηση των μηχανισμών εξάπλωσης των ρύπων με τους μηχανισμούς εξασθένησης) και ο χρόνος που απαιτείται για την αποκατάσταση της πηγής της ρύπανσης. Για τον προσδιορισμό των παραπάνω μεγεθών, επιστρατεύτηκαν το λογισμικό φυσικής εξασθένησης (NAS- natural attenuation software) και μερικά αντιπροσωπευτικά περιστατικά διαρροής πετρελαιοειδών. Ακόμη, αναζητήθηκαν στην βιβλιογραφία εκτιμήσεις και δεδομένα για τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά μεγέθη της ρυπασμένης περιοχής. Το λογισμικό φυσικής εξασθένησης αποτελεί ένα εργαλείο που επιτρέπει την ανάλυση ρυπασμένων χώρων όπου έχει διαπιστωθεί διαρροή μη υδατικής φάσης, δίδοντας αποτελέσματα για τις δυνατότητες της φυσικής εξασθένησης της ρύπανσης. Για τον έλεγχο της αξιοπιστίας του λογισμικού, επιλέχθηκε να εξεταστεί αρχικά ένα περιστατικό μελετημένο σε βάθος χρόνου. Πρόκειται για την διαρροή αργού πετρελαίου στο Μπεμίτζι της Μινεσότα των Η.Π.Α. Η μακρόχρονη παρακολούθηση δίνει την δυνατότητα σύγκρισης των αποτελεσμάτων του λογισμικού με τα πραγματικά δεδομένα της ρύπανσης. Τα τελικά αποτελέσματα, για να εμπνέουν εμπιστοσύνη και να επιτρέπουν γενικεύσεις, πρέπει να προέρχονται από την ανάλυση αντιπροσωπευτικών περιστατικών. Αναζητήθηκαν λοιπόν περιστατικά που να καλύπτουν ικανοποιητικά το φάσμα δυνατών συνθηκών και έκτασης της ρύπανσης. Έτσι επιλέχθηκε να εξεταστούν οι διαρροές υπόγειων δεξαμενών αποθήκευσης σε δύο αεροπορικές βάσεις των Η.Π.Α., η διαρροή σε ένα πρατήριο καυσίμων στο Περθ της Αυστραλίας και οι διαρροές υπόγειων δεξαμενών στο Ντάμπλιν των Η.Π.Α. Όλα τα αποτελέσματα από τις αναλύσεις συγκρίθηκαν με τιμές από την βιβλιογραφία για επιπλέον έλεγχο. Από τις αναλύσεις με το λογισμικό προέκυψε ότι οι πλέον προβληματικοί ρύποι σε περιστατικά διαρροής καυσίμων είναι το βενζόλιο και το οξυγονούχο πρόσθετο MTBE. Για την ακρίβεια, η μέγιστη απόσταση επέκτασης του βενζολίου από την πηγή ρύπανσης φτάνει τα 750 μέτρα για ένα μετρίου μεγέθους περιστατικό. Το χρονικό διάστημα πέρα από το οποίο παύει να μεγαλώνει η ρυπασμένη περιοχή μπορεί να φτάσει τα 60 χρόνια. Ακόμη, το βενζόλιο παρουσιάζει ένα εύρος στο χρόνο ημιζωής του που κυμαίνεται μεταξύ 200 και 1200 ημερών. Το πρόσθετο MTBE μπορεί να φτάσει σε απόσταση 620 μέτρων κατάντη της πηγής ρύπανσης. Σταματά να επεκτείνεται στα 26 χρόνια από την διαρροή και παρουσιάζει χρόνους ημιζωής που κυμαίνονται μεταξύ 630 και 866 ημερών. Τα αποτελέσματα για τους χρόνους ημιζωής βρίσκονται σε συμφωνία με τις βιβλιογραφικές αναφορές. Ακόμη, με χρήση του περιστατικού στο Ντάμπλιν έγινε ανάλυση ευαισθησίας της φυσικής εξασθένησης. Σκοπός της ανάλυσης ήταν να προκύψουν συμπεράσματα για τον βαθμό επίδρασης των διαφόρων παραμέτρων στην φυσική εξασθένηση. Συμπερασματικά, προέκυψε ότι η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει την απόδοση της φυσικής εξασθένησης είναι η ταχύτητα ροής. Ο ακριβής υπολογισμός της απαιτείται για την αξιοπιστία των αναλύσεων. Με την παρούσα εργασία ανατρέπεται η επικρατούσα αντίληψη για την περιορισμένη επέκταση των πετρελαιοειδών σε περιστατικά ρύπανσης. Προκύπτει ότι η παλαιότερη βιβλιογραφική εκτίμηση για τον περιορισμό της εξάπλωσης των συστατικών των πετρελαιοειδών στα 150 μέτρα είναι αρκετά συντηρητική, μάλιστα βρίσκεται στο κάτω όριο του εύρους που προέκυψε με την ανάλυση των πραγματικών περιστατικών. Παρόλα αυτά, μπορεί μεν τα πετρελαιοειδή να επεκτείνονται σε μεγάλες αποστάσεις και να παραμένουν για αρκετά χρόνια στους υδροφορείς, η φυσική εξασθένηση όμως λειτουργεί, δίνοντας προοπτική για τελική εξυγίανση των χώρων ρυπασμένων με πετρελαιοειδή ακόμη και σε αποκλειστική εφαρμογή της μεθόδου.

This thesis examines the influence of natural attenuation on the remediation of petroleum-contaminated sites. Petroleum mixtures, being immiscible with water, infiltrate in the subsurface as a separate phase. Hence, they are often described as Non-Aqueous Phase Liquids (NAPLs). As a result, in a NAPL-contaminated site, we distinguish (1) the NAPL-affected zone, or source zone, which acts as a long-term source of contamination due to the slow dissolution of the petroleum hydrocarbons, from (2) the plume of the dissolved petroleum constituents. Clearly, the dissolved-contaminant plume extends much further than the source zone. The main purpose of this thesis was to derive quantitative measures of the effectiveness of natural attenuation. To achieve that, it was desirable to quantify the maximum extent of the dissolved hydrocarbon plume, the time required for the plume to reach steady state, i.e. the time needed for the attenuation mechanisms to stabilize the expansion of the plume and the time required for complete NAPL dissolution in the source zone. To determine these measures, the natural attenuation software (NAS) was used together with some representative oil spill sites. In addition, data and estimates of these measures were researched in the literature. The natural attenuation software allows the simulation of the fate of plumes emanating from oil spills, offering thus insights on the site-specific natural attenuation potential. The reliability of the software was evaluated with the aid of the simulation of the thoroughly -studied crude oil spill in Bemidji, MN, U.S.A. The long term monitoring of the site provides all the information needed for a comparison with the predictions obtained with the software, which was very good. Reliable results suitable for generalizations need to be derived from representative contaminated sites. These representative sites were selected on the basis of two main criteria: variety in (1) site use and (2) probable magnitude of oil spill. Four sites were examined in detail, two Air Force bases in the U.S.A. with leaking underground storage tanks, a petrol station in Perth, Australia, and leaking storage tanks in Dublin, U.S.A. These contaminated sites cover a broad range of observed hydrocarbon plume sizes. The results from the software were again in good agreement with published data. The results show that the most problematic compounds in petroleum contaminated sites are benzene and the gasoline additive MTBE. Benzene travels 750m downgradient of the source before reaching steady state 60 years after the spill. Also, it appears to have a half-life ranging between 200 and 1200 days. As for MTBE, its plume extends 620m before reaching steady state 26 years after the spill. MTBE’s half-life ranges from 630 to 866 days. The estimated half-lives are in general agreement with the published values. Furthermore, a sensitivity analysis was conducted to evaluate the influence of the problem parameters in natural attenuation. Groundwater velocity was found to be the most critical parameter. The accuracy in determining its value is a prerequisite for obtaining reasonable predictions. In conclusion, this thesis challenged the perception that the migration potential of dissolved petroleum constituents is limited. The reported in the literature value of 150m appears to be very conservative. In fact, it is closer to the minimum value estimated in this study. Nevertheless, although petroleum hydrocarbons might extend far from the source and persist for sizeable lengths of time in aquifers, natural attenuation offers the prospect of being adequate at sites of modest-sized plumes, even as the sole remediation method implemented.