Συγκριτική διερεύνηση της επίδρασης των εδαφικών χαρακτηριστικών στην επίδοση των μεθόδων εισπίεσης ατμού και άντλησης νερού

Abstract

Η απορρύπανση των υπόγειων υδροφορέων από χλωριωμένους υδρογονάνθρακες, και συγκεκριμένα της πηγής, όπου αυτοί απαντώνται ως ξεχωριστή, μη υδατική φάση, συναντά σημαντικές δυσκολίες, ιδιαίτερα στην περίπτωση ετερογενών εδαφών. Από τις τεχνολογίες απορρύπανσης της πηγής, οι θερμικές μέθοδοι έχουν πλεονεκτήματα έναντι των υπολοίπων, τόσο σε ότι αφορά το μέγιστο ποσοστό απομάκρυνσης μάζας των ρύπων, όσο και τον απαιτούμενο χρόνο αποκατάστασης. Στην εργασία αυτή μελετάται η επίδραση των εδαφικών χαρακτηριστικών στην επίδοση των μεθόδων εισπίεσης ατμού και άντλησης νερού. Για τον σκοπό αυτό, αναζητήθηκαν περιστατικά στα οποία έχει εφαρμοσθεί επιτυχώς η μέθοδος εισπίεσης ατμού και καταγράφηκαν τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Εν συνεχεία, εξετάζεται η απορρύπανση εδαφικής στήλης, αρχικώς κορεσμένης με τριχλωροαιθένιο, με εφαρμογή των μεθόδων εισπίεσης νερού και εισπίεσης ατμού, για τρία διαφορετικά εδάφη. Για την περίπτωση της πρώτης μεθόδου, εφαρμόζεται η αναλυτική λύση Buckley-Leverett, τα αποτελέσματα της οποίας συγκρίνονται με αυτά της αριθμητικής προσομοίωσης, με χρήση λογισμικού πολυφασικής ροής (T2VOC). H ακρίβεια της λύσης Buckley-Leverett είναι ικανοποιητική για κλίση εισπίεσης νερού ίση με 4.5%, ενώ ακόμα διαπιστώθηκε ότι για την επίτευξη σημαντικού βαθμού απομάκρυνσης μάζας τριχλωροαιθένιου (>75%) απαιτείται περισσότερος χρόνος στην περίπτωση των καλώς διαβαθμισμένων εδαφών. Για την απορρύπανση εδαφικής στήλης με εισπίεση ατμού, παρουσιάζεται ένα αναλυτικό μοντέλο για τον υπολογισμό της ταχύτητας κίνησης του θερμικού μετώπου αλλά και του μέσου βαθμού κορεσμού της υδατικής φάσης στα ανάντη αυτού. Η απόκλιση του μοντέλου από τα αποτελέσματα του λογισμικού δεν ξεπερνά το 6.5% σε κάθε ένα από τα εξεταζόμενα εδάφη. Για σταθερή παροχή ατμού, η ταχύτητα κίνησης του θερμικού μετώπου - ταχύτητα απορρύπανσης είναι πρακτικώς ανεξάρτητη από τα χαρακτηριστικά τριχοειδούς πίεσης και περατότητας του εδάφους, αλλά αντίθετα εξαρτάται από το πορώδες και τη θερμοχωρητικότητα των στερεών κόκκων. Πραγματοποιήθηκε ακόμα σύγκριση μεταξύ των δύο μεθόδων αφενός ως προς τον απαιτούμενο χρόνο απορρύπανσης και αφετέρου ως προς την απαιτούμενη ενέργεια για την επίτευξη ποσοστού απομάκρυνσης μάζας τριχλωροαιθένιου ίσου με 75%. Η σύγκριση έδειξε αφενός την αδυναμία της εισπίεσης νερού να επιτύχει σημαντική απομάκρυνση τριχλωροαιθένιου >75% εντός εύλογου χρονικού διαστήματος και αφετέρου τη μεγάλη διαφορά στις απαιτήσεις ενέργειας των δύο μεθόδων. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, συγκρίνεται η επίδοση των μεθόδων άντλησης νερού/εισπίεσης ατμού, για την απομάκρυνση τριχλωροαιθένιου από τρείς υδροφορείς, δύο ομογενών και ενός ετερογενούς. Οι ομογενείς υδροφορείς διαφοροποιούνται ως προς την περατότητα και τον παραμένοντα βαθμό κορεσμού, που επηρεάζει σημαντικά το βάθος διείσδυσης του τριχλωροαιθένιου. Για την άντληση νερού θεωρήθηκε τεχνητώς εφαρμοζόμενη υδραυλική κλίση ίση με 3% ενώ, για την εισπίεση ατμού ομοιόμορφη καθ’ ύψος παροχή ατμού. Η άντληση νερού δύναται να απορρυπάνει – σε αντίστοιχο χρόνο με την εισπίεση ατμού – ομογενή και περατά εδάφη (Κ>10-4m/s) που χαρακτηρίζονται από μικρό παραμένοντα βαθμό κορεσμού, και άρα σημαντικό βάθος ρυπασμένης ζώνης. Όμως, η ύπαρξη έστω και μικρού βαθμού ετερογένειας αναμένεται να έχει αρνητική επίδραση στην επίδοση της μεθόδου. Βάσει των περιστατικών που μελετήθηκαν, σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, η εισπίεση ατμού δύναται να εφαρμοσθεί αυτόνομα για την απορρύπανη υδροφορέων, ομογενών ή ετερογενών, με βάθος ρυπασμένης ζώνης περί τα 7m (στάθμη υδροφόρου -2m). Όμως, για την περίπτωση όπου το βάθος της ρυπασμένης ζώνης είναι μεγαλύτερο των 10m από τη στάθμη του εδάφους (στάθμη υδροφόρορου περίπου -2m), η εισπίεση ατμού θα πρέπει να εφαρμόζεται σε συνδυασμό με άλλες, κατά προτίμηση θερμικές, τεχνολογίες αποκατάστασης. Σε αντίθεση με την άντληση νερού, η υδραυλική αγωγιμότητα δεν φάνηκε να επηρεάζει σημαντικά την επίδοση της μεθόδου εισπίεσης ατμού, ενώ ο έλεγχος των τάσεων του εδάφους εν γένει ικανοποιείται και δεν αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για την εφαρμογή της μεθόδου.

Remediation of sites contaminated with Dense Non-Aqueous Phase Liquids poses significant technical and economical challenges, especially in cases where the distribution of the contaminant in the source zone is characterized by complex architecture. As far as chlorinated solvents are concerned, thermal treatment technologies demonstrate significant advantages compared to other source depletion technologies both in terms of performance and clean up time. The scope of this diploma thesis is to evaluate the effect of soil properties on the performance of steam injection and pump and treat, specifically for the removal of trichloroethylene from the saturated zone. For this reason, we compile information relevant to subsurface characterization, chemicals treated, operating conditions, and mass removal rate achieved in both pilot and full-scale steam injection projects. In order to assess the effect of soil properties on the aforementioned source depletion technologies, we first consider the case of a soil column, which is initially saturated with trichloroethylene. Water or steam injection are applied for the removal of trichloroethylene for three different sandy soils. We apply the Buckley-Leverett analysis, the results of which are compared with those produced by the numerical simulator T2VOC, developed by the Lawrence Berkeley Laboratory. The Buckley-Leverett analysis demonstrates satisfactory precision in cases where the water injection gradient is 4.5% or greater. It was also observed that for a given water injection rate, the removal of trichloroethylene is less effective in the case of well-sorted sands. Regarding steam injection, we present an analytical solution for the calculation of the thermal front velocity as well as the average water saturation upstream of the thermal front. The results of the proposed analytical solution demonstrate insignificant divergence (<6.5%) from those produced by T2VOC. It was also observed that for a given steam injection rate, the thermal front velocity is primarily dependent on porosity and thermal capacity of solids. Permeability and capillarity characteristics seem to have a minimal effect on the thermal front velocity, thus not affecting the performance of steam injection. For the technologies considered, we also compare the remedial time and the energy demand needed to remove 75% of the initially emplaced trichloroethylene. This comparison demonstrated the inability of water injection to achieve mass removal rates >75% within a short time frame, as opposed to steam injection. The energy calculation revealed, as expected, that steam injection is by far more energy consuming compared to water injection. In the second part of the thesis, water pumping and steam injection technologies are considered for the removal of trichloroethylene from the saturated zone of three aquifers, two homogenous and one heterogeneous. The homogenous aquifers are differentiated in terms of permeability and residual trichloroethylene saturation, which greatly affects the depth of the contaminated region. In order to simulate the technologies under study, a hydraulic gradient of 3% and a vertically uniform distribution of steam injection rate are considered for the cases of water pumping and steam injection, respectively. The results show that water pumping competes favorably with steam injection is cases of homogenous and generally permeable aquifers (K>10-4m/s) that are characterized by small residual trichloroethylene saturation, which in turns implies a significant depth of infiltration. Taking into consideration the steam injection projects under study and the numerical simulations, we infer that steam injection can be a stand-alone technology to either homogenous or heterogeneous aquifers the contaminated region of which extends down to 7 meters from the surface, with the groundwater surface located approximately at -2m. On the other hand, in cases where the contaminated region extends to approximately 10m or more, steam injection should be used in combination with other, preferably thermal, source depletion technologies in order to achieve considerable mass removal rates. Finally, in comparison to water pumping, permeability does not seem to significantly affect the performance of steam injection, while the effective stress criterion is generally satisfied and does not pose a constraint for the successful implementation of steam injection.