SOIL VAPOR EXTRACTION Studentessa: SABRINA PICCOLO UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Facoltà di Agraria- Scienze MM.FF.NN. CLS “Scienze e tecnologie per l’ambiente e il territorio CORSO DI DEPURAZIONE CHIMICA AA 2006/2007 SOIL VAPOR EXTRACTION DOCENTE: Maurizio Vidali Studentessa: SABRINA PICCOLO

INDICE DESCRIZIONE GENERALE APPLICABILITÀ EFFICACIA Fattori che contribuiscono alla permeabilità del suolo Permeabilità intrinseca Struttura e stratificazione del terreno Profondità della falda Contenuto d’acqua Fattori che contribuiscono alla volatilità dei composti Pressione di vapore Composizione e punto di ebollizione Costante di Henry COSTI APPLICAZIONI IN CAMPO SOIL VAPOR EXTRACTION EX SITU VANTAGGI E SVANTAGGI DEL SOIL VAPOR EXTRACTION

DESCRIZIONE GENERALE del Soil Vapor Extraction Il “Soil Vapor extraction” (SVE) è chiamato anche ventilazione del suolo (“soil venting”) o estrazione sotto-vuoto (“vacuum extraction”). Il SVE è una tecnologia di trattamento in situ, rapida, efficace e relativamente economica per rimuovere contaminanti organici volatili, prodotti petroliferi adsorbiti al suolo, dalla zona insatura del terreno. La tecnica è sito-specifica.

DESCRIZIONE GENERALE del SVE Prevede l’installazione di pozzi di estrazione e di iniezione nell’area contaminata. Attraverso i pozzi di iniezione viene applicata una corrente d’aria compressa che trascina con sé i contaminanti e li dirige verso i pozzi di estrazione sotto forma di vapore o gas. Si applica il vuoto ai pozzi di estrazione, da cui vengono aspirati i costituenti volatili. I gas estratti vengono trattati, prima dello scarico in atmosfera, mediante assorbimento su carbone attivo, incenerimento, ossidazione catalitica o per condensazione. L’assorbimento su carbone attivo è il più usato perché si adatta ad una vasta gamma di VOC. Il tipo di trattamento scelto dipende dal tipo di contaminante e dalla sua concentrazione.

DESCRIZIONE GENERALE del SVE Condizione necessaria all'attuabilità del SVE: i contaminanti devono essere al di sopra della falda. Obiettivo principale: rimozione di VOC (composti organici volatili) e SVOC (composti organici semi-volatili) dall’insaturo mediante un pozzo collegato ad un ventilatore, che inietta aria nella zona contaminata. Un’ulteriore applicazione consiste nella combinazione col biorisanamento in situ, bioventing; la ventilazione fornisce ossigeno ai microrganismi autoctoni della zona vadosa contaminata favorendo la biodegradazione delle frazioni meno volatili degli inquinanti, che il SVE rimuoverebbe solo parzialmente o non rimuoverebbe affatto.

Schema del funzionamento del Soil Vapor Extraction

PRINCIPI OPERATIVI Il SVE è costituito da pozzi di estrazione dei vapori, pozzi d’immissione di aria e pozzi di monitoraggio. I tre schemi di processo più diffusi sono: pozzi verticali: per contaminazioni estese in profondità; trincee, pozzi orizzontali: inquinamento limitato ai primi metri di profondità del sottosuolo (2-4 m). L’efficienza dell’aspirazione aumenta stendendo teli impermeabili sulla superficie da trattare. In funzione dell’area contaminata, dello spessore di terreno da trattare, della porosità efficace del suolo, si valuta il volume di gas interstiziale da coinvolgere e si dimensionano gli impianti, garantendo la copertura totale dell’area. L’iniezione di aria calda può facilitare la volatilizzazione, ma causa un notevole incremento dei costi di trattamento.

DURATA La durata effettiva del SVE è funzione della necessità di liberare tutti i pori del terreno dai gas interstiziali contaminati da idrocarburi volatili e di spostare l’equilibrio liquido-gas il più possibile verso la fase gassosa. Di solito è attorno i 2-36 mesi. In alcuni casi, il trattamento ha avuto una durata superiore a 5 anni.

Processo schematico del SVE

APPLICABILITÀ Questa tecnologia è molto efficace per la rimozione di VOC e di alcuni SVOC. SVE ha più successo se applicato ai prodotti petroliferi più leggeri, più volatili, quali la benzina. Diesel, nafta e cherosene, che sono meno volatili e più pesanti della benzina, e gli oli lubrificanti, che non sono volatili, non vengono rimossi col SVE ma col bioventing. Non è possibile applicare il SVE su contaminanti inorganici e su organici dotati di pressione di vapore bassa.

APPLICABILITÀ La tecnica è applicabile con efficacia al trattamento di terreni insaturi contaminati da composti altamente volatili (diclorometano, tricloroetano, benzene, toluene) con rimozioni anche superiori al 99%; i rendimenti calano sensibilmente per i composti semivolatili (es. gasolio), per i quali si hanno rimozioni dell’ordine del 30-40%.

Efficienza nei confronti dei contaminanti Classe di contaminanti Efficienza Contaminanti organici Composti alogenati volatili Applicabile con elevata efficienza Composti non alogenati volatili Applicabile con efficienza limitata Composti alogenati semivolatili Composti non alogenati semivolatili Policlorobifenili (PCB) Non applicabile Pesticidi Diossine-Furani Cianuri organici Contaminanti inorganici Metalli volatili Metalli non volatili Amianto Materiali radioattivi Cianuri inorganici Contaminanti reattivi Ossidanti Riducenti

EFFICACIA I parametri chiave, usati per determinare l’efficacia del SVE in un particolare sito, sono: permeabilità dei terreni contaminati, che determina il tasso a cui i vapori nel terreno possono essere estratti. Il tipo di terreno determina la permeabilità. Le terre fini (argille e limi) hanno minor permeabilità rispetto ai suoli grossolani (sabbie e ghiaie). Volatilità dei costituenti del petrolio, che determina il tasso e grado a cui i composti assorbiti al suolo passano allo stato di vapore. La volatilità è una misura della capacità di vaporizzarsi, per cui può essere approssimata al range del punto di ebollizione. L'effetto combinato di questi 2 fattori risulta nella velocità di estrazione dell'agente inquinante, che diminuisce durante il funzionamento del SVE al calare delle concentrazioni dei VOC e del vapore nel terreno.

Efficacia del SVE in relazione alla litologia e alle caratteristiche di volatilità dei contaminanti

Fattori che influenzano permeabilità del suolo e volatilità dei composti Permeabilità del terreno Volatilità dei composti Permeabilità intrinseca Pressione di vapore Struttura e stratificazione del terreno Composizione e punto di ebollizione Profondità della falda Costante di Henry Tenore d'acqua

Permeabilità intrinseca Fattori che contribuiscono alla permeabilità del suolo Permeabilità intrinseca Proprietà del mezzo poroso che permette ai liquidi o ai gas di muoversi attraverso esso, sotto l'azione di gravità e pressione; è il fattore più importante nel determinare l’efficacia del SVE. Comprende 13 ordini di grandezza (10-16-10-3 cm2), ma si applica una gamma più limitata ai comuni terreni (10-13-10-5 cm2). Suoli a grana grossolana (sabbie) hanno permeabilità intrinseca maggiore di suoli a grana fine (argille o limi). La capacità di un terreno di trasmettere l'aria è ridotta dalla presenza dell'acqua → molto importante nei terreni a grana fine, che tendono a trattenere l'acqua.

Permeabilità intrinseca ed efficacia del SVE Permeabilità intrinseca (k) Efficacia del SVE k > 10-8 cm2 Generalmente efficace 10-8 ≥ k ≥ 10-10 cm2 Può essere efficace; necessita di ulteriori valutazioni k < 10-10 cm2 Efficacia marginale o inefficace

Struttura e stratificazione del terreno La struttura e la stratificazione del suolo possono influenzare le vie e le modalità di flusso dei vapori nel suolo durante l’estrazione. Le caratteristiche strutturali (stratificazione, micro-fratture) possono portare a permeabilità più alte del previsto per componenti del terreno (argille) e alla formazione di vie di flusso preferenziali → tempi di risanamento inefficaci o prolungati. L’eterogeneità stratigrafica è uno dei principali limiti del processo di estrazione: zone ricche di canali preferenziali o fratture riducono l’efficacia dell’estrazione.

Profondità della falda Significative fluttuazioni stagionali o quotidiane (legate a maree o precipitazioni) possono sommergere alcuni terreni contaminati o una parte del filtro del pozzo di estrazione, rendendolo non disponibile per il flusso d'aria. Il SVE non è applicabile: nei siti con falda a meno di 1 m (3 piedi) dal piano campagna; attenzione nei siti con falda a meno di 3 m (10 piedi) dal piano campagna: la creazione di un vuoto tramite le pompe può causare la risalita locale del livello di falda, con occlusione dei filtri dei pozzi di estrazione e riduzione del flusso di vapore interstiziale. E’ possibile usare pompe per mantenere basso il livello della falda.

Profondità della falda ed efficacia del SVE > 10 piedi Efficace 3 - 10 piedi Richiede controlli speciali (es. pozzi orizzontali) < 3 piedi Generalmente non efficace

Contenuto d’acqua Il contenuto d’acqua ha due effetti contrastanti riguardo l’efficacia della ventilazione. l’incremento di umidità nel suolo (> 50%) riduce la porosità del terreno, la permeabilità del suolo all’aria, → peggiora l’efficacia del SVE limitando il flusso gassoso attraverso i pori; un’umidità troppo bassa aumenta la capacità di adsorbimento del terreno riducendo la frazione estraibile. Per ogni tipo di terreno esiste un livello di umidità ottimale, sufficientemente basso per garantire un’elevata permeabilità all’aria ma tale da non aumentare la capacità di adsorbimento del terreno.

Fattori che contribuiscono alla volatilità dei composti Pressione di vapore La pressione o tensione di vapore è la caratteristica dei composti più importante per valutare l’efficacia del SVE; è la misura della tendenza del composto a evaporare; è la pressione che un vapore esercita quando è in equilibrio con il suo liquido puro. I composti con pressioni di vapore > 0.5 mm Hg sono adatti all’estrazione con il SVE.

Pressioni di vapore dei comuni costituenti del petrolio Costituente Pressione di vapore (mm Hg a 20°C) Metil t-butil etere 245 Benzene 76 Toluene 22 Dibromuro di etilene 11 Etilbenzene 7 Xileni 6 Naftalene 0.5 Piombo tetraetilico 0.2

Composizione e punto di ebollizione I prodotti petroliferi più riscontrati (benzina, diesel, cherosene, nafte e oli lubrificanti), per la loro complessa composizione, sono classificati per il range del punto di ebollizione → l’applicabilità del SVE ad un prodotto petrolifero è stimata dal range del punto di ebollizione. I costituenti con Teb < 250-300°C sono sufficientemente volatili per essere rimossi col SVE. Il SVE può rimuovere quasi tutti i costituenti della benzina, una parte dei costituenti di cherosene e diesel e una minor porzione di costituenti della nafta, non può rimuovere gli oli lubrificanti. La maggior parte dei costituenti del petrolio sono biodegradabili → rimossi col bioventing. L'iniezione di aria riscaldata aumenta la volatilità dei composti perché la pressione di vapore aumenta con la temperatura. Però i fabbisogni energetici richiesti sono così elevati da essere economicamente proibitivi.

Range del punto di ebollizione dei prodotti petroliferi Prodotto Range del punto di ebollizione (°C) Benzina 40 - 225 Cherosene 180 - 300 Diesel 200 - 338 Nafta > 275 Oli lubrificanti Non volatili

Costante di Henry La costante di Henry è il coefficiente di ripartizione tra la concentrazione di un costituente disciolto in acqua e la sua pressione parziale nella fase di vapore in condizioni di equilibrio; descrive la sua tendenza relativa a ripartirsi fra la fase di vapore e la fase disciolta. Sostanze con elevata costante di Henry hanno una maggiore tendenza alla diffusione. Composti con costanti di Henry > 100 atm sono adatti alla rimozione col SVE.

Costante di Henry dei comuni costituenti del petrolio Costituente Costante di Henry (atm) Piombo tetraetilico 4700 Etilbenzene 359 Xileni 266 Benzene 230 Toluene 217 Naftalene 72 Dibromuro di etilene 34 Metil t-butil etere 27

Per essere efficace, il SVE deve essere attuato: per composti con pressione di vapore almeno pari a 0,1 kPa o 0,5 mm di Hg (a 20 °C); per composti con costante di Henry > 0.01; per composti con bassa solubilità in acqua; per composti con peso molare ≤ 200 g/mole; in terreni sufficientemente permeabili all’aria, poco umidi, con conducibilità tra 10-3 e 10-2 cm/s; in un’area abbastanza grande per poter collocare la strumentazione (almeno 150 m2).

COSTI Esistono differenti stime dei costi, a seconda delle fonti. 20-50 $ per tonnellata di terreno contaminato (EPA e Prov MI). 30-70 $ per t di terreno trattato, in funzione delle caratteristiche del contaminante e del suolo (Banca Dati Tossicologica del suolo e dei prodotti derivati, Regione Puglia). 10-150 $ per tonnellata o m³ di terreno trattato (METEA, centro interdipartimentale di ricerca sulle Metodologie e Tecnologie Ambientali, Università di Bari).

APPLICAZIONI del SVE negli USA Locazione del sito Inquinanti trattati Applicazioni e risultati Sheet Metal Plant - MI PCE (percloroetilene) Il trattamento su un'area di 5000 cu yds ha permesso di abbattere i 5600 mg/kg di PCE fino alla concentrazione di 0.70 mg/kg in un periodo di 35 giorni. Sherwin- Williams Site - OH Eluenti per vernici Il trattamento su un'area di 425.000 cu yds ha permesso di ridurre i 38 mg/kg degli inquinanti fino alla concentrazione di 0.04 mg/kg in un periodo di sei mesi. UST Bellview - FL BTEX Il trattamento ha permesso di abbattere i 97 mg/kg di BTEX fino ad una concentrazione inferiore di 0.006 mg/kg in un periodo di 7 mesi. Petroleum terminal Owensboro - KY Carburanti, diesel Il trattamento su un'area di 12.000 cu yds ha permesso di abbattere la concentrazione iniziale inferiore di 5000 mg/kg di contaminanti fino ad un valore di 1.0 mg/kg in un periodo di 6 mesi. Site Programme Groveland - MA TCE (tricloroetilene) Il trattamento su un'area di 6000 cu yds ha permesso di abbattere la concentrazione iniziale di 96.1 mg/kg di TCE fino ad un valore di 4.19 mg/kg in un periodo di 56 giorni.

SOIL VAPOR EXTRACTION EX SITU L’opzione ex situ on site di ventilazione del terreno viene praticata dove è necessario asportare il terreno; realizzata in combinazione al trattamento biologico del compostaggio, dove si opera un’aerazione per aspirazione. Si scava il terreno e lo si dispone su un letto dotato di tubi di aspirazione. Cumuli coperti con telo impermeabile per evitare dispersione di inquinanti e infiltrazione di acque meteoriche che potrebbero saturare il terreno.

SOIL VENTING EX SITU Rispetto al trattamento in situ, i vantaggi sono: incremento della porosità dovuto al’escavazione del terreno; ininfluenza della falda; semplicità di raccolta del percolato; uniformità di trattamento e facilità di monitoraggio del processo. Gli svantaggi sono: aumento dei costi di trattamento (escavazione e movimentazione); possibilità di volatilizzazione degli inquinanti durante le fasi di scavo e movimentazione, con necessità di captazione e trattamento dell’aria contaminata; controllo degli operatori impegnati nelle varie fasi; necessità di spazi ampi. Risultati molto modesti con sostanze chimiche con Teb > 100 °C. L’efficienza di trattamento aumenta riscaldando l’aria insufflata.

VANTAGGI DEL SVE Tecnologia in situ. Efficacia nota; strumenti facilmente reperibili, semplice installazione; facilmente implementabile.  Scarso disturbo delle attività del sito. Tempi di trattamento brevi (6 mesi - 2 anni in condizioni ottimali). Costi competitivi: € 20-50/t di suolo contaminato; tecnica poco costosa se si trattano aree estese. Può essere combinato ad altre tecnologie.

SVANTAGGI DEL SVE Difficile ottenere riduzioni di concentrazione > 90%. Sono richiesti sistemi di trattamento dell’aria prima della loro emissione. Può richiedere trattamenti costosi per i vapori estratti. Devono essere smaltiti i liquidi raccolti ed i carboni attivi esausti. Si può trattare solo la zona insatura; possono essere necessari altri metodi per la zona satura e per le acque sotterranee. L’efficacia della tecnica dipende dalle caratteristiche del sito. Scarsa efficacia in siti con suoli a bassa permeabilità o stratificati. Si applica solo ad alcuni contaminanti organici.

SVANTAGGI DEL SVE Suoli con un contenuto organico elevato o molto secchi hanno elevata capacità di adsorbimento di VOC riducendone la mobilità → la bonifica non ha successo. Un contenuto idrico > 50% riduce la permeabilità all’aria, richiedendo l’applicazione di una elevata depressione → riduce l’operatività del SVE. Basse temperature del suolo abbassano la pressione di vapore del contaminante → volatilizzazione più difficile. Alta eterogeneità, anche bassa efficacia. Necessita di una superficie di 150 m2 per la strumentazione (compresi i pozzi di monitoraggio).