“Application of a 2D Air Flow Model to Soil Vapor Extraction and Bioventing Case Studies” Corso in: Bonifica dei siti contaminati – Gestione degli Impianti.

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1 “Application of a 2D Air Flow Model to Soil Vapor Extraction and Bioventing Case Studies” Corso in: Bonifica dei siti contaminati – Gestione degli Impianti di Ingegneria Sanitaria- Ambientale Info paper: Donald H. Mohr and Paul H. Merz, Ground Water, Vol. 33, pp. 433-444, 1995

2 Caso studio 1: Aspetti generali Frequentemente impiegati nel trattamento di:  Suoli contaminati da idrocarburi volatili;  Suoli contaminati da idrocarburi biodegradabili;  Suoli insaturi. Principali vantaggi:  Assenza di costose attività di scavo della matrice contaminata;  Riduzione degli impatti nell’area contaminata. Determinazione di:  Massa di contaminante rimosso nell’effluente del pozzo;  Vuoto formatosi nel suolo (SV) vs. distanza.

3 Caso studio 1: Aspetti generali Effettivo raggio di influenza:  SV rappresenta una misura indiretta dell’effettivo raggio di influenza;  Massima distanza dal pozzo alla quale si ottengono adeguati tassi di rimozione. Obiettivi:  Implementazione di un metodo per la stima di tassi di bonifica a partire da dati di campo reali (modellazione matematica);  Impiego della metodologia come strumento di progettazione.

4 Caso studio 1: Aspetti generali Portata d’aria:  Bassi valori: Tempo sufficiente per la ripartizione dei contaminanti in aria, raggiungimento delle condizioni di equilibrio e per la degradazione delle sostanze biodegradabili;  Elevati valori: Tempo insufficiente per la ripartizione in aria e biodegradazione dei contaminanti, aumento delle resistenze al trasferimento di massa.

5 Caso studio 1: Aspetti generali Effettivo raggio di influenza:  Portata d’aria/volume di suolo (necessità di esprimere i dati in portata d’aria);  Tipologia e quantità di idrocarburi;  Tempo totale di trattamento. Impiego di modelli 1D e 2D, con relative condizioni al contorno, per simulare il comportamento del flusso d’aria all’interno del sistema di riferimento.

6 Caso studio 1: Aspetti generali Modello 1D (condizioni al contorno):  Nessun flusso dalla superficie del suolo e della falda e dalla sezione superiore del pozzo;  Pressione atmosferica al raggio d’infleunza (definito dall’operatore).

7 Caso studio 1: Aspetti generali Modello 2D (condizioni al contorno):  Nessun flusso dalla superficie della falda e dalla sezione superiore del pozzo;  Flusso d’aria assialmente simmetrico.

8 Caso studio 1: Modello 2D Equazioni Legge di Darcy: u = velocità del fluido; k = tensore della permeabilità; μ = viscosità del fluido; P = pressione; ρ = densità del fluido; g = accelerazione di gravità. Legge di Darcy (stato stazionaro): Ipotesi: Effetto della gravità trascurabile, bassa comprimibilità dell’aria.

9 Caso studio 1: Modello 2D Equazioni Ipotesi: Sistema assialmente simmetrico, tensore della permeabilità approssimato da una componente costante radiale (k h ) e una componente costante verticale (k v ) Funzione di pressione (P) (coordinate cilindriche): Funzione di flusso (q) (coordinate cilindriche): Eq. 1 fornisce le linee di pressione (ortogonali alle linee di flusso) Eq. 2 fornisce le linee di flusso (percorso seguito da una particella d’aria) α = k h /k v

10 Caso studio 1: Modello 2D Equazioni Eq. 1 condizioni al contorno:  Gradiente di pressione normale alla superficie della falda e della sezione superiore del pozzo pari a 0;  Pressione atmosferica sulla superficie del suolo e raggio elevato;  Vuoto costante lungo tutta la parete di aspirazione del pozzo. Eq. 2 condizioni al contorno:  Derivata normale ad una superficie permeabile pari a 0;  Derivata normale ad una superficie impermeabile costante; Dominio cilindrico con estensione dalla superficie del pozzo (r 0 ) ad una distanza con effetto del pozzo trascurabile (R) (Eq. 1 e 2).

11 Caso studio 1: Modello 2D Equazioni x = distanza radiale; y = distanza verticale; D = profondità dalla falda. P s = pressione alla superficie; P v = Vuoto nel pozzo; 0<p<1. Equazioni adimensionalizzate:

12 Caso studio 1: Modello 2D Equazioni Equazione portata adimensionalizzata: Equazione portata: F = portata d’aria volumetrica (ft 3 /min); c = 60 s/min; D = profondità del pozzo (ft); v = vuoto prodotto dal pozzo (atm); b = 30.48 (cm/ft); μ = viscosità dell’aria ≃0.018 cp a 20°C; k v = permeabilità verticale (Darcy) α = k h /k v ;

13 Caso studio 1: Modello 2D Esempi Quantità d’aria richiesta per la bonifica:  Concentrazione contaminante omogenea nel suolo;  Variazione omogenea del contaminante;  Equilibrio contaminante fra fase liquida e solida. Idrocarburi = 1000 mg/kg; densità del suolo = 100 lbm/ft 3 ; porosità = 30%

14 Caso studio 1: Modello 2D Esempi Calcolo di SV:

15 Caso studio 1: Modello 2D Esempi Calcolo dell’effettivo raggio d’influenza:  100 pore volumes di aria per la degradazione;  Tempo di trattamento: 2 anni;  0.14 pore volumes/giorno

16 Caso studio 1: Test pilota Caratteristiche:  Suolo argilloso (bassa permeabilità);  Falda a 10 ft dalla superficie;  Limitata concentrazione di contaminante fino 3 ft;  Concentrazione>1% da 3 ft alla falda;  Tempo totale = 200 giorni (65% operativo);  Vuoto iniziale nel pozzo = 80 in. in colonna d’acqua;  Portata d’aria = 40 SCFM (50° g.) – 25 SCFM (>50 g.).

17 Caso studio 1: Test pilota SV:  Root mean square error: 0.40

18 Caso studio 1: Test pilota Bassa variazione di O 2 e CO 2 nei primi 3 ft; Consumo di O 2 e produzione di CO 2 a profondità maggiore.

19 Caso studio 1: Test pilota 35 lb/giorno calcolati dall’effluente del pozzo; Valore medio per una profondità da 3 a 10 ft e un raggio di 50 ft di 6 mg/kg/giorno Valori di gas letti e portate d’aria attraverso i tubi di flusso forniscono valori medi di biodegradazione più elevati.

20 Caso studio 1: Test pilota Calore prodotto uguale al calore di combustion dell’idrocarburo; Sistema adiabatico; Temperatura di background: 5 ft (profondità), 150 ft (raggio); Range temperature: 35-65 °F

21 Caso studio 1: Test pilota Valori paragonabili ai 6 mg/kg/giorno nell’effluente del pozzo; Valori di biodegradazione paragonabili (portata d’aria/temperatura) ad elevata distanza dal pozzo.

22 Caso studio 1: Approfondimenti La permeabilità assoluta del suolo influenza il vuoto formatosi nel pozzo non il valore di SV normalizzato (vedi Eq. 5, 6 e 9); Intervalli maggiori di bocche di aspirazione migliorano il processo (per falde molto profonde e volumi di suolo elevati una posizione più profonda è preferita)

23 Caso studio 1: Approfondimenti Incrementare il diametro del pozzo comporta un leggero aumento della portata d’aria e del raggio d’influenza; Per maggiori profondità e volumi di suolo è consigliabile aumentare la portata d’aria e diminuire la spaziatura fra i pozzi; L’innalzamento della falda e la minor permeabilità della frangia capillare comportano meno aerazione nella zona di frangia capillare stessa; Sommare i valori di pore volumes/giorno potrebbe simulare al meglio un sistema a pozzi multipli. Nella fase di design è fondamentale considerare le ipotesi assunte nel modello per non sovrastimare l’efficienza del processo.

24 “Laboratory column study for remediation of MTBE-contaminated groundwater using a biological two-layer permeable barrier” Info paper: She-Jiang Liu, Bin Jiang, Guo-Qiang Huang, Xin-Gang Li, Water Research, Vol. 40, pp. 3401-3408, 2006 Corso in: Bonifica dei siti contaminati – Gestione degli Impianti di Ingegneria Sanitaria- Ambientale

25 Caso studio 2: Aspetti generali Methyl tert-butyl ether (MtBE) :  Composto ossigenato di sintesi organica;  Impiego nella produzione di benzine per autotrazione come antidetonante;  Possibilità di scorrere in falda e solubilizzarsi nell’acquifero;  Bassa biodegradabilità. Precedenti trattamenti:  AOP: Fenton, Fotocatalisi, H 2 O 2 / O 3, etc.  Scarsa applicabilità di campo;  Costi elevati.

26 Caso studio 2: Aspetti generali Degradazione degli MtBE e tert-butyl alcohol (TBA) per via biologica:  Efficienze variabili in funzione delle condizioni ambientali;  Bassa crescita e instabilità della biomassa;  Scarsa applicabilità,. Impiego di composti a lento rilasci di ossigeno (es. CaO 2 ):  Compensa la scarsa presenza di ossigeno nell’acquifero;  Eccessivo aumento del pH dell’acquifero;  Necessità di regolazione del pH.

27 Caso studio 2: Aspetti generali Impiego di un sistema a due barriere reattive permeabili:  Barriera per il rilascio dell’ossigeno;  Barriera in perlite granulare espansa come supporto microbico.

28 Caso studio 2: Materiali Biomassa:  Acclimatata in medium minerale  Cresciuta mediante dosi decrescenti di glucosio e crescenti di MtBE; CaO 2 (Ca(OH) 2 al 50%) KH 2 PO 4 e (NH 4 ) 2 SO 4 :  Regolazione pH;  Rapporto molare N:P=2.6.

29 Caso studio 2: Metodi Prove di degradazione a differente pH:  5 reattori (600 ml);  200 ml di medium contaminato da 130 mg/l di MtBE, 20 ml di biomassa acclimatata;  pH = 6.5, 7.5, 8.0, 8.5, 9.5  T=20°C;  Areazione (10 min) e mix (130 rpm). Immobilizzazione microbica:  Colonna: lunghezza = 100 cm, diametro interno = 5 cm;  Inoculo di biomassa acclimata, medium minerale e MtBE (2000 mg/l) per lo sviluppo di biomassa sulla perlite;  Areazione: 30 ml/min;  Tempo di crescita = 25 giorni.

30 Caso studio 2: Metodi Prove in colonna:  Colonna per il rilascio di ossigeno: CaO 2, KH 2 PO 4 e (NH 4 ) 2 SO 4, sabbia, elementi in traccia;  Colonna per la degradazione: 19 postazioni di campionamento a 19 cm (analisi MtBE e TBA);  Tempo di ritenzione: 80 ore.

31 Caso studio 2: Risultati Effetto di KH 2 PO 4 e (NH 4 ) 2 SO 4 sul pH:  Produzione di H + in grado di reagire con OH - ;  1 mol KH 2 PO 4 può neutralizzare 1 mol di Ca(OH) 2 (teorico);  pH da 6.4 a 12.1 per effetto di Ca(OH) 2 ;  Basso effetto a 0.45 g/l per l’elevata presenza di Ca(OH) 2 ;  Range pH fra 6.5-8.5 per valori maggiori.

32 Caso studio 2: Risultati Effetto del pH sulla degradazione:  Incremento del 10% circa aumentando i valori del pH da 6.5 a 8.0;  Miscela CaO 2 (0.45 g/l), KH 2 PO 4 (0.90 g/l), (NH 4 ) 2 SO 4 (1.17 g/l) in rapporto 1.0:2.0:2.6.

33 Caso studio 2: Risultati Prove in colonna (pH):  Raggiungimento di pH ottimali intorno a 400 giorni;  Iniziale incremento di pH nell’effluente dovuto al rilascio di sostanze alcaline nella prima colonna;

34 Caso studio 2: Risultati Prove in colonna (Ossigeno disciolto):  Rapido incremento nell’influente (assenza iniziale di ossigeno);  Raggiungimento di condizioni aerobiche e degradazione microbica (presenza e consumo di ossigeno nell’effluente).

35 Caso studio 2: Risultati Prove in colonna (MtBE eTBA):  Iniziale assenza di MtBE seguito da un accumulo (T>tempo di ritenzione);  Iniziale accumulo di TBA seguito da una degradazione;  Degradazione MtBE: 16.3%, 22.1%, 33.3%, 41.1% e 50%

36 Caso studio 2: Conclusioni Efficiente impiego di KH 2 PO 4 e (NH 4 ) 2 SO 4 se utilizzati nel giusto rapporto molare; Elevata influenza del pH del sistema sull’efficienza di biodegradazione; L’effetto tampone del suolo potrebbe compensare valori di pH inadeguati; Processi di acclimatazione della biomassa a sottoprodotti potrebbe essere necessaria per la degradazione di quest’ultimi; Idonei valori del tempo di ritenzione o lunghezza di reazione potrebbero migliorare le efficienze del rimozione del contaminante.