תהליך טיפול ביולוגי בקרקע

ביורמדציה/ביורקלמציה

חיידקים המפרקים פחממני דלקים יכולים להמצא באופן טבעי בקרקע. אולם, פירוק ספונטני של המזהמים יתרחש בקצב איטי מדי ללא התערבות ומניעת הצטברות המזהמים לרמות אסורות. בתהליך ביורמדציה או ביורקלמציה (השבחה ביולוגית) מעצימים את התהליך הטבעי של המיקרואורגניזמים. חמצן ונוטריינטים מוספים למערכת ע"מ לתמוך בגידול ביולוגי ולשפר את תהליך הפירוק. זו גישה מולטידסציפלינרית לניקוי אתרים שמשלבת תרומה של כימאי קרקע, מיקרוביולוגים, הידרולוגים ומהנדסים (תמונה 2.3.3).

בניגוד לשיטות אחרות שרק מעבירות את המזהמים למקום אחר או למדיום אחר, בביורמדציה מנסים להפוך את המזהמים לצורה לא מזיקה.

ביורמידציה IN SITU בקרקע בלתי רוויה כוללת 3 תהליכים ידועים ומוכרים:

1. היכולת של מיקרואורגניזמים לפרק פחממני דלקים.

2. שימוש במשאבות ומפוחים על קרקעיים להנעת אדים בקרקע הבלתי רוויה.

3. הוספת נוטריינטים לפנים הקרקע להאצת גידול האורגניזמים.

שתי גישות לביורמידציה: הגישה המיקרוביולוגית והגישה המיקרוביולוגית-אקולוגית

בגישה המיקרוביולוגית מוסיפים חיידקים בעלי יכולת לפרק את המזהמים המצויים באתר, יחד עם הנוטריינטים המתאימים להם. חיידקים אלו הונדסו במיוחד במעבדה או בודדו מהאתר המזוהם עצמו ומוחזרים לאתר בריכוזים גבוהים יותר.

בגישה המיקרוביולוגית-אקולוגית משנים את הסביבה של האורגניזמים האנדוגניים (מקומיים) ע"מ לשפר את יכולת הפירוק שלהם. תהליך ביורמדציה יכול להיות מהונדס או אינטרינסי (תהליך טבעי, ללא התערבות).

מומלץ לבצע תחילה בדיקות סביבתיות לאפיון הרכב כימי, ריכוזים, והידרוגיאולוגיה של המזהמים באתר; קיום, מגוון, וריכוז אוכלוסיות אורגניזמים ביודגרדטיביים; מגבלות הנדסיות לישום IN SITU.

פיטרובסקי פיתח מסגרת לבחירת שיטת טיפול מיקרוביולוגי או מיקרוביולוגי-אקולוגי:

גישת טיפול מיקרוביולוגי מהונדס

  • אתר שזוהם לאחרונה ע"י אירוע שפיכה
  • אתר עם ריכוז מזהמים גבוה במיוחד
  • אתר עם ריכוז גבוה של מתכות רעילות ותרכובות אורגניות
  • אתר הדורש ניקוי מהיר
  • אתר עם ריכוז מזהמים נמוך, אך לא מקובל (מעל ערכי סף)
  • גישת טיפול מיקרוביולוגי-אקולוגי:
  • אתר שמזוהם במשך זמן
  • אתר מזוהם במשך זמן במספר רב של מזהמים אורגניים
  • אתר עם זיהום בריכוז בינוני
  • אתר שאין צורך בניקוי מיידי שלו
  • אתר שמכיל אקוויפר מזוהם

מגבלות

אחד החסרונות של ביורמדציה או כל טיפול IN SITU אחר, הוא חוסר הודאות שמתלווה לעבודה עם משטח מורכב ולא נגיש (קרקע). הערכה של תהליך הביורמדציה דורשת כלים וגישות ממגוון תחומי ידע. ניתן למזער את חוסר הודאות ע"י העלאת מס' הדגימות, שימוש במודלים להערכת החשיבות של משתנים שונים, והכנסת מקדמי בטיחות בתכנון ההנדסי.

שימוש בביורקלמציה (השבחה ביולוגית) מוגבל למצבים עם זיהום מקומי (אירוע שפיכה של חומר אורגני). לא מתאים לזיהום עמיד או זיהום ברמה טוקסית. צריך לקחת בחשבון הרבה גורמים, ומצב הקרקע ותכונות המזהמים משתנים מתקרית לתקרית. צריך לספק חמצן, כימיקלים להתאמת חומציות (PH) ונוטריינטים. עדיין לא קיימות שיטות לפיזור אחיד של חמצן ונוטריינטים בקרקע, במיוחד בעומק. יכול להווצר מצב של טיפול לא אחיד, בגלל חוסר הומוגניות של הקרקע, הווצרות משקעים או משקעים ביולוגיים. קשה להבטיח מגע בין החיידקים למזהמים. בקרקעות מזוהמות, ביורקלמציה ישימה רק בעומקים רדודים. השיטה לא מומלצת לקרקעות בעלות מוליכות הידראולית נמוכה.

יש יתרונות וחסרונות לגישה המיקרוביולוגית והמיקרוביולוגית-אקולוגית. בגישה המיקרוביולוגית יכולה להיות יותר אפקטיבית אם דרושות תוצאות מיידיות, או ריכוז המזהמים גבוה ויכול להיות רעיל לאורגניזמים הטבעיים במקום. מצד שני, חיידקים מבחוץ יכולים לא להתאים לסביבה החדשה או לא להצליח להתחרות במיקרואורגניזמים הטבעיים באתר הטיפול. הגישה המיקרוביולוגית-אקולוגית זולה יותר וקלה יותר לביצוע והערכה. כמו כן, ראו שקצב הפירוק של חיידקים מפרקים מבחוץ היה שווה לקצב הפירוק של החיידקים המקומיים.

למרות שביורמדציה יעילה בהפחתת רמת זיהומים אורגניים, לא בטוח שהריכוז הסופי של המזהמים עומד בדרישות. יכולים להיות קשיים בבקרה על התהליך. תהליך טיפול יכול לקחת בין חודשיים ל-10 שנים.

בעוד ביורמדציה יעילה בטיפול בזיהום קרקע בתזקיקי דלק בינוניים, היא לא יעילה בטיפול בתזקיקי דלק כבדים ותרומתה לטיפול בתזקיקי דלק קלים קטנה, בהשוואה לאידוי.

 ביו-ונטינג

טכנולוגיית SVE פותחה במטרה לסלק נדיפים מתת הקרקע. SVE לא יעיל בטיפול בפחממני דלקים כבדים לא נדיפים. ראו שלמרות זאת, שימוש בSVE האיץ את קצב הביודגרדציה. ניתן לשלב חימום אקטיבי של קרקע מזוהמת בדלקים באיזורים קרים עם ביוונטינג להאצת תהליך הפירוק. בתמונה 2.34 מתואר מתקן ביוונטינג.

כיום בביו-ונטינג משתמשים בכלים של SVE, בבארות מיצוי אנכיות (מונחות על קצה האיזור המזוהם) ו/או שוחות צדדיות, רשת צינורות, ומפוח או משאבת ואקום להוצאת גזים והחדרת חמצן או נוטריינטים גזיים אחרים לקרקע. מערכות אלה מופעלות כך שהן מספקות בד"כ כמויות מעל היחס הסטוכיומטרי של חמצן לתת הקרקע בתהליך הטיפול.

שימוש ביו-ונטינג מתאים כאשר מי התהום עמוקים והמזהמים לא הגיעו למי התהום. בנוסף לנידוף אדי דלק, ביו-ונטינג מאיץ את קצב חילוף האויר, ומכניס חמצן למיקרואורגניזמים המפרקים בנקבוביות הקרקע, בעומק תת הקרקע, ובמעטפת המים על צברי הקרקע. החלק היחסי של פחממנים נדיפים עולה, מה שמשפר את הפיזור האחיד ואת הספיחה של השמן לפני השטח של צברי הקרקע.

החסרון של הזרמת אויר רציפה הוא יבוש הקרקע. חשוב לשמור על לחות הקרקע (30-50% מקיבולת הקרקע) ועל רמת נוטריינטים כדי למקסם את הפירוק הביולוגי. זה משפר את פירוק תוצרי הדלקים ע"י המיקרואורגניזמים. ניתן להזרים גם גז אמוניה, במקרים בהם לא ניתן לתת נוטריינטים בצורה נוזלית. האמוניה נספחת היטב לקרקע. יון האמוניה זאת הצורה המועדפת על רוב המיקרואורגניזמים. תוספת מתונה תעלה את צריכת החמצן ואת פליטת הפחמן הדו חמצני.

אם ביו-ונטינג נעשה בשטח עירוני, יתכן שיהיה צורך לטפל בגזים היוצאים. בנוסף, טיפול בביו-ונטינג/הזלפה לא מאפשר בקרה על כיוון הזרימה, בעוד טיפול בביו-ונטינג/מיצוי דורש בקרה וטיפול בגזים היוצאים. הטיפול בגזים היוצאים יקר.

ניתן להשתמש בשיטות חדשניות לביו-ונטינג, או במודיפיקציות על SVE כדי לשלוט באדים, תוך העלאת רמות החמצן בקרקע לשיפור פעילותם של מפרקי הפחממנים. חלק מהגישות האלטרנטיביות כוללות הזרקת אויר בלחץ בקצב נמוך, תקופה עם קצב גבוה של SVE וטיפול בגזים יוצאים, ולאחריה תקופה ממושכת של הזרקת אויר. יש שיטה בה משתמשים בשרף מתחדש לטיפול EX SITU באדים, יחד עם ביו-ונטינג IN SITU כדי להוריד את עלויות הטיפול. שימוש בצנרת מעגלית או עולה, יכול להוריד עלויות ואת הצורך לטפל באדים. יש חוקרים שטוענים ש-SVE יעיל יותר ממי חמצן באספקת חמצן לקרקעות לא רוויות.

ע"י שליטה בקצב זרימת האויר, ניתן להעלות את הפירוק ל-85%.  שימוש בקצב הזרמה נמוך יחד עם זמן החזקה גבוה יותר ע"י הקרקע (השארות ממושכת יותר בתוך הקרקע), ישפר את פירוק הפחממנים בביו-דגרדציה. ניתן למזער את קצב זרימת האויר לשמירה על 2-4% חמצן. במקרה מבחן אחד, נמצא שקצב האופטימלי הוא 0.5 מנפח החלל ליום. כאשר מורידים את קצב יציאת האדים, האויר זורם במרחקים גדולים יותר בקרקע, ובכך מעלים את זמן השארות האדים בקרקע. זה מוריד את הנדיפות, מה שמשפר את הביו-דגרדציה ומאפשר שחרור ישיר של גזי אוורור שאינו דורש טיפול מיוחד בגזים יוצאים.

ביו-ונטינג מגביר ביו-דגרדציה של ,VOC SVOC ו-PAH. במטמנה לפסולת מסוכנת, ביו-ונטינג גרם לעליה באוכלוסיית חיידקים ובעליית טמפ' מ-19 ל-ϲ°27. נצפתה ירידה של 99% ב-VOC ו-SVOC ספציפיים אחרי 3 חודשי טיפול, כאשר 90% מזה יוחס לפעילות פירוק ביולוגי.

ביו-ונטינג נמצא מתאים לטיפול בזיהום מדלקים בקרקע וולקנית וקרקע ימית, בעומקים של 1.4 עד 50 מ' מתחת לפני השטח. מחקר אחר הראה את יעילות השילוב בין ביו-ונטינג והוספת נוטרינטים בקרקע חולית. לאחר שנה, ריכוז הTPH ירד ב-66%.  ללא תוספת נוטריינטים נצפתה רק ירידה קטנה בתרכובות הקלות (פחממני קצרים).

השוואה של ניצולת חמצן ופליטת פחמן דו חמצני בקרקע מזוהמת, לעומת קרקע לא מזוהמת, יעידו על עליה בפעילות מיקרוביאלית ויכולים לשמש לקביעה האם אתר מזוהם כלשהו מתאים לטיפול בביו-ונטינג. מדידת נשימה IN SITU תשמש לכימות  קצב הנשימה המקסימלי תחת תנאי שטח נתונים. מנתונים אלה ניתן להעריך את קצב הפירוק הביולוגי, קצב הזרמת חמצן נדרש, הישימות של ביו-ונטינג IN SITU, והזמן הדרוש לטיפול באתר הנתון.

במקומות בהם אין גישה לחשמל להפעלת המשאבות/מפוחים, השתמשו בביו-ונטינג שמונע בעזרת רוח.

ביו-ונטינג ו-SVE לא יעילים בקרקעות בעלות מוליכות ונקבוביות נמוכה כגון חרסית וטין.

בעומקים גדולים יעילות הביו-ונטינג לא מובטחת (מוטלת בספק). כמו כן, מכיוון שפעילות הפירוק דורשת סביבה לחה, לא בטוח שביו-ונטינג יהיה יעיל באיזורים צחיחים.