ITMI20012469A1 - Procedimento per la bonifica di siti contaminati - Google Patents
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Description
Titolo: Procedimento per la bonifica di siti contaminati
La presente invenzione riguarda un procedimento per la bonifica si siti inquinati.
Più in particolare, la presente invenzione riguarda un procedimento per la bonifica di suoli, terreni ed acque sotteranee contaminati da composti di natura organica.
Più in particolare ancora, la presente invenzione riguarda un procedimento per la bonifica di suoli, terreni ed acque sotteranee contaminati da distillati petroliferi quali, ad esempio, benzine e gasoli ovvero altri prodotti biodegradabili a struttura idrocarburica e non.
Sono noti in letteratura procedimenti di bonifica di siti contaminati. Nel brevetto USA 6.109.358, ad esempio, si descrive un procedimento di “bio-remediation” di suoli contaminati da residui idrocarburici che prevede di areare continuamente il terreno a diverse profondità, anche al di sotto del livello della faida acquifera, mediante teste di ventilazione collegate ad un recipiente sotto pressione. Si creano, in questo modo, le condizioni per favorire la rapida crescita della flora batterica aerobica che provveder! alla degradazione degli inquinanti.
Per evitare l’inconveniente di dover ricorrere all’uso di motori convenzionali a combustione interna o elettrici per azionare i compressori, il metodo del brevetto USA ha previsto l’utilizzo della forza motrice generata da aeromotori costituiti da uno o più mulini a vento collegati al sistema di compressione dell’aria. Grazie a questa soluzione, è stato possibile eliminare o ridurre gli inconvenienti associati ai motori tradizionali quali la manutenzione e/o il rifornimento di carburante che richiedono gli interventi, spesso frequenti, di operatori e tecnici.
In realtà, il problema di gestire un metodo di bonifica o bioremediation di siti inquinati in maniera completamente automatica in assenza di personale dedicato non è stato risolto con il metodo del brevetto USA sopracitato perché la degradazione biologica degli inquinanti richiede, oltre alla ventilazione del terreno, anche la presenza di nutrienti a base di fosforo e azoto, necessari per la crescita e la sviluppo della flora batterica aerobica.
La concentrazione dei nutrienti deve essere sufficientemente alta da diminuire i tempi di demolizione delle molecole inquinanti e, nello stesso tempo, sufficientemente bassa per evitare l’instaurarsi di fenomeni di eutrofizzazione delle acque sotterranee. I nutrienti, pertanto, scelti comunemente fra i normali fertilizzanti per agricoltura, devono essere aggiunti al terreno con gradualità e periodicità e questa operazione può essere realizzata generalmente con l’intervento di operatori la cui presenza, quindi, ripropone gli inconvenienti che erano stati superati con l'impiego degli aeromotori.
I costi di gestione di un cantiere di bioremediation sono, inoltre, fortemente influenzati dalla necessità di:
> controllare l’umidità nella zona vadosa del suolo che tende, specie nei periodi di modesta piovosità e negli strati superficiali del suolo, a diminuire al di sotto della soglia critica per l’azione degradativa dei microorganismi;
> provvedere a periodici e ricorrenti campionamenti del suolo e delle acque sotterranee per il controllo del buon andamento della bonifica che, tipicamente nel caso di interventi di bioremediation (operanti in situ), può durare dai 6 mesi ad oltre tre anni.
Le Richiedenti hanno ora trovato un metodo totalmente automatizzato per ridurre drasticamente i costi di gestione di un cantiere di bioremediation di un sito contaminato escludendo o riducendo notevolmente la presenza di operatori addetti per la manutenzione delle macchine impiegate, la gestione dei nutrienti e del tenore di umidità necessari per un corretto processo di biodegradazione e per i controlli periodici. Così è stato individuato: > un sale a base di fosforo e azoto che, per la sua scarsa solubilità in acqua, rilascia molto lentamente i suoi costituenti nutrienti per la flora batterica potendo, in questo modo, essere accumulato e distribuito nel suolo in quantità relativamente elevate senza incorrere nel rischio di inquinare la sottostante falda acquifera e senza richiedere continui interventi di dosaggio da parte di operatori esterni;
> un sistema di dosaggio e distribuzione dell’arìa basato sullo sfruttamento dell’energia eolica capace di rendere disponibile l'ossigeno in quantità idonea a funzionare come accettore finale di elettroni per i processi di ossidazione microbiologica dei contaminanti; > un impianto integrato di sensori in grado di rendere disponibili segnali ad un sistema di raccolta ed elaborazione dati per l’attivazione/disattivazione dell'immissione di aria al suolo da bonificare, la modulazione della portata di aria tra i diversi punti di iniezione, i'attivazione/disattivazione dei sistemi di irrigazione della zona vadosa del sito e per monitorare i fenomeni di biodegradazione degli inquinanti.
Costituisce, pertanto, oggetto della presente invenzione un procedimento per la bonifica di siti, quali suoli, terreni ed acque sotteranee, contaminati da prodotti organici biodegradabili che comprende:
a) l'inserimento di una pluralità di teste di ventilazione nel sito a diverse profondità;
b) il collegamento delle teste di ventilazione ad un recipiente contenente aria sotto pressione alimentato da un compressore mosso da un aeromotore;
c) la distribuzione nel sito all’inizio del trattamento, in un unico intervento, di fosfato ammonico magnesiaco, NH4MgP04, in quantità tale da garantire la disponibilità di azoto e di fosforo necessaria al processo biodegradativo;
d) l'installazione nel sito di una serie di sensori per monitorare l’andamento della biodegradazione e per il controllo della disponibilità di ossigeno e di umidità;
e) il collegamento dei sensori dello stadio (d) a “data loggers” che, periodicamente interrogati, trasmettono i segnali acquisiti ad una stazione di raccolta ed elaborazione dati remota;
f) la regolazione delle portate dei fluidi di processo e del periodo di esercizio delle apparecchiature di esercizio tramite attuatori comandati attraverso la stazione remota.
Secondo la presente invenzione, il procedimento di bonifica si può applicare sia nel caso di trattamenti in situ, quali il biosparging o il bioventing, che nel caso di trattamenti on-site ed ex situ, come le biopile ed il landfarming.
Nel caso di trattamenti in situ, le teste di ventilazione possono essere posizionate al di sopra della falda acquifera o entro la stessa mentre nei caso di trattamenti on-site ed ex situ esse saranno disposte all’interno della matrice da bonificare. Tali teste sono generalmente costituite da strutture cilindriche, plastiche o metalliche, ad esempio in PVC o in acciaio inossidabile, in cui almeno la parte terminale ovvero tutta la parte che rimane interrata, presenta una pluralità di fori o fessurazioni che permettono all’aria compressa di fluire nel terreno o di gorgogliare nella falda acquifera. I collegamenti fra le teste di ventilazione, il serbatoio polmone deH’aria, il compressore e l'aeromotore sono di tipo convenzionale e non richiedono accorgimenti particolari.
L’aeromotore comprende una girante ed un sistema di meccanismi atti a trasferire l’energia meccanica, generata dalla rotazione della girante per azione del vento, ad un albero accoppiato al compressore deH'aria.
Con un diametro della girante compreso fra 5 e 7 metri e per una velocità del vento compresa fra 3 e 6 m/sec si ottengono, generalmente, potenze installate comprese fra 0,5 e 3 kW. Qualora fossero necessarie potenze superiori ai 3 kW, potranno utilizzarsi giranti di diametro superiore a quelli indicati ovvero un numero appropriato di aeromotori da esercire in parallelo.
Il fosfato ammonico magnesiaco è un prodotto noto in letteratura scientifica e può essere preparato ad esempio recuperando il sale precipitato mescolando nelle adatte proporzioni soluzioni contenenti fosfato ammonico e cloruro di magnesio ad un pH prossimo alla neutralità o leggermente alcalino.
Il fosfato ammonico-magnesiaco, nel caso di trattamenti in situ può essere distribuito sulla superficie ovvero collocato a diverse profondità del suolo contaminato, mentre nel caso di trattamenti on site ed ex situ può essere miscelato al terreno da bonificare.
Generalmente, per ottenere una riduzione degli inquinanti almeno pari al 90% del processo biodegradativo si utilizza fosfato ammonico magnesiaco in quantità tali da assicurare un rapporto C/N/P compreso tra 100:5:1 e 300:10:1 dove C rappresenta la quantità di carbonio presente negli inquinanti, N e P rispettivamente l’azoto ed il fosforo necessari per la crescita microbica.
In funzione della concentrazione degli inquinanti e di quella di N e P presenti nel terreno, sarà valutata l’opportunità di utilizzare una miscela di fosfato ammonico-magnesiaco ed uno o più fertilizzanti comunemente impiegati in agricoltura. Per favorire la distribuzione intima nel terreno del sale e la cessione graduale e lenta degli elementi nutritivi è preferibile irrigare il suolo da trattare con acqua proveniente o da un serbatoio o da pozzi mediante l'impiego di pompe azionate dallo stesso aeromotore.
Installate le teste di ventilazione, distribuito il sale nutriente ed azionato l’aeromotore il procedimento di bonifica oggetto delia presente invenzione può essere monitorato con sensori e/o sonde che misurano con continuità l’andamento della concentrazione degli idrocarburi presenti nei gas interstiziali del terreno e/o nell’acqua di falda. Questi sensori sono preventivamente inseriti nel terreno e sono in grado di determinare la presenza di idrocarburi anche a bassissime concentrazioni. Esempi di tali sensori sono descritti nel brevetto italiano 1.290.063.
Numerosi sono i parametri utili che possono essere misurati tramite sensori o sonde commerciali, ad esempio il pH, il potenziale redox, la temperatura nel terreno o nelle acque di falda, la concentrazione di ossigeno e di anidride carbonica nei gas interstiziali del terreno.
I dati di concentrazione rilevati dai sensori/sonde possono essere trasmessi ad un’unità di elaborazione dati in posizione remota rispetto al sito da bonificare ed elaborati per gestire e regolare il processo di aerazione del terreno e di distribuzione dell’acqua di irrigazione. In particolare tale sistema di gestione richiede almeno una stazione locale ed una remota.
La stazione locale è in grado di ricevere un segnale dalla stazione remota che consenta di variare alcuni dei parametri di esercizio, quali ad esempio incrementi o diminuzioni delle portate dei fluidi (aria ed acqua). Tali variazioni potranno essere rese operative ad esempio tramite servomeccanismi, elettrovalvole o attuatori.
Allo scopo di meglio comprendere la presente invenzione e per mettere in pratica la stessa dì seguito si riportano alcuni esempi illustrativi e non limitativi.
ESEMPIO I
Il presente esempio descrive la realizzazione di un impianto di biosparging/bioventing in situ, secondo le modalità della presente invenzione.
Il sito da bonificare era stato precedentemente utilizzato come punto vendita di carburanti. I_a caratterizzazione del suolo ha evidenziato una contaminazione dell’area relativa ai serbatoi interrati (ca.
10x10 m) ad una profondità di 5 m dal piano campagna. La concentrazione degli idrocarburi totali era compresa fra qualche decina e qualche centinaio di mgTPH/kgterreno.
Alla profondità di 2,5 m giace la tavola d’acqua. La concentrazione di idrocarburi nelle acque era compresa tra 200 e 700 ppb.
Un generico schema dell’impianto è mostrato in Figura I in cui, per semplicità, sono stati indicati due soli punti di iniezione, rispettivamente X-0 1 e X-02. in luogo di quelli effettivamente realizzati, in numero maggiore.
L'aeromotore D-01 consente di convertire l’energia eolica in meccanica. Si tratta di una macchina che, per una velocità del vento di 5 m/s, sviluppa una potenza pari a 0,6 kW. L’aeromotore ha una girante di 6 metri di diametro ed è alloggiato su di un traliccio di 12 metri di altezza, ancorato al suolo tramite plinti di calcestruzzo. Tale apparecchiatura è accoppiata direttamente, previa moltiplicazione di giri, al compressore alternativo oil-free K-01.
L'aria compressa viene polmonata nel serbatoio T-01, dalla capacità di 5 m<3>, e convogliata in due linee principali costituite, oltre che da una serie di strumenti di misura (T e P) e sistemi di sicurezza, da un riduttore di pressione che consente di ottenere in uscita la portata di aria desiderata ad una pressione sufficiente a vincere quella di testa che grava sulle punte di iniezione e le perdite di carico della linea stessa.
Dalle linee principali il flusso di aria viene ripartito tra le diverse utenze (X-01 ed X-02) attraverso manicotti flessibili ad attacco rapido. Per la bonifica di un’area di circa IO m x IO m, sono stati realizzati 4 punti di iniezione aria sino a 5,5 m di profondità (zona satura) con passo pari a 5 m. Per ogni punto è stato realizzato un foro di 120 mm all’interno del quale, a differenti profondità, sono state inserite 3 punte di iniezione dell'aria con tubi da I ”.
Le modalità di monitoraggio automatico in fase di esercizio dei parametri chimico-fìsici differiscono tra suolo saturo ed insaturo. Nel primo caso è stato monitorato:
• l’andamento degli idrocarburi tramite sensori resistivi rivestiti con membrane impermeabili all’acqua e permeabili a vapori e gas;
• l’ossigeno disciolto in acqua di falda tramite apposita sonda capace, inoltre, di determinare conducibilità, potenziale redox, pH e temperatura.
Nella porzione insatura di terreno è stato analizzato tramite specifici sensori interrati:
• l’andamento degli idrocarburi tramite sensori resistivi rivestiti con membrane impermeabili all'acqua e permeabili a vapori e gas;
• l’ossigeno dei gas interstiziali;
• l’umidità del terreno.
Il sistema di raccolta ed elaborazione dei dati di processo (idrocarburi, ossigeno nell’acqua di falda e dei gas interstiziali, umidità del terreno) ARC-01 ha consentito di agire sulle valvole automatiche inserite nelle linee di distribuzione deN'aria e dell'acqua al fine di modulare la portata dei relativi flussi per ogni linea. Le portate di aria delle singole utenze sono state misurate attraverso gli strumenti FITOT-01 ed FITOT-02.
Le portate di aria di esercizio adottate hanno presentato valori sufficientemente contenuti in modo da non comportare fenomeni di intasamento (clogging) e da minimizzare l'eventuale azione di desorbimento degli inquinanti volatili ed il trasporto di essi in fase gassosa.
Per quanto riguarda la cessione graduale di sostanze nutrienti, è stato realizzato l’interramento del fosfato ammonico-magnesiaco in più punti del terreno saturo, realizzando quattro perforazioni fino a 5,5 m e la porzione del foro da 2,5 a 5,5 m è stato riempito con fosfato ammonico-magnesiaco esaidrato e quello da 0 a 2,5 m con terreno derivante dall’azione di perforazione stessa.
Per la parte insatura, invece, non potendo sfruttare i fenomeni di dispersione e diffusione in falda, si è provveduto alla periodica irrigazione della superficie dell’area di trattamento affidando, quindi, alla successiva percolazione dell’acqua il compito di trasporto del sale disperso inizialmente nello strato più superficiale del terreno.
Il sistema di dosaggio dell’acqua è costituito dai serbatoi T-02 A-B da cui pesca la tubazione di alimentazione di una delle pompe P-01 A-B le quali utilizzano aria compressa come fluido motore ed alimentano il sistema di irrigazione superficiale X-04. L’approvvigionamento viene assicurato emungendo acqua di falda con una delle pompe P-O I A-B da appositi pozzi (X-03 A-B) realizzati all’interno dell’area di trattamento o nelle zone limitrofe. Il sistema di irrigazione è costituito da 4 sprinklers aventi raggio di influenza pari a 3 m.
Al solo fine di validare l’approccio del presente procedimento, nei primi 70 giorni successivi all’avviamento dell’impianto sono stati eseguiti campionamenti di terreni ed acque. A seguito di un periodo di latenza di circa 30 giorni, si è riscontrato l’inizio della degradazione degli idrocarburi presenti nella zona insatura, che dopo 70 giorni sono risultati diminuiti del 35%.
Nel corso dell’intervento il sistema di monitoraggio/elaborazione e raccolta dati ha fornito le seguenti indicazioni:
• l’andamento degli idrocarburi è risultato decrescente nel tempo coerentemente a quanto riscontrato con l’analisi diretta dei terreni campionati a scopo di validazione;
• l’ossigeno disciolto nell’acqua dei piezometri interni all’area di trattamento è oscillato tra i 2 ed i 3 mg/l;
• le fonti azotate misurate nell’acqua dei piezometri interni all'area di trattamento sono risultate aumentate di 1.0 mg/l confermando il lento rilascio dei nutrienti utilizzati;
• analoghe misure nell’acqua dei piezometri esterni all’area di trattamento non hanno mostrato discostamenti apprezzabili rispetto ai valori rilevati prima di avviare l'impianto di bonifica;
• il sistema di irrigazione è stato azionato automaticamente per due volte.
ESEMPIO 2
Si è realizzata una biopila per il trattamento di 14 m<3 >di terreno contaminato da idrocarburi (TPH totali pari a 22.000 ppm) caratterizzato da un basso contenuto dei nutrienti inorganici (ammonio 0,6 ppm, nitrato 0 ppm, fosfato 1 ,7 ppm) necessari allo sviluppo di una flora microbica.
Nella Figura 2 è riportata una vista della pianta e della sezione longitudinale della biopila, per la preparazione della quale, su un basamento di calcestruzzo rivestito di un telo di HDPE, si sono realizzati in successione uno strato di ghiaia di area pari a 5 x 4 m e di spessore pari a 15 cm, ed uno di sabbia di spessore ca. 10 cm.
Su tale materiale si è deposto un telo di tessuto non tessuto. Si è ricoperto con uno strato di sabbia ed uno di ghiaietto, nel quale sono state alloggiate le tubazioni di raccolta del percolato. Si sono, poi, sovrapposti uno strato di sabbia ed un telo di tessuto non tessuto.
Verticalmente si sono predisposti 8 tubi da I ", quali alloggiamenti dei sensori per idrocarburi, ossigeno ed umidità (lettere a÷g della sezione longitudinale).
Si sono stratificati ca. 40 cm di suolo contaminato, precedentemente ammendato con il 20% volumetrico di torba di sfagno e con 200 Kg di fosfato ammonico magnesiaco esaidrato.
Si è installata una prima fila di 4 tubazioni per l'iniezione dell'aria, costituite da tubazioni di PVC fessurate avvolte in maniche di tessuto non tessuto (a livello dei piano “Δ” della figura 2). Si sono stratificati ulteriori 40 cm di suolo ammendato e fertilizzato, facendo in modo da creare un cumulo a tronco di piramide sul quale si è installata la prima fila di 4 tubazioni di iniezioni di acqua, costituita da una tubazione in PVC fessurata avvolta da una manica di tessuto non tessuto (piano “C”).
Si sono ripetute le operazioni di stratificazione suolo, installazione di 2 tubazioni aria (piano “B”), stratificazione suolo ed installazione di 2 tubazioni acqua (piano "A”).
Negli 8 alloggiamenti appositamente creati, sono state inserite le sonde per il monitoraggio dei gas interstiziali (02, C02 e VOC), del pH, del potenziale redox, della temperatura e dell’umidità del terreno: esse sono state connesse al sistema di acquisizione dati e controllo degli attuatori per l'immissione di aria e di acqua.
Si è ricoperta l'intera superfìcie a vista, in successione, con un telo di tessuto non tessuto, 30 cm. di paglia ed un telo di HDPE.
Si sono collegate le tubazioni dell'aria a due collettori e questi al serbatoio polmone da 5 m<3>, alimentato dall'aeromotore di caratteristiche analoghe a quanto riportato nell’esempio I.
Il flusso d'aria in uscita dal serbatoio ha presentato una pressione massima di qualche metro di colonna d'acqua, sufficiente a vincere le perdite di carico della linea e del tratto di terreno attraversato. Tale flusso è stato ripartito tra i collettori e successivamente tra le diverse utenze secondo portate determinate dal sistema di controllo di caratteristiche analoghe a quanto riportato nell’esempio I .
Il percolato, per caduta gravitazionale, veniva collcttato in un serbatoio interrato da 2 m<3>. Una pompa ha consentito di rilanciare l’acqua al relativo sistema di distribuzione.
Il reintegro dell’acqua progressivamente evaporata è stato assicurato tramite periodica addizione di acqua di rete o di pozzo.
La bonifica è iniziata mediante apertura delle valvole di immissione di aria e di acqua. La portata dell'aria ai 6 punti è stata regolata ad un valore compreso fra 2,4 e 3,6 Nm<3>/h mentre quella dell'acqua massima è risultata pari a SSO litri/giorno (400 nei 4 tubi del livello “C” e 150 nei 2 tubi del livello “A”).
Le sonde per il monitoraggio dei gas interstiziali hanno rilevato la concentrazione di VOC (Volatile Organic Compounds), 02 e C02.
Un tipico esempio delle misure ottenibili è riportato nei grafici di Fig. 3, registrate tramite il sistema di acquisizione dati e trasmesse via modem in tempo reale. I grafici riportano le composizione dei gas interstiziali nei punti di monitoraggio A, B e C di Figura 2. In tale sistema sono stati registrati anche i restanti valori (T, redox e pH).
La gestione continuativa dell’impianto si è protratta per ca. 170 giorni e dall’osservazione dei grafici sopra riportati si può desumere che:
• nei primi 30 giorni si è evidenziata una intensa attività microbica, registrata da una fluttuazione molto netta dei valori di 02 e C02; contemporaneamente i valori registrati dei VOC nei gas interstiziali hanno mostrato una netta diminuzione;
• una seconda fase, in cui si è registrata una respirazione più regolare, come conseguenza di una stabilizzazione del processo.
Il pH si è sempre mantenuto nell’intervallo 6-8, senza particolari problemi.
Il potenziale redox ha rapidamente raggiunto e successivamente si è mantenuto a valori superiori ai 250 mV, indicando condizioni favorevoli alla crescita di flore microbiche aerobiche.
Al solo fine di validare l'approccio del presente procedimento, ogni 40 giorni è stato prelevato un campione di suolo per l'analisi della concentrazione residua di TPH e della crescita microbica della flora autoctona idrocarburo ossidante; i risultati sono riportati in tabella.
Claims (5)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la bonifica di siti, quali suoli, terreni ed acque sotteranee, contaminati da prodotti organici biodegradabili che comprende: a) l'inserimento di una pluralità di teste di ventilazione nel sito a diverse profondità; b) il collegamento delle teste di ventilazione ad un recipiente contenente aria sotto pressione alimentato da un compressore mosso da un aeromotore; c) la distribuzione nel sito all'inizio del trattamento, in un unico intervento, di fosfato ammonico magnesiaco, NH4MgP04, in quantità tale da garantire la disponibilità di azoto e di fosforo necessaria al processo biodegradativo; d) l’installazione nel sito di una serie di sensori per monitorare l’andamento della biodegradazione e per il controllo della disponibilità di ossigeno e di umidità; e) il collegamento dei sensori dello stadio (d) a “data loggers” che, periodicamente interrogati, trasmettono i segnali acquisiti ad una stazione di raccolta ed elaborazione dati remota; f) la regolazione delle portate dei fluidi di processo e del periodo di esercizio delle apparecchiature di esercizio tramite attuatori comandati attraverso la stazione remota.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione I, in cui la bonifica è applicata sia nel caso di trattamenti in situ, quali il biosparging o il bioventing, che nel caso di trattamenti on-site ed ex situ, come le biopile ed il landfarming.
- Procedimento secondo la rivendicazione I o 2, in cui la bonifica è realizzata in situ e le teste di ventilazione sono posizionate al di sopra della falda acquifera o entro la stessa.
- 4. Procedimento secondo la rivendicazione I o 2, in cui la bonifica è realizzata on-site ed ex situ e le teste di ventilazione sono disposte all'interno della matrice da bonificare.
- 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui per ottenere una riduzione degli inquinanti almeno pari al 90% del processo biodegradativo si utilizza fosfato ammonico magnesiaco in quantità tali da assicurare un rapporto C/N/P compreso tra 100:5: 1 e 300: 10: 1 dove C rappresenta la quantità di carbonio presente negli inquinanti, N e P rispettivamente l’azoto ed il fosforo necessari per la crescita microbica. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui per favorire la distribuzione intima nel terreno e la cessione graduale e lenta del fosfato ammonico magnesiaco è preferibile irrigare il suolo da trattare con acqua proveniente o da un serbatoio o da pozzi mediante l’impiego di pompe azionate dallo stesso aeromotore.
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