שיקום קרקע בשיטות של אוורור מאולץ – חשיבות קביעת רדיוס ההשפעה

אילן בן נוח, יועץ סביבה בחברת LDD ,נמרוד גפני מנהל תחום  ב LDD , ד"ר רפי מנדלבאום מנכ"ל ומדען ראשי של חברת LDD

בשנים האחרונות ישנה מודעות הולכת וגוברת לחשיבות שבמניעת וטיפול בזיהומי קרקע. מודעות זו נובעת ככל הנראה מההכרה בקרקע כמשאב טבע חשוב. אם בעבר התייחסו לזיהומי קרקע כמפגע העלול לגרום לזיהום מי תהום, היום יודעים שלזיהום הקרקע עצמו עלולות להיות השלכות כלכליות ואף בריאותיות משמעותיות. דוגמה לשינוי הגישה ועליית מעמדה של הקרקע כמשאב טבע, הינה מעבר משיטות טיפול בקרקעות מזוהמות ע"י חציבה וסילוק למטמנות (Ex-Situ) לשיטות שיקום באתר (In-situ) או לטיפול Ex-situ המאפשר מחזור של הקרקע.

שתיים משיטות הטיפול בקרקעות מזוהמות באתר (In-Situ) הנפוצות ביותר, כרוכות בשאיבת והחדרת אוויר מאולצת מ-/אל תת-הקרקע. הבחירה בין השיטות השונות נעשית לרוב על פי סוג המזהם, כך שמזהמים נדיפים לרוב נשאבים מהקרקע היות שריכוז המזהמים באוויר הנשאב תלוי בקבוע הנרי או בלחץ החלקי של המזהם. בעוד שמזהמים לא נדיפים מפורקים בתת-הקרקע באמצעות הגברת תהליכי הנשימה המיקרוביאלית ע"י אוורור (חמצון) הקרקע, במידה שמסלול פירוק זה אפשרי. לדוגמא: עבור זיהום במרכיבי דלק נדיפים (בנזין, טולואן, קסילן, מתיל-טרט-בוטיל-אלכוהול) תיבחר שיטת שאיבת האוויר (Soil vapor extraction- SVE) בעוד שעבור המרכיבים הכבדים יותר (טבעות פולי ארומטיות) תיבחר שיטת האוורור המאולץ והגברת הפירוק הטבעי (Bio-venting). עבור שיטת האוורור המאולץ נהוג להתייחס לריכוז חמצן של 10% (מחצית מהריכוז באטמוספירה) כערך מגביל נשימה.

אחת מסוגיות התכנון המרכזיות של מערך טיפול בקרקע בשיטות אלו, הינה קביעת רדיוס ההשפעה. רדיוס ההשפעה הינו הפרמטר התכנוני על פיו יש להתאים הן את ספיקות האוויר הדרושות והן את מרחקי ההצבה של נקודות ההחדרה/שאיבה הנדרשות. ולכן יקבע במידה רבה את יעילות וכדאיות שיטת השיקום.

קביעת רדיוס השפעה

רדיוס ההשפעה נובע מכך שהאוויר המוחדר לקרקע נפלט אל האטמוספירה מפני הקרקע (במקרה של שאיבת אוויר, האוויר הנשאב חודר לקרקע מהאטמוספירה) כך שנוצר מרחק בו אין השפעה להחדרת (או שאיבת) האוויר. לכן איטום פני שטח בבטון, יריעות או שכבות קרקע בעלות תולכה נמוכה מעל נקודת ההחדרה/שאיבה צפויות להגדיל את רדיוס ההשפעה.

נהוג להגיד שבקרקע חרסיתית מתקבל רדיוס השפעה קטן יותר מאשר בקרקע חולית. קביעה זו אינה מדויקת. אומנם, עבור אותו לחץ/תת-לחץ בנקודת ההחדרה/שאיבה יתקבל רדיוס השפעה גדול יותר בקרקע חולית אך עבור אותה ספיקה, רדיוס ההשפעה בקרקע חרסיתית צפוי להיות גדול יותר (כפי שניתן לראות באיור 2). כדי ליצור ספיקה זהה (בקרקע מוליכה ובקרקע בעלת מוליכות נמוכה) יידרש לחץ/תת-לחץ גדול יותר בקרקע חרסיתית (מוליכות נמוכה). לכן רדיוס ההשפעה תלוי בהתנגדות הקרקע ובאופיין המפוח/משאבה

השיטה הנפוצה ביותר לקביעת רדיוס השפעה בשתי השיטות שתוארו לעיל הינה קביעת ערך לחץ/תת-לחץ מינימאלי. באופן שרירותי, ערכים נפוצים הם 0.1 אינץ מים, 1 אינץ מים ו-10% מהלחץ/תת-לחץ בבאר הטיפול (Suthersan, S.S., 1999). שיטה זו איננה מתאימה (USACE, 2002) היות וכמות החמצן המוחדרת (Bio-venting) או מסת המזהם המסולקת (SVE) אינן תלויות כלל בלחץ האוויר. לעומת זאת, מוצע לקבוע את רדיוס ההשפעה על פי המרחק מבאר הטיפול בו מתחלף נפח האוויר 10 פעמים ביום עבור שאיבת אוויר (SVE) או פעם ביום עבור החדרת אוויר (Bio-venting).

שיטה זו טובה יותר מבחינה פיזיקאלית למרות שהיא מזניחה פרמטרים חשובים כגון צריכת החמצן (עבור Bio-venting) ואת הנדיפות (לחץ חלקי או קבועי הנרי) השונה של מזהמים שונים. כאשר באתרים בהם ישנה צריכת חמצן נמוכה ייתכן שהחדרת נפח אוויר פעם בשבוע מספיקה ובדומה עבור מזהמים נדיפים מאוד ייתכן ששאיבת נפח אוויר של פעם אחת ביום תספיק לסילוק מזהמים יעיל.

קביעת רדיוס ההשפעה על פי ההגדרה הראשונה נעשה ע"י התקנת מספר נקודות תצפית במרחקים רדיאליים שונים מנקודת ההזרקה ומדידת הלחץ בנקודות התצפית. לאחר מכן מתאימים עקום חצי לוגריתמי (פונקציה לוגריתמית) ומחשבים את המרחק בו יתקבל הלחץ/תת-לחץ המבוקש.

קביעת רדיוס ההשפעה על פי ההגדרה השנייה נעשה ע"י התאמת מודל זרימה. בעבור שאיבת אוויר מהקרקע (SVE) נהוג להשתמש במודלים הידרולוגים לחישובי שפילה באקוויפר כלוא או באקוויפר מחלחל (leaky aquifer), עבור חישוב רדיוס ההשפעה בהחדרת אוויר ניתן להשתמש בפתרון אנליטי להזרקת אוויר בתת-הקרקע מתחת למשטח שווה לחץ (Ben Noah and Freidman, 2015) ומציאת קו הזרם הרלוונטי.

היתרון העיקרי בשימוש  במודל זה הינו כמות הפרמטרים הקטנה הדרושה לתיאור הקרקע (Philip, 1998):

  1. ∝ – גודל פיזיקאלי הופכי לאורך הקפילארי, מתאר את היחס בין הכוחות האופקיים לאנכיים הפועלים על האוויר. ערך זה מאפיין את סוג הקרקע, ככל שהקרקע חרסיתית יותר ערך זה צפוי להיות קטן יותר.
  2. K0 – מוליכות הידראולית מינימאלית, גודל זה איננו פיזיקאלי כיוון שהמוליכות המינימאלית הינה 0 אך זו לא מאפשרת זרימת אוויר. את הערך הזה יש להתאים על פי עומק ההטמנה של המקור ועומק המפלס הפריאטי באתר.

ניתן לכייל את שני הפרמטרים על פי פירוס הלחצים שנמדד במהלך מבחן ההיתכנות.

באתרים בהם קיים כיסוי בטון בפני השטח מוצע להשתמש בפתרון לקרקע אינסופית ולא בפתרון עם פני שטח. איור 1 מציג את קווי הזרם ופירוס הלחץ בהחדרת אוויר 10 מ' מתחת לפני הקרקע (ימין) ובקרקע אינסופית (שמאל). כפי שניתן לראות, כאשר עומק המקור גדול אין הבדל משמעותי בין שני הפתרונות.

המודל המוצע הינו עבור מקור נקודתי, ניתן להתאים את הפתרון עבור מקור קווי כגון באר החדרה באמצעות שימוש בעקרון הסופרפוזיציה, ע"י דימוי של מספר רב של מקורות נקודתיים קרובים. אולם תיתכן סטייה בלחץ, כיוון שההתנגדות בהחדרה ממקור קווי גדולה מאשר ההתנגדות מבאר בעלת רדיוס ממשי. ניתן להתגבר על כך ע"י התאמת הפרמטרים ∝ ו-K0 כך שיתקבל הלחץ שנמדד בבאר במרחק אופקי מהמקור השווה לרדיוס הבאר.

קו הזרם (בצורתו הלא ממדית) הינו הקו בו עוברת מנה קבועה מהספיקה המוחדרת, כלומר, בקו זרם 0.9 עוברת 90% מהספיקה. אנליזה זו נוחה במובן שקו הזרם אינו תלוי בספיקה עצמה, כך שאותו קו זרם מייצג את אותו נפח קרקע בכל ספיקה. מקביעת קו הזרם הדרוש לנו (שמקיים את רדיוס ההשפעה הנדרש) וחישוב נפח הקרקע הכלוא בקו זרם זה ניתן לקבוע את הספיקה הדרושה. לחילופין ניתן לקבוע את הספיקה ולהריץ את המודל בצורה איטרטיבית (חיזרור) עד למציאת קו הזרם הכולא נפח קרקע שמתאים לספיקה שנקבעה. לדוגמה במידה והוחלט להחדיר ספיקה של 10 מק"ש ונפח הקרקע התחום ע"י קו הזרם של 0.6 הינו 400 מ"ק ותכולת האוויר הממוצעת הינה 0.3 אזי שנפח האוויר יוחלף כל 20 שעות כך שעבור החלפת אוויר של פעם אחת ביום ניתן לעבור לקו זרם גדול יותר. אם בחישוב יתקבל שקו הזרם 0.7 תוחם נפח קרקע של 600 מ"ק אזי שנפח האוויר יוחלף כל 25.7 שעות כך שקו הזרם המתאים נמצא בין 0.7 ל-0.6 וכך בצורה איטרטיבית ניתן למצוא את קו הזרם המתאים.

כפי שניתן לראות באיור 2, ככל שעומק החדרת האוויר גדול יותר, כך גם רדיוס ההשפעה. במידה ורדיוס ההשפעה הנדרש נקבע באופן בלתי תלוי (כגון אילוצי האתר), ניתן להשתמש באותו מודל בכדי לקבוע את עומק ההטמנה הדרוש.

מגבלות המודל

גם אם מודלים אלו אינם מתארים את כל התופעות הפיסיקאליות בזרימת אוויר, הרי שקיומו של פתרון אנליטי מאפשר גם תיאור פנומנולוגי של התופעה וגם שימוש מעשי, הנדסי. בעוד שהנחת זרימת אוויר תמידית הינה ככל הנראה סבירה, הנחת פרוס הידרוסטטי של המים עלולה להיות בעייתית.

סיכום

שיקום קרקעות באתר (in-situ) הינה גישה ברת קיימא לטיפול בזיהומי קרקע, היות והקרקע הינו משאב מוגבל. אחת השיטות הנפוצות ביותר הינה שיטת ה-bio-venting המגבירה את קצב פירוק המזהמים ע"י העשרת הקרקע בחמצן באמצעות אוורור מאולץ. הפרמטר המרכזי לתכנון מערך אוורור יעיל הינו רדיוס ההשפעה. למרות זאת, ישנה אי בהירות לגבי הגדרת פרמטר זה.

מאמר זה מציג בקווים כלליים שיטה לקביעת רדיוס השפעה של החדרת אוויר לצורך תכנון מערך לשיקום קרקע בשיטת ה-bio-venting. יתרון השיטה המוצעת על השיטה הקיימת הינה בכך שהיא מבוססת על ערכי החלפת נפח אוויר, בניגוד לקביעת ערכי לחץ מינימאלי בצורה שרירותית.

איורים

איור 1: קווי הזרם הלא ממדיים (כחול) ופירוס לחץ האוויר (שחור) בהחדרת אוויר בספיקה של 10 מק"ש בקרקע בעלת ערך α=1m-1 ומוליכות הידראולית מינימאלית של K0=10-6m/hr בעומק של 10 מ' מתחת למשטח בעל לחץ אטמוספרי (ימין) ובקרקע אינסופית (שמאל), עומד המים שווה ל- 20m-.

איור 1

איור 2: קווי הזרם הלא ממדיים (0.1 עד 0.9 באינטרוול של 0.1) בהחדרת אוויר בספיקה של 10 מק"ש לקרקעות בעלות ערכי a של 10 (שמאל), 1(מרכז) ו-0.1 (ימין) ובעומקי הטמנה של 5 (למעלה), 10 (אמצע) ו-15 (למטה) מ' מפני משטח בעל לחץ אטמוספרי. נלקחה מוליכות הידראולית מינימאלית של K0=10-6m/hr ועומד המים שווה ל- 20m-.

References

US Army corps of engineers (USACE), 2002, Engineering and design: soil vapor extraction and bioventing

Suthersan, S.S., 1999, Soil vapor extraction. Remediation engineering: design concepts. Boca Raton: CRC Press LLC

Ben Noah I. and Freidman S.P., 2015, Continuum modeling of steady air injection into partially saturated soils. Vadose Zone J.

Philip J.R., 1998, Full and boundary-layer solutions of the steady air sparging problem. Journal of Contaminant Hydrology 33:337-345

איור 2

כל הזכויות שמורות, אל.די.די טכנולוגיות מתקדמות בע"מ | תנאי שימוש באתר

עיצוב: VAZA | פיתוח: The Shark Lady