معرفی تکنولوژی صفحات واکنشگر نفوذپذیر(PRB) برای تصفیه درجای آب های زیرزمینی

معرفی تکنولوژی صفحات واکنشگر نفوذپذیر(PRB) برای تصفیه درجای آب های زیرزمینی

نصب و جاگذاری مواد واکنش دهنده در زیرسطح زمین برای تماس با ستون آلودگی به طوری که عبور جریان از میان مواد واکنش دهنده را فراهم آورد، طراحی شده است و تبدیل آلاینده ها به فرم های قابل پذیرش از لحاظ زیست محیطی و کاهش غلظت آلاینده های هدف در پایین دست جریان را به ارمغان می آورد. این روش به صورت پسیو(منفعل) عمل کرده، به این معنا که تمام انرژی موردنیاز فرایند ها توسط منابع انرژی طبیعی در دسترس در محیط پیرامون (نیروی ثقل، میکروبی، متابولیکی و فوتوسنتز ) تامین می گردد و این سیستم ها در طول عمر بهره برداری خود برای داشتن توان موثر عملیاتی، نیاز به نگهداری و توجه کم دارند(Younger, 2007).

بطور ساده یک PRB متشکل از یک منطقه مشتمل بر مواد واکنشگر مانند آهن، اکسید کلسیم (آهک)، خاک اره، آهن با ظرفیت صفر، ZVI و یا هر گونه ترکیبات آزاد کننده الکترون می باشد که عمود بر مسیر جبهه آلودگی قرار داده می‌شود، به گونه‌ای که تمام جبهه آلوده بایستی توسط این سیستم پوشش داده شود. با عبور جبهه آلوده از این سیستم، آلاینده بر اثر فرایند جذب فیزیکی و یا واکنش شیمیایی تبدیل به ترکیبات بی‌ضرر و یا رسوبات غیر قابل حل در آب شده و لذا حلال (آب) را ترک می‌نمایند و بنابراین آب تصفیه شده از PRB خارج می‌شود. از سال 1990، PRB های زیادی در سه شکل کلی زیر طراحی و اجرا شده‌اند.

1. قیف و دریچه^[1]
2. دیوار پیوسته^[2]
3. سل‌های واکنشگر^[3]

این نوع PRB ها برای آبخوان‌های با عمق کم^[4](عمق سنگ بستر کمتر از 21 متر از سطح زمین) از نظر اقتصادی، امکان اجرا و پیاده‌سازی دارد.

 نمونه‌ای از جریان آلودگی تصفیه شده با دیوار‌های واکنشگر نفوذ‌پذیر(EPA, 1998)

در سیستم قیف و دریچه، دیواره‌های قیف به منظور انحراف و همگرا نمودن جبهه آلوده آب زیرزمینی، از مواد با نفوذپذیری بسیار کم و یا نفوذناپذیر تشکیل می‌شود. دیواره‌های قیف در بالادست حالت همگرایی داشته و ممکن است به منظور برگرداندن سیستم جریان آب عبوری به حالت اولیه، در پایین‌دست حالت واگرایی داشته باشد. دریچه که متشکل از مواد واکنشگر می‌باشد، دارای نفوذپذیری متفاوت با مواد تشکیل دهنده آبخوان می‌باشد. یک سیستم قیف و دریچه که به منظور حذف آلودگی از آب در محیط متخلخل اشباع مورد استفاده قرار می‌گیرد، بایستی به گونه‌ای طراحی شود که منطقه تسخیری^[5] آن از جبهه آلوده عبوری به حداکثر برسد در عین اینکه سیستم هیدرولوژیکی آبخوان نیز تا حد امکان به هم نخورد.

با توجه به اهمیت و کاربرد بیشتر دو نوع اول از سیستم‌های PRB برای فهم بهتر از هندسه فضایی این دو نوع سیستم اشکال سه بعدی آنها رسم گردید.

 مدل سه بعدی ‌های واکنشگر نفوذپذیر از نوع ممتد (EPA, 1998)

 مدل سه بعدی سیستم‌های واکنشگر نفوذپذیر از نوع قیف و دریچه (EPA, 1998)

در سیستم دیوارهای پیوسته، انحراف جبهه آلوده انجام نمی‌شود و لذا مشکلات مربوط به برهم خوردن سیستم هیدرولوژیک آبخوان وجود ندارد در سیستم وسل‌های واکنشگر، ناحیه‌های واکنشگر^[6] بصورت منقطع و تنها در چند محل بر سر جریان قرار داده می‌شوند. در این گونه سیستم‌ها، به منظور کارایی بالاتر سیستمPRB در تسخیر نمودن حجم بیشتری از جبهه آلوده، مواد موجود در و سل‌ها دارای نفوذپذیری بسیار بالاتری نسبت به مواد تشکیل‌دهنده آبخوان می‌باشند. بسته به شرایط آبخوان، دستگاه‌های حفاری استاندارد تا عمق حداکثر 11 متر و دستگاه‌های حفاری اصلاح‌شده حداکثر تا عمق 21 متر قادر به عملیات حفاری می‌باشند (EPA,1998).

 شماتیکی از سیستم PRB به شکل قیف و دریچه و منطقه تسخیری آن (Hosseini,2011)

برای آبخوان‌های عمیق (عمق بیشتر از 21 متر) استفاده از 3 نوع PRB اشاره شده در بالا، علاوه بر مشکلات مربوط به اجرا و حفاری، هزینه‌های بالایی نیز دارند و نیاز به استفاده از ابزار احیاء آبخوان عمیق^[7](DART) مانند: مخلوط خاک عمیق، جت فشار قوی، شکاف عمودی هیدرولیکی و تزریق در چاه‌های عمیق می‌باشد. در مورد این آب‌خوان‌ها، سیستم ساده دیگری مورد بهره‌برداری قرارگرفته است. به طور ساده این سیستم متشکل از یک یا تعداد بیشتری چاه با قطر کم (کمتر از 10 سانتی‌متر) که بر مسیر جبهه آلوده حفر می‌شوند، بوده و نانو ذرات به درون آنها تزریق ساده می‌شود. فاصله بین چاه‌ها و نفوذپذیری مواد واکنشگر موجود در چاه‌ها که براساس مشخصات هیدرولیکی و هیدروشیمی جبهه آب و مواد تشکیل دهنده آبخوان محاسبه می‌شوند، از جمله نکات مهم در طراحی این نوع از PRB می‌باشد. ملاحظات طراحی که در این گونه سیستم‌ها بایستی در نظر گرفته شود هم از نظر هیدرولیکی و هم واکنش شیمیایی بسیار حائز اهمیت می‌باشد. زیرا کارآیی یک سیستم PRB به طراحی اندازه عرض عمود بر جبهه، میزان مواد واکنشگر مورد استفاده و .... متکی می‌باشد. سیستم چاه‌های واکنشگر، حتی برای آبخوان‌های با عمق بیشتر از 50 متر نیز طراحی و اجرا شده و کارایی مناسبی از خود نشان داده است. (EPA, 2007) یک چاه غیر پمپاژی واکنشگر متشکل از یک پوسته از جنس PVC با کانال‌های چریان با ظرفیت بالا است که متشکل از مواد واکنشگر با هدایت هیدرولیکی نسبتا بالا نسبت به مواد آبخوان بوده و همچنین باله‌های انعطاف‌پذیر که به منظور هدایت جریان آب زیرزمینی به محیط واکنش می‌باشد. فاکتورهای تاثیرگذار بر طراحی یک سیستم DART، شامل درجه غیرهمگنی آبخوان، مهندسی سازه‌ای DART و زمان سکون موردنیاز برای واکنش آلاینده هدف با مواد واکنشگر است. شبیه سازی براساس مدل‌های کامپیوتری نشان داده است که مواد واکنشگر استفاده شده در یک سیستم DART از نظر فنی بایستی دارای هدایت هیدرولیکی منجر به منطقه تسخیری برابر با 9/1-8/1 برابر قطر چاه غیر پمپاژی می‌شود. یک DART بایستی به گونه‌ای طراحی شود تا حجم آب عبوری از مواد واکنشگر با توجه به ملاحظات هزینه‌ای و اجرایی، حداکثر گردد.

مقدار زمان سکون برای یک PRB، بستگی به آلاینده هدف دارد. برای ترکیبات آلی هالوژندار، زمان سکون چند ساعت و برای آلاینده هایی مانند U،  As، Mo، No₃^-، Se و V زمان سکون چند دقیقه (کمتر از 10 دقیقه) نیاز است. از آنجایی که در PRB با گذشت زمان، ذرات آهن حل می‌شود، لذا زمان سکون PRB کاهش می‌یابد و لذا بایستی طراحی بر اساس زمان سکون بالاتری نسبت به آنچه محاسبات نشان داده است، در نظر گرفته شود.

طیف وسیعی از مواد واکنشگر از جمله کربن آلی، پنبه، خاک اره، کمپوست و آهن با ظرفیت صفر در اندازه میکرو و نانو در سیستم PRB نصب شده بصورت درجا مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این مواد منجر به احیاء شیمیایی و یا زیست تخریب‌پذیری و یا ترکیبی از هر دو شیوه در ناحیه واکنشگر PRB می‌شود. در ذیل به چند نمونه از این PRB ها که بصورت درجا نیز نصب و اجراشده، اشاره می‌شود  به علت ارتباط بین پارامتر‌های پیش‌بینی شده و محدودیت‌های خوردگی، نشان داده شده است که واکنش‌پذیری ذرات آهن صفر ظرفیتی نسبت به کاهش در نفوذپذیری، مهمترین فاکتور در محدود کردن طول عمر PRB ها در ناحیه‌های موردنظر می‌باشد. روش‌های تصفیه قدیمی مانند سیستم‌های پمپ و تصفیه هنوز دارای ابهاماتی‌اند و طبق مطالعه‌ای که در سال 1994 روی 69 سایت از 77 محلی که از این روش‌ها برای حذف آلاینده‌ها استفاده شده بودند، نشان داد که تضمین روش اهداف کامل تصفیه را براورد نمی‌سازند. به دلیل اینکه صفحات واکنشگر نفوذپذیر(PRB) امکان 1-تصفیه و به دام انداختن آلاینده‌ها به صورت درجا، برای حجم‌های زیاد منابع آبی که دارای غلظت کم آلاینده‌ها هستند و یا فاضلاب تولید شده از تصفیه این گونه آب‌ها.  2- تصفیه همزمان چند نوع آلاینده‌ها از قبیل فلزات، مواد آلی و رادیونوکلوئید‌ها 3- نیاز به کاربر و هزینه های نگه‌داری کم. این سیستم‌ها تکنولوژی‌های تصفیه جایگزین که توجهات بسیاری را به خود جلب کرده است دربردارد . به طور کلی، سیستم‌های PRB از تکنولوژی‌های جدیدی هستند که قدیمی‌ترین آنها که در مقیاس واقعی به کار گرفته شده‌اند ،بیشتر از یک دهه کارایی خود را حفظ کرده‌اند. با موفقیت‌های شگرف صفحات واکنشگر نفوذپذیر، استفاده از آنها بسیار گسترده گردیده است. PRB های قرار داده شده برای تصفیه مواد آلی، فلزات سنگین و رادیونوکلوئید‌هاو مواد مغذی، نزدیک به 50% مواد آلی و 20 % فلزات سنگین در سال 2002 حذف کردند (EPA, 2002). یکی از موانع در جهت تخمین عمر مفیدPRB ها سخت بودن مقایسه مطالعات آزمایشگاهی با کاربرد‌های واقعی است. ستون‌های آزمایشگاهی اکثرا هوازی و سیستم‌های محبوس‌اند اماPRB ها در محیط واقعی غیر‌هوازی و غیر محبوس‌اند.

 EPA. (1998)., “Field Applications of in Situ Remediation Technologies: Permeable Reactive  Barriers. Report”. # 542-R-99- 002. Washington, DC: United States Environmental Protection Agency, Office of Solid Waste and Emergency Response. 

EPA. (2002)., “Field Applications of in Situ Remediation Technologies: Permeable Reactive Barriers”. Washington, DC: United States Environmental Protection Agency, Office of Solid Waste and Emergency Response. 

ITRC., (2005). “Permeable Reactive Barriers: Lessons Learned/ New Directions. Report”. # PRB-4. Washington, DC: Interstate Technology & Regulatory Council, Permeable Reactive Barriers Team. 

ITRC., (2011). “Permeable reactive barriers: lessons learned/new directions. Report” # PRB-5. Washington DC: Interstate Technology and Regulatory Council, Permeable Reactive Barriers Team.

Hosseini SM, Ataie-Ashtiani B, Kholghi M (2011) Bench-scaled nano-Fe0 permeable reactive barrier for nitrate removal. Ground Water Monit Remediat 31(4):82–94 

RTDF., (2001). “Permeable reactive barrier installation profiles”. http://www.rtdf.org/public/permbarr/prbsumms/default.cfm.Accessed 1 March 2005

 Younger PL (2007) Groundwater in the environment: an introduction. Blackwell Publishing, Oxford, p 318