Oczyszczanie in-situ wód podziemnych zanieczyszczonych przez produkty podziemnego zgazowania węgla

Abstract

In the paper the contaminants that may be generated in Underground Coal Gasification (UCG) process were listed and include mainly mono- and polycyclic aromatic hydrocarbons, phenols, heavy metals, cyanides, ammonium, chloride and sulphate. As a method of UCG contaminated groundwater treatment a Permeable Reactive Barrier technology was proposed. To assess the effectiveness of this technology two tests were carried out. Granulated activated carbon (GAC) and zeolite, and granulated activated carbon and scrap iron were applied in the first and second test respectively. For these materials the hydro geological parameters called reactive material parameters were determined and discussed. The results of the experiments showed that GAC seems to be the most effective material for phenols, BTX, PAH, cyanides and slightly lowers ammonia removal, while zeolites and scrap iron removed free cyanide, ammonia and heavy metals respectively.Podziemne Zgazowanie Węgla (PZW) jest alternatywną metodą pozyskiwania energii z węgla. Jest to zespół przemian termicznych i chemicznych przebiegających bezpośrednio w złożu węgla, zachodzących pomiędzy substancją organiczną a czynnikiem zgazowującym, jakim może być powietrze, tlen, para wodna, dwutlenek węgla. Poza wieloma zaletami metoda ta niesie za sobą także wiele zagrożeń, które były rozważane w ramach projektu HUGE 2 (nr RFCR-CT-2011-00002). Jednym z nich jest zagrożenie środowiska wód podziemnych produktami PZW, do których należą wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, BTX, fenole, metale ciężkie, cyjanki, jony amonowe, chlorki i siarczany. W celu zminimalizowania tego zagrożenia w pracy rozważono zastosowanie w obszarze reaktora PZW technologii Przepuszczalnej Bariery Reaktywnej (PRB). W technologii tej zanieczyszczenia usuwane są in-situ poprzez przepływ wód przez odpowiednio dobrany materiał reaktywny. W tablicy 1 przedstawiono podstawowe parametry bariery, które należy określić, aby skutecznie i długotrwale chronić środowisko wodne przed zanieczyszczeniami. Jako materiał reaktywny w pracy wybrano, na podstawie zdolności oczyszczania, granulowany węgiel aktywny (do usuwania związków organicznych) oraz żelazo metaliczne i alternatywnie zeolity (do usuwaniazwiązków nieorganicznych i pozostałych związków organicznych po złożu węgla aktywnego). Badania prowadzone były w dwóch instalacjach badawczych składających się z pompy perystaltycznej oraz dwóch szeregowo połączonych szklanych kolumn filtracyjnych (rys. 1). W obu instalacjach pierwsza kolumna wypełniona była granulowanym węglem aktywnym, zaś druga odpowiednio w pierwszej i drugiej instalacji, żelazem metalicznym i zeolitami. Materiał reaktywny poza zdolnościami do usuwania zanieczyszczeń, musi również charakteryzować się długotrwałą i stabilną przepuszczalnością dla wód. Dlatego też jego skład ziarnowy dobrano w taki sposób, aby współczynnik filtracji materiału reaktywnego zawierał się między 2x10-4 i 6x10-3 m/s (co oznacza że powinien charakteryzować się maksymalnymi wartościami współczynnika filtracji dla piasku drobnoziarnistego i gruboziarnistego). Tabele 3 i 4 przedstawiają odpowiednio skład ziarnowy materiału reaktywnego zastosowanego w badaniach laboratoryjnych oraz jego główne parametry hydrogeologiczne. Zastosowany w badaniach roztwór przygotowany został poprzez zmieszanie wody destylowanej z odpowiednimi masami odczynników chemicznych, uzyskując w ten sposób stężenia zanieczyszczeń podobne do wartości przedstawionych w pracach (Kapusta & Stańczyk, 2011; Liu & in., 2006). W tabelach 5 i 6 oraz na rysunkach 2-8 przedstawiono wartości parametrów fizykochemicznych oraz stężeń substancji chemicznych zmierzonych w wodach pobranych z instalacji badawczych 1 i 2. We wnioskach pracy stwierdzono, iż granulowany węgiel aktywny jest odpowiednim materiałem do usuwania z wód fenoli, BTX, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, wolnych cyjanków oraz w mniejszym stopniu również jonów amonowych. Węgle nie wpływały na temperaturę wód oraz na potencjał redox i przewodność elektrolityczną. Zeolity z kolei skutecznie usuwały wolne cyjanki, jony amonowe oraz w pewnym stopniu fenole. W zależności od składu chemicznego wód oraz powinowactwa metali do zeolitów mogły one również usuwać metale ciężkie. Zeolity nie wpływały natomiast na temperaturę i powodowały znaczące obniżenie się wartości pH oraz przewodności elektrolitycznej wody. Przepływająca przez złoże zeolitu woda wzbogacała się z kolei (z całą pewnością w początkowym etapie pracy złoża) w rozpuszczony tlen, co miało odzwierciedlenie w wyższych wartościach potencjału redox w kolejnych punktach poboru wody. Ostatnim analizowanym w pracy materiałem było żelazo metaliczne. Chociaż nie wpływało ono w żaden sposób na stężenie związków organicznych w wodach, przyczyniło się do usunięcia z nich wszystkich metali ciężkich. Żelazo spowodowało ponadto wzrost temperatury i wartości pH oraz zdecydowane obniżenie się potencjału redox i stężenia tlenu rozpuszczonego. Rozważając zastosowanie wymienionych materiałów reaktywnych w technologii PRB do usuwania produktów PZW trzeba pamiętać o ograniczonej pojemności sorpcyjnej węgla aktywnego oraz zeolitów oraz o konieczności poddawania ich reaktywacji. Fakt ten oraz duże trudności technologiczne związane z zainstalowaniem materiału oraz jego wymianą stanowią wyzwanie do dalszych analiz i prac w tym obszarze