UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA
Facoltà di Agraria- Scienze MM.FF.NN.
CLS “Scienze e tecnologie per l’ambiente e il territorio
CORSO DI DEPURAZIONE CHIMICA
AA 2006/2007
SOIL VAPOR EXTRACTION
DOCENTE: Maurizio Vidali
Studentessa: SABRINA PICCOLO
INDICE
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DESCRIZIONE GENERALE
APPLICABILITÀ
EFFICACIA
Fattori che contribuiscono alla permeabilità del suolo
• Permeabilità intrinseca
• Struttura e stratificazione del terreno
• Profondità della falda
• Contenuto d’acqua
Fattori che contribuiscono alla volatilità dei composti
• Pressione di vapore
• Composizione e punto di ebollizione
• Costante di Henry
COSTI
APPLICAZIONI IN CAMPO
SOIL VAPOR EXTRACTION EX SITU
VANTAGGI E SVANTAGGI DEL SOIL VAPOR EXTRACTION
DESCRIZIONE GENERALE
del Soil Vapor Extraction
• Il “Soil Vapor extraction” (SVE) è chiamato
anche ventilazione del suolo (“soil venting”) o
estrazione sotto-vuoto (“vacuum extraction”).
• Il SVE è una tecnologia di trattamento in situ,
rapida, efficace e relativamente economica per
rimuovere contaminanti organici volatili, prodotti
petroliferi adsorbiti al suolo, dalla zona insatura
del terreno.
• La tecnica è sito-specifica.
DESCRIZIONE GENERALE del SVE
• Prevede l’installazione di pozzi di estrazione e di iniezione
nell’area contaminata.
• Attraverso i pozzi di iniezione viene applicata una corrente
d’aria compressa che trascina con sé i contaminanti e li
dirige verso i pozzi di estrazione sotto forma di vapore o gas.
• Si applica il vuoto ai pozzi di estrazione, da cui vengono
aspirati i costituenti volatili. I gas estratti vengono trattati,
prima dello scarico in atmosfera, mediante assorbimento su
carbone attivo, incenerimento, ossidazione catalitica o per
condensazione.
• L’assorbimento su carbone attivo è il più usato perché si
adatta ad una vasta gamma di VOC.
• Il tipo di trattamento scelto dipende dal tipo di contaminante e
dalla sua concentrazione.
DESCRIZIONE GENERALE del SVE
• Condizione necessaria all'attuabilità del SVE: i contaminanti
devono essere al di sopra della falda.
• Obiettivo principale: rimozione di VOC (composti organici
volatili) e SVOC (composti organici semi-volatili) dall’insaturo
mediante un pozzo collegato ad un ventilatore, che inietta
aria nella zona contaminata.
• Un’ulteriore applicazione consiste nella combinazione col
biorisanamento in situ, bioventing; la ventilazione fornisce
ossigeno ai microrganismi autoctoni della zona vadosa
contaminata favorendo la biodegradazione delle frazioni
meno volatili degli inquinanti, che il SVE rimuoverebbe solo
parzialmente o non rimuoverebbe affatto.
Schema del funzionamento del
Soil Vapor Extraction
PRINCIPI OPERATIVI
• Il SVE è costituito da pozzi di estrazione dei vapori, pozzi
d’immissione di aria e pozzi di monitoraggio.
I tre schemi di processo più diffusi sono:
• pozzi verticali: per contaminazioni estese in profondità;
• trincee, pozzi orizzontali: inquinamento limitato ai primi metri di
profondità del sottosuolo (2-4 m).
• L’efficienza dell’aspirazione aumenta stendendo teli impermeabili
sulla superficie da trattare.
• In funzione dell’area contaminata, dello spessore di terreno da
trattare, della porosità efficace del suolo, si valuta il volume di gas
interstiziale da coinvolgere e si dimensionano gli impianti,
garantendo la copertura totale dell’area.
• L’iniezione di aria calda può facilitare la volatilizzazione, ma
causa un notevole incremento dei costi di trattamento.
DURATA
• La durata effettiva del SVE è funzione della
necessità di liberare tutti i pori del terreno dai
gas interstiziali contaminati da idrocarburi volatili
e di spostare l’equilibrio liquido-gas il più
possibile verso la fase gassosa.
• Di solito è attorno i 2-36 mesi. In alcuni casi, il
trattamento ha avuto una durata superiore a 5
anni.
Processo schematico del SVE
APPLICABILITÀ
• Questa tecnologia è molto efficace per la rimozione
di VOC e di alcuni SVOC. SVE ha più successo se
applicato ai prodotti petroliferi più leggeri, più
volatili, quali la benzina.
• Diesel, nafta e cherosene, che sono meno volatili e
più pesanti della benzina, e gli oli lubrificanti, che
non sono volatili, non vengono rimossi col SVE ma
col bioventing.
• Non è possibile applicare il SVE su contaminanti
inorganici e su organici dotati di pressione di vapore
bassa.
APPLICABILITÀ
• La tecnica è applicabile con efficacia al
trattamento di terreni insaturi contaminati da
composti altamente volatili (diclorometano,
tricloroetano, benzene, toluene) con rimozioni
anche superiori al 99%;
• i rendimenti calano sensibilmente per i
composti semivolatili (es. gasolio), per i quali
si hanno rimozioni dell’ordine del 30-40%.
Efficienza nei confronti dei contaminanti
Classe di contaminanti
Contaminanti organici
Contaminanti inorganici
Contaminanti reattivi
Efficienza
Composti alogenati volatili
Applicabile con elevata efficienza
Composti non alogenati volatili
Applicabile con efficienza limitata
Composti alogenati semivolatili
Applicabile con elevata efficienza
Composti non alogenati semivolatili
Applicabile con elevata efficienza
Policlorobifenili (PCB)
Non applicabile
Pesticidi
Non applicabile
Diossine-Furani
Non applicabile
Cianuri organici
Non applicabile
Metalli volatili
Non applicabile
Metalli non volatili
Non applicabile
Amianto
Non applicabile
Materiali radioattivi
Non applicabile
Cianuri inorganici
Non applicabile
Ossidanti
Non applicabile
Riducenti
Applicabile con efficienza limitata
EFFICACIA
I parametri chiave, usati per determinare l’efficacia del SVE in
un particolare sito, sono:
• permeabilità dei terreni contaminati, che determina il tasso a
cui i vapori nel terreno possono essere estratti. Il tipo di
terreno determina la permeabilità. Le terre fini (argille e limi)
hanno minor permeabilità rispetto ai suoli grossolani (sabbie e
ghiaie).
• Volatilità dei costituenti del petrolio, che determina il tasso e
grado a cui i composti assorbiti al suolo passano allo stato di
vapore. La volatilità è una misura della capacità di
vaporizzarsi, per cui può essere approssimata al range del
punto di ebollizione.
• L'effetto combinato di questi 2 fattori risulta nella velocità di
estrazione dell'agente inquinante, che diminuisce durante il
funzionamento del SVE al calare delle concentrazioni dei
VOC e del vapore nel terreno.
Efficacia del SVE in relazione alla litologia e alle
caratteristiche di volatilità dei contaminanti
Fattori che influenzano permeabilità del
suolo e volatilità dei composti
Permeabilità del terreno
Volatilità dei composti
Permeabilità intrinseca
Pressione di vapore
Struttura
terreno
e
stratificazione
Profondità della falda
Tenore d'acqua
del Composizione
ebollizione
Costante di Henry
e
punto
di
Fattori che contribuiscono alla permeabilità del suolo
Permeabilità intrinseca
• Proprietà del mezzo poroso che permette ai liquidi o ai
gas di muoversi attraverso esso, sotto l'azione di gravità
e pressione;
• è il fattore più importante nel determinare l’efficacia del
SVE. Comprende 13 ordini di grandezza (10-16-10-3 cm2),
ma si applica una gamma più limitata ai comuni terreni
(10-13-10-5 cm2).
• Suoli a grana grossolana (sabbie) hanno permeabilità
intrinseca maggiore di suoli a grana fine (argille o limi).
La capacità di un terreno di trasmettere l'aria è ridotta
dalla presenza dell'acqua → molto importante nei terreni
a grana fine, che tendono a trattenere l'acqua.
Permeabilità intrinseca ed efficacia del SVE
Permeabilità intrinseca (k) Efficacia del SVE
k > 10-8 cm2
Generalmente efficace
10-8 ≥ k ≥ 10-10 cm2
Può essere efficace;
necessita di ulteriori valutazioni
k < 10-10 cm2
Efficacia marginale o inefficace
Struttura e stratificazione del terreno
• La struttura e la stratificazione del suolo possono
influenzare le vie e le modalità di flusso dei vapori nel
suolo durante l’estrazione.
• Le caratteristiche strutturali (stratificazione, microfratture) possono portare a permeabilità più alte del
previsto per componenti del terreno (argille) e alla
formazione di vie di flusso preferenziali
→ tempi di risanamento inefficaci o prolungati.
• L’eterogeneità stratigrafica è uno dei principali limiti
del processo di estrazione: zone ricche di canali
preferenziali o fratture riducono l’efficacia
dell’estrazione.
Profondità della falda
• Significative fluttuazioni stagionali o quotidiane (legate a
maree o precipitazioni) possono sommergere alcuni terreni
contaminati o una parte del filtro del pozzo di estrazione,
rendendolo non disponibile per il flusso d'aria.
Il SVE non è applicabile:
• nei siti con falda a meno di 1 m (3 piedi) dal piano
campagna;
• attenzione nei siti con falda a meno di 3 m (10 piedi) dal
piano campagna: la creazione di un vuoto tramite le pompe
può causare la risalita locale del livello di falda, con
occlusione dei filtri dei pozzi di estrazione e riduzione del
flusso di vapore interstiziale. E’ possibile usare pompe per
mantenere basso il livello della falda.
Profondità della falda ed efficacia del SVE
Profondità della falda
Efficacia del SVE
> 10 piedi
Efficace
3 - 10 piedi
Richiede controlli speciali
(es. pozzi orizzontali)
< 3 piedi
Generalmente non efficace
Contenuto d’acqua
Il contenuto d’acqua ha due effetti contrastanti riguardo
l’efficacia della ventilazione.
• l’incremento di umidità nel suolo (> 50%) riduce la
porosità del terreno, la permeabilità del suolo all’aria,
→ peggiora l’efficacia del SVE limitando il flusso
gassoso attraverso i pori;
• un’umidità troppo bassa aumenta la capacità di
adsorbimento del terreno riducendo la frazione
estraibile.
• Per ogni tipo di terreno esiste un livello di umidità
ottimale, sufficientemente basso per garantire un’elevata
permeabilità all’aria ma tale da non aumentare la
capacità di adsorbimento del terreno.
Fattori che contribuiscono alla volatilità dei composti
Pressione di vapore
• La pressione o tensione di vapore è la
caratteristica dei composti più importante per
valutare l’efficacia del SVE;
• è la misura della tendenza del composto a
evaporare; è la pressione che un vapore esercita
quando è in equilibrio con il suo liquido puro.
• I composti con pressioni di vapore > 0.5 mm Hg
sono adatti all’estrazione con il SVE.
Pressioni di vapore dei comuni costituenti
del petrolio
Costituente
Pressione di vapore (mm Hg a 20°C)
Metil t-butil etere
245
Benzene
76
Toluene
22
Dibromuro di etilene 11
Etilbenzene
7
Xileni
6
Naftalene
0.5
Piombo tetraetilico
0.2
Composizione e punto di ebollizione
• I prodotti petroliferi più riscontrati (benzina, diesel, cherosene,
nafte e oli lubrificanti), per la loro complessa composizione,
sono classificati per il range del punto di ebollizione
→ l’applicabilità del SVE ad un prodotto petrolifero è stimata
dal range del punto di ebollizione.
• I costituenti con Teb < 250-300°C sono sufficientemente volatili
per essere rimossi col SVE.
• Il SVE può rimuovere quasi tutti i costituenti della benzina,
una parte dei costituenti di cherosene e diesel e una minor
porzione di costituenti della nafta, non può rimuovere gli oli
lubrificanti.
• La maggior parte dei costituenti del petrolio sono
biodegradabili → rimossi col bioventing.
• L'iniezione di aria riscaldata aumenta la volatilità dei
composti perché la pressione di vapore aumenta con la
temperatura. Però i fabbisogni energetici richiesti sono così
elevati da essere economicamente proibitivi.
Range del punto di ebollizione dei prodotti
petroliferi
Prodotto
Range del punto di ebollizione (°C)
Benzina
40 - 225
Cherosene
180 - 300
Diesel
200 - 338
Nafta
> 275
Oli lubrificanti Non volatili
Costante di Henry
• La costante di Henry è il coefficiente di
ripartizione tra la concentrazione di un
costituente disciolto in acqua e la sua pressione
parziale nella fase di vapore in condizioni di
equilibrio; descrive la sua tendenza relativa a
ripartirsi fra la fase di vapore e la fase disciolta.
Sostanze con elevata costante di Henry hanno
una maggiore tendenza alla diffusione.
• Composti con costanti di Henry > 100 atm sono
adatti alla rimozione col SVE.
Costante di Henry dei comuni costituenti del
petrolio
Costituente
Costante di Henry (atm)
Piombo tetraetilico
4700
Etilbenzene
359
Xileni
266
Benzene
230
Toluene
217
Naftalene
72
Dibromuro di etilene 34
Metil t-butil etere
27
Per essere efficace, il SVE deve essere attuato:
• per composti con pressione di vapore almeno pari a
0,1 kPa o 0,5 mm di Hg (a 20 °C);
• per composti con costante di Henry > 0.01;
• per composti con bassa solubilità in acqua;
• per composti con peso molare ≤ 200 g/mole;
• in terreni sufficientemente permeabili all’aria, poco
umidi, con conducibilità tra 10-3 e 10-2 cm/s;
• in un’area abbastanza grande per poter collocare la
strumentazione (almeno 150 m2).
COSTI
Esistono differenti stime dei costi, a seconda delle fonti.
• 20-50 $ per tonnellata di terreno contaminato (EPA e
Prov MI).
• 30-70 $ per t di terreno trattato, in funzione delle
caratteristiche del contaminante e del suolo (Banca Dati
Tossicologica del suolo e dei prodotti derivati, Regione
Puglia).
• 10-150 $ per tonnellata o m³ di terreno trattato (METEA,
centro interdipartimentale di ricerca sulle Metodologie e
Tecnologie Ambientali, Università di Bari).
APPLICAZIONI del SVE negli USA
Locazione del sito
Sheet Metal Plant - MI
Sherwin- Williams Site - OH
UST Bellview - FL
Petroleum terminal
Owensboro - KY
Site Programme
Groveland - MA
Inquinanti trattati
Applicazioni e risultati
PCE
(percloroetilene)
Il trattamento su un'area di 5000 cu yds ha
permesso di abbattere i 5600 mg/kg di PCE fino
alla concentrazione di 0.70 mg/kg in un periodo di
35 giorni.
Eluenti per vernici
Il trattamento su un'area di 425.000 cu yds ha
permesso di ridurre i 38 mg/kg degli inquinanti
fino alla concentrazione di 0.04 mg/kg in un
periodo di sei mesi.
BTEX
Il trattamento ha permesso di abbattere i 97 mg/kg
di BTEX fino ad una concentrazione inferiore di
0.006 mg/kg in un periodo di 7 mesi.
Carburanti, diesel
Il trattamento su un'area di 12.000 cu yds ha
permesso di abbattere la concentrazione iniziale
inferiore di 5000 mg/kg di contaminanti fino ad un
valore di 1.0 mg/kg in un periodo di 6 mesi.
TCE
(tricloroetilene)
Il trattamento su un'area di 6000 cu yds ha
permesso di abbattere la concentrazione iniziale di
96.1 mg/kg di TCE fino ad un valore di 4.19
mg/kg in un periodo di 56 giorni.
SOIL VAPOR EXTRACTION EX SITU
• L’opzione ex situ on site di ventilazione del
terreno viene praticata dove è necessario
asportare il terreno;
• realizzata in combinazione al trattamento
biologico del compostaggio, dove si opera
un’aerazione per aspirazione.
• Si scava il terreno e lo si dispone su un letto
dotato di tubi di aspirazione.
• Cumuli coperti con telo impermeabile per evitare
dispersione di inquinanti e infiltrazione di acque
meteoriche che potrebbero saturare il terreno.
SOIL VENTING EX SITU
Rispetto al trattamento in situ, i vantaggi sono:
• incremento della porosità dovuto al’escavazione del terreno;
• ininfluenza della falda;
• semplicità di raccolta del percolato;
• uniformità di trattamento e facilità di monitoraggio del processo.
Gli svantaggi sono:
• aumento dei costi di trattamento (escavazione e movimentazione);
• possibilità di volatilizzazione degli inquinanti durante le fasi di scavo
e movimentazione, con necessità di captazione e trattamento
dell’aria contaminata;
• controllo degli operatori impegnati nelle varie fasi;
• necessità di spazi ampi.
Risultati molto modesti con sostanze chimiche con Teb > 100 °C.
L’efficienza di trattamento aumenta riscaldando l’aria insufflata.
VANTAGGI DEL SVE
• Tecnologia in situ.
• Efficacia nota; strumenti facilmente reperibili,
semplice installazione; facilmente implementabile.
• Scarso disturbo delle attività del sito.
• Tempi di trattamento brevi (6 mesi - 2 anni in
condizioni ottimali).
• Costi competitivi: € 20-50/t di suolo contaminato;
tecnica poco costosa se si trattano aree estese.
• Può essere combinato ad altre tecnologie.
SVANTAGGI DEL SVE
• Difficile ottenere riduzioni di concentrazione > 90%.
• Sono richiesti sistemi di trattamento dell’aria prima della loro
emissione.
• Può richiedere trattamenti costosi per i vapori estratti.
• Devono essere smaltiti i liquidi raccolti ed i carboni attivi
esausti.
• Si può trattare solo la zona insatura; possono essere
necessari altri metodi per la zona satura e per le acque
sotterranee.
• L’efficacia della tecnica dipende dalle caratteristiche del sito.
• Scarsa efficacia in siti con suoli a bassa permeabilità o
stratificati.
• Si applica solo ad alcuni contaminanti organici.
SVANTAGGI DEL SVE
• Suoli con un contenuto organico elevato o molto secchi
hanno elevata capacità di adsorbimento di VOC
riducendone la mobilità → la bonifica non ha successo.
• Un contenuto idrico > 50% riduce la permeabilità all’aria,
richiedendo l’applicazione di una elevata depressione
→ riduce l’operatività del SVE.
• Basse temperature del suolo abbassano la pressione di
vapore del contaminante → volatilizzazione più difficile.
• Alta eterogeneità, anche bassa efficacia.
• Necessita di una superficie di 150 m2 per la
strumentazione (compresi i pozzi di monitoraggio).