V posledním desetiletí je patrný významný rozvoj sanační technologie aplikace propustných reaktivních stěn (PRS). Tento rozvoj je podmíněn zejména úspěšností prvních reálných aplikací a také výhodami, které tato technologie přináší.
Dle U. S. EPA je propustná reaktivní stěna definována jako pasivní in-situ zóna tvořená reaktivním materiálem, přes který v přirozeném režimu proudí kontaminovaná podzemní voda. Reaktivní médium rozkládá, sorbuje, sráží nebo jinak odstraňuje organické látky, kovy, radionuklidy či jiné polutanty. Stěny mohou obsahovat reakční činidla pro rozklad organických těkavých látek, cheláty pro imobilizaci kovů, živiny a kyslík pro podporovanou biodegradaci, případně jiná činidla.
Pasivní sanační technologie
Na laboratorní výzkum z počátku devadesátých let navázaly první reálné aplikace, a to především reaktivních stěn s náplní nulamocného železa pro rozklad chlorovaných alifatických uhlovodíků a redukci těžkých kovů. V současnosti je ve výzkumu a vývoji věnována pozornost zejména vývoji reaktivních náplní pro odbourání různých typů organického i anorganického znečištění podzemních vod.
Hlavní výhodou použití propustných reaktivních stěn jsou zejména nízké provozní náklady (prakticky spojené pouze s monitoringem), minimální omezení dotčeného území a zásah do hydraulického režimu na lokalitě, poměrně malé manipulované množství kontaminovaných vod a zemin, a žádné či pouze minimální ztráty zdroje podzemních vod.
Technologie PRS je také začleňována mezi pasivní sanační technologie a je tedy považována na trvale udržitelnou. Má však samozřejmě také své nevýhody, mezi které patří především nutnost důkladného zmapování hydraulického režimu na lokalitě a dlouhodobý monitoring a management fungování stěny. Další nevýhodou může být pak technická náročnost výměny reaktivního média (zejména u klasické kontinuální stěny) a nutnost odstranění média po ukončení provozu stěny.
Popis technologie
Propustná reaktivní stěna může být instalována jako stěna kontinuální nebo jako tzv. systém trychtýř-brána (funnel-and-gate) či drén-brána (trench-and-gate). Kontinuální stěna (obr. 1) je tvořená pouze propustnou reaktivní výplní a představuje nejjednodušší formu PRS. Tento typ stěny se zpravidla buduje jako souvislý výkop nebo jako systém překrývajících se širokoprofilových vrtů vyplněných reaktivní výplní.
Systém trychtýř-brána (obr. 2) má část tvořenou nepropustnou podzemní stěnou, která svádí podzemní vody do propustné reaktivní části. Tato konfigurace umožňuje lepší zachycení kontaminačního mraku a optimální umístění reaktivní části. Na lokalitách, kde je proudění podzemních vod příliš heterogenní, umožňuje tento systém umístění reaktivní brány v propustnější části kolektoru. Tam, kde není distribuce kontaminantů uniformní, umožňuje lepší homogenizaci znečištění před vstupem do reakční brány. Tím jsou vytvořeny podmínky pro přesnější, a tím ekonomičtější dimenzování velikosti reakčního prostoru. Nepropustná část podzemní stěny je zpravidla tvořena zaráženými štětovnicemi nebo jílocementovou těsnicí stěnou.
Konfigurace drén-brána je řešena obdobně jako předchozí systém, místo nepropustné podzemní stěny je však v tomto případě nainstalován podzemní drén, jímž je sváděna kontaminovaná podzemní voda do podzemního reaktoru. Do výkopu pro uložení podzemního drénu je uložena na "vzdušné" straně fólie zamezující podtékání drénu. Přečištěná podzemní voda odtéká přímo do horninového prostředí nebo je do kolektoru rozváděna systémem vsakovacích galérií. Tím je dosaženo minimálního vzdutí hladiny a preferenčního proudění podzemní vody do podzemního reaktoru.
Kromě výše uvedených konfigurací může být PRS tvořena také např. systémem linií sorpčních pilot či biospargingových vrtů. Použití technologie PRS s více reakčními branami je pak vhodné tam, kde je třeba zajistit požadovanou dobu zdržení, především na lokalitách, kde je kontaminační mrak široký, při vysoké rychlosti proudění a tam, kde je velikost reaktivní brány omezena způsobem instalace.
Vlastní reakční segment stěny je pak zpravidla instalován ve formě reakčních bran, kesonů či in-situ reaktorů.
Reaktivní náplň
Reaktivní médium vhodné pro použití jako náplň stěny musí splňovat zejména podmínku kompatibility s okolním horninovým prostředím. Nesmí způsobovat nežádoucí chemické reakce nebo vytvářet toxické vedlejší produkty při reakci s látkami obsaženými v kontaminované vodě, a také nesmí působit jako zdroj znečištění. Z tohoto požadavku vyplývá tedy nutnost důkladného poznání a charakterizace reaktivního média.
Z důvodu zajištění ekonomické rentability by si také měl reaktivní materiál udržet své požadované vlastnosti po dlouhou dobu a jeho pořizovací náklady by měly být nízké. Zároveň by měl mít takovou zrnitost, resp. propustnost, aby minimálně omezoval proudění podzemní vody. V současnosti nejpoužívanějším reakčním médiem jsou nulamocné kovy, zvláště pak granulované železo. Korozí nulamocného kovu v reakční bráně dochází ke zvýšené elektronové aktivitě, která rozkládá chlorované uhlovodíky či imobilizuje těžké kovy (např. Cr, As). Nejlépe je popsán proces rozkladu při použití granulovaného železa. Ostatní kovy mohou vyvolávat obdobné reakce s jinou rychlostí.
Kromě reaktivní náplně ve formě nulamocného kovu byly v praxi již odzkoušeny další náplně, jako např. drcený vápenec k neutralizaci pH skládkových vod a ke srážení Cr, směs rašeliny, drceného vápence a hydratovaného vápna k odstranění U, As, Mo a Se, zeolit k eliminaci Sr nebo dnes již klasický sorbent - aktivní uhlí pro odstranění organického znečištění (např. chlorbenzenu, fenolu, aromátů či BTEX).
Příklady doposud realizovaných aplikací
Jak již bylo zmíněno výše, doposud realizované PRS jsou aplikovány především za účelem odstranění halogenovaných alifatických uhlovodíků (zejména chlorovaných) nebo těžkých kovů (šestimocného Cr) chemickou redukcí na médiu tvořeném nulamocným železem.
Pouze malá část PRS byla vybudována pro odstranění jiného typu znečištění (např. ropných látek, aromátů či BTEX). Tyto organické látky jsou v technologii PRS odstraňovány zpravidla sorpcí na granulované aktivní uhlí nebo aerobní biodegradací podporovanou dodáváním O2 do reaktoru.
Zvláštní kategorií jsou tzv. aerobní bariéry spočívající v jedné či více liniích injektážních vrtů budovaných napříč směru proudění podzemních vod. Těmito vrty se do saturované zóny vtláčí atmosférický O2 jako akceptor elektronu. V případě plošné injektáže je tato metoda nazývána také jako biosparging.
První reaktivní stěny s nulamocným železem byly postaveny v druhé polovině 90. let v USA a Kanadě (např. Sunnyvale, Kalifornie, 1995 a Elizabeth City, Severní Karolína, 1996), Severním Irsku (Belfast, 1995) a pak v Německu (např. Bitterfeld, 1999). Do současnosti byly PRS s nulamocným železem postaveny také v dalších evropských zemích, např. Rakousku, Dánsku, Holandsku a také v České republice.
Téměř současně s "klasickými" PRS byly postaveny první biospargingové bariéry, např. na lokalitě East Garington, Alberta v roce 1995 a v Alamedě, Kalifornie, 1997. Technologie biospargingových stěn byla již úspěšně odzkoušena také v Evropě, a to např. na lokalitách v severní Itálii či v Nizozemí.
Biobariéry na principu biofiltru
Poměrně novou záležitostí v oblasti aplikace PRS je využití biobariér pracujících na principu biofiltru. Tyto biobariéry jsou konstruovány v podstatě jako in-situ reaktorové biofiltry, ve kterých je na vhodné náplni ukotven mikrobiální biofilm, v němž dochází k vlastní degradaci kontaminantů. Na rozdíl od klasických reaktivních stěn jsou polutanty v biobariéře odstraňovány dvěma cestami - nejprve jsou při průchodu bioreaktivní stěnou sorbovány na reaktivní médium a následně pak odbourány či přeměněny působením specifických mikroorganismů. Z tohoto důvodu je za jeden z velmi důležitých aspektů aplikace biobariér tohoto typu považován výběr vhodného reaktivního média. Vhodné bioreaktivní médium musí splňovat nejen všechny podmínky jako u klasické PRS, ale zároveň také musí vytvářet vhodné prostředí pro mikroorganismy. Zejména nesmí inhibovat či jiným způsobem ovlivňovat metabolickou aktivitu mikroorganismů a musí umožnit dostatečné osídlení povrchu mikroorganismy a vytvoření aktivní vrstvy biofilmu. Neméně důležitým faktorem aplikace biologické bariéry na principu biofiltru je zajištění potřebných optimálních parametrů procesu (tj. pH, teplota, koncentrace nutrientů a v případě aerobních bariér také zajištění dostatečné koncentrace kyslíku).
Technologické uspořádání biofiltračních biobariér je velmi podobné klasické reaktivní propustné stěně (tj. kontinuální, trychtýř-brána či drén-brána), nicméně je třeba si uvědomit, že zanesení biologického prvku do bariéry, a zejména pak nutnost zajištění optimálních podmínek pro mikroorganismy, může znamenat nutnost určitých technologických úprav konstrukce PRS a může přinést řadu obtíží. Např. nutnost zajištění dostatečného množství kyslíku, udržení optimálního pH v celé biobariéře, v případě anaerobní PRS je to pak zejména udržení vhodné teploty a pH v celém reaktivním médiu a odvod vyprodukovaného bioplynu.
Dalším problémem v případě využití biobariéry může být zarůstání stěny biomasou, tzv. biofouling, jehož důsledkem může dojít ke snížení propustnosti reaktivní stěny, což může vést k nežádoucímu vzdouvání hladiny podzemní vody a k obtékání biobariéry.
Praktických realizací biologických stěn na principu biofiltru je doposud poměrně málo, nicméně úspěšnou aplikaci stěn tohoto typu lze dokumentovat na příkladu tzv. denitrifikační biobariéry s náplní organického uhlíku oživeného baktériemi kmene Pseudomonas sp. Tato biologická bariéra byla realizována v pilotním měřítku v Kanadě v roce 1995. Výsledky ukázaly, že je možné v tomto systému dosáhnout rychlé denitrifikace, a tím snížení obsahu dusičnanů z koncentrací typických pro odpadní vody až na limity stanovené pro pitné vody. Doposud jediná známá aplikace biologické stěny na principu biofiltru v Evropě je na lokalitě Synthesia, a. s., Pardubice, provozovaná od konce roku 2003 firmou DEKONTA, a. s., ve formě pilotní zkoušky.
DEKONTA, a. s.
ENACON, s. r. o.
