In situ sanering, transport en onttrekken van verontreinigingen

Verontreinigingen worden niet met dezelfde snelheid getransporteerd als het water zelf. Vertraging van de transportsnelheid komt voor als gevolg van sorptie, ionuitwisseling, neerslagvorming en de verplaatsing van stoffen door het bodempakket. Sorptie en ionuitwisseling zijn omkeerbare processen waarbij uitwisseling plaatsvindt tussen de bodem en het grondwater. Deze effecten worden in het algemeen aangeduid met retardatie en kunnen worden gemeten door de stroomsnelheid van water en verontreiniging met elkaar te vergelijken. Inschattingen van de retardatiecofficiënt worden gebaseerd op fysische en chemische fenomenen, zie de volgende vergelijking :

De werkelijke mobiliteit van de individuele stoffen kan worden gemeten door de omvang van de verontreiniging gedurende enige tijd te monitoren. Vooral wanneer een beheerssituatie aan de sanering voorafgaat is dit mogelijk. Een andere mogelijkheid is het nemen van bodemmonsters van de locatie waarmee via laboratoriumproeven de partitiecoëfficiënt kan worden bepaald.

De snelheid waarmee verontreinigingen worden onttrokken wordt na een initiële fase, waarbij convectie (meesleuring door de grondwaterstroming) van verontreinigingen een belangrijke rol speelt, bepaald door de beschikbaarheid van de stoffen. Factoren die deze beschikbaarheid bepalen zijn:

• oplosbaarheid en vluchtigheid van de verontreinigende stof;
• binding van de stoffen aan de bodemmatrix;
• aard van de verontreiniging (bijvoorbeeld zware metalen ingesloten in ijzeroxyde neerslagen of als ion gebonden aan organische stof);
• toegankelijkheid van de verontreinigde bodemdelen op verschillende niveaus (aanstroming pakketten, macro-, microporiën en 'dead-end' poriën). Het verwijderen van verontreinigingen door meesleuring is het efficiëntste mechanisme. Wanneer bodemdelen niet worden aangestroomd, verloopt het transport van verontreinigingen via diffusie totdat een gedeelte van de bodem wordt bereikt waar stroming plaatsvindt. Wanneer het proces wordt bepaald door diffusie zijn de lengte waarover een verontreiniging diffundeert (lengte van de poriën) en de concentratiegradiënt van de stof van groot belang.

Wanneer verontreinigende stoffen worden onttrokken via grondwater of bodemlucht ontstaat een concentratieverloop (zie figuur a). In het concentratieverloop is een aantal fasen te onderscheiden, zie figuur b. De eerste fase kenmerkt zich door een redelijk constante concentratie. Meestroming van verontreinigingen die reeds aanwezig zijn in het grondwater of bodemlucht worden in deze fase uitgespoeld. In de tweede fase neemt de concentratie sterk af, desorptie van verontreinigingen uit goed toegankelijke bodemdelen is hier bepalend voor de beschikbaarheid van de verontreinigingen. Fase drie bestaat uit transport van verontreinigingen uit bodemdelen die minder goed toegankelijk zijn en die na diffusie vanuit macroporiën worden onttrokken. De laatste fase bestaat uit het verwijderen van verontreinigingen die slecht beschikbaar zijn door sterke binding aan de bodemmatrix of omdat ze vanuit microporiën, bodemaggregaten of 'dead-end' poriën naar een stroombaan moeten diffunderen. Wanneer de reiniging zich richt op herstel van de multifunctionaliteit is de laatste fase zeer bepalend voor de duur van de sanering en verdient het aanbeveling zicht te krijgen op de beschikbaarheid van de individuele stoffen door middel van laboratoriumproeven. Daarbij dient rekening te worden gehouden met de heterogeniteit van de locatie waardoor een enkele proef een te eenzijdig beeld kan opleveren.

Figuur 1 Concentratieverloop in grondwater of bodemlucht bij een in situ sanering

Figuur 2 Convectief en diffusief transport van verontreinigingen door bodemlagen

Het transport van verontreinigingen wordt bepaald door een samenspel van evenwichten en overdracht. Een goede doorstroming zorgt voor lage concentraties aan verontreinigende stoffen in het bodemvocht, waardoor verdelingsevenwichten sterk verschuiven en een grote drijvende kracht ontstaat voor desorptie en diffusie. Wanneer slecht doorlatende lagen of dicht gepakte aggregaten in de bodem voorkomen, speelt diffusie van de verontreinigende stoffen een belangrijke rol. Een indicatie voor de tijd die benodigd is voor het verwijderen van een gegeven percentage van verontreinigingen uit een homogeen verontreinigde, slecht doorlatende laag via diffusie wordt verkregen via [Grathwohl, Hassanizadeh]:

Daarbij wordt ervan uitgegaan dat zowel in horizontale als in verticale richting geen stroming optreedt. De schijnbare diffusiecoëfficiënt kan worden berekend door de diffusiecoëfficiënt van een stof in water te corrigeren voor een aantal bodem- en verontreinigingparameters als porositeit en adsorptiecapaciteit.

Voor lineaire sorptie kan de schijnbare diffusiecoëfficiënt worden bepaald via [Grathwohl]:

Voor niet-lineaire sorptie volgens Freundlich kan de schijnbare diffusiecoëfficiënt bepaald worden volgens [Grathwohl]:

De onbekende parameters uit vergelijkingen 5 tot en met 6 kunnen uit literatuur- of laboratoriumonderzoek worden gehaald.

Voor een aantal stoffen is aangegeven welke tijdsduur volgens bovenstaande formules benodigd is voor een reductie van 99 procent in een slecht doorlatende kleilaag van 10 cm (tabel 1). De boven- en onderkant van de laag wordt goed doorstroomd waardoor de concentratie hier vrijwel gelijk is aan nul.

Tabel 1 Schijnbare diffusiecoëfficiënt en schatting van de tijdsduur van een sanering van een slecht doorlatende laag via diffusie, voor een aantal verontreinigingen

De tijdsduur die verstreken is nadat een verontreiniging in de bodem is doorgedrongen, is naast het organische stofgehalte en de doorlatendheid van de bodem een bepalende factor voor de tijdsduur van een in situ sanering. Bij bodemdelen met een lage doorlatendheid zal een ‘verse’ verontreiniging nog niet diep in slecht doorlatende lagen zijn doorgedrongen, het verwijderen van de verontreiniging zal dan kunnen plaatsvinden via convectie. In het geval van een oude verontreiniging, kan de verontreiniging diep in de ondoorlatende laag zijn doorgedrongen waardoor het transport van de verontreiniging via het veel tragere diffusieproces gaat verlopen. Daarnaast speelt de verwering van de verontreinigingen een rol. Door natuurlijke verdamping en door biodegradatie zullen de vluchtigere en de makkelijker afbreekbare componenten een kleiner aandeel vormen in de verontreiniging naarmate de tijd verstrijkt. Verontreinigingen die langere tijd in de bodem aanwezig zijn zullen sterker zijn verweerd een daardoor relatief moeilijk zijn te verwijderen.