Experimentální sledování kontaminace půdního porézního materiálu při vícefázovém proudění

Ing. Ayele Teressa Chala

Doctoral thesis

Abstract:

Podpovrchová kontaminace látkami typu LNAPL (látky tvořící fázi lehčí než voda) a její remediace zahrnuje vícesložkové vícefázové proudění kapalin. Správná charakterizace a sanace kontaminovaných lokalit vyžaduje komplexní porozumění chování látek typu LNAPL v přírodních porézních systémech. Cílemi této práce je zhodnotit různé metody pro kvantifikaci porézních médií s ohledem na LNAPL a vyhodnotit vliv různých kapalin a aplikačních dávek na dekontaminaci porézních médií a regeneraci oleje. Pro tyto účely byly provedeny dvě sady pokusů na homogenně nahutněných sloupcích křemenného písku. V jedné sadě pokusů byly vzorkovací sloupce písku nasyceny různými poměry vody k LNAPL, zatímco v druhé sadě pokusů byl vzorkovací sloupec nasycen pouze LNAPL. Vzorky vody a/nebo LNAPL byly odebrány za použití peletek aktivního uhlí (PAU), stanoveny gravimetricky a obsah vody byl měřen pomocí senzorů vlhkosti půdy. V druhé sadě pokusů byl LNAPL nahrazován ve vzorkovacích sloupcích vodou, etanolem a hexanem při průtoku 200 ml/h a vodou při 100, 400 a 800 ml/h. Výsledky ukazují, že PAU mohou vzorkovat vodu a LNAPL poměrně, ale s větším rozptylem; ze vzorkovacích sloupců nasycených pouze jednou kapalinou bylo odebráno větší množství kapaliny. Ukazuje se také, že ze vzorkovacích sloupců, které jsou nasyceny nižším poměrem vody k LNAPL, může být odebráno více vody a LNAPL. Na druhé straně jsou výsledky ze senzorů půdní vlhkosti a gravimetrické metody podobné u vyšších poměrů vody k LNAPL. Snižování poměru zvýšením množství LNAPL ovlivnilo obsah vody u obou metod. Ovlivnilo gravimetrický obsah vody zvýšením podílu sušiny a následně vedlo k nižšímu odhadu obsahu vody. Dále je výsledkem nadhodnocený odhad obsahu vody senzory půdní vlhkosti modifikací relativní permitivity vzorkovacího sloupce, což bylo úspěšně použito při odhadu obsahu LNAPL pomocí dielektrického směšovacího modelu. Výsledky z druhého souboru experimentů ukazují, že by bylo možné získat statisticky významné množství oleje za použití hexanu ve srovnání s vodou a ethanolem. Výsledky získané aplikací různých dávek vody ukazují, že množství LNAPL získané až do průniku vody do vzorkovací aparatury bylo statisticky významně odlišné, i když celkové množství regenerovaného oleje nebylo vzájemně statisticky odlišné. Na konci experimentu bylo regenerováno 91%, 61% a 61% oleje za použití hexanu, ethanolu a vody při průtoku 200 ml/h a 59%, 61% a 63% za použití vody při 100, 400 a 800 ml/h.

Abstract:

Subsurface contamination by Light Non-Aqueous Phase Liquid (LNAPL) and its remediation involves multi-component multi-phase liquid flow. Proper characterization and remediation of the contaminated sites require comprehensive understating of the behavior of LNAPLs in natural porous media. The aims of this work are to evaluate different methods for the quantification of porous media with respect to LNAPL and to evaluate the impact of different liquids and injection rates on the decontamination of the porous media and oil recovery. For these purposes there were two sets of experiments done on uniformly packed silica sand sample columns. In one set of the experiments, sample columns were subjected to different water to LNAPL ratios and in the other, sample columns were saturated with LNAPL only. Water and/or LNAPL were sampled using Activated Carbon Pellet (ACP), determined through gravimetric analysis method and water content was measured using soil moisture sensors. In the other set, LNAPL was displaced from the sample columns with water, ethanol and hexane at 200 ml/h and with water at 100, 400 and 800 ml/h flooding rates. The results show that ACP could sample water and LNAPL proportionally but with higher variance, though more liquid was sampled from sample columns subjected to only one liquid. It also shows that more water and LNAPL could be sampled from sample columns subjected to lower water to LNAPL ratios. On the other hand, results from soil moisture sensors and gravimetric analysis method were similar for higher applied water to LNAPL ratios. However, decreasing the ratio by increasing the amount of LNAPL affected water content from both methods. It affected gravimetric water content by increasing the oven dry solid mass and subsequently resulted in lower water content estimation. It resulted in over estimation of water content from soil moisture sensors through the modification of the bulk relative permittivity of the sample column, which in turn was used successfully in estimating LNAPL content using the dielectric mixing model. Results from the second set of experiments show that it could be possible to recover statistically significant amount of oil using hexane compared to water and ethanol. Results from water injection rates show that the amount of LNAPL recovered up to water breakthrough were statistically a significantly different even though the overall recovered oil were not statistically significant from each other. At the end of the experiment, it can be possible to recover 91%, 61% and 61% using hexane, ethanol and water at 200 ml/h, and 59, 61 and 63% using water at 100, 400 and 800 ml/h flooding rates respectively.

Keywords

Vícefázový tok, Kontaminace, LNAPL

Keywords

LNAPL, Multi-phase flow, Contamination

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 9. 2018

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Svatopluk Matula, CSc.
• Reader: Vladimír Hönig, Ph.D., doc. Ing., Zbyněk Kulhavý, externi, Václav Kuráž, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Exploitation and Conservation of Natural Resources