בשנים האחרונות ישנה מודעות הולכת וגוברת לחשיבות הטיפול בזיהומי קרקע ומניעתם. מודעות זו נובעת ככל הנראה מההכרה בקרקע כמשאב טבע חשוב. אם בעבר התייחסו לזיהומי קרקע כמפגע העלול לגרום לזיהום מי תהום, היום יודעים שלזיהום הקרקע עלולות להיות אף השלכות כלכליות ובריאותיות משמעותיות. דוגמה לשינוי הגישה ועליית מעמדה של הקרקע כמשאב טבע, הינה מעבר משיטות טיפול בקרקעות מזוהמות ע"י חציבה וסילוק למטמנות (Ex-Situ) לשיטות שיקום באתר (In-Situ) או לטיפול Ex-Situ המאפשר מיחזור של הקרקע.

טיפול In-Situ באמצעות החדרת או שאיבת אוויר לקרקע מזוהמת

שתיים משיטות הטיפול בקרקעות מזוהמות באתר (In-Situ) הנפוצות ביותר, כרוכות בשאיבת והחדרת אוויר מאולצת מ-/אלתת-הקרקע. הבחירה בין השיטות השונות נעשית לרוב על פי סוג המזהם, כך שמזהמים נדיפים לרוב נשאבים מהקרקע היות שריכוז המזהמים באוויר הנשאב תלוי בקבוע הנרי או בלחץ החלקי של המזהם. בעוד שמזהמים לא נדיפים מפורקים בתת-הקרקע באמצעות הגברת תהליכי הנשימה המיקרוביאלית ע"י אוורור (חמצון) הקרקע, במידה שמסלול פירוק זה אפשרי. 

לדוגמא: עבור זיהום במרכיבי דלק נדיפים (בנזין, טולואן, קסילן, מתיל-טרט-בוטיל-אלכוהול) תיבחר שיטת שאיבת האוויר (Soil vapor extraction- SVE), בעוד שעבור המרכיבים הכבדים יותר (טבעות פולי ארומטיות) תיבחר שיטת האוורור המאולץ והגברת הפירוק הטבעי (Bio-venting).בשיטת האוורור המאולץ נהוג להתייחס לריכוז חמצן של 10% (מחצית מהריכוז באטמוספירה) כערך מגביל נשימה.

רדיוס השפעה לטיפול באמצעות שאיבת/החדרת אוויר

אחת מסוגיות התכנון המרכזיות של מערך טיפול בקרקע בשיטות אלו הינו קביעת רדיוס ההשפעה. רדיוס ההשפעה הינו הפרמטר התכנוני על פיו יש להתאים הן את ספיקות האוויר הדרושות והן את מרחקי ההצבה של נקודות ההחדרה/שאיבה הנדרשות. לכן פרמטר זה יקבע במידה רבה את יעילות וכדאיות שיטת השיקום.

רדיוס ההשפעה נובע מכך שהאוויר המוחדר לקרקע נפלט אל האטמוספירה מפני הקרקע (במקרה של שאיבת אוויר, האוויר הנשאב חודר לקרקע מהאטמוספירה), כך שנוצר מרחק בו אין השפעה להחדרת (או שאיבת) האוויר. לכן איטום פני השטח בבטון, יריעות או שכבות קרקע עם מוליכות נמוכה מעל נקודת ההחדרה/שאיבה צפויות להגדיל את רדיוס ההשפעה.

נהוג לחשוב כי בקרקע חרסיתית מתקבל רדיוס השפעה קטן מאשר בקרקע חולית. קביעה זו אינה מדויקת. אמנם, עבור אותו לחץ/תת-לחץ בנקודת ההחדרה/שאיבה יתקבל רדיוס השפעה גדול יותר בקרקע חולית, אך עבור אותה ספיקה רדיוס ההשפעה בקרקע חרסיתית צפוי להיות גדול יותר (כפי שניתן לראות באיור 2). עם זאת, כדי ליצור ספיקה זהה (בקרקע מוליכה ובקרקע בעלת מוליכות נמוכה) יידרש לחץ/תת-לחץ גדול יותר בקרקע חרסיתית (מוליכות נמוכה). לכן רדיוס ההשפעה תלוי בהתנגדות הקרקע ובאופיין המפוח/משאבה.

שיטות לקביעת רדיוס השפעה

השיטה הנפוצה ביותר לקביעת רדיוס השפעה הינה קביעת ערך לחץ/תת-לחץ מינימאלי. באופן שרירותי, ערכים נפוצים הם 0.1 אינץ מים, 1 אינץ מים ו-10% מהלחץ/תת-לחץ בבאר הטיפול (Suthersan, S.S., 1999). שיטה זו איננה מתאימה (USACE, 2002) היות וכמות החמצן המוחדרת (Bio-venting) או מסת המזהם המסולקת (SVE) אינן תלויות כלל בלחץ האוויר. לעומת זאת, מוצע לקבוע את רדיוס ההשפעה על פי המרחק מבאר הטיפול, בו מתחלף נפח האוויר 10 פעמים ביום עבור שאיבת אוויר (SVE) או פעם ביום עבור החדרת אוויר (Bio-venting).

שיטה זו טובה יותר מבחינה פיזיקאלית למרות שהיא מזניחה פרמטרים חשובים כגון צריכת החמצן (עבור Bio-venting) והנדיפות (לחץ חלקי או קבועי הנרי) השונה של מזהמים שונים. באתרים בהם קיימת צריכת חמצן נמוכה, ייתכן שהחדרת נפח אוויר פעם בשבוע תהיה מספקת. בדומה לכך, עבור מזהמים נדיפים מאוד ייתכן ששאיבת נפח אוויר של פעם אחת ביום תספיק לסילוק מזהמים יעיל.

כיצד מחשבים את רדיוס ההשפעה?

קביעת רדיוס ההשפעה על פי ההגדרה הראשונה (עפ"י לחץ אוויר מינ') נעשה ע"י התקנת מספר נקודות תצפית במרחקים רדיאליים שונים מנקודת ההזרקה ומדידת הלחץ בהן. לאחר מדידת הלחץ מתאימים עקום חצי לוגריתמי (פונקציה לוגריתמית) ומחשבים את המרחק בו יתקבל הלחץ/תת-לחץ המבוקש.

קביעת רדיוס ההשפעה על פי ההגדרה השנייה (עפ"י המרחק מבאר הטיפול בה מתחלף נפח האוויר 10 פעמים ביום) נעשה ע"י התאמת מודל זרימה. בעבור שאיבת אוויר מהקרקע  (SVE) נהוג להשתמש במודלים הידרולוגים לחישובי שפילה באקוויפר כלוא או באקוויפר מחלחל (leaky aquifer). עבור חישוב רדיוס ההשפעה בהחדרת אוויר, ניתן להשתמש בפתרון אנליטי להזרקת אוויר בתת-הקרקע מתחת למשטח שווה לחץ (Ben Noah and Freidman, 2015) ומציאת קו הזרם הרלוונטי.

שימוש במודל זרימה לחישוב רדיוס ההשפעה

היתרון העיקרי בשימוש במודל זרימה זה הינו כמות הפרמטרים הקטנה הדרושה לתיאור הקרקע (Philip, 1998):

1. a - גודל פיזיקאלי הופכי לאורך הקפילארי מתאר את היחס בין הכוחות האופקיים לאנכיים הפועלים על האוויר. ערך זה מאפיין את סוג הקרקע - ככל שהקרקע חרסיתית יותר ערך זה צפוי להיות קטן יותר.

2. K0 - מוליכות הידראולית מינימאלית. גודל זה איננו פיזיקאלי כיוון שהמוליכות המינימאלית הינה 0 אך זו לא מאפשרת זרימת אוויר. את הערך הזה יש להתאים על פי עומק ההטמנה של המקור ועומק המפלס הפריאטי באתר.

ניתן לכייל את שני הפרמטרים על פי פירוס הלחצים שנמדד במהלך מבחן ההיתכנות.

באתרים בהם קיים כיסוי בטון בפני השטח מוצע להשתמש בפתרון לקרקע אינסופית, ולא בפתרון עם פני שטח. איור 1 מציג את קווי הזרם ופירוס הלחץ בהחדרת אוויר 10 מ' מתחת לפני הקרקע (ימין) ובקרקע אינסופית (שמאל). כפי שניתן לראות, כאשר עומק המקור גדול, אין הבדל משמעותי בין שני הפתרונות.

לחץ על האיור להגדלה
איור 1: קווי הזרם הלא ממדיים (כחול) ופירוס לחץ האוויר (שחור) בהחדרת אוויר בספיקה של 10 מק"ש בקרקע בעלת ערך a=1m^-1 ומוליכות הידראולית מינימאלית של K0=10^-6m/hr בעומק של 10 מ' מתחת למשטח בעל לחץ אטמוספרי (ימין) ובקרקע אינסופית (שמאל), עומד המים שווה ל- -20m

המודל המוצע הינו עבור מקור נקודתי. ניתן להתאים את הפתרון עבור מקור קווי, כגון באר החדרה, באמצעות שימוש בעקרון הסופרפוזיציה; ע"י דימוי של מספר רב של מקורות נקודתיים קרובים. אולם במקרה זה תיתכן סטייה בלחץ כיוון שההתנגדות בהחדרה ממקור קווי גדולה מאשר ההתנגדות מבאר בעלת רדיוס ממשי. ניתן להתגבר על כך ע"י התאמת הפרמטרים a ו-K0, כך שיתקבל הלחץ שנמדד בבאר במרחק אופקי מהמקור השווה לרדיוס הבאר.

קו הזרם (בצורתו הלא ממדית) הינו הקו בו עוברת מנה קבועה מהספיקה המוחדרת. כלומר, בקו זרם 0.9 עוברת 90% מהספיקה. אנליזה זו נוחה במובן שקו הזרם אינו תלוי בספיקה עצמה, כך שאותו קו זרם מייצג את אותו נפח קרקע בכל ספיקה. מקביעת קו הזרם הדרוש לנו (המקיים את רדיוס ההשפעה הנדרש) וחישוב נפח הקרקע הכלוא בקו זרם זה, ניתן לקבוע את הספיקה הדרושה. לחילופין ניתן לקבוע את הספיקה ולהריץ את המודל בצורה איטרטיבית (חיזרור) עד למציאת קו הזרם הכולא נפח קרקע שמתאים לספיקה שנקבעה.

לדוגמה, במידה והוחלט להחדיר ספיקה של 10 מק"ש ונפח הקרקע התחום ע"י קו הזרם של 0.6 הינו 400 מ"ק ותכולת האוויר הממוצעת הינה 0.3 אזי שנפח האוויר יוחלף כל 20 שעות כך שעבור החלפת אוויר של פעם אחת ביום ניתן לעבור לקו זרם גדול יותר. אם בחישוב יתקבל שקו הזרם 0.7 תוחם נפח קרקע של 600 מ"ק אזי שנפח האוויר יוחלף כל 25.7 שעות כך שקו הזרם המתאים נמצא בין 0.7 ל-0.6 וכך בצורה איטרטיבית ניתן למצוא את קו הזרם המתאים.

כפי שניתן לראות באיור 2, ככל שעומק החדרת האוויר גדול יותר, כך גם רדיוס ההשפעה גדל. במידה ורדיוס ההשפעה הנדרש נקבע באופן בלתי תלוי (כגון אילוצי האתר), ניתן להשתמש באותו מודל בכדי לקבוע את עומק ההטמנה הדרוש. 

לחץ על האיור להגדלה
איור 2: קווי הזרם הלא ממדיים (0.1 עד 0.9 באינטרוול של 0.1) בהחדרת אוויר בספיקה של 10 מק"ש לקרקעות בעלות ערכי a של 10 (שמאל), 1 (מרכז) ו-0.1 (ימין) ובעומקי הטמנה של 5 (למעלה), 10 (אמצע) ו-15 (למטה) מ' מפני משטח בעל לחץ אטמוספרי. נלקח המוליכות הידראולית מינימאלית של K0=10^-6m/hr  ועומד המים שווה ל- -20m

מגבלות מודל זרימה לחישוב רדיוס השפעה

גם אם מודלים אלו אינם מתארים את כל התופעות הפיזיקאליות בזרימת אוויר, הרי שקיומו של פתרון אנליטי מאפשר הן תיאור פנומנולוגי של התופעה והן שימוש מעשי, הנדסי. בעוד שהנחת זרימת אוויר תמידית הינה ככל הנראה סבירה, הנחת פרוס הידרוסטטי של המים עלולה להיות בעייתית.

סיכום

אחת השיטות הנפוצות לטיפול בקרקע מזוהמת In-Sito היא באמצעות איוורור מאולץ (bio-vent) - החדרת אוויר המגבירה את קצב פירוק המזהמים. הפרמטר העיקרי הקובע את יעילות השימוש בשיטה זו הוא רדיוס ההשפעה. 

על מנת לבצע שיקום יעיל של קרקע מזוהמת באמצעות bio-vent, חשוב להתאים את שיטת החישוב של רדיוס ההשפעה, החלטה שיכולה לחסוך משאבים רבים.

הכותבים הם אילן בן נח, נמרוד גפני וד"ר רפי מנדלבאום מחברת LDD (אל.די.די). החברה מנוסה בשיקום IN-SITU של אתרים מזוהמים ומיישמת מגוון שיטות ביולוגיות, פיסקליות וכימיות לטיפול במי תהום מזוהמים.

----------

קישורים רלוונטיים:

1. זיהום קרקע - עמוד ראשי, infospot
2. מאמר: סקר היסטורי כשלב ראשוני בחקירה סביבתית לאיתור פוטנציאל זיהום קרקע, 11.08.2015
3. מאמר: טיפול בזיהום מי תהום של חומרים אורגנים מוכלרים 28.05.2015

References

US Army corps of engineers (USACE), 2002, Engineering and design: soil vapor extraction and bioventing

Suthersan, S.S., 1999, Soil vapor extraction. Remediation engineering: design concepts. Boca Raton: CRC Press LLC

Ben Noah I. and Freidman S.P., 2015, Continuum modeling of steady air injection into partially saturated soils.Vadose Zone J.

Philip J.R., 1998, Full and boundary-layer solutions of the steady air sparging problem. Journal of Contaminant Hydrology 33:337-345