Zrnitost zeminy
Zrnitost zeminy je zásadním faktorem, který principiálně předurčuje použitelnost většiny dekontaminačních technologií (klasifikace zemin podle zrnitosti - viz Obr. 4-1 a 4-2). Obecně platí, že hrubě zrnité materiály, jako jsou písky a štěrky, jsou vzhledem k dobré propustnosti nejsnáze sanovatelné. Pokud zeminu naopak tvoří jemné jílové částice, je aplikace řady dekontaminačních technologií v důsledku malé propustnosti a silné sorpce kontaminantů značně ztížena. Spočívá-li sanace ve spalování, mohou jemné částice vést k vysokému úniku jemných podílů v plynech z rotačních spalovacích pecí v důsledku turbulence. Jemné částice mohou rovněž prodlužovat dobu sedimentace a mohou obklopovat větší částice a tím zeslabovat vazby v solidifikačních a stabilizačních procesech. Jíly mohou způsobovat nízkou účinnost termických desorpčních technologií v důsledku spékání. Velikost částic se u každé zeminy (horninového materiálu) pohybuje v určitém rozmezí, které se zjiš»uje stanovením tzv. distribuce velikosti částic. Základní klasifikace se potom provádí na základě nejvíce zastoupené velikosti.
Homogenita a isotropie
Homogenita zeminy má principiální význam prakticky u všech in-situ technologií, které jsou závislé na podpovrchovém toku tekutin jako je venting, sanační čerpání, promývání, extrakce a bioremediace. V homogenním materiálu můžeme předpokládat stejnoměrný průchod vzduchu nebo podzemní vody v celém sanovaném objemu. V heterogenních systémech vyznačujících se tzv. preferenčními cestami dochází k velkým lokálním rozdílům v efektu sanačního procesu. Velké částice, jako hrubý štěrk a valouny, jsou nežádoucí pro vitrifikaci a procesy chemické extrakce a také jsou nevhodné pro technologie stabilizace nebo solidifikace.
Sypná hmotnost zeminy a hustota částic
Sypná hmotnost je hmotnost jednotkového objemu zeminy včetně vlhkosti a pórů. Je používána pro konverzi hmotnost/objem v materiálových kalkulacích a může pomáhat při posouzení, zda proběhne správné míšení a převod tepla. Údaje o hustotě částic zeminy jsou důležité u ex-situ technologií zahrnujících praní zemin a dále při stanovení rychlosti sedimentace částic v flokulačních a sedimentačních procesech.
Porozita
Porozita je základním fyzikálním parametrem potřebným pro popis struktury a chování zeminy. V nejjednodušším případě je porozita vyjádřena jako tzv. celková porozita. Při složitějším popisu se vedle této celkové porozity zjiš»ují další příbuzné parametry, jako například distribuce velikosti pórů, objem makropórů, kontinuita pórů, podíl pórů vyplněný vodou, podíl pórů vyplněný vzduchem, případně další. Nejsnáze měřitelná je hodnota celkové porozity, která je ovšem použitelná pouze při silně zjednodušeném pohledu na danou zeminu. Tato hodnota, která se zpravidla pohybuje v rozmezí od 10% do 30% je zjiš»ována srovnáním hustoty suché zeminy ss hustotou vlastních částic zeminy sz. Celková porozita se potom vyjádří vztahem:
Zjištění distribuce velikosti pórů má velký význam při popisu transportních dějů. Zejména významná je znalost objemu velkých pórů, které jsou nejpřístupnější pro pohyb vody a vzduchu. Makroporozita je parametr charakterizující objem pórů větších než 50 mm. Narozdíl od mikropórů podléhají makropóry změnám při manipulaci se zeminou.
Kontinuita pórů je charakteristika, která je zejména důležitá při popisu transportu vzduchu nebo vody v zemině. Číselná hodnota této charakteristiky se pohybuje v rozmezí od 0 (pro kompletně blokované póry) do 1 (pro přímé trubkovité póry). Kontinuita pórů může být například vyjádřena vztahem:
kde Ka........propustnost vzduchu (mm2)
Fa......... objem pórů vyplněný vzduchem (% objemu)
Propustnost (permeabilita) zeminy
Propustností nazýváme schopnost zeminy (horninového prostředí) propouštět vodu nebo vzduch. Obecný způsob vyjádření propustnosti (použitelný pro libovolný typ tekutiny) se opírá o parametr označovaný jako koeficient propustnosti K (m2). Koeficient propustnosti K je geometrickou konstantou zeminy. Vztah mezi průtokovou rychlostí tekutiny vrstvou porézního materiálu potom můžeme vyjádřit rovnicí:
kde Q.........objemový průtok (m3/s)
K.........koeficient propustnosti (m2)
A.........plocha průřezu (m2)
DL.........tlouš»ka vrstvy (m)
DP.........tlakový spád (Pa)
h.........dynamická viskozita
V případě, kdy tekutinou procházející tuhým porézním materiálem je voda, můžeme použít poněkud jednodušší formu výše uvedeného vztahu, která je známá jako Darcyho zákon:
kde Q...............objemový průtok (m3/s)
ks...............koeficient filtrace (m/s)
A................plocha průřezu (m2)
(Dh/DL)......hydraulický gradient
Propustnost zeminy je základní parametr určující účinnost "in situ" technologií. Propustnost úzce souvisí se zrnitostí a lze ji hrubě odhadnout již na základě klasifikace zeminy. Schopnost vyplachujících tekutin (podzemní voda, vzduch, rozpouštědla) kontaktovat a odstraňovat kontaminanty může být snížena nízkou propustností nebo rozdílnou propustností v různých vrstvách zeminy. Roztoky živin používané k urychlení "in situ" biodegradace nejsou rovněž schopné v rozumném čase penetrovat málo propustnými zeminami. Propustnost zeminy vůči vodě a vzduchu je základním parametrem, jehož znalost je nezbytná při prakticky každém popisu transportu v zemině.
K určení propustnosti zeminy (tedy ke zjištění koeficientu propustnosti nebo filtračního koeficientu) se používají následující metody:
- laboratorní stanovení na základě granulometrické křivky nezpevněných materiálů
- laboratorní stanovení hydraulickou zkouškou na neporušeném vzorku horniny nebo soudržné zeminy
- terénní stanovení s pomocí karotážní metody ve vrtu
- terénní stanovení hydrodynamickými zkouškami
Stanovení propustnosti z granulometrické křivky má pouze orientační charakter jednak proto, že použité vzorce jsou zatíženy různými empirickými součiniteli a často použití několika vzorců pro jeden typ zeminy poskytuje hodnotu propustnosti lišící se až o jeden řád. Příčinou je zejména skutečnost, že propustnost zeminy je ovlivněna úložnými poměry, zvláště ulehlostí. Dále je třeba uvážit representativnost odebraného vzorku pro posuzovanou zeminu. Při zjiš»ování propustnosti na neporušeném vzorku zeminy je nutné si uvědomit, že získané hodnoty representují pouze nepatrnou část zkoumaného prostředí. U testovaných vzorků zemin je to otázka faciálního vývoje zkoumané vrstvy a dokonalosti odběru neporušeného vzorku a jeho přípravy pro zkoušku. V případě výskytu puklin nebo jiných ploch nespojitosti ovšem není tento způsob spolehlivý. V hydrogeologické praxi se příliš nepoužívá. Terénní stanovení z výsledků hydrodynamických zkoušek je v hydrogeologii nejpoužívanější metodou, která nejlépe charakterizuje propustnost horninového prostředí.
Vlhkost zeminy
Vysoký obsah vlhkosti v nesaturované zóně snižuje propustnost zeminy (blokováním pórů) a omezuje tak použitelnost ventingu a rovněž může způsobovat problémy při odtěžení a transportu materiálu. Vysoká vlhkost také ovlivňuje vitrifikaci a jiné termické procesy zvýšenými nároky na spotřebu energie a tím zvýšením nákladů. Pokud je na druhé straně vlhkost příliš nízká, dochází ke snížení intenzity biodegradačních dějů.
pH
Hodnota pH zeminy je určující zejména u technologií zaměřených na odstranění kovů. Také mikrobiální diversita a aktivita v biodegradačních postupech může být ovlivněna extremním pH.
Redox potenciál (Eh)
Redox potenciál zeminy je důležitý tehdy, pokud jsou pro dekontaminaci uvažovány oxidačně-redukční reakce. Příkladem těchto reakcí je alkalická chlorace kyanidů, redukce šestimocného chromu siřičitany v kyselém prostředí, aerobní oxidace organických sloučenin na CO2 a H2O, nebo anaerobní rozklad na CO2 a CH4. Udržování nízkého Eh v kapalné fázi zvyšuje anaerobní biologický rozklad určitých halogenovaných organických sloučenin.
Celkový obsah organického uhlíku (total organic carbon - TOC)
Uhlík je v zemině přítomen ve formě organických a anorganických sloučenin. Pro popis chování kontaminujících látek má zásadní význam uhlík organický, jehož obsah bývá zpravidla výrazně vyšší nežli obsah uhlíku anorganického. Prakticky jedinou významnou formou anorganického uhlíku jsou uhličitany. Při zjiš»ování obsahu celkového uhlíku nebo obsahu jedné z forem se obvykle stanoví celkový uhlík a uhlík anorganický a rozdíl mezi těmito dvěma obsahy odpovídá uhlíku organickému. Stanovení anorganického uhlíku, který je tedy předpokládán ve formě uhličitanů spočívá v okyselení zeminy a ve změření množství vyloučeného a odvětraného oxidu uhličitého. Pro stanovení celkového uhlíku se potom nejvíce používá tepelný rozklad vzorku a následné stanovení oxidu uhličitého. TOC je často udáván jako indikátor (ne míra) množství odpadu dostupného pro biodegradaci. TOC zahrnuje uhlík z přirozeně se vyskytujících organických látek i z organických kontaminantů; obojí si konkurují v oxidačně-redukčních reakcích, což vede k potřebě větších množství chemických reagentů, než by bylo potřeba na kontaminant samotný. Frakcionace přirozeného organického uhlíku v zeminách viz Obr. 4-3.
Biochemická spotřeba kyslíku (biochemical oxygen demand - BOD)
BOD vyjadřuje odhad aerobního biologického rozkladu půdní organiky měřením spotřeby kyslíku pro organickou hmotu, která může být nebo případně biodegradována.
Chemická potřeba kyslíku (COD)
COD je mírou kyslíkového ekvivalentu potřebného pro oxidaci organického podílu ve vzorku, který může být oxidován silnými oxidovadly jako dvojchroman či manganistan. Někdy bývají COD a BOD korelovány a poměr COD/BOD udává jiný způsob indikace uplatnění biodegradace či oxidace při ošetření zeminy. COD je také užitečný při posuzování použitelnosti oxidace vlhkým vzduchem.
Přítomnost akceptorů elektronů
Jedním z hlavních faktorů určujících osud biologicky rozložitelných kontaminantů je dostupnost dostatečného množství akceptorů elektronů (tj. kyslík, nitráty, železo, mangan, sulfáty atd.) k podpoření biodegradace.