Katarzyna PAWLUK*, Joanna FRONCZYK*, Kazimierz GARBULEWSKI* Słowa kluczowe: trasy komunikacyjne, zanieczyszczenia, zabezpieczanie środowiska, przepuszczalne bariery reaktywne PRZEPUSZCZALNE BARIERY REAKTYWNE W OCHRONIE ŚRODOWISKA WZDŁUŻ TRAS KOMUNIKACYJNYCH Streszczenie: W artykule zamieszczono wyniki analiz chemicznych próbek wód spływowych i roztopowych pobranych na terenie aglomeracji warszawskiej. Ponadto, przedstawiono charakterystykę zanieczyszczeń środowiska gruntowo wodnego wzdłuż tras komunikacyjnych. Wyniki badań wskazują na skuteczność w zabezpieczaniu środowiska przepuszczalnych barier reaktywnych złożonych z takich materiałów reaktywnych, jak węgiel aktywny i zeolit. W artykule zaproponowano układ warstw materiałów reaktywnych w wielowarstwowej barierze, który uznano za najbardziej efektywny w przypadku zabezpieczenia środowiska gruntowo wodnego wzdłuż tras komunikacyjnych. 1. WSTĘP Główną przyczyną negatywnego wpływu infrastruktury drogowej na środowisko, w tym przede wszystkim na wody podziemne i powierzchniowe, są stałe i płynne zanieczyszczenia - substancje organiczne i metale ciężkie - o stężeniach przekraczających wartości dopuszczalne. Zanieczyszczenia charakterystyczne dla eksploatacji dróg (Rys.1), występujące ciągle (np. spaliny, pył ze ścierania opon), okresowo (np. środki odladzające) lub przypadkowo na skutek awarii (wyciek z cystern, podziemnych zbiorników paliw itp.) migrując do środowiska naturalnego jako spływ powierzchniowy ścieków opadowych (wód spływowych i roztopowych) stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia ludzi. Ścieki opadowe z dróg to zwykle mieszanina zanieczyszczeń, takich jak: metale ciężkie, związki organiczne, substancje stosowane do odladzania nawierzchni oraz zawiesiny. Jak wynika z dotychczasowej praktyki, do zabezpieczenia środowiska gruntowo-wodnego wzdłuż tras komunikacyjnych stosowane są urządzenia infiltracyjne, urządzenia do retencji spływów opadowych, urządzenia do zbierania i separacji substancji olejowych oraz układy separatorów [1],[2]. W ostatnim dwudziestoleciu zaproponowano do zabezpieczenia środowiska technologię przepuszczalnych barier reaktywnych (PBR). W PBR zanieczyszczenia są usuwane z wód na drodze procesów geochemicznych zachodzących podczas kontaktu substancji zanieczyszczających z materiałem reaktywnym wypełniającym barierę. Ze względu na różnorodny charakter i skład wód spływowych oraz roztopowych najskuteczniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie bariery wypełnionej sekwencją materiałów reaktywnych, zwanej wielowarstwową przepuszczalną barierą reaktywną (WPBR). Przy opracowywaniu projektu WPBR wzdłuż tras komunikacyjnych należy zwrócić szczególną uwagę na możliwość wkomponowania bariery w tradycyjny system odwodnienia dróg (rowy i zbiorniki infiltracyjne, studnie chłonne itp). * Katedra Geoinżynierii SGGW w Warszawie, ul. Nowoursynowska 159, Warszawa 02-787
Rys. 1. Źródła zanieczyszczeń charakterystycznych dla eksploatacji dróg Fig. 1. Sources of pollution typical for road use 2. ZANIECZYSZCZENIA ŚRODOWISKA GRUNTOWO WODNEGO WZDŁUŻ TRAS KOMUNIKACYJNYCH Zgodnie z prawem ochrony środowiska [3], prawem wodnym [4] oraz rozporządzeniem Ministra Środowiska z 24.07.2006 r. [5] ścieki opadowe stanowią wody opadowe pochodzące z powierzchni zanieczyszczonych tj. drogi krajowe, wojewódzkie oraz powiatowe klasy G. Źródłem powstawania zanieczyszczeń są zarówno pasy ruchu, jak i inne elementy drogi pobocza, skarpy, obiekty inżynierskie oraz pozostałe obiekty towarzyszące drogom (stacje paliw, miejsca obsługi podróżnych, miejsca poboru opłat, obwody utrzymania dróg) [5], [1]. Główne źródła zanieczyszczeń w spływach powierzchniowych z dróg stanowią [1]: materiały pędne, smary, oleje, dodatki organiczne do produktów naftowych, woski, smoły, silikony, gazy spalinowe (Pb, Zn, Fe, Cu, Cd, Ni, tlenki węgla i azotu oraz związki fosforu), produkty ścierne opon i tarcz hamulcowych (Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Fe, Cd, S, kauczuk, sadza), resztki zużywających się elementów pojazdów, produkty zużywających się nawierzchni drogowych i materiałów konstrukcyjnych (pył zawierający domieszki Si, Ca, Mg, Ni, Mn, Pb, Cr, Zn, As, popioły lotne, asfalt, organiczne składniki bitumiczne), środki używane do zimowego utrzymania dróg, zanieczyszczenia z nieprawidłowego transportu materiałów sypkich i płynnych, skażenia wynikające z kolizji i niekontrolowanych rozlewów transportowanych substancji. Podstawowe wskaźniki zanieczyszczenia ścieków spływowych wraz z zakresem stężeń odnotowanych przez Instytut Ochrony Środowiska [6] zamieszczono w tabeli 1.
Tabela 1 Podstawowe wskaźniki zanieczyszczenia spływów powierzchniowych z dróg Table 1 Basic indicators of pollutants in surface runoff Wskaźnik Wartości wg badań IOŚ [6] Zawiesina ogólna 200 320 mg/ l Chemiczne zapotrzebowanie na tlen ChZT 14,7 29237,3 mgo 2 /l Metale ciężkie ołów 0,2 1,0 mg/l; żelazo 0,007 5,9 mg/l; cynk 0,002 2,2 mg/l; chrom 0 0,006 mg/l; kadm 0 0,001 mg/l; Substancje ropopochodne, w tym substancje ekstrahujące eterem naftowym (SEEN) Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) Chlorki 1,2 82,1 mg/l (17,0 151, 9 mg/ l) 0,0026 2,97 mg/l 72,7 7425,8 mg/l W celu ograniczenia ilości zanieczyszczeń odprowadzanych do środowiska naturalnego z odwadnianej powierzchni dróg stosuje się wiele metod i technologii, spośród których można wymienić: (1) urządzenia retencyjne i infiltracyjne - zbiorniki, muldy i rowy trawiaste oraz studnie i rowy chłonne, (2) podczyszczanie mechaniczne (osadniki, separatory substancji ropopochodnych, rowy trawiaste itp.), (3) oczyszczalnie biologiczne - stawy retencyjno filtracyjne itp., (4) urządzenia odcinające odpływ do odbiornika substancji niebezpiecznych w sytuacjach awaryjnych - zastawki, przegrody poprzeczne w rowach, zasuwy odcinające, zamknięcia na dopływie lub odpływie z separatora [1], [6]. 4. WYNIKI BADAŃ WŁASNYCH W ramach realizowanych w Katedrze Geoinżynierii prac badawczych przeprowadzono analizę składu zanieczyszczeń wód spływowych z tras komunikacyjnych w pobliżu terenów cennych przyrodniczo na terenie aglomeracji warszawskiej. Do badań wytypowano osiem miejsc poboru próbek, których lokalizację przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Lokalizacja miejsc poboru próbek Fig. 2. Location of sampling sites Próbki zostały pobrane dwukrotnie w ciągu roku 2010 - w styczniu i w lipcu. Zestawienie otrzymanych wyników stężeń wybranych wskaźników zanieczyszczeń ścieków opadowych wraz wartościami NDS zostało przedstawione na rysunku 3. Analiza składu chemicznego ścieków opadowych potwierdziła dotychczasowe badania IOŚ, które wskazywały na podwyższone wartości niektórych wskaźników oraz na ich zmienność w czasie. Odczyn pobranych próbek mieścił się w zakresie od 6,84 do 8,16, natomiast przewodność elektryczna od 4,95 do 205 µs/cm. Najwyższe przekroczenia odnotowano w przypadku stężenia niklu i ołowiu (stężenia przekraczały 5-krotnie wartości NDS - najwyższe dopuszczalne stężenie wg [5]) oraz anionów chlorkowych w próbkach pobranych w okresie zimy (przekroczenia 7-krotne NDS). Podwyższone wartości chlorków w wodach roztopowych wynikały z dużego zasolenia śniegu zalegającego na drodze lub
w jej pobliżu i co się z tym wiąże zastosowania dużych ilości środków odladzających nawierzchnię zawierających sole. Obecność metali ciężkich w oznaczanych próbkach mogła wynikać z zanieczyszczenia nimi środków stosowanych do utrzymania nawierzchni w okresie zimy lub z emisji spalin i pyłów z różnego rodzaju źródeł ( np. elektrociepłownia, korodowane części balustrad, tablic i znaków drogowych). Stężenie kadmu w wodach roztopowych i spływowych oraz miedzi w wodach roztopowych z punktów poboru od 4 do 8 były mniejsze od granicy oznaczalności, która odpowiednio wynosiła 0,0002 i 0,002 mg/l. charakteryzowały się wielokrotnie mniejszymi stężeniami chlorków w porównaniu z wodami roztopowymi - odnotowano stężenia w zakresie od 2,8 do 48,0 mg/l. NSD 0,5 mg/l NSD 1000 mg/l NSD 0,5 mg/l NSD 50 mg/l NSD 0,5 mg/l NSD 2,0 mg/l Rys. 3. Wyniki analiz chemicznych ścieków opadowych z dróg aglomeracji warszawskiej Fig. 3. Results of chemical analysis of road run-off from the Warsaw agglomeration 3. KONCEPCJA PRZEPUSZCZALNYCH BARIER REAKTYWNYCH W przypadku obszarów cennych ekologicznie, w okolicy których zlokalizowane są trasy komunikacyjne, zaproponowano zastosowanie technologii PBR należącej do metod wspomagania naturalnych procesów samooczyszczania środowiska gruntowo-wodnego. PBR stanowią strefę gruntu wypełnioną materiałem reaktywnym, w której podczas przepływu zanieczyszczeń wraz z wodami
gruntowymi dochodzi do częściowego lub całkowitego usunięcia substancji zanieczyszczających w wyniku procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych bez jednoczesnej zmiany stosunków wodnych w gruncie. Poprzez wybór odpowiedniego materiału reaktywnego wypełniającego PBR można usunąć zarówno zanieczyszczenia organiczne, jak i nieorganiczne. Szczegółowy opis technologii, wyboru materiału reaktywnego i zasad projektowania PBR zamieszczono m.in. w USEPA (1998) i Fronczyk (2004). Po przeanalizowaniu wyników badań próbek ścieków opadowych stanowiących mieszaninę zanieczyszczeń, zaproponowano zastosowanie wielowarstwowej PBR. System multibarier został opracowany na początku wieku przez naukowców z Belgii pod kierownictwem J. Dries a [7]. Analiza dotychczasowych rozwiązań technologicznych PBR i wyników badań własnych podanych w niniejszym artykule umożliwiła opracowanie rozwiązań przedstawionych w tabeli 3: (1) bariery ciągłe - wykop wąskoprzestrzenny wypełniony dwoma warstw materiałów reaktywnych: zeolitem i węglem aktywnego, przedzielonych perforowaną ścianką szczelną; (2) system DART - system kilku studni wypełnionych materiałem reaktywnym - mieszanką węgla aktywnego i zeolitu; (3) rowy i zbiorniki infiltracyjne - poziome bariery z materiałów reaktywnych i geowłókniny (chroniącej przed kolmatacją) przykrywające dno i skarpy rowów oraz zbiorników infiltracyjnych. Na obecnym etapie badań zaproponowano zastosowanie węgla aktywnego i zeolitu, jako materiałów reaktywnych, których zdolności do unieruchamiania metali ciężkich i zanieczyszczeń organicznych są powszechnie znane. Jednakże, istnieje konieczność przeprowadzenia badań laboratoryjnych w szerszym zakresie dotyczących przydatności materiałów reaktywnych wykorzystywanych do usuwania zanieczyszczeń charakterystycznych dla ścieków opadowych. Konfiguracja wielowarstwowych PBR powinna być dobrana na podstawie właściwości reaktywnych proponowanych materiałów. Tabela 3 Propozycje WPBR wzdłuż tras komunikacyjnych Table 3 Proposed multibarriers along road system Technologia PBR Bariera ciągła Technologia DART- system studni Poziome bariery w rowach i zbiornikach infiltracyjnych
4. WNIOSKI Ścieki opadowe z wybranych dróg aglomeracji warszawskiej stanowią mieszaninę zawiesin, substancji organicznych, metali ciężkich oraz soli, w których największy udział mają aniony chlorkowe, kationy ołowiu i niklu. Do zabezpieczenia środowiska gruntowo wodnego wzdłuż tras komunikacyjnych, znajdujących się na terenach cennych ekologicznie proponuje się zastosować wielowarstwowe przepuszczalne bariery reaktywne (WPBR). Wyniki przeprowadzonych badań uzasadniają wstępne zalecenie wykorzystania do budowy WPBR zeolitów i węgla aktywnego. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2010 2013 jako projekt badawczy nr N N523 561638 LITERATURA [1] SYBILSKI D., Ekologiczne zagadnienia odwodnienia pasa drogowego. Praca wykonana na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad, Warszawa, 2009. [2] ZAWILSKI M., Metody oczyszczania spływów opadowych w aspekcie budownictwa drogowego, Białystok, 2007 [3] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska (tekst jednolity: Dz. U. z 2001 r. nr 62, poz. 627, z późn. zmianami). [4] Ustawa z dnia 18 lipca 2001 r. Prawo wodne (tekst jednolity: Dz. U. z 2001 r. nr 115, poz. 1229, z późn. zmianami). [5] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz. U. z 2006 r. nr 137, poz. 984 z późn. zmianami). [6] SAWICKA-SIARKIEWICZ H.: Ograniczanie zanieczyszczeń w spływach powierzchniowych z dróg, Warszawa, IOŚ, 2004. [7] http://www.vito.be PERMEABLE REACTIVE BARRIERS FOR ENVIRONMEN PROTECTION ALONG THE TRAFFIC ROUTES In this paper the results of chemical analyses carried out for samples from road run off are presented. Moreover, the methods of environmental protection including recently introduced technology of permeable reactive barrier are described. Considering previous and test results regarding reactive materials presented in this paper configuration of mulbarrier system proposed for protection of ground water environment belong to the road system is presented as the final conclusion.