Katarzyna Pawluk

Application of permeable reactive barriers near roads for chloride ions removal

Application of permeable reactive barriers near roads for chloride ions removal One of the most critical sources of pollutants are road run-offs. Road run-off is a complex mixture of toxicants e.g. heavy metals, de-icing agents, organic compounds and water suspensions of solid substances. One of the most negative impact on the environment has sodium chloride which is used as de-icing agent. In the case of incorrect environment protection in the vicinity of roads pollutants may migrate to groundwater causing hazard to sources of potable water. One of the methods to prevent the migration of pollutants to groundwater is imposing the flow of polluted water through a reactive material filling a permeable reactive barrier (PRB). This paper examines the feasibility of selected reactive materials for the reduction chlorides concentration in road run-offs. Four different reactive materials: zero valent-iron, activated carbon, zeolite and geza rock have been chosen for studies. The tests results indicated that the most popular reactive materials used in PRB technology, activated carbon and zero-valent iron, removed exhibited the highest efficiency in chloride ions removal. Moreover, the composition of road run-off in samples collected along roads in Warsaw was determinated. Zastosowanie Przepuszczalnych Barier Reaktywnych przy drogach do usuwania jonów chlorkowych Do poważniejszych źródeł zanieczyszczenia środowiska gruntowo-wodnego należą wody spływowe z dróg, które są mieszaniną substancji szkodliwych, złożoną m.in. z metali ciężkich, związków stosowanych do odladzania, związków organicznych i zawiesin. Powszechnie stosowaną substancją do odladzania nawierzchni jest negatywnie oddziaływujący na środowisko chlorek sodu. W przypadku nieprawidłowego zabezpieczenia środowiska gruntowo-wodnego wzdłuż dróg zanieczyszczenia mogą migrować do wód gruntowych, powodując zagrożenie dla źródeł wody pitnej. Jedną z metod zapobiegania tym zjawiskom jest wymuszony przepływ zanieczyszczeń przez materiały reaktywne wypełniające przepuszczalną barierę reaktywną (PRB). Celem badań jest zbadanie przydatności wybranych materiałów reaktywnych do zmniejszenia stężenia chlorków w wodach spływowych z dróg. W artykule przedstawiono analizę czterech materiałów reaktywnych pod kątem usuwania chlorków. Wyniki badań wskazują na to, że materiały, które są najpowszechniej wbudowywane w PRBs - węgiel aktywny i żelazo elementarne, usuwają największą ilość tych zanieczyszczeń. Ponadto, w ramach badań, zbadano skład chemiczny próbek śniegu pobranych wzdłuż dróg w Warszawie.

Evaluation of single and multilayered reactive zones for heavy metals removal from stormwater

In this paper, the ability of granular activated carbon (GAC), silica spongolite (SS) and zeolite (Z) to remove heavy metals from aqueous solutions has been investigated through column tests. The breakthrough times for a mobile tracer that does not sorb to the material for SS, GAC and layered SS, Z and GAC were as follows: 2.54×104 s, 2.38×104 s and 3.02×104 s. The breakthrough time (tbR) for Ni was in the range from tbR = 1.70×106 s for SS, through tbR = 3.98×105 s for the layered bed, to tbR = 8.75×105 s for GAC. The breakthrough time for Cd was in the range from tbR = 1.83×105 s for GAC to tbR = 1.30×106 s for SS, Z, GAC. During the experiment, the concentration of Cd, Cu, Pb and Zn in the solution from a column filled with construction aggregate and the concentration of Pb, and Cu in a filtrate from the column filled with several materials was close to zero. The reduction in metal ions removal was due to high pH values of the solution (above 8.00). In addition, during the testing period, an increase in Cd and Zn concentrations in the filtrate from the column filled with the layered bed was observed, but at the end of the experiment the concentrations did not reach the maximum values. The test results suggest that the multilayered permeable reactive barrier is the most effective technology for long time effective removal of heavy metals.

Hydraulic performance of zero-valent iron and nano-sized zero-valent iron permeable reactive barriers – laboratory test

Abstract Hydraulic performance of zero-valent iron and nano-sized zero-valent iron permeable reactive barriers - laboratory test. The hydraulic conductivity of zero-valent iron treatment zone of permeable reactive barriers (PRBs) may be decreased by reducing the porosity caused by gas production and solids precipitation. The study was undertaken in order to evaluate the influence of chloride and heavy metals on the hydraulic conductivity of ZVI and nZVI using hydraulic conductivity tests as well as continuous column tests. Results show that the lead retention in the solution had no impact for hydraulic conductivity in ZVI sample, on the other hand the calculated hydraulic conductivity losses in nZVI sample (from 4.10·10-5 to 2.30·10-5 m·s-1) were observed. Results also indicate that liquids containing the mixture of heavy metals may cause significant decrease in hydraulic conductivity (from 1.03·10-4 to 1.51·10-6 m·s-1). During the column tests, several number of clogging of the reactive material caused by iron hydroxides precipitation was observed over the course of injection of heavy metals solution. In contrast, the hydraulic conductivity of ZVI and nZVI is unaffected when they are permeated with chloride ions solution (k = 1.03·10-4 m·s-1). Finally, the results indicate the need to take account of changes in the hydraulic conductivity of reactive materials for successful implementation of PRBs technology. Streszczenie Właściwości filtracyjne przepuszczalnych barier reaktywnych zbudowanych z żelaza zero-wartościowego i nano-żelaza zero- -wartościowego - badania laboratoryjne. Produkcja gazów oraz wytrącanie się nierozpuszczalnych cząstek stałych może być przyczyną zmian współczynnika filtracji przepuszczalnych barier reaktywnych PBR wykonanych z żelaza zero-wartościowego (ZVI). Zmiany te mogą być przyczyną nieprawidłowego przebiegu procesów oczyszczania środowiska gruntowo-wodnego. W artykule przedstawiono wyniki laboratoryjnych badań przepuszczalności hydraulicznej mających na celu sprawdzenie wpływu chlorków i metali ciężkich (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) na wartość współczynnika filtracji (k) wybranych materiałów reaktywnych - ZVI i nZVI. Analiza uzyskanych wyników badań wykazała brak wpływu chlorków oraz jonów ołowiu na współczynnik filtracji ZVI (k = 1,03·10-4 m·s-1). Obecność Pb(II) w roztworze spowodowała natomiast znaczące zmniejszenie wartości k nZVI z 4,10·10-5 do 2,30·10-5 m·s-1. Przepływ roztworu zawierającego mieszaninę metali ciężkich przez próbkę ZVI również spowodował zmniejszenie zdolności filtracyjnych materiału, co mogło być spowodowane intensywnie zachodzącymi procesami redukcji materiału. Współczynnik filtracji podczas trwania badania zmniejszył się z wartości 1,03·10-4 do 1,51·10-6 m·s-1. Podczas filtracji roztworu mieszaniny metali ciężkich przez kolumny wypełnione ZVI zaobserwowano kolmatację materiału spowodowaną wytracaniem się wodorotlenków żelaza i metali ciężkich, czemu towarzyszyło zwiększenie odczynu oraz zmniejszenie potencjału oksydacyjno-redukcyjnego roztworu wypływającego z kolumny. Zaprezentowane w artykule wyniki badań wskazują na konieczność uwzględnienia podczas projektowania PBR wpływu zanieczyszczeń na zmiany właściwości filtracyjnych materiałów reaktywnych.

Removal of dissolved metals by activated carbon from road runoff in batch systems – equilibrium and kinetic

Abstract: Removal of dissolved metals by activated carbon from road runoff in batch systems – equilibrium and kinetic. Activated carbon is an effective sorbent for removing organic and inorganic contaminants from aqueous solutions. In conducted experiments, granulated activated carbon (GAC) was used to examine the adsorption processes of heavy metals (Cd, Cu, Ni, Pb and Zn). Studies (performed in batch system) were carried out as a function of time, heavy metals concentration and pH values. The obtained results show that GAC effectively removes mentioned metals. Numerous kinetic models were used to investigate the mechanism of adsorption processes. Using the Langmuir isotherm, the maximum adsorption capacities were calculated to be 3.010, 3.662, 4.430, 3.800 and 4.169 mg·g–1 for Cd, Cu, Ni, Pb and Zn, respectively, in neutral conditions and 2.684, 2.578, 3.482, 2.592 and 2.253 mg·g–1 in acidic conditions.

Strength and Numerical Analysis in the Design of Permeable Reactive Barriers

Permeable reactive barriers are one of the most important in situ technologies in groundwater remediation. Most of the installed PRBs have tended to use singular reactive media, but there is an increasing number of applications using combined or sequenced media to treat mixtures of contaminants within a groundwater plume. The concept of a multi-layered permeable reactive barrier (MPRB) to prevent and protect groundwater along traffic routes, especially in ecologically and naturally valuable areas, was developed following several field and laboratory investigations conducted in the Department of Geotechnical Engineering of the Warsaw University of Life Sciences. In accordance with the guidelines of the Interstate Technology & Regulatory Council for the selection of reactive materials, numerous laboratory and field investigations should be performed to determine the environmental conditions, type and concentrations of the contaminants, and the physical-chemical and permeability properties of the reactive materials. However, the deformation and strength properties of the reactive materials should be also considered in the design and evaluation of the safety conditions. In this paper, strength and deformation properties of silica spongolite, zeolite, and activated carbon were investigated using direct shear and oedometer tests. The laboratory test results were used in numerical calculations with the application of the finite element method. The aim of this study was to define the impact of the installation stages of a multi-layered permeable reactive barrier on the stability of a road embankment. Numerical analysis may prevent, reduce or eliminate the risk in the case of a breakdown during the construction or/and exploitation of a PRB.

Technologie wykonania przepuszczalnych barier reaktywnych

Przepuszczalne bariery reaktywne (PBR) to jedna z innowacyjnych technologii zabezpieczania i oczyszczania środowiska gruntowo-wodnego i jednocześnie alternatywna w stosunku do energochłonnej metody „pompuj i oczyszczaj”. PBR to konstrukcja inżynierska w podłożu gruntowym wypełniona materiałem reaktywnym, w której podczas przepływu wód gruntowych dochodzi do przechwycenia zanieczyszczeń lub redukcji ich stężeń do wartości akceptowalnych. Od początku stosowania wykorzystano szereg technologii ich wykonania, obejmujących m.in. tradycyjne i alternatywne technologie wykopowe, iniekcję, mieszanie wgłębne oraz różne konstrukcje, w zależności od parametrów zanieczyszczeń i warunków terenowych. Pomimo szerokiego stosowania nadal istnieją nierozwiązane problemy dotyczące ich wykonania i długoterminowego działania. W artykule przedstawiono przegląd technologii PRB, który obejmuje stan techniki, zalety i ograniczenia oraz perspektywy zastosowania jej w Polsce.

Reactivity of nano zero-valent iron in permeable reactive barriers

Abstract In this paper, the ability of nZVI to remove heavy metals (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) from multicomponent aqueous solutions was investigated through batch experiments. The experimental data were fitted to a second-order kinetic model based on solid capacity. The data for copper and lead fitted well into the second-order kinetic model, thus suggesting that the adsorption had a physical character. The values of the removal ratio and the second-order rate constant indicated that the order of adsorption priority of nZVI was as follows: Pb>Cu>Zn>Cd>Ni. The adsorption isotherm data were described by the most conventional models (Henry, Freundlich, and Langmuir). Equilibrium tests showed that copper and zinc were removed from the solution by adsorption processes, i.e., complexation and competitive adsorption. The test results suggested that the removal processes using nZVI are more kinetic than equilibrium. The study demonstrated that nZVI is favorable reactive material; however, comprehensive investigation should be performed for further in situ applications in PRB technology.