Il caso studio illustra le fasi di progettazione e installazione di una PRB per la rimozione di uranio dalle acque sotterranee presso la città di Zhovty Vody, in Ucraina \cite{Kornilovych_2018}. Questa città, situata nel bacino minerario di Kryvyi Rig, a causa delle attività industriali associate alla lavorazione dell’uranio, ha fatto registrare un significativo inquinamento delle acque sotterranee. Per ovviare a questa problematica si è deciso di intervenire installando una PRB. Il primo passo è stato la caratterizzazione del sito. In particolare, si tratta di un sito di stoccaggio di sterili provenienti dalla lavorazione di uranio, situato a circa 1,5 km a sud di Zhovty Vody nel canale Shcherbakovskaya, affluente del fiume Zhovta. Per molti anni il percolato di questa struttura si è infiltrato nel sottosuolo, contaminando le acque sotterranee sottostanti. La stratificazione del sottosuolo è composta da sottili strati superficiali di terre argillose, argille e sabbie (circa 3,5 m di spessore) che ricoprono uno strato di granito abbastanza permeabile (che raggiunge una profondità di 6 m) nel quale è situata la falda. Le acque sotterranee nel granito fluiscono verso est dall'area della struttura di stoccaggio e scaricano verso il fiume Zhovta. I dati di monitoraggio vicino all’impianto, provenienti da una rete di 8 pozzi di monitoraggio, hanno indicato un plum di contaminazione delle acque sotterranee ad alta concentrazione di nitrati e solfati. La configurazione del pennacchio corrisponde bene alla direzione del flusso delle acque sotterranee. Il campionamento geochimico dettagliato delle acque ha rivelato la presenza di ioni metallici (Na+, K+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Fetot, Cotot, Mntot), altri componenti chimici (Mg2+, Ca2+, NH4+, HCO3−, Cl−, SO42−, NO3−, solidi sospesi totali TDS) e uranio disciolto (Utot). Nello specifico, le concentrazioni di uranio (0,42 mg/L) superavano in maniera significativa i livelli massimi stabiliti dall’USEPA, che per l’uranio sono 0,03 mg/L.
Per individuare i materiali e mezzi reagenti più adatti per la PRB, sono stati effettuati una serie di esperimenti di laboratorio seguendo un approccio chimico e un approccio microbiologico. L’approccio chimico è stato perseguito attraverso batch tests (assenza di flusso) e test su colonna (flusso gravitazionale). I batch tests sono stati utili per selezionare i materiali reagenti e determinare l’efficienza di rimozione di tali reagenti in soluzioni di uranio contenenti agenti complessanti cioè sostanze presenti nelle acque sotterranee che formano complessi con ioni U (VI). A tale scopo sono stati testati tre diversi tipi di ferro zero valente. Il primo campione (ZVI1) era un ferro spugnoso (Fe > 99,5%) con particelle di dimensioni < 0,16 mm, il secondo campione (ZVI2) era un ferro (Fe>90%) con dimensioni delle particelle > 1,0 mm e un terzo campione (ZVI3) di rottami di ferro con dimensioni delle particelle comprese tra 1,0 mm e 2,0 mm. Con i test in colonna sono state testate tre miscele di materiali come riempimento per la PRB. In particolare, la prima miscela conteneva ferro zero valente in polvere (ZVI2) e sabbia (riempimento attivo inorganico), la seconda ferro zero valente in polvere (ZVI2) con ghiaia, farina di ossa, segatura e attivatore (riempimento attivo organico-inorganico), e la terza ghiaia, farina di ossa, segatura e attivatore (riempimento attivo organico). Comunità batteriche anaerobiche sono state usate come attivatore per avviare i processi di bioriduzione dell’uranio.
Per valutare i diversi mezzi reattivi, sul sito da trattare si è installato una PRB con configurazione innovativa, formata da 21 cilindri suddivisi in tre gruppi da 7. Ogni gruppo di pozzi conteneva un diverso mezzo di trattamento. Infatti, il primo aveva come mezzo di riempimento attivo inorganico, il secondo un riempimento attivo organico-inorganico e il terzo un riempimento attivo organico. Tutti i cilindri avevano un diametro di 0,35 m e una profondità di 6 m tale da intercettare il flusso sotterraneo della falda. Inoltre, 8 pozzi di monitoraggio (3 a monte della PRB, 2 all’interno della PBR e altri 3 a valle della PRB) sono stati installati per campionare e verificare le efficienze di rimozione dell’uranio.
I risultati dei batch tests, hanno mostrato che il campione ZVI1 permetteva di avere la massima rimozione di uranio. Inoltre, si è dimostrato che la presenza di ligandi naturalmente presenti nelle acque sotterranee, che formano complessi con gli ioni U (VI), può influenzare considerevolmente la reattività dei materiali ferrosi, facendo diminuire l’efficienza di rimozione dell’uranio. Gli esperimenti in colonna, invece, hanno dimostrato una rimozione quasi completa di U (VI). Infine, i risultati ottenuti dai pozzi di monitoraggio installati nei pressi della barriera reattiva permeabile hanno indicato una notevole riduzione della contaminazione da uranio delle acque sotterranee. In particolare, i cilindri più performanti sono stati quelli composti da materiale di riempimento inorganico e quelli con riempimento organico-inorganico.