Prezentacja

Transkrypt

Prezentacja

Otwarte seminaria 2012
Innowacyjne metody chemicznego
i biologicznego oczyszczania
zanieczyszczonych gleb i wód podziemnych
– projekt UPSOIL
mgr inż. Mariusz Kalisz
Zakład Ochrony Środowiska, Zespół zagospodarowania odpadów
dr Janusz Krupanek
Zakład Zarządzania Środowiskowego, Zespół Polityki Ekologicznej
www.ietu.katowice.pl
EU-25:
ok.3.5 mln terenów zanieczyszczonych
Główne źródła i rodzaje zanieczyszczeń:
-
-
-
metale ciężkie,
rozlewy paliw (węglowodory) i substancji
chemicznych w przemyśle,
czynniki odłuszczające, rozpuszczalniki –
węglowodory chlorowane,
rozpuszczalniki, ropopochodne i
węglowodory aromatyczne: benzen,
toluen, xylen, etylen (BTEX)
procesy zgazowania oraz procesy
niepełnego spalania: wielopierścieniowe
związki aromatyczne (WWA),
pozostałości po działalności wojskowej
węglowodowy
aromatyczne
(BTEX)
6%
wielopierścieni
o-we
węglowodory
aromatyczne
(WWA)
13%
fenole
4%
węglowodowy
chlorowane
2%
inne
4%
metale cięŜkie
37%
ropopochodne
34%
Rodzaje zanieczyszczenia gleb w Europie (EEA
EIONET)
Otwarte
seminaria
2012
TECHNIKI
remediacji
– ogólny podział
Techniki Ex-situ:
– (+) skuteczność w przypadkach gdzie wymagana jest minimalizacja czasu
prowadzenia remediacji, a tereny zanieczyszczone mają niewielką powierzchnię
(m.in. przygotowanie terenów inwestycyjnych)
– (-) relatywnie wysokie koszty (zwłaszcza na terenach o dużym i rozległym
zanieczyszczeniu) generowanie odpadu w postaci zanieczyszczonej gleby
– (-) zaburzenie funkcji terenu, naturalnych warunków glebowych i
hydrogeologicznych, niski „wskaźnik zrównoważenia”
Techniki In-situ:
– (+) techniki bezinwazyjne, korzyści przyrodnicze - brak konieczności naruszania
struktury gleby
– (+) możliwość prowadzenia aktywnej remediacji na terenach zurbanizowanych,
przemysłowych czy komunikacyjnych z istniejącą rozwiniętą infrastrukturą, w czasie
normalnego cyklu użytkowania terenu
– (+) relatywnie niskie koszty
– (-) długi czas remediacji
Otwarte
seminaria
2012
Metody
remediacji
(1)
Bioremediacja - efektywny sposób remediacji terenu zanieczyszczonego
związkami organiczymi, m.in. weglowodorami pochodzenia naftowego.
Podstawowe metody:
– biostymulacja (dodanie pożywek w celu poprawy stopnia naturalnej biodegradacji);
– bioaugmentacja (dodanie konsorcjum bakteryjnego z gatunkami wyizolowanymi z terenu zanieczyszczonego wraz z pożywkami,
– zastosowanie gotowych preparatów dostępnych na rynku, zawierających
szczepy bakterii przystosowane do remediacji określonych typów zanieczyszczeń.
MNA – monitored natural attenuation - w sprzyjających warunkach dla rozwoju
mikroflory, możliwe jest wykorzystanie wyłącznie ciągłego procesu naturalnej
regeneracji gleb (soils natural ability to degrade the contaminant),
monitorowanie i kontrola samooczyszczania.
Metody ekstrakcyjne – wydobycie zanieczyszczonego
medium: wody (pump and treat P&T) lub fazy gazowej
celem usunięcia zw. lotnych (air sparging, IAS, soil
vapour extrastion SVE etc…)
Otwarte
seminaria
2012
Metody
remediacji
(2)
Metody chemiczne i fizykochemiczne – np. ISCO, ISCR, Soil washing
Usuwanie zanieczyszczeń rozpuszczonych w wodach podziemnych bądź
zaabsorbowanych na cząstkach gruntu wskutek zainicjowanych reakcji chemicznych
Przemywanie gruntu roztworami środków powierzchniowo czynnych (surfaktantów):
– obniżenie napięcia międzyfazowego pomiędzy zanieczyszczeniem organicznym a
wodą, zwiększenie przewodności hydraulicznej oraz biodostępności
zanieczyszczenia,
– w procesie in-situ - zmniejszenie sił
kapilarnych zwiększa mobilność układu i
szybkość przemieszczania zanieczyszczenia
– kosztowo-efektywna metoda oczyszczania
gleby. Wady: związki te zaabsorbowane na
cząstkach gruntu, pozostają w glebie po
zakończeniu remediacji, co może
niekorzystnie wpływać na rozwój
mikroorganizmów glebowych. Stosowane
surfaktanty winny cechować się niską
toksycznością i łatwo ulegać biodegradacji
(np. niejonowe związki powierzchniowo
czynne).
Metody
remediacji - ISCO (In-Situ Chemical Oxidation)
Iniekcja do wód podziemnych (gruntu) związków chemicznych o
charakterze utleniającym, które są w stanie bardzo szybko
neutralizować szeroką gamę zanieczyszczeń organicznych (m.in.
węglowodory chlorowane, PAHs, BTEX, fenole, PCB, TCE, PCE,VOC).
•
•
•
•
•
•
•
Do najczęściej używanych związków stosowanych do utleniania zanieczyszczeń
ropopochodnych należą:
nadsiarczany (np. sodu Na2S2O8, potencjał utleniania ok. 2V),
aktywowane nadsiarczany (SO4-•, potencjał utleniania 2,6V),
ozon O3 (potencjał utleniania 2-2,4V),
czynnik Fentona (OH-•, potencjał utleniania 2,8V),
nadtlenek wodoru (H2O2, potencjał utleniania 1,8V)
nadmanganiany (np. KMnO4, NaMnO4, potencjał utleniania ok. 1,7V).
Elementy optymalizacji: dobór odpowiedniego utleniacza wg kryterium
skuteczności względem obecnych w środowisku zanieczyszczeń, oraz w funkcji
kosztów
seminaria 2012
ISCOOtwarte
– przykładowa
charakterystyka utleniaczy
P-poor, G-good, E-excellent
Wspomaganie
fizyko chemiczne bioremediacji
Zastosowanie biodegradacji wspomaganej utlenianiem
chemicznym celem zwiększenia efektywności
remediacji gruntów:
– naturalne wspomaganie procesu utleniania przewietrzanie gleby (bioventing) lub ozonowanie:
ograniczenia homogeniczne warunki umożliwiające
równomierny przepływ gazów;
– wspomaganie bioremediacji metodami chemicznego
utlenianiania (ISCO);
– wspomaganie bioremediacji metodami
fizykochemicznymi (np. przemywanie gruntu).
Wspomaganie
fizyko chemiczne bioremediacji
Dotychczasowe doświadczenia wskazują że:
– chemiczne utlenianie może być zastosowane jako wstępny etap procesu
bioremediacji, odpowiednie połączenie tych metod, pozwala uzyskać efekty
trudne do uzyskania w akceptowalnym wymiarze czasowym i przy
akceptowalnym poziomie ryzyka, jeżeli technologie te byłyby zastosowane
osobno.
– Przy odpowiednim podejściu zastosowane w pierwszej fazie chemiczne
utlenianie nie tylko nie redukuje aktywności autochtonicznej mikroflory, a
wręcz powoduje późniejszą stymulację procesów biologicznego oczyszczania.
– Krótkotrwały proces ISCO zwiększa
biodostępność węglowodorów o
dłuższych łańcuchach molekularnych
(C16-C40) i ich podatność na rozkład
przez mikroorganizmy glebowe.
Proces taki zwiększa całkowitą ilość
masy zanieczyszczenia usuwanego z
gruntu, które w drugiej fazie podlega
biodegradacji.
Projekt UPSOIL
Sustainable Soil Upgrading by Developing Cost effective,
Biogeochemical Remediation Approaches
Rozwój kosztowo – efektywnych biogeochemicznych sposobów
remediacji na rzecz trwałego podnoszenia jakości gleb
Projekt badawczy finansowany w ramach Siódmego Programu
Ramowego Unii Europejskiej w ramach działu 6 ŚRODOWISKO
(uwzględniający zmiany klimatyczne)
Strona projektu: www.upsoil.eu
UPSOIL - konsorcjum
Koordynator: Fundación Tecnalia Hiszpania
Partnerzy:
• VITO-MPT, Belgia
• Deltares/TNO,Holandia
• Wageningen University,Holandia
• IETU, Polska
• INCD ECOIND,
Rumunia
• The Swedish Geotechnical Institute, Szwecja
• ENACON s.r.o. , Czechy
• ECOREM-Baltic, Litwa
• DEKONTA, Czechy
• POWIZ Sp. z o. o, Polska
• Ejlskov A/S, Dania
• REHABILITACIÓN DE SUELOS, Hiszpania
• Biutec, Austria
• Geotecnia y Cimientos, S.A., Hiszpania
Otwarte
seminaria 2012
Rekultywacja
zanieczyszczonego
środowiska
gruntowo-wodnego
Trzy osie optymalizacji i doskonalenia rozwiązań
• Koszt – konieczność zwiększania efektywności kosztowej remediacji
• Czas - remediacja powinna pozwalać na szybkie uwalnianie terenów dla
potrzeb rozwoju terenów miejskich przemysłowych
• Zrównoważenie - stosowane technologie powinny gwarantować jednocześnie,
eliminację problemu dalszej odpowiedzialności za degradację terenu oraz
utrzymanie i przywrócenie funkcji gleby
Potrzeby i wyzwania:
• kompleksowe rozwiązania, łączące znane i dostępne techniki, zmierzając do
minimalizacji kosztów z założeniem osiągnięcia akceptowalnych poziomów
ryzyka
UPSOIL – istota podejścia, kierunki badawcze
•
smart coupling - podejście łączące chemiczne i biologiczne techniki
bezinwazyjne in situ, oparte o krótkoterminowy proces remediacji z
dalszym długoterminowym procesem rehabilitacji środowiska (procesy
samooczyszczania środowiska - MNA).
Metody chemiczne
Poziom zanieczyszczenia
•
•
•
Sterowana systemowo iniekcja czynnika remediującego
(utleniacz, substancja redukująca)
Dokładne i selektywne stosowanie środka remediującego
Modelowanie w czasie rzeczywistym oraz dynamiczny
monitoring postępów remediacji – celem uzyskania zwrotnej
kontroli procesu
A k c e p t o w a n y p o z io m r y z y k a
M e to d y
b io lo g ic z
ne
D łu g o t e r m in o w y c e l j a k o ś c i g le b y
10
20
30
la t a
Otwarte seminaria
2012testowe (Flandria BE)
UPSOIL
– poletka
Terminal portowy (Flandria) wybudowany w latach 1977-78 (nabrzeże przeładunkowe,
strefa magazynowa), teren częściowo wyłączony z użytkowania. Główne
zanieczyszczenia: BTEX, weglowodory chlorowane, m.in. dichlorometan (chlorek
metylenu CH2Cl2), dichloroeten, 1,2 - dichloroetan (ETE), chlorek vinylu (VC), oleje
mineralne, PAH’s, VOC.
Prace terenowe: analiza danych
archiwalnych, badania wody i
gruntu, wykonanie poletka
testowego (sieć obserwacyjna),
instalacja aparatury pomiarowej
Otwarte(BE)
seminaria
Flandria
•
•
•
2012
Iniekcja utleniacza – 435 kg
nadmanganianu sodu
(sodium permanganate NaMnO4) – mobilne
urządzenie z systemem
iniekcyjnym MIP-IN na bazie
aparatury Geoprobe,
opracowane w ramach
realizacji projektu UPSOIL.
Kontrolne odczyty danych z
logerów (przed, w czasie i po
iniekcji), dodatkowe badania
laboratoryjne jakości
zanieczyszczonej wody, ocena
postępu procesu (ORP, EC,
zmiana barwy wody).
Modelowanie efektywności
reakcji w oparciu o odczyty online i badania laboratoryjne.
Otwarte
seminaria 2012
System
iniekcyjny
MIP-IN
MIP-IN Injection System
Otwarte seminaria
Monitorowanie
w czasie 2012
rzeczywistym - zwrotna kontrola procesu ISCO
System pomiarowy przekazujący dane w czasie
rzeczywistym (logery) jest instalowany przed iniekcją
w studniach monitoringowych
PC host - Receiver
Manhole
Transmitter ZigBee
Multilogger
Narzędzie modelujące:
Kalkulacja podstawowych - parametrów (ROI, ilość utleniacza),
Model geochemiczny + monitoring:
- Wizualizacja przebiegu reakcji
- Alarm w przypadku pojawienia się nieoczekiwanych wartości
17
Otwarte seminaria
2012 WSPOMAGANIE REMEDIACJI
NARZĘDZIE
MODELUJĄCE:
T0A – 17 tyg. przed iniekcją
T0B – 1 tydz. przed iniekcją
T1 – 1 tydz. po iniekcji
T2 – 3 tyg. po iniekcji
Otwarte
UPSOIL
–seminaria
poletka2012
testowe (Węgliniec – PL)
Teren kolejowy (Węgliniec) - punkt tankowania
lokomotyw spalinowych, oraz rejon mycia
lokomotyw parowych i spalinowych. Ok. 40letni okres eksploatacji terenu, od roku 1998
wyłączony z użytkowania (tankowanie),
punkt mycia taboru zlikwidowany w latach
’70-tych.
Główne
zanieczyszczenia:
związki ropopochodne
(diesel, nafta)
Poletko
testowe2012
– NAPL (Węgliniec)
Otwarte seminaria
1.
2.
Strefa skażona obejmuje ok. 3m warstwę gruntów
nasypowych (żużel, piaski, pospółka, żwiry, gruz),
ograniczoną autogeniczną warstwą torfu traktowaną
jako warstwa izolacyjna (k <1×10-8 m/s). Strefa źródłowa
- wolny produkt (diesel), poza tą strefą (plume) obecny
film paliwowy; zawartość olei mineralnych w wodzie na
poziomie 0,2 – 4 mg/dm3, oraz lokalnie silne przesycenie
gruntu ciężkimi frakcjami olejowymi
Zanieczyszczenie powoduje utrudniony przepływ wód
podziemnych - na podstawie wykonanych badań
hydrogeologicznych rejestrowany spadek filtracji z k=56x 10-4 [m/s] dla gruntu niezanieczyszczonego (olej
mineralny ok. 60 mg/kg), do 1-3x 10-7 [m/s] w
warunkach silnego oglejenia ciężkimi frakcjami
ropopochodnymi (olej mineralny do 8000 mk/kg).
Prace
rozpoznawcze I etap
Teren
Otwarte seminaria
badań -2012
Węgliniec
Prace terenowe
•
•
•
Analiza danych archiwalnych
(system remediacji COWI)
wstępne badania wody,
próbek gruntu i badania
laboratoryjne,
wybór lokalizacji poletka
testowego
Otwarte seminaria
2012
Poletko
testowe
- Węgliniec
Prace
rozpoznawcze
Otwarte
seminaria 2012II etap, wykonanie poletka dośw.
•
•
wykonanie poletka
doświadczalnego
wiercenia - dodatkowe
badania zmienności
zanieczyszczeń w profilu
głębokości
Otwarte seminaria
Poletko
testowe2012
Węgliniec – badania wód podziemnych
Medium
date
Sample
description
pH
Conductivity
Total organic
carbon
Mn*
Fe*
ClNO2
NO3
SO4Na
NH4
Mg
K
Ca
Mineral oil
Benzines C6-C12
water
15.04.11
[mS/cm]
T-1
6,94
1,11
[mg/l C]
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
33,0
1,47
8,47
3,372
<0,09
<0,1
9,620
2,84
0,305
5,56
1,67
44,58
5,090
31,1
water
15.04.11
T-2
7,18
1,096
28,6
1,79
2,974
0,162
0,348
20,629
3,05
0,267
5,10
2,49
45,81
0,690
30,9
water
15.04.11
B-07
7,10
1,278
23,9
1,25
2,14
4,314
0,177
0,405
401,04
2,68
0,172
12,96
3,85
52,45
0,184
11,3
water
15.04.11
B-12
7,11
1,515
29,4
2,64
24,08
7,096
0,104
<0,1
305,31
4,95
0,569
11,62
7,97
59,92
0,295
53,4
Otwartepodziemna
seminaria 2012 – poletko badawcze
Woda
C-1
T-1
C-2
w strefie gdzie
prowadzony jest
eksperyment
stwierdzono obecność
filmu paliwowego
(0,5-1 mm)
T-3
Otwarte seminaria
Poletko
testowe2012
Węgliniec – badania gleby
Medium
Sample
Depth
pH
Conductivity
Corg
Fe
Mn
Cu
Pb
Cd
Zn
Mineral oil
[mS/cm]
[%]
g/kg d.m
mg/kg d.m.
mg/kg d.m.
mg/kg d.m.
mg/kg d.m.
mg/kg d.m.
mg/kg d.m.
Soil
T1
1,5-2,0m
7,91
117,2
5,35
42,53
823,68
96,29
219,3
2,34
636,6
835
Soil
T2
1,5-1,6 m
7,66
3282
3,55
30,18
702,56
145,9
180,7
1,94
583,6
177
Soil
T3
1,8-2,0 m
8,18
170,1
5,05
21,19
386,82
33,14
56,48
<0,87
171,8
297
Benzines C6-C12 mg/kg d.m.
2,25
1,18
0,95
Wyniki
badań
terenowych
Otwarte
seminaria
2012
December 2011
sample:
T-10
T-1
T-2
T-3
T-4
We-I
C-1
C-2
C-3
C-4
C-5
C-6
C-7
C-8
C-9
C-10
a
6,60
6,88
6,94
6,74
6,83
6,88
7,04
6,99
7,03
6,89
6,91
6,91
6,88
6,96
T-0
°C
r
9,7
9,8
7,9
9,0
9,1
9,4
9,6
9,3
9,3
8,6
8,2
8,7
8,0
9,2
DO
mg/l
6,07
7,48
8,48
4,59
5,74
5,16
5,05
5,89
7,00
4,66
4,19
4,48
4,55
2,10
5,02
EC
µS
1510
1440
1530
1898
1643
1634
1721
1689
1766
1402
1384
1409
1357
1293
1445
ORP
mV
-141
-131
-137
-199
-144
-163
-173
-150
-164
-112
-84
-74
-65
-77
-87
Przewodność
elektrolityczna
właściwa, poziom zwierciadła
Otwarte seminaria
2012
wód podziemnych
Ec
gw level
Identyfikacja
problemu
– wyniki projektu
Otwarte seminaria
2012
•
•
•
Jako poletko testowe wybrano obszar poza
strefą źródłową, gdzie nie stwierdza się wolnej
fazy w wodach podziemnych (ślady filmu
paliwowego)
Elementy utrudniające proces remediacji - duża
zmienność zanieczyszczenia w profilu glebowym,
heterogeniczność gruntu, wysokie
zanieczyszczenie gleby w strefie saturacji (do 12
g/kg s.m.), zróżnicowane wydatki piezometrów
Duża heterogeniczność i zróżnicowanie oglejenia
gruntu w w. saturacji, powodującą powstanie
uprzywilejowanych kierunków przepływów wód.
Zanieczyszczenie substancjami ropopochodnymi
skutkuje znacznym obniżeniem
przepuszczalności w stosunku do wody, do
poziomu 1,7-3,7×10-7 m/s. Bez zanieczyszczenia
DNAPL uzyskano wartości rzędu 4-5×10-4 m/s
Identyfikacja
problemu
– wyniki projektu
Otwarte seminaria
2012
depth
[m.bgl]
Mineral oil in soil C10-C40 [mg/kg d.m.]
C-1
C-2
C-3
C-4
We-I
1,3
1,5
<10
140
95
94
200
250
270
880
66
630
1,7
930
3000
130
2300
1100
1,9
1400
4000
87
2700
12000
2,1
2,3
4500
7800
3200
5400
23
24
5700
1600
8400
5500
2,5
8900
4000
150
910
6400
silne zwietrzenie substancji ropopochodnych zawartych w gruncie,
zastarzały charakter zanieczyszczenia,
przewaga węglowodorów o dłuższych łańcuchach (plume), wskazuje że
proces biodegradacji spowodował usunięcie części zanieczyszczenia bardziej
podatnego na biodegradację (rys) – dalszy proces biodegradacji w tych
warunkach można określić jako małoefektywny.
Struktura
udziału 2012
węglowodorów TPH – wyniki badań
Otwarte seminaria
Gleba: strefa źródłowa/ rejon chmury zanieczyszczenia
100%
90%
udział węglowodorów [%]
80%
C24-C40
70%
60%
C20-C24
50%
C16-C20
40%
30%
C12-C16
20%
C10-C12
10%
0%
strefa źródłowa (TPH 15,4 mg/kg
s.m.)
chmura zanieczyszczenia (TPH
5,2 mg/kg s.m.)
Testy
laboratoryjne chemicznego utleniania
Spadek stężenia Na2S2O8 w czasie – wyniki uzyskane
w testach laboratoryjnych (Deltares)
Wskazania
do przeprowadzenia
remediacji i proponowany
Otwarte seminaria
2012
dobór technologii
• W warunkach laboratoryjnych (wytrząsanie) uzyskano najwyższą
skuteczność usuwania zanieczyszczeń poprzez proces bioremediacji.
• Jak wykazują wyniki badań w warunkach terenowych zachodzenie tego
procesu jest ograniczone (silne oglejenie gruntu, słaba przepuszczalność,
niska zawartość tlenu).
• Założenie: krótkotrwały proces ISCO w charakterze wspomagającym
• Efekt badań laboratoryjnych: Wskazany utleniacz – nadsiarczan sodowy
Na2S2O8
• Przedmiot prowadzonego w 2012r doświadczenia: W jakim stopniu
zaproponowane podejście jest w stanie zwiększyć biodostępność
zanieczyszczenia przy akceptowalnym poziomie ryzyka i przy zachowaniu
potencjału biologicznego gleby wystarczającego do wtórnego
zainicjowania procesów naturalnej biodegradacji,
• W jakim stopniu spowoduje to poprawę właściwości fizycznych gruntu
(zwiększenie wydajności studni, wzrost przepuszczalności gruntu).
Eksperyment
polowy
Otwarte seminaria
2012
Eksperyment
polowy
– wstępne dane z ciągłego monitoringu
Otwarte seminaria
2012
0
-50 0
50
100
150
200
250
300
ORP [mV]
-100
-150
-200
-250
-300
-350
-400
-450
hours
C6
C7
C8
C9
C10
Dziękuję za uwagę
Mariusz Kalisz
Waste Management and Brownfields Redevelopment Departament
Institute for Ecology of Industrial Areas
e-mail: [email protected]

Prezentacja

Transkrypt

Podobne dokumenty

Innowacyjne metody produkcji biopaliw

Innowacyjne Rozwiązania Rewitalizacji Terenów Zdegradowanych