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 Otwarte seminaria 2012 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) www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl 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…) www.ietu.katowice.pl 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). www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 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 www.ietu.katowice.pl seminaria 2012 ISCOOtwarte – przykładowa charakterystyka utleniaczy P-poor, G-good, E-excellent www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 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). www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 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. www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 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 www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 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 www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 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 www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl 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. www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 System iniekcyjny MIP-IN MIP-IN Injection System www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl 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 T3 – 8 tyg. po iniekcji T4 – 16 tyg. po iniekcji www.ietu.katowice.pl 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) www.ietu.katowice.pl 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). www.ietu.katowice.pl Prace rozpoznawcze I etap Otwarte seminaria 2012 www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 Poletko testowe - Węgliniec www.ietu.katowice.pl Prace rozpoznawcze Otwarte seminaria 2012II etap, wykonanie poletka dośw. • • wykonanie poletka doświadczalnego wiercenia - dodatkowe badania zmienności zanieczyszczeń w profilu głębokości www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl Przewodność elektrolityczna właściwa, poziom zwierciadła Otwarte seminaria 2012 wód podziemnych Ec gw level www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl 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. www.ietu.katowice.pl 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.) www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 Testy laboratoryjne chemicznego utleniania Spadek stężenia Na2S2O8 w czasie – wyniki uzyskane w testach laboratoryjnych (Deltares) www.ietu.katowice.pl 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). www.ietu.katowice.pl Eksperyment polowy Otwarte seminaria 2012 www.ietu.katowice.pl 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 www.ietu.katowice.pl Otwarte seminaria 2012 Dziękuję za uwagę Mariusz Kalisz Waste Management and Brownfields Redevelopment Departament Institute for Ecology of Industrial Areas e-mail: [email protected] www.ietu.katowice.pl