Αποκατάσταση Ρυπασμένων...

Ενότητα 5

Βιολογικές Μέθοδοι

Αποκατάσταση Ρυπασμένων

Εδαφών

Διδάσκων: Παπασιώπη Νυμφοδώρα

Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ε.Μ.Π.

Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

Άδεια Χρήσης

ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ – ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΒΙΟΑΠΟΔΟΜΗΣΗΣ

ΚΡΙΣΙΜΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

ΕΠΙΤΟΠΙΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

Περιγραφή περιστατικού

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΕΚΣΚΑΦΗ

ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 1

5.1 Εισαγωγικά στοιχεία (1/9)

Οι μέθοδοι βιοαποκατάστασης:

Αξιοποιούν τη δράση μικροοργανισμών ή προϊόντων

μεταβολισμού των μικροοργανισμών για τη μετατροπή

επικίνδυνων περιβαλλοντικά ουσιών σε απλούστερα –

ακίνδυνα προϊόντα.

Εφαρμόζονται κυρίως σε οργανικούς ρύπους:

• Ανοργανοποίηση μετατροπή σε CO2 και Η2Ο,

• Μετασχηματισμός σε απλούστερες-ακίνδυνες οργανικές

ενώσεις.


Βιολογικές μέθοδοι για ανόργανους ρύπους:

Με τη βιολογική επεξεργασία επιδιώκεται η αλλαγή της

οξειδωτικής βαθμίδας των στοιχείων, έτσι ώστε:

α) Να προκύψουν σταθερές, μη τοξικές ενώσεις, π.χ.

Τοξικό και ευδιάλυτο Cr(VI) μη τοξικό Cr(III) που

καταβυθίζεται σε μορφή Cr(OH)3

β) Να προκύψουν ευδιάλυτες μορφές έτσι ώστε να είναι δυνατή

η απομάκρυνσή τους από τα εδάφη, π.χ.

As δεσμευμένο σε οξείδια Fe(III) βιολογική αναγωγή Fe(III) σε

Fe(II) και αποδέσμευση του As



• απλοί μονοκύτταροι οργανισμοί ,

• τυπικό μέγεθος ~ 5μm,

• βάρος ~ 10 pg.

Χρειάζονται: μια πηγή άνθρακα, μια πηγή ενέργειας και ένα δέκτη ηλεκτρονίων.

• Πηγή άνθρακα: παραγωγή βιομάζας - πολλαπλασιασμός = αναβολισμός.

• Πηγή ενέργειας: αναγκαία για την ανάπτυξη ή απλώς τη συντήρησή τους = καταβολισμός.

• Δέκτης ηλεκτρονίων: αναγκαίος για τις αντιδράσεις παραγωγής ενέργειας = αντιδράσεις οξειδοαναγωγής.



ΒΑΚΤΗΡΙΑ

• Σε αναλογία με τον άνθρωπο:

πηγές άνθρακα και ενέργειας = τροφή

δέκτης ηλεκτρονίων = οξυγόνο

• Μεταβολισμός = αναβολισμός + καταβολισμός.

• Καταβολισμός = Χημικές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής:

Η πηγή ενέργειας οξειδώνεται και ο δέκτης ηλεκτρονίων

ανάγεται.



ΒΑΚΤΗΡΙΑ

Α. Πηγή άνθρακα:

Ετερότροφα: χρησιμοποιούν οργανικές ενώσεις, π.χ. γλυκόζη, σαν πηγή C.

Αυτότροφα: χρησιμοποιούν ενώσεις ανόργανου άνθρακα, π.χ. CO2.

Β. Πηγή ενέργειας:

Χημότροφα: η ενέργεια προέρχεται από χημικές αντιδράσεις. Λιθότροφα: χρησιμοποιούν ανόργανες ενώσεις.

Οργανότροφα: χρησιμοποιούν οργανικές ενώσεις.

Φωτότροφα: χρησιμοποιούν το φως σαν πηγή ενέργειας.



Γ. Δέκτης ηλεκτρονίων:

Αερόβια: ο δέκτης ηλεκτρονίων είναι το οξυγόνο.

Αναερόβια: ο δέκτης ηλεκτρονίων είναι άλλη ένωση ή στοιχείο

εκτός του οξυγόνου, π.χ. θειικά και νιτρικά ανιόντα, τρισθενής

σίδηρος κλπ. Οι αναερόβιοι οργανισμοί συνήθως δεν μπορούν

να επιβιώσουν παρουσία οξυγόνου.

Περιστασιακά (facultative): ο δέκτης ηλεκτρονίων μπορεί να

είναι το οξυγόνο ή και άλλο στοιχείο ανάλογα με τις συνθήκες

στις οποίες θα βρεθεί ο μικροοργανισμός.



Πίνακας 5.1. Τυπικές αντιδράσεις βιοαποδόμησης του βενζολίου με χρήση διαφορετικών δεκτών ηλεκτρονίων ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες οξειδοαναγωγικού δυναμικού, Eh

Eh

(mV)

Δέκτης

ηλεκτρο-

νίων

Αντίδραση βιοαποδόμησης

Χρόνος

ημιζωής*

(d)

> +200 O2 C6H6 + 7.5 O2 6 CO2 + 3 H2O 7

< +200 NO3- C6H6 + 6 NO3

- + 6 H+ 6 CO2 + 3 N2 + 6 H2O 97

< 0 Fe(III) C6H6 + 30 Fe3+ + 12 H2O 6 CO2 + 30 Fe2+ + 30 H+ 140

< -100 SO42-

C6H6 + 3.75 SO42- + 7.5 H+

6 CO2 + 3.75 H2S + 3 H2O 50

< -200 C6H6 C6H6 + 12 H2O 2.25 CO2 + 3.75 CH4 61

* Lawrence, 2006


Βιοαποδόμηση με διαφορετικούς δέκτες ηλεκτρονίων


Όταν έχουμε διαρροή οργανικών ρύπων που βιοαποδομούνται εύκολα με δέκτη ηλεκτρονίων το Ο2 (π.χ. απλοί αλειφατικοί και αρωματικοί υδρογονάνθρακες), παρατηρείται:

• σημαντική κατανάλωση του οξυγόνου στην εστία της ρύπανσης και

• δημιουργούνται χαρακτηριστικές ζώνες, στις οποίες

εμφανίζονται οι διαδοχικά επικρατέστεροι δέκτες ηλεκτρονίων.



Βιοαποδόμηση με διαφορετικούς δέκτες ηλεκτρονίων

ITRC, 2002 Σχήμα 5.1. Χαρακτηριστικές ζώνες, στις οποίες εμφανίζονται οι διαδοχικά επικρατέστεροι δέκτες ηλεκτρονίων.



5.2 Χρόνος ημιζωής – Κινητική βιοαποδόμησης (1/6)

Η ευκολία βιοαποδόμησης των ρύπων εκφράζεται συνήθως ως χρόνος ημιζωής

χρόνος που απαιτείται για να μειωθεί κατά 50% η αρχική συγκέντρωση του ρύπου.

Αφορά συνήθως την αερόβια βιοαποδόμηση των ρύπων και προσδιορίζεται με εργαστηριακές μετρήσεις ή επιτόπιες μετρήσεις.

Η έννοια του χρόνου ημιζωής εμπεριέχει την απλουστευτική παραδοχή ότι η βιοαποδόμηση ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης:

λCdt

dC

tλ

oeCC


Παράδειγμα: Σε εργαστηριακές δοκιμές προσδιορίσθηκε ότι η βιοδιάσπαση του τολουολίου ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης με σταθερά λ= 1.65 x 10-3 h-1. Πόσος είναι ο χρόνος ημιζωής του τολουολίου;

Λύση:

Ο χρόνος ημιζωής αντιστοιχεί στον υποδιπλασιασμό της αρχικής συγκέντρωσης, δηλ. C/Co=0.5.

t1/2 = - ln(0.5)/λ = 0.693/λ = 420 h



Κινητική πρώτης τάξης

Απλουστευτικές παραδοχές

Υπάρχει σε επάρκεια ο δέκτης ηλεκτρονίων, π.χ. το οξυγόνο

για την περίπτωση των αερόβιων δράσεων.

Δεν μεταβάλλεται ο πληθυσμός των μικροβίων κατά τη

διάρκεια της βιοαποδόμησης.

Ο ρυθμός αποδόμησης μεταβάλλεται γραμμικά με την

συγκέντρωση του ρύπου. Ισχύει μόνον σε χαμηλές

συγκεντρώσεις.



Σχήμα 5.2. Μεταβολή του ρυθμού μικροβιακής ανάπτυξης συναρτήσει της συγκέντρωσης της οργανικής ένωσης, όταν δεν παρατηρείται και όταν παρατηρείται τοξικότητα (LaGrega, 1994).



Κινητική Monod

όπου: Χ = συγκέντρωση των βακτηρίων.

KS = παράμετρος με διαστάσεις συγκέντρωσης.

C<< KS: ο ρυθμός αποδόμησης μεταβάλλεται γραμμικά με την συγκέντρωση C κινητική πρώτης τάξης

C>>KS: ο ρυθμός dC/dt δεν εξαρτάται από την συγκέντρωση C κινητική μηδενικής τάξης

CK

λCX

dt

dC

S



όπου: Ki = συντελεστής τοξικότητας (διαστάσεις συγκέντρωσης).

i

2

SK

CCK

λCX

dt

dC



Κινητική Andrews

Η συνηθισμένη περίπτωση

Οι οργανικοί ρύποι χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα σαν:

πηγή άνθρακα και πηγή ενέργειας

με δέκτη ηλεκτρονίων το οξυγόνο

Αερόβια βιοδιάσπαση

ΚΡΙΣΙΜΟ ΕΡΩΤΗΜΑ:

Πόσο οξυγόνο χρειάζεται Υπολογίζεται με βάση τη στοιχειομετρία των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής.

5.3 Κρίσιμοι παράγοντες λειτουργίας (1/7)


Αερόβια Βιοδιάσπαση

Κρίσιμα ερωτήματα:

• Πόσο οξυγόνο χρειάζεται για τη βιοδιάσπαση του οργανικού ρύπου μέσω καταβολισμού

υπολογίζεται από τη στοιχειομετρία της αντίδρασης οξειδοαναγωγής

• Πόσο οξυγόνο χρειάζεται για τη βιοδιάσπαση μέσω αναβολισμού

υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη τη μέση τυπική σύσταση των βακτηριακών κυττάρων:

C5H7O2N ή C60H87O23N12P



Πόσο οξυγόνο χρειάζεται για την αερόβια διάσπαση τολουολίου:

α) Μέσω καταβολισμού

C7H8 + …. O2 ... CO2 + ….H2O

β) Μέσω αναβολισμού

C7H8 + ….. O2 + ΝΗ4+ C5H7O2N + …. CO2 + ... H2O +…. Η+



Πόσος σίδηρος χρειάζεται για την αναερόβια διάσπαση του τολουολίου από σιδηροαναγωγικά βακτήρια:

α) Μέσω καταβολισμού

C7H8 + … Fe3+ + ... H2O ...CO2 + ...Fe2+ + ….H+

β) Μέσω αναβολισμού

C7H8 + ... Fe3+ + ΝΗ4+ + ... H2O

C5H7O2N + ...CO2 + ...Fe2+ + ... Η+



α) Μακροθρεπτικά: N και P

C5H7O2N

C60H87O23N12P

β) Μικροθρεπτικά : Na, S, K, Ca, Mg, Fe καθώς και διάφορα ιχνοστοιχεία

Στα εδάφη υπάρχει συνήθως η απαιτούμενη ποσότητα μικροθρεπτικών, αλλά είναι πιθανό να χρειάζεται προσθήκη N και P.



Θρεπτικά Συστατικά

Παράδειγμα: Πόσo άζωτο και φωσφόρος απατούνται για τη βιοδιάσπαση ενός mg τολουολίου, C7H8 εάν θεωρηθεί ότι:

το 50% του τολουολίου οξειδώνεται μέσω καταβολισμού και το 50% χρησιμοποιείται για την παραγωγή νέας βιομάζας.

Λύση: Από το 1 mg τολουολίου μόνον το 0.5 mg χρησιμοποιείται για την παραγωγή βιομάζας. Με βάση την αντίδραση:

C7H8 + 4 O2 + ΝΗ4+ C5H7O2N + 2 CO2 + 2 H2O + Η+

0.5 mg 0.614 mg βιομάζας

Από την αναλογία Ν και P στον τύπο C60H87O23N12P :

(12 x 14) / 1374 x 0.614 = 0.075 mg N και 31/ 1374 x 0.614 = 0.0139 mg P



Θρεπτικά Συστατικά

Απαιτού

-μενο

οξυγόνο

Παραγό-

μενο

CO2

Παραγό-

μενη

βιομάζα

Απαιτού-

μενο

άζωτο

Απαιτούμενος

φωσφόρος

Καταβολισμός (50%) C7H8 + 9 O2 7 CO2

Αναβολισμός (50%) C7H8 + 4 O2 2 CO2 + C5H7O2N (~ 1/12 C60H87O23N12P)

Moles / mole C7H8 1 6.5 4.5 0.5 0.5 0.042

Gram / mole C7H8 92 208 198 56.5 7 1.3

Gram / gram C7H8 1 2.26 2.15 0.61 0.076 0.014

Πίνακας 5.2. Υπολογισμός των απαιτήσεων σε οξυγόνο και μακροθρεπτικά συστατικά (N, P) για την αερόβια διάσπαση του τολουολίου, υποθέτοντας 50% διάσπαση για παραγωγή ενέργειας και 50% για παραγωγή βιομάζας



5.4 Eπιτόπιες μέθοδοι

• Οι επιτόπιες μέθοδοι στηρίζονται κυρίως στη δράση γηγενών βακτηρίων.

• Η επιτόπια επεξεργασία εδαφών με προσθήκη μη γηγενών βακτηρίων αποτελεί αντικείμενο έρευνας.

ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ

ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ΥΔΡΟΦΟΡΟ ΣΤΡΩΜΑ


ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ

Σχήμα 5.3. Ενδεικτικό διάγραμμα απομάκρυνσης ρύπων με βιοαποδόμηση και εξάτμιση στη διάρκεια εφαρμογής της τεχνικής ΑΕΑ (Suthersan, 1997).

Κατά την άντληση αέρα για την απομάκρυνση πτητικών οργανικών ρύπων από την ακόρεστη ζώνη (τεχνολογία AEA) παρατηρήθηκε ότι προκαλείται ταυτόχρονα η βιολογική αποδόμηση των οργανικών ρύπων.

25

5.4.1 Βιοαποκατάσταση στην ακόρεστη ζώνη (1/10)

(α) Διατήρηση ροής O2 μέσα από τη ρυπασμένη ζώνη, έτσι ώστε

να ευνοείται η αερόβια βιοαποδόμηση των ρύπων.

Κύρια επιδίωξη: η μεγιστοποίηση της χρήσης του Ο2.

Ταχύτητα άντλησης αέρα: μια τάξη μεγέθους χαμηλότερη από τη

ροή στις εγκαταστάσεις AEA.

Εμπειρικός κανόνας: ο αέρας των πόρων πρέπει να ανανεώνεται

κάθε 1 ή 2 ημέρες.



Απαιτήσεις σχεδιασμού

(β) Διατήρηση της υγρασίας του εδάφους σε μία βέλτιστη τιμή για τη μικροβιακή δραστηριότητα.

Τα κύτταρα αποτελούνται από νερό κατά 75-80% απαιτείται ένα ελάχιστο ποσοστό υγρασίας.

Βέλτιστη υγρασία : 40 και 60% της υδατοχωρητικότητας του εδάφους.

Με εδαφική υγρασία > 60%, πρόβλημα κυκλοφορία του αέρα.

(γ) Προσθήκη μακρο- και μικρο-θρεπτικών συστατικών, εάν χρειάζεται



Απαιτήσεις σχεδιασμού


Σχήμα 5.4. Σχηματικό διάγραμμα εγκατάστασης βιοαερισμού με πρόβλεψη για προσθήκη υγρασίας και θρεπτικών συστατικών στην ρυπασμένη ζώνη του εδάφους.

28


Δεδομένα:

Για την περίπτωση της ρύπανσης με τολουόλιο που εξετάσθηκε στα παραδείγματα 4.1 και 4.2, θέλουμε να αξιολογήσουμε τη δυνατότητα εφαρμογής τεχνικής βιοαερισμού. Σε εργαστηριακές δοκιμές διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν γηγενή βακτήρια τα οποία μπορούν να βιοαποδομήσουν το τολουόλιο. Προσδιορίσθηκε ότι η βιοδιάσπαση του τολουολίου ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης με σταθερά λ= 1.65 x 10-3 h-1 (t1/2 =17.5 d).

Υπενθυμίζουμε τα ακόλουθα:

• Διαρροή 20m3 τολουολίου από μία δεξαμενή.

• Ρύπανση της ακόρεστης ζώνης σε έκταση 1250m2 και με μέσο βάθος 4m.

• Προσδιορίστηκαν τα χαρακτηριστικά του εδάφους στη ρυπασμένη ζώνη:

ρd =1.7 g/cm3, nt = 0.4, nw = 0.2

Ζητούνται: Ο ρυθμός διοχέτευσης του αέρα έτσι ώστε έτσι ώστε να πραγματοποιείται η αερόβιο διάσπαση.

Παράδειγμα 5.1



Η βιοδιάσπαση του τολουολίου βρέθηκε ότι ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης, δηλ. περιγράφεται από την εξίσωση:

Παρατήρηση: • Οι βιολογικές αντιδράσεις γίνονται κατά κανόνα μέσα στα υδατικά

διαλύματα

λCdt

dC

• Η ανάλυση της αρχικής κατανομής φάσεων του τολουολίου έδειξε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό (~69%) βρίσκεται στη μορφή οργανικής υγρής φάσης (NAPL)

C=Cw

C=Cw=S



30


Το διαφορικό dC/dt έχει σαν βάση αναφοράς τον όγκο της υδατικής φάσης Vw, που σχετίζεται με την εδαφική υγρασία. Για να έχουμε σαν βάση αναφοράς τον όγκο του εδάφους πολλαπλασιάζουμε το διαφορικό με το πορώδες nw

Διαιρώντας με το μοριακό βάρος του τολουολίου MW=92.184 g/mol:

1113-

V

hLmg8085.0)L/mg490()h101.65(λSdt

dC

w

13

w

Vεδ

w

VV

hmg1617.02.08085.0ndt

dC

V

V

dt

dC

dt

dC

WWεδ

133

V

τολ,δ hmmol10755.114.921617.0dt

dCR

εδ



31


Με βάση τη στοιχειομετρία των αντιδράσεων καταβολισμού και αναβολισμού ο ρυθμός με τον οποίο πρέπει να διοχετεύουμε το O2 είναι:

Για να βρούμε την αντίστοιχη ροή αέρα Q λαμβάνουμε υπόψη ότι η συγκέντρωση του Ο2 στο αέρα αντιστοιχεί σε 20.9% v/v και ότι 1 mol αντιστοιχεί σε 24 L σε κανονικές συνθήκες (20oC, 1 atm):

133

τολ,δO hmmol1041.11R5.6R2

3

2έ2

3έO

,O m/Omol71.8L/Omol1071.8mol/L24

L/L209.0C

2

2

2

1333

3

133

,O

Ohmm10310.1

mmol71.8

hmmol1041.11

C

RQ

2

2



32


Εάν θεωρήσουμε το συνολικό όγκο της ρυπασμένης περιοχής, δηλ. Vεδ=5000m3, καθώς και έναν συντελεστή αποτελεσματικότητας η=0.714, δηλ. αντίστοιχο με αυτόν που είχαμε χρησιμοποιήσει στην περίπτωση της απομάκρυνσης των ρύπων με εξάτμιση, υπολογίζουμε την απαιτούμενη συνολική ροή αέρα:

133 hm174.9500010310.1714.0

1VQ

1Q

13 minm153.0Q



33


ΡΥΘΜΟΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ – ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΟΛΟΥΛΙΟΥ ΜΕ ΤΙΣ ΔΥΟ ΜΕΘΟΔΟΥΣ

Για το πρώτο στάδιο απομάκρυνσης της ελεύθερης οργανικής φάσης, NAPL

ΑΕΑ

REO = 112 kg/d

d/kg112

)t/kg10()t94.11(

R

MT

3

EO

EOEO

ΤEO = 106.5 d

Βιοαερισμός

REO = 19.4 kg/d

d/kg4.19

)t/kg10()t94.11(

R

MT

3

EO

EOEO

ΤEO = 615.5 d

h/g5.808)m5000()hmg1617.0(

VR'R313

εδτολ,δτολ,δ



34


Όταν η ρυπασμένη περιοχή βρίσκεται μέσα στο υδροφόρο στρώμα, η διαθεσιμότητα του οξυγόνου γίνεται ένα ιδιαίτερα κρίσιμο πρόβλημα για την αερόβια βιοαποδόμηση των οργανικών ρύπων.

Για την προσθήκη του απαιτούμενου O2 εφαρμόζονται δύο κυρίως τεχνικές:

(α) άντληση και επανακυκλοφορία των υπόγειων νερών, μετά από τον εμπλουτισμό τους σε οξυγόνο σε επιφανειακές εγκαταστάσεις, και

(β) διοχέτευση αέρα μέσα στο υδροφόρο στρώμα.


5.4.2 Βιοαποκατάταση στο υδροφόρο στρώμα (1/22)

Σχήμα 5.5. Βιοαποκατάσταση του υδροφόρου με άντληση, οξυγόνωση και επανακυκλοφορία των υπογείων νερών.



Σχήμα 5.6. Αναπαράσταση της διαδοχικής μετακίνησης στις ζώνες χρήσης των δεκτών ηλεκτρονίων, κατά την οξυγόνωση των νερών, όσο προχωράει η βιοαποκατάσταση.

1 2

3 4



Προσθήκη οξυγόνου:

Εμφύσηση αέρα συγκέντρωση στο νερό O2 = 8 mg/L

Εμφύσηση καθαρού οξυγόνου διαλυτ. O2 = 40 mg/L

Προσθήκη H2O2 συνεχής παραγωγή O2 με διάσπαση:

2 H2O2 H2O + O2

Περιορισμός:

Το H2O2 είναι τοξικό στους μικροοργανισμούς σε συγκεντρώσεις > 1000 mg/L.

Συνήθεις συγκεντρώσεις H2O2 : 100 - 500 mg/L διαθέσιμο O2 = 47-235 mg/L



Πρέπει να απομακρυνθούν 5000 kg τολουολίου με την τεχνική της άντλησης, οξυγόνωσης και επανακυκλοφορίας των υπόγειων νερών. Η άντληση των νερών γίνεται με ρυθμό 300 L/min.

Πόσος χρόνος θα χρειασθεί για την αποκατάσταση της περιοχής εάν η προσθήκη O2 γίνεται (α) με εμφύσηση αέρα, (β) με εμφύσηση καθαρού οξυγόνου και (γ) με προσθήκη Η2Ο2 σε συγκέντρωση 250 mg/L.

Υπολογισμοί

Απαιτούμενο οξυγόνο με βάση τις αντιδράσεις μεταβολισμού:

2.26 mg Ο2 ανά mg τολουολίου 11300 kg Ο2 για 5000 kg τολουολίου




(α) Με εμφύσηση αέρα.

Ρυθμός τροφοδοσίας σε οξυγόνο :

300 L/min x 8 mg/L x 1440 min/day = 3.5 kg/day

Απαιτούμενος χρόνος: t = 9 χρόνια

(β) Με εμφύσηση καθαρού οξυγόνου

Ρυθμός τροφοδοσίας οξυγόνου:

300 L/min x 40 mg/L x 1440 min/day = 17.3 kg/day

Απαιτούμενος χρόνος: t = 1.8 χρόνια




(γ) Με προσθήκη Η2Ο2 250 mg/L

Ρυθμός τροφοδοσίας σε οξυγόνο:

300 L/min x (250 x 32/68) mg/L x 1440 min/day = 50.8 kg/day

Απαιτούμενος χρόνος: t = 7.4 μήνες

Εργαστηριακές δοκιμές: Χρόνος ημιζωής τολουλίου ~ 400 ώρες





Αεροδιασκορπισμός μέσα στο υδροφόρο στρώμα

Σχήμα 5.7. Εγκατάσταση αεροδιασκορπισμού στο υδροφόρο στρώμα. Η απομάκρυνση των ρύπων επιτυγχάνεται αφενός μεν με εξάτμιση και αφετέρου με βιοαποδόμιση. Η εγκατάσταση περιλαμβάνει αντλίες κενού για την ανάκτηση και τον καθαρισμό του αέρα που περιέχει τους πτητικούς ρύπους.

42


Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα

Δύο μηχανισμοί απομάκρυνσης των ρύπων:

(α) Εξάτμιση των διαλυμένων πτητικών ρύπων, μέσα από την διεπιφάνεια αέριων φυσαλλίδων-νερού.

Προϋπόθεση υψηλή σταθερά Henry, δηλ. Η>0.001 atm.m3/mol.

(β) Βιοαποδόμηση λόγω του εμπλουτισμού των υπόγειων νερών με οξυγόνο. Συνεχής τροφοδοσία οξυγόνου που περιορίζεται μόνον από τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας μεταξύ αέριας και υδατικής φάσης.





Εξάτμιση ή/και βιοαποδόμηση

Ένωση Σταθερά Henry Αερόβια βιοαποδόμηση

atm.m3/mol Χρόνος ημιζωής, ώρες

Από Μέχρι

Βενζόλιο 5.5 x 10-3

120 384

Τολουόλιο 6.6 x 10-3

96 528

m-Ξυλένιο 6.3 x 10-3

168 672

Αιθυλ-βενζόλιο 8.7 x 10-3

72 240

Τριχλωροαιθυλένιο 9.1 x 10-3

4320 8640

1,1,1-Τριχλωροαιθάνιο 16.2 x 10-3

3360 6552

Ακετονιτρίλιο 1.1 x 10-4

168 672

Διφαινύλιο 4.15 x 10-4

36 168


Πίνακας 5.3. Δεδομένα σταθεράς Henry και βιοαποδόμησης για χαρακτηριστικές οργανικές ενώσεις

44




Παράμετροι σχεδιασμού

Κύριος στόχος του σχεδιασμού: μέγιστη δυνατή διεπιφάνεια μεταξύ αέρα και υπόγειων νερών πολλές και μικρές φυσαλίδες αέρα που να διασπείρονται σε όλη τη ρυπασμένη περιοχή.

Ζώνη επιρροής: έχει μορφή ανεστραμμένου κώνου και εξαρτάται από τα γεωτεχνικά χαρακτηριστικά του εδάφους

• Διαπερατά και ομοιογενή εδάφη δημιουργούν συνήθως στενούς κώνους.

• Εδάφη χαμηλής διαπερατότητας ή ανομοιογενή δημιουργούν περισσότερο ανοικτούς κώνους.





Παράμετροι σχεδιασμού

Βάθος διοχέτευσης: 30 με 60 cm χαμηλότερα από το κατώτερο βάθος της ρυπασμένης περιοχής.

Πίεση του αέρα: Μεγαλύτερη από την υδροστατική πίεση

Λεπτόκοκκα εδάφη χαμηλής διαπερατότητας μεγάλη υπερπίεση, 0.3-3 m στήλης νερού.

Χονδρόκοκκα διαπερατά εδάφη μικρή υπερπίεση ~ 3-30 cm στήλης νερού.

Ροή του αέρα: Τυπικές τιμές ογκομετρικής ροής ανά γεώτρηση: 25 - 400 L/min.




Σχήμα 5.8. Αναπαράσταση του συστήματος αεροδιασκορπισμού.

47



Πρατήριο πώλησης καυσίμων , Florida, USA (Schmidt & Bueltel, 2007, ETEC, 2008)

• Ιστορικό, προέλευση ρύπανσης:

− Παλαιό πρατήριο πώλησης καυσίμων. Διαρροές από υπεδάφιες δεξαμενές, αντλίες διανομής, κλπ.

• Ρύπανση:

− Κύριοι ρύποι: BTEX (9200 ppb), TPH (10000 ppb) − Έκταση ρύπανσης: 90 m 30 m − Πάχος ρυπασμένης ζώνης στα υπόγεια νερά 3 m


Περιστατικό Βιοαποκατάστασης Υδροφόρου Στρώματος

48


• Χαρακτηριστικά υπεδάφους:

−Υδροφόρος ορίζοντας σε βάθος 1.5-4 μέτρα (bgs). −Λεπτή άμμος.

• Μέτρα αποκατάστασης:

−Έχουν προηγηθεί (α) άντληση της ελεύθερης οργανικής φάσης και (β) αποκατάσταση της ακόρεστης ζώνης με άντληση εδαφικού αέρα, ΑΕΑ. −Έναρξη έργων βιοαποκατάστασης των υπόγειων νερών το

2006.


Πρατήριο πώλησης καυσίμων , Florida, USA (Schmidt & Bueltel, 2007, ETEC, 2008)

49


Χώρος υπεδάφιων δεξαμενών


Σχήμα 5.9. Κάτοψη της περιοχής του περιστατικού ρύπανσης στο πρατήριο πώλησης καυσίμων, Florida, USA.

50



Σχήμα 5.10. Αρχική κατανομή Βενζολίου.

51


Χαρακτηριστικά επεξεργασίας

• Άντληση υπόγειων νερών, προσθήκη οξυγόνου και άλλων θρεπτικών και επανέγχυση των νερών

• Τεχνολογία DO-ITTM της ETEC


Σχήμα 5.11. Φωτογραφίες της εγκατάστασης για την προσθήκη οξυγόνου και θρεπτικών στα νερά.

52



Σχήμα 5.12. Διάταξη πηγαδιών άντλησης (9+4) και έγχυσης (23).

53


Χαρακτηριστικά επεξεργασίας

• Έναρξη: Φεβρουάριος 2006.

• Συνολική διάρκεια λειτουργίας: 24 μήνες.

• Άντληση, προσθήκη οξυγόνου και άλλων θρεπτικών και επανέγχυση ποσότητας ~38 000 m3 υπόγειων νερών.

• Μέση παροχή άντλησης των νερών 52 m3/d ή 36 l/min.

• Προσθήκη 1700 kg διαλυμένου O2 (40+ ppm) και ~1300 kg άλλων δεκτών ηλεκτρονίων ( NO3

- και SO4-2).

• Μέσος ρυθμός προσθήκης Ο2 2 kg/d.




Αποτελέσματα επεξεργασίας

Σχήμα 5.13. (α) Μείωση της συγκέντρωσης των ΒΤΕΧ. (β) Μείωση της συγκέντρωσης του βενζολίου.

55


Βενζόλιο: ανώτατο (αποδεκτό) όριο για πόσιμο νερό 5 ppb


Σχήμα 5.14. Κατανομή βενζολίου: αρχική και μετά από 24 μήνες.

Αποτελέσματα επεξεργασίας

56


5.5 Επεξεργασία μετά από εκσκαφή (1/6)

Όταν δεν είναι δυνατή η εφαρμογή της βιολογικής επεξεργασίας

επιτόπου, τότε γίνεται εκσκαφή του ρυπασμένου εδάφους και

μεταφορά του σε ειδικά διαμορφωμένες εγκαταστάσεις.

Οι συνηθέστερες μέθοδοι:

• Επεξεργασία με τεχνικές αγροκαλλιέργειας (landfarming).

• Επεξεργασία σε σωρό ή λάκκο (biopile ή biopit).



Σχήμα 5.15. Εγκατάσταση επεξεργασίας με τεχνικές αγροκαλλιέργειας.

58


• Το έδαφος απλώνεται σε στρώμα πάχους 45-60 cm

απαιτείται μεγάλη επιφάνεια.

• Σε τακτά χρονικά διαστήματα το έδαφος οργώνεται, έτσι

ώστε να εμπλουτίζεται με οξυγόνο.

• Γίνεται προσθήκη υγρασίας και θρεπτικών.



Όταν δεν υπάρχει επαρκής διαθέσιμη επιφάνεια

• Όταν το έδαφος έχει χαμηλή σχετικά διαπερατότητα, ο σωρός κατασκευάζεται σε διαδοχικά στρώματα πάχους 60 cm περίπου, τα οποία χωρίζονται μεταξύ τους με ένα λεπτό στρώμα διαπερατής άμμου. Τα διαπερατά στρώματα συνδέονται με μία αντλία, μέσω της οποίας γίνεται η διοχέτευση αέρα στον σωρό.

• Όταν υπάρχει κίνδυνος διαφυγής πτητικών ενώσεων ο σωρός καλύπτεται πλήρως με αδιαπέρατη γεωμεμβράνη.



Επεξεργασία σε σωρό ή λάκκο


Σχήμα 5.16. Επεξεργασία σε σωρό.

61


Επεξεργασία σε σωρό


Σχήμα 5.17. Επεξεργασία σε λάκκο.

62


Επεξεργασία λάκκο

Κατάλογος Αναφορών Σχημάτων (1/4) Σχήμα 5.1. Χαρακτηριστικές ζώνες, στις οποίες εμφανίζονται οι διαδοχικά επικρατέστεροι δέκτες ηλεκτρονίων., ITRC (2002). A systematic Approach to In Situ Bioremediation in Groundwater. Prepared by Interstate Technology and Regulatory Council, USA.

Σχήμα 5.2. Μεταβολή του ρυθμού μικροβιακής ανάπτυξης συναρτήσει της συγκέντρωσης της οργανικής ένωσης, όταν δεν παρατηρείται και όταν παρατηρείται τοξικότητα., LaGrega, M.D., Buckingham, P.L., Evans, J.C. (1994) “Hazardous Waste Management”, McGraw-Hill, Chapter 10, pp. 555-640.

Σχήμα 5.3. Ενδεικτικό διάγραμμα απομάκρυνσης ρύπων με βιοαποδόμηση και εξάτμιση στη διάρκεια εφαρμογής της τεχνικής ΑΕΑ., Suthersan S.S. (1997) “Remediation Engineering. Design Concepts”, CRC Press, USA.

Σχήμα 5.4. Σχηματικό διάγραμμα εγκατάστασης βιοαερισμού με πρόβλεψη για προσθήκη υγρασίας και θρεπτικών συστατικών στην ρυπασμένη ζώνη του εδάφους., Παπασιώπη Νυμφοδώρα (Προσωπικό αρχείο).

Σχήμα 5.5. Βιοαποκατάσταση του υδροφόρου με άντληση, οξυγόνωση και επανακυκλοφορία των υπογείων νερών., LaGrega, M.D., Buckingham, P.L., Evans, J.C. (1994) “Hazardous Waste Management”, McGraw-Hill, Chapter 10, pp. 555-640.

Σχήμα 5.6. Αναπαράσταση της διαδοχικής μετακίνησης στις ζώνες χρήσης των δεκτών ηλεκτρονίων, κατά την οξυγόνωση των νερών, όσο προχωράει η βιοαποκατάσταση., Schmidt, C. and Bueltel, E.

(2007). Enhanced Multi-phase Extraction using Groundwater Re-circulation for Oxygenated Water

and Biological Enhancement Delivery., Florida Remediation Conference Presentation.

http://www.etecllc.com/docs/FRC_2007-2.pdf













Κατάλογος Αναφορών Σχημάτων (2/4) Σχήμα 5.7. Εγκατάσταση αεροδιασκορπισμού στο υδροφόρο στρώμα. Η απομάκρυνση των ρύπων επιτυγχάνεται αφενός μεν με εξάτμιση και αφετέρου με βιοαποδόμιση. Η εγκατάσταση περιλαμβάνει αντλίες κενού για την ανάκτηση και τον καθαρισμό του αέρα που περιέχει τους πτητικούς ρύπους., National Academy of Science, USA (1993) “In Situ Bioremediation. When does it work?”, National Academy Press, USA. Διαθέσιμο στο διαδίκτυο: http://www.nap.edu/openbook/03090489666/html/R1.html

Σχήμα 5.8. Αναπαράσταση του συστήματος αεροδιασκορπισμού., Suthersan S.S. (1997) “Remediation Engineering. Design Concepts”, CRC Press, USA.

Σχήμα 5.9. Κάτοψη της περιοχής του περιστατικού ρύπανσης στο πρατήριο πώλησης καυσίμων, Florida, USA., Schmidt, C. and Bueltel, E. (2007). Enhanced Multi-phase Extraction using Groundwater Re-circulation for Oxygenated Water and Biological Enhancement Delivery., Florida Remediation Conference Presentation. http://www.etecllc.com/docs/FRC_2007-2.pdf, ETEC (2008) In Situ Aerobic Bioremediation of Gasoline Constituents Super-Ox™ System & Enhancements. http://www.etecllc.com/bioremediation-case-studies.asp

Σχήμα 5.10. Αρχική κατανομή Βενζολίου., Schmidt, C. and Bueltel, E. (2007). Enhanced Multi-phase Extraction using Groundwater Re-circulation for Oxygenated Water and Biological Enhancement Delivery., Florida Remediation Conference Presentation. http://www.etecllc.com/docs/FRC_2007-2.pdf, ETEC (2008) In Situ Aerobic Bioremediation of Gasoline Constituents Super-Ox™ System & Enhancements. http://www.etecllc.com/bioremediation-case-studies.asp

http://www.nap.edu/openbook/03090489666/html/R1.html




































Κατάλογος Αναφορών Σχημάτων (3/4) Σχήμα 5.11. Φωτογραφίες της εγκατάστασης για την προσθήκη οξυγόνου και θρεπτικών στα νερά., ETEC (2008) In Situ Aerobic Bioremediation of Gasoline Constituents Super-Ox™ System & Enhancements. http://www.etecllc.com/bioremediation-case-studies.asp

Σχήμα 5.12. Διάταξη πηγαδιών άντλησης (9+4) και έγχυσης (23)., Schmidt, C. and Bueltel, E. (2007). Enhanced Multi-phase Extraction using Groundwater Re-circulation for Oxygenated Water and Biological Enhancement Delivery., Florida Remediation Conference Presentation. http://www.etecllc.com/docs/FRC_2007-2.pdf, ETEC (2008) In Situ Aerobic Bioremediation of Gasoline Constituents Super-Ox™ System & Enhancements. http://www.etecllc.com/bioremediation-case-studies.asp

Σχήμα 5.13. (α) Μείωση της συγκέντρωσης των ΒΤΕΧ. (β) Μείωση της συγκέντρωσης του βενζολίου., Schmidt, C. and Bueltel, E. (2007). Enhanced Multi-phase Extraction using Groundwater Re-circulation for Oxygenated Water and Biological Enhancement Delivery., Florida Remediation Conference Presentation. http://www.etecllc.com/docs/FRC_2007-2.pdf, ETEC (2008) In Situ Aerobic Bioremediation of Gasoline Constituents Super-Ox™ System & Enhancements. http://www.etecllc.com/bioremediation-case-studies.asp

Σχήμα 5.14. Κατανομή βενζολίου: αρχική και μετά από 24 μήνες., Schmidt, C. and Bueltel, E. (2007). Enhanced Multi-phase Extraction using Groundwater Re-circulation for Oxygenated Water and Biological Enhancement Delivery., Florida Remediation Conference Presentation. http://www.etecllc.com/docs/FRC_2007-2.pdf, ETEC (2008) In Situ Aerobic Bioremediation of Gasoline Constituents Super-Ox™ System & Enhancements. http://www.etecllc.com/bioremediation-case-studies.asp





































Κατάλογος Αναφορών Σχημάτων (4/4) Σχήμα 5.15. Εγκατάσταση επεξεργασίας με τεχνικές αγροκαλλιέργειας., King, R.B., Long G.M., Sheldon, J.K. (1998) “Practical Environmental Bioremediation. The Field Guide”, CRC Press, USA.

Σχήμα 5.16. Επεξεργασία σε σωρό., King, R.B., Long G.M., Sheldon, J.K. (1998) “Practical Environmental Bioremediation. The Field Guide”, CRC Press, USA.

Σχήμα 5.17. Επεξεργασία σε λάκκο., King, R.B., Long G.M., Sheldon, J.K. (1998) “Practical Environmental Bioremediation. The Field Guide”, CRC Press, USA.

Κατάλογος Αναφορών Πινάκων Πίνακας 5.1. Τυπικές αντιδράσεις βιοαποδόμησης του βενζολίου με χρήση διαφορετικών δεκτών ηλεκτρονίων ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες οξειδοαναγωγικού δυναμικού, Eh, Παπασιώπη Νυμφοδώρα (Προσωπικό αρχείο).

Πίνακας 5.2. Υπολογισμός των απαιτήσεων σε οξυγόνο και μακροθρεπτικά συστατικά (N, P) για την αερόβια διάσπαση του τολουολίου, υποθέτοντας 50% διάσπαση για παραγωγή ενέργειας και 50% για παραγωγή βιομάζας, Παπασιώπη Νυμφοδώρα (Προσωπικό αρχείο).

Πίνακας 5.3. Δεδομένα σταθεράς Henry και βιοαποδόμησης για χαρακτηριστικές οργανικές ενώσεις, Suthersan S.S. (1997) “Remediation Engineering. Design Concepts”, CRC Press, USA.

Χρηματοδότηση

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια

του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει

χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του

εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού

Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και

συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση

(Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Αποκατάσταση Ρυπασμένων...

Documents

Transcript of Αποκατάσταση Ρυπασμένων...