Upravljanje z odpadki

Transcript

1 Upravljanje z odpadki

2 Kroženje polutantov evaporacija polivanje namakanje vrtina za injiciranje vrtina za vodo deponija za odpadke evaporacija vrtina za vodo perkolacija puščanje perkolacija puščanje nepropustna cona puščanje zaloga sladke vode nepropustna cona injiciranje zaloga brakične vode

3 Reduce, Reuse, Recycle Reduciraj polucijo boljši dizajn pri pakiranju manj pakiranja kompostiranje organskega materiala ponovno uporabi očisti in ponovno uporabljaj orodja in dele vrni steklenice recikliraj odpadni material v nove uporabne produkte, kar zmanjša volumen odpadkov, porabo energije, zračno, talno in vodno polucijo

4 Remediacija okoljskih polutantov Obstaja več vrst odstranjevanja polutantov iz okolja: bioremediacija kemijska oksidacija in redukcija elektro separacija in situ spiranje ekstrakcija s topili vitrifikacija aeracija tal nevtralizacija fizikalna separacija in situ in ex-situ zažiganje termalna desorpcija solidifikacija/stabilizacija sežig eksplozivnih sredstev vakumska ekstracija volatilnih spojin

5 Kemijska oksidacija in redukcija z redoks reakcijami lahko pretvorimo polutantne v bolj stabilne, manj mobilne ali inertne spojine oksidacijski agensi, ki jih najbolj pogosto uporabljamo za tretiranje polutantov so: ozon, vodikov peroksid, hipoklorit, klor, klorov dioksid, kalijev permanganat, fentonov reagent (vodikov peroksid + železo) uporabno za in situ, ex situ, sedimente, tla, trdne polutante ter vode

6 Elektroseparacije v tleh apliciramo enosmerni elektriočni tok z nizko intenziteto med dvema keramičnima elektrodama, nabite spojine potujejo proti elektrodi metalni ioni, amonijevi ioni in pozitivno nabite organske spojine gredo proti katodi negativno nabiti anioni kot so kloridni, cianidni, fluoridni in negativno nabite organske spojine pa proti anodi.

7 In situ spiranje tla spiramo z vodo, ki ji lahko po potrebi dodajamo surfaktante, ko-topila, kelatorje efekt spiranja je večji, če se polutant veže na glinene delce v tleh vodo zbiramo in jo dalje tretiramo z drugimi načini

8 Sežiganje s sežiganjem pri visokih temperaturah od o Cobprisotnosti kisika polutanti zgorijo ali se uplinijo za vzdrževanje gorenja potrebujemo energijo (gorivo) plinske produkte, ki nastajajo je potrebno še dodatno tretirati sežigamo lahko na mestu polucije ali pa v specializiranem obratu

9 Sežigalnica

10 Fizikalna separacija uporabljamo sita z različno velikostjo rež na ta način koncentriramo polutant v manjše volumne, ker se večina organskih in anorganskih polutantov bodisi kemijsko ali fizikalno veže na glinene delce v tleh glinene delce lahko z sedimentacijo ločimo od ostalih talnih teksturnih delcev

11 Vaporizacija hlapne polutante lahko z vakumom odstranimo iz tal polutante lahko odstranimo predvsem v zračnih tleh, ki niso nasičena z vodo tehnika je uporabna tako in situ kot ex situ

12 Vpihovanje zraka v podzemne vode Z vpihovanjem zraka in kisika v podzemne vode izrinemo lahko hlapne spojine v zračne pore, od koder jih lahko vakumsko potegnemo. Dodani kisik stimulira tudi biorazgradnjo. ekstrakcija hlapov vpihovanje zraka ekstrakcija hlapov kontaminirana tla

13 Ekstrakcija s topili za ekstrakcijo organskih in kovinskih polutantov iz tal lahko uporabimo organska topila v ekstraktantu pride do fazne separacije polutanta in topila

14 Termalna desorpcija polutantne segrevamo bodisi pri nižjih temperaturah o C ali pri višjih temperaturah o C, pri tem pride do volatilizacije adsorbiranih polutantov dobljene pline je potrebno dodatno tretirati pred izpustom termalno desorpcijo lahko izvajamo tudi in situ, pri tem potrebujemo vir toplote (npr. radio freekvenčno segrevanje, konduktivno segrevanje, injiciranje vročega zraka, injiciranje pare)

15 Vitrifikacija pri vitrifikaciji z elektrčnim tokom stopimo kontaminirano zemljo pri zelo visokih temperaturah 1600 do 2000 o C, pri tem organski material zgori pri ohlajanju pride do vitrifikacije (nastanka stekla) vitrificirani produkti so kemijsko stabilni, težke kovine in radionuklidi in se ne izpirajo

16 Solidifikacija/stabilizacija solidifikacija je tehnologija, kjer odpadek enkapsuliramo in ga pretvorimo v trdno agregatno stanje pri tem uporabljamo železove soli, fosfate, žveplo, silikate, gline, spremembo ph stabilizacija je kemijska sprememba polutanta v manj topno, mobilno in toksično obliko (npr. uporaba cementa, apnenca, pepela, asfalta, polimerov)

17 In situ remediacija podzemnih vod vpihovanje zraka več fazna ekstrakcija permeabilne reaktivne bariere vertikalne nepermeabilne bariere bioremediacija

18 Nepermeabilne pregrade Prečno na pretok podzemne vode vgradimo nepermeabilne pregrade, ki spremenijo tok tekočine. Vodo nato speljemo proč od vodozbirnega območja, zavarujemo mesto kontaminacije, ali pa jo kanaliziramo v bazene za nadaljno obdelavo. razlitje podtalnica pregrada nepropustna plast zaloga sladke vode

19 Permeabilne reaktivne bariere Pretočne bariere so vstavljene prečno na tok podzemne vode. Pregrade dopuščajo prost pretok vode, zadržujejo pa polutante s pomočjo kelatorjev, adsorpcijskih sredstev, mikrobov. vir onesnaženja podtalnica težke kovine onesnaženo območje čista podtalnica nepropustna plast reaktivna pregrada

20 Vrste reakcij, ki se dogajajo na reaktivni pregradi Degradacija: kemijska ali biološka sprememba kontaminantov v neškodljive produkte Sorpcija: odstranjevanje kontaminanta z adsorpcijo ali kompleksacijo Precipitacija: fiksacija kontaminanta v netopne spojine in minerale

21 Reaktivni material za odstranjevanje organskih kontaminant material kontaminant proces Fe 0, Fe 0 /Al 0, Fe 0 /Pd CHC, FCHC reduktivna dehalogenizacija Fe 0 /pirit, Fe/Ni klorirani aromatiki reduktivna dehalogenizacija Fe 0 + metanotrofi CHC mikrobna degradacija zeoliti + metanotrofi TCE sorpcija in razgradnja zeoliti MTBE, CHCl 3, TCE sorpcija modificirani zeoliti TCE, PAH sorpcija Fe 0 /modificirani zeoliti PCE sorpcija in redukcija organobentoniti TCE, benzen, fenol sorpcija kisik sprošajoč spojine BTEX oks. mikrobna razgradnja aktiviran ogljik PAH sorpcija + m. razgradnja TCE = tetrakloroeten, PAH = poliaromatski ogljikovodiki, MTBE = metil terciani butilni eter, BTEX = benzen, toluen, etilbenzen, ksilen PCE = perkloroetilen

22 Reaktivni material za odstranjevanje anoorganskih kontaminant material kontaminant proces Fe 0 CrO 2-4 redukcija in precipitacija modificirani zeoliti CrO 2-4, SO 2-4 sorpcija, redukcija Fe 0 /modificirani zeoliti CrO 2-4 sorpcija redukcija hidroksilapatit Pb 2+ precipitacija hidroksilapatit Zn 2+ sorpcija, koprecipitacija hidroksilapatit Cd 2+ koprecipitacija apnenec UO 2+ redukcija precipitacija Fe 0 UO 2+, TcO 4- redukcija, precipitacija celuloza Mo 2-4 redukcija, precipitacija šota, Fe 3+ MoO 2-4 sorpcija, precipitacija zeoliti 90 Sr 2+ sorpcija Fe 0, žagovina NO - 3 redukcija Fe/Ca oksidi PO 3-4 sorpcija, koprecipitacija

23 Življenska doba permeabilnih biobarier obloge na delcih reaktivnega materiala - precipitacija sekundarnih mineralov - korozija (rja) zamašitev por med delci - precipitacija sekundarnih mineralov -formiranje plina (H 2 ) - produkcija biomase zmanjšanje reaktivnosti - doseganje sorpcijske kapacitete materiala - raztapljanje reaktivnega materiala

24 Uporaba biobarier pri zadrževanju razlitja

25 Biofilmi in transport polutantov

26 Biofilmi in distribucija pitne vode

27

28

29 Delež različnih remediacijskih postopkov pri čiščenju onesnaženih okolij v letu 2001 ex situ tehnologije solidifikacija/stabilizacija 19 % sežiganje izven mesta nastanka 8 % bioremediacija 7 % sežiganje na mestu nastanka 6 % druge metode (nevtralizacija, izpiranje tal, mehanska aeracija, vaporizacija, ekstrakcija s topili, vitrifikacija, fizikalna separacija) 4 % kemijski tretma 1 % ex situ tehnologije vaporizacija 26 % solidifikacija/stabilizacija 6 % bioremediacija 5 % druge metode (termalna desorpcija, kemijski tretma, fitoremediacija, ekstrakcija s topili, električna separacija, vitrifikacija) 3% spiranje 2 %

30 Remediacija halogeniranih lahko hlapnih organskih spojin ostalo vpihovanje zraka bioremediacija termalna desorpcija vaporizacija

31 Remediacija halogeniranih težje hlapnih organskih spojin ostalo bioremediacija termalna desorpcija sežig solidifikacija stabilizacija vaporizacija

32 Remediacija nehalogeniranih lahko hlapnih organskih spojin ostalo termalna desorpcija bioremediacija solidifikacija stabilizacija sežig vaporizacija

33 Remediacija nehalogenih težje hlapnih organskih spojin ostalo termalna desorpcija bioremediacija solidifikacija stabilizacija vaporizacija sežig

34 Remediacija benzena, toluena, etilbenzena, ksilena (BTEX) ostalo vpihovanje zraka termalna desorpcija bioremediacija sežig vaporizacija

35 Remediacija težkih kovin oksidacija redukcija ostalo solidifikacija stabilizacija

36 Remediacija polikloriranih bifenilov ostalo termalna desorpcija sežig solidifikacija stabilizacija

37 Remediacija organskih pesticidov in herbicidov ostalo termalna desorpcija bioremediacija solidifikacija stabilizacija sežig

38 Remediacija policikličnih aromatskih ogljikovodikov ostalo termalna desorpcija bioremediacija solidifikacija stabilizacija vaporizacija sežig

39 Bioremediacija bioremediacija je uporaba bioloških procesov za razgradnjo ali odstranitev poulutantov iz določenega okolja organizem porablja polutant kot vir hrane ali pa ga kometabolizira

40 Strategije pri bioremediaciji ne naredimo nič (pasivna bioremediacija) biostimulacija (dodajanje hranil, kisika) bioaugmentacija (inokulacija z mikrobi) obdelovanje onesnažene zemlje kompostiranje fitoremediacija (uporaba rastlin)

41 Diagram za bioremediacijo bioremediacija in situ ex situ stimulirana nativna Landfarming bioreaktor biostimulacija bioaugmentacija dodatek kisika - bioventilacija - dovajanja zraka dodatek kisika in hranil dodatek kisika, hranil in mikroorganizmov

42 Landfarming kontaminirana tla zračni filter / črpalka tank sloj gramoza

43 Biokupi sloj gramoza hranila/vlaga kontaminirana tla nepropustni sloj izcedna voda

44 Primer uporabnih mikrooganizmov za bioremediacijo snov mikroorganizem pogoji alifatske spojine mešane kulture, aktivno blato aerobno halogene alifatske sp. morske bakterije, aktivno blato aerobni + tla, metanogenci anaerobno aromatske spojine Pseudomonas sp. Bacillus sp. aerobno Rhodococcus sp. Mycobacterium sp. anaerobno Ostali mikrooganizmi pri bioremediaciji: Arthobacter, Alcaligenes, Corynbacterium, Flavobacterium, Achrombacter, Acinetobacter, Micrococcus, Nocardia

45 Primer raziskave razlitja nafte iz bencinske črpalke v talno vodo ena najbolj pogostih oblik kontaminacije tla in podtalnica so kontaminirani z BTEX spojinami izkušnje kažejo, da je večina izpustov nafte biološko razgrajenih

46 Običajno zaporedje pri razgradnji ogljikovodikov po izlitju v okolje tok tekočine koncentracija NO 3 - ksenobiotik H 2 S CH 4 O 2 aerobna respiracija denitrifikacija sulfatna respiracija metanogeneza

47 ko nekontaminirana voda pride v kontaminirano področje so ogljikovodiki hitro razgrajeni, pri tem uporabijo kisik s sprememba redoks stanja iz oksigenega v anoksigeno se porabi nitrat, poveča se redukcija železa in sulfatna redukcija povečan CO 2 kaže na povečano biodegradacija ko so elektronski akceptorji porabljeni pride do razgradnje le še na interfazi zaradi počasne difuzije kisika

48 Različna stopnja razgradnje spojin

49 Primer uspešne biostimulacije Razlitje L dizelskega goriva v tla iz luknjastega tanka za gorivo v Kaliforniji. Predhodne raziskave so pokazale, da so v teh tleh organizmi, ki so sposobni razgradnje dizla. Nato so v tla zavrtali vertikalne luknje in periodično dodajali fosfor in dušik in vodikov peroksid kot vir molekularnega kisika. V 6 mesecih niso več zaznali povečanih koncentracij dizla v tleh.

50 Primer uspešne biostimulacije Razlitje surove nafte iz tankerja Exxon Valdez na Aljaski, onesnaženo 1500 km obale. Na obali so s razprševanjem nanesli tanek film oleofilnega NP gnojila Inipol EAP22. Pri mešanju mikroemulzije gnojila s surovo nafto je prišlo do destabilizacije InipolaEAP22, pri tem se je sprostil dušik v obliki ureae. Ogljik v oleinski kislini Inipola EAP22 je služil kot začetni vir ogljika, kar je omogočilo začetno povečanje mikrobne biomase. Ko je mikrobna biomasa porabila ogljik v Inipolu EAP22 je začela razgrajevati surovo nafto.

51 Razlitje nafte med zalivsko vojno 10 let po razlitju je stopnja remediacija odvisna od okolja, ki je bilo onesnaženo. slana močvirja so ~ 20 % remediirana peščene obale so 80 % remediirane kamnite obale so 100 % remediirane mangrove so 100 % remediirane koralni grebeni niso bili onesnaženi Do največje remediacije je prišlo v področjih, kjer je bila moč valov največja in je zaradi tega prišlo do fizične odstranitve oziroma je zaradi vnosa kisika najintenzivneje potekala bioremediacija. Biološke združbe rekoloniziranih področij so podobne tistim pred onesnaženjem.

52 Cianobakterije in bioremediacija nafte v Perzijskem zalivu je odmrla favna in flora ter sedimentacije finega materijala v slanih močvirjih omogočila uveljavljanje do nekaj cm debele plasti cianobakterij biofilm je zmanjšal vnos kisika v plasti pod cianobakterijami (manjša bioremediacija v globljih plasteh) pozimi, ko ni bilo rasti cianobakterij se je akumuliralo od 1 do 3 mm sedimenta spomladi so začele cianobakterije rasti na površini, spodnji deli sedimenta so ostajali anaerobni in nafta je ostala nerazgrajena, transport nafte iz nižjih plasti v višje je bil zaradi odsotne favne majhen

53 Cianobakterije in bioremediacija nafte v morski vodi onesnaženi z nafto lahko tudi nastajajo biofilmi s cianobakterijami v tem primeru je bioremediacija predvsem vezana na heterotrofne simbionte cianobakterij, ki mineralizirajo nafto in tako sproščajo hranila za cianobakterije, cianobakterije v zameno dajejo heterotrofom potreben kisik

54 Ostale biostimulacijske tehnologije Dodajanje kisika ali vodika spremeni redoks stanja okolja in poveča naravno atenuacijo okolja za razgradnjo. kisik sproščajoče spojine MgO 2 + H 2 O 1/2O 2 + Mg(OH) 2 vodik sproščajoče spojine Poliacetatni estri so s hidrolizo razgrajeni do mlečne kisline, ki je anaerobno fermentirana do H 2, ki ga uporabljajo reduktivni dehalogenatorji, sproščanje mora biti počasno sicer so za H 2 bolj konkurenčni metanogenci

55 Ostale biostimulacijske tehnologije Sprememba okolja iz aerobnega v anaerobno zaradi dodatkov: -acetat - propionat - etanol, metanol -laktant - rastlinska olja -mlečna kislina

56 Primer uspešne biostimulacije Onesnaženje reke Savannah v Južni Karolini s trikloretilenom (TCE) in tetrakloroetilenom (PCE). V zemljo so horiznotalno vzporedno s površino zavrtali luknje in jih napolnili z 1 % metanom. Injiciran metan je omogočil namnoževanje metanotrofom. V anaerobnih delih tal je prišlo do reduktivne deklorinacije PCE in TCE, ob spremembi v aerobne pogoje so ju oksidirali namnoženi metanotrofi. Onesnaženo mesto je bilo očiščeno v 4 letih.

57 Uporaba biofilmov pri bioremediaciji

58 Uspešna biostimulacije in bioaugmentacije 8 ha z atrazinom onesnaženih tal v Louiziani na posestvu tovarne Ciba- Geigy. Onesnaženo zemljo so 4 krat na teden preorali. Za biostimulacijo so dodali 880 kg NPK 13:13:13 gnojila. Poleg tega so v tla dodali tudi 2000 litrov združbe atrazin razgrajajočih Pseudomonad. Koncentracija atrazina je padla pod predpisano mejo v 20 tednih.

59 Fitoremediacija Razgradnja polutantov s pomočjo rastlin poteka v več stopnjah: oksidacija (npr. P450, peroksidaze) redukcija (npr. nitroreduktaze) hidroliza konjugacija z glutationom, sladkorji in amino kislinami kompartmentalizacija (depoziti v vakuolah, vezava na celično steno)

60 Fitoremediacija Pri fitoremediaciji je pomembno ali rastlina detoksificira polutant ali pa ga nalaga in transpirira. Zelo primerne rastline so topoli, zaradi hitre rasti visoke porebe vode in zelo razvejanega koreninskega sistema (npr. topol lahko fitoremediira tla s trinitrotoluenom, trikloretenom, nitro triazinom, kloriniranimi organskimi topili, benzenom, toluenom, in ksilenom).

61 Prednosti bioremediacije je manj nevarna za ljudi, ki jo opravljajo je običajno cenejša polutanti se lahko tretirajo na mestu onesnaženja je okoljsko sprejemljiva, saj ne generira novih odpadkov je družbeno sprejemljiva zaradi povečane občutljivosti za okolje

62 Pomankljivosti bioremediacije v primeru nizke biodostopnosti polutanta je neučinkovita bioremediacija je zelo odvisna od okoljskih faktorjev v primeru mešanice polutatntov so nekateri lahko toksični je relativno počasna

63 Biorazgradnja trdnih organskih odpadkov Najpomembnejša postopka za biorazgradnjo trdnih odpadkov sta: -deponiranje -kompostiranje

64 Deponije trdnih odpadkov Najbolj problematično je odlaganje odpadkov v nizko ležeče kotanje ali jame. Boljša strategija so sanitarne deponije, kjer je dnevni depozit trdnih odpadkov pokrit z zemljo. Z naravovarstvenega stališča je pomembno da: na deponiji poteka počasna (več desetletij) anaerobna razgradnja odpadkov, ki v okolje sprošča N 2, CO 2, H 2 S in CH 4, reducirane topne oblike težkih kovin in drugih toksičnih organskih in anorganskih spojin zemeljski plin lahko uporabimo kot energent, vendar je njegovo pridobivanje največkrat nerentabilno (draga investicija, nečistoče)

65 Deponije trdnih odpadkov

66 Novejše deponije trdnih odpadkov

67 Biorazgradnja s kompostiranjem Kompostiranje je predvsem mikrobni proces, ki organske odpadke pretvori v neškodljiv organski material z zmanjšanim volumnom, ki ga lahko uporabimo za izboljšavo tal. Ločimo: mezofilno fazo na začetku termofilno fazo mezofilno fazo na koncu

68 Začetna mezofilna faza kompostiranja temperatura je < 40 o C začetna degradacija topnih substratov nekaj dni hitra produkcija CO 2 zniževanje C:N razmerja imobilizacija topnega N, S, P

69 Termofilna faza kompostiranja v kompostnem kupu se razvije temperatura od 55 do 60 o C pride do pasterizacije, ki zmanjša število patogencev, klijočih semen, ličink črvov in jajčec parazitov zmanjša se mikrobna diverziteta (manj različnih bakterij, aktinomicet in gliv) termofilno fazo lahko podaljšamo, če dovajamo kisik ali pa kup po primarni temofilni fazi premešamo v tej fazi pride do evaporacije vode in sušenja organskega materiala

70 Končna mezofilna faza kompostiranja ko v kompostu zmankuje hranil se termofilna faza zaključi z reintrodukcijo mezofilnih organizmov se nadaljuje počasna razgradnja organskega materiala nastajajo plinski in toksični produkti (npr. merkaptani, amonijak, etilen, acetat, amini) evaporirajo na amonuju lahko pride do nitrifikacije in nastanka nitrata potrebno zagotoviti odstranjevanje ofenzivnih plinskih produktov, vezava na biofiltre (npr. plast dozorelega komposta, mikrobno obogateni oblanci)

71 Pogoji za optimalno komostiranje vlaga med 50 in 60 % C : N med 25 : 1 in 35 : 1 temperatura termofilne faze med 50 in 60 o C redoks potencial > 50 mv majhno razmerje med večjimi in manjšimi delci, manjši delci večja površina, večja hitrost reakcij, večja poraba kisika odsotnost toksičnih spojin (npr. topil, pesticidov, težkih kovin) optimalni med ph 6 in ph 8 na začetku se lahko zniža, med termofilno fazo naraste

72 Kompostni sistemi aerirani statični kupi črpalka za zrak odpadki kompost zrak aerirani kontinuirani kupi odpadki kompost vrteči bobni Novejši postopek je anaerobno kompostiranje, kjer pridobivajo naravni bioplin, trdne ostanke posušijo in uporabijo za kurjavo.

73 Uporabnost komposta ~ 10% dozorelega komopsta se mineralizira v prvem letu po dodatku tlem, kar je bistveno več od talne organske snovi (~ 1-3 %) v naslednjih letih je hitrost mineralizacije primerljiva z mineralizacijo talne org. snovi poveča stabilnost in agregiranost talnih teksturnih delcev izboljša talno aeriranost izboljša infiltracijo vode in poveča sposobnost za zadrževanje vode poveča kationsko izmenjalno kapaciteto tal

74 Razgradnja tekočih organskih odpadkov in kvaliteta vodnih okolij Kvaliteta vodnih okolij pomeni, da: niso preobremenjene z organsko snovjo niso preobremenjene z anorganskimi hranili niso toksične ne vsebujejo estetsko nesprejemljivih substanc ne prenašajo fekalnih kontaminacij njihova temperatura, slanost, motnost ali ph ne smejo biti signifikantno sprememnjeni

75 Parametri, ki jih spremljamo pri kvaliteti voda Parametri spremljani v Blejskem jezeru v letu 2004, (MINISTRSTVO ZA OKOLJE, PROSTOR IN ENERGIJO AGENCIJA REPUBLIKE SLOVENIJE ZA OKOLJE) nadvodna,podvodna radiacija, temperatura, el.prevodnost, ph, redox, O 2, nasičenost z O 2, fosfor celotni, celotni org. ogljik TOC, dušik-celotni TN, NO 2, NO 3, NH 4, SiO 2, ortofosat, BPK5, KPK, O 2 Winkler, m-alkal., Ca, K, Na, Mg, H 2 S, CO 2, klorofil a, fitoplankton biomasa, zooplankton Parametri spremljani v Bohinjskem jezeru v letu 2004, (MINISTRSTVO ZA OKOLJE, PROSTOR IN ENERGIJO AGENCIJA REPUBLIKE SLOVENIJE ZA OKOLJE) prosojnost-secchi nadvodna, podvodna radiacija, temperatura, el.prevodnost, ph, redox, O 2,nasičenost z O 2, fosfor celotni, dušik- celotni (TN), celotni org. ogljik (TOC), ortofosfat, NO 3, SiO 2, NH 4, BPK5, KPK, O 2 Winkler, m-alkal., Ca, K, Na, Mg, CO 2 prosti, klorofil-a, zooplankton

76 Parametri, ki jih spremljamo pri kvaliteti voda Parametri spremljani v Cerkniškem jezeru v letu 2004, (MINISTRSTVO ZA OKOLJE, PROSTOR IN ENERGIJO AGENCIJA REPUBLIKE SLOVENIJE ZA OKOLJE) Voda: temp., ph, el. prevod., kisik, nasič., barva, suspendirane snovi, hidrogenkarbonati, karb.,., nekarb., kalc., mag., sk. trdota, m-alk., kalcij, kalij, natrij, magnezij, orto- fosfat, celotni fosfor, NH 4, NO 2, NO 3, SiO 2, celotni dušik, celotni org. ogljik, BPK5, KPK s KMnO 4, O 2 Winkler,4 kloridi, sulfati, deterg., miner. olja, fenoli-skupaj, težke kovine (Cu, Zn, Cr, Ni, Pb, kadmij), 1,2- dikloroetan, heksaklorobenzen, heksaklorocikloheksan, pentaklorofenol, živo srebro, tetrakloroeten, triklorobenzen, trikloroeten, triklorometan Sedimenti: EOX, kadmij), 1,2-dikloroetan, heksaklorobenzen, heksaklorocikloheksan, pentaklorofenol, živo srebro, tetrakloroeten, triklorobenzen, trikloroeten, triklorometan, težke kovine (Cu, Zn, Cr, Ni, Pb) Biolološke analize: klorofil-a, fitoplankton, zooplankt., makrofiti, saprobiološke analize

77 Kvaliteta voda I.razred vode,ki jihvnaravnem stanju, ob morebitni dezinfekciji mogoče uporabiti za pitje in v živilski industriji, površinske vode pa tudi za gojitev plemenitih vrst rib (salmonide); II. razred vode, ki jih je v naravnem stanju mogoče uporabljati za kopanje in rekreacijo občanov za vodni šport, za gojitev drugih vrst rib (ciprinide) ali jih je mogoče obobočajnih metodah obdelave kondicioniranju (koagulacija, filtracija in dezinfekcija ipd.) uporabljati za pitje in v živilski industriji; III.razred vode,ki jih je mogoče uporabljati za namakanje, po običajnih metodah obdelave (kondicioniranju) pa tudi v industriji, razen v živilski industriji; IV. razred vode, ki jih je mogoče uporabljati za druge namene samo po ustrezni obdelavi.

78 Samočistilna sposobnost vodnih okolij samočistilna sposobnost vod pomeni, da je organski material, ki je vnešen v vodno okolje, porabljen in mineraliziran s strani heterotrofnih mikroorganizmov (npr. dušik je mineraliziran in oksidiran do nitrata, ki ga porabijo, primarni producenti) vnešena mikrobna populacija se zmanjša, to je možno pri zmernem vnosu organske snovi v vodno okolje, pri večjem vnosu odpove

79 Tako so to počeli v starih časih In samočistilna sposobnost ni bila kompromitirana.

80 Tako so to počeli v nekoliko manj starih časih Double-decker Funkcija Double-deckerja

81 Prekomerna obremenjenost vodnih okolj z organskim materialom z naraščanjem gostote prebivalstva, masovno uporabo vode v gospodinjstvih in industriji je vnos organske snovi večji, kot je samočistilna sposobnost vod ekološko zavedanje o pomenu kvalitete vode je posledica epidemij tifusa, kolere, dizenterije in drugih patogenih mikrobov v vodnih okoljih, zaradi tega so se pojavile potrebe po čistilnih napravah

82 Septični tank

83 Biološka poraba kisika Nnajpomembnejši parameter, ki ga zasledujemo pri čiščenju odpadnih vod, je BOD ali biološka poraba kisika koncentracija amonij fosfor nitrat koncentracija kisik organska snov BOD oddaljenost od izpusta odpadne vode v reko oddaljenost od izpusta odpadne vode v reko

84 Septični pogoji v rekah zaradi porabe kisika lahko pride do septičnih pogojev v rekah in s tem dramatične spremembe ekosistema na pojavljanje anaerobnosti vpliva hitrost izpusta organskih spojin vodo, temperatura vode, sestave mikrobne združbe anaerobnost je nezaželena in zato je primarna skrb pri čiščenju odpadnih vod zmanjšanje BOD

85 Struktura mikrobne združbe po izpustu organsko onesnažene vode v reko koncentracija alge bakterije protozoji oddaljenost od izpusta odpadne vode v reko

86 Primer prekomerno onesnažene odpadne vode Karakteristike odpadne vode iz prašičje farme v Ihanu: KPK = mg/l BPK 5 = mg/l 3 % suhe snovi 74 % organske snovi suhi snovi ph 7.2 organski dušik 2200 mg/l NH 4 -N 1400 mg/l anorganska snov 5.4 g/l

87 Čistilne naprave primarno čiščenje sekundarno čiščenje terciarno čiščenje

88 Primarno čiščenje primarno čiščenje odpadne vode je postopek čiščenja odpadne vode na fizikalen in/ali kemičen način, vključno z usedanjem neraztopljenih snovi, ki se zagotavlja na komunalni čistilni napravi primarno čiščenje je lahko tudi drug postopek čiščenja, ki zmanjšuje BPK za najmanj 20% in količino neraztopljenih snovi za najmanj 50% pred izpustom

89 Sekundarno čiščenje sekundarno čiščenje odpadne vode je postopek čiščenja odpadne vode, ki vključuje biološko čiščenje s sekundarnim usedanjem ali drug način čiščenja, s katerim se zagotavlja doseganje mejnih vrednosti za izpust odpadne vode v vodotoke

90 Aerobno tretiranje odpadne vode Pri procesu, kjer uporabljamo aktivno blato vpihujemo zrak v aeroben tank. Visoko aktivnost mikrobne združbe ohranjamo z reinokulacijo aktivnega blata. odstranjeno primarno in aktivno blato influent višek aktivnega blata primarni sedimentacijski tank reinokulacija z aktivnim blatom sekundarni sedimentacijski tank aeracijski tank zbistren efluent

91 aeracijski tank biostolpi sedimentacijski tank

92 Primerjava različnih aerobnih postopkov proces prednosti pomankljivosti aerirana laguna visoko zmanjšanje BOD, povzroča smrad, potrebuje veliko nizki stroški, prostora, občutljiva za hladno vreme aktivno blato visoko zmanjšanje BOD, visoka poraba energije, odstranjevanje srednji stroški blata, občutljiv za nenaden visok vnos kapljajoči filtri nizki stroški, neobčutljiv srednje zmanjšanje BOD, na nenaden visok vnos odstranjevanje blata rotirajoči diski visoko zmanjšanje BOD lahko povzroča smrad, veliko znanja kompaktni, srednji stroški potrebno odstranjevanje blata

93 Mikrobna združba v aerobnem tanku razvije se zelo heterogena mikrobna populacija prevladujejogramnegativne paličke (koliformi, pseudomonade, Zooglea), korineformne bakterije, mikobakterije, filamentozne bakterije filamentoznih gliv in kvasovk je relativno malo glavna skupina protozojev so ciliate črvi, insekti nematode protozoji avtotrofne in heterotrofne bakterije

94 Formiranje flokul v aeracijskem tanku predvsem Zooglea tvori flokule v katere se ulovijo tudi druge bakterije formiranje flokula je kritično za proces sedimentacije, v kolikor prevladujejo filamentozne bakterije ne prihaja do sedimentacije zaradi kompeticije, predatorstva, sedimentacije in adsorpcije se drastično zmanjša število patogenih mikroroganizmov v vodi, kjer pride do formiranja flokul

95 Anaerobno tretiranje odpadne vode anaerobno tretiranje je običajno počasnejše od aerobnega vendar je potreben manjši vložek energije najenostavnejši sistem je septični tank, v katerem pride do delne razgradnje sedimentiranega organskega materiala, zbistreno tekočino odvajamo anaerobne fermentorje uporabljamo predvsem v primerih, ko je v odpadnih vodah veliko organskega materiala (20 do 100 g/l) in za anaerobno razgradnjo odpadnega blata anaerobni fermentorji delujejo kontinuirano

96 Anaerobni tank

97 Anaerobic Sludge Granules Physical: dense compact biofilms high settleability (30-80 m/h) high mechanical strength Microbial: balanced microbial community syntrophic partners closely associated high methanogenic activity (0.5 to 2.0 g COD/g VSS.d) protection from toxic shock

98 Anaerobna digestija Anaerobna digestija poteka v dveh sklopljenih procesih: najprej pride do depolimerizacije kompleksnega organskega materiala, nato sledi fermentacija do alkoholov, maščobnih kislin, CO 2 in H 2 v naslednji stopnji pride do produkcije metana z redukcijo metilnih spojin, acetata ali redukcijo CO 2

99 Anaerobna digestija - razgradnja lipidov lipaze konvertirajo lipide do maščobnih kislin v odpadni vodi lahko najdemo populacije of lipolitičnih bakterij na ml klostridiji in mikrokoki so najpomembnejši producenti ekstracelularnih lipaz dolge maščobne kisline so z oksidacijo razgrajene do acetil-coa

100 Anaerobna digestija - razgradnja proteinov proteine večinsko hidrolizirajo proteaze, ki jih izločajo Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas, in Streptococcus amino kisline so razgrajene do maščobnih kislin kot so acetat, propionat, butirat in do amonija s pomočjo Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, Campylobacter, and Bacteroides

101 Anaerobna digestija heksoz in pentoz heksoze in pentoze so konvertirane v C2 in C3 intermediate večina anaerobnih bakterij uporablja Emden-Meyerhof-Parnas pathway (EMP), ki producira piruvat in NADH, ki je pri fermentaciji oksidiran do fermentacijskih produktov

102 Glavne fermentacijske poti od stopnje piruvata laktat NADH piruvat acetalaldehid NADH etanol NADH oksalacetat malat fumarat sukcinat propionat acetil-p ATP acetat aceton NADH izopropanol acetil-coa acetoacetil-coa NADH butiril-coa NADH butiraldehid NADH NADH butanol format acetalaldehid NADH etanol α-acetolaktat acetoin NADH 2,3 butandiol diacetil butiril-p ATP butirat

103 Pregled običajnih fermentacij vrsta reakcija alkoholna heksoze 2etanol + 2CO 2 homolaktična heksoze 2laktat + 2 H + heterolaktična heksoze laktat + etanol + CO 2 + H + propionska laktat propionat + acetat + CO 2 mešana heksoze etanol + 2,3-butandiol + sukcinat + laktat + acetat + format +H 2 + CO 2 maslena heksoze butirat + acetat + H 2 + CO 2 butanolska heksoze butanol + acetat + aceton + etanol + H 2 + CO 2 kaproatna etanol + acetat kaproat + butirat + H 2 homoacetogena heksoze 3 acetat + 3H + metanogena acetat CH 4 + HCO 3 -

104 Pregled neobičajnih fermentacij vrsta reakcija acetilenska 2C 2 H 2 + 3H 2 O etanol + acetat + H + glicerolna 4glicerol + 2HCO - 3 acetat + 5H + + 4H 2 O cinamatna 2C 9 H7O H 2 O C 9 H 9 O 2 + benzoat + acetat + H + putrescinska 10C 4 H 12 N H 2 O 6 acetat + 7 butirat citratna citrat + 2H 2 O format + 2 acetata + H + akonitatna akonitat + H + + 2H 2 O 2 acetata + 2CO 2 + H + glioksilatna 4 glioksilat + 3H + + 3H 2 O glikolat + 6CO 2 + 5H 2 sukcinatna sukcinat + H 2 O propionat + HCO - 3 oksalatna oksalat + H 2 O format + HCO - 3 malonatna malonat + H 2 O acetat + HCO - 3

105 Produkcija acetata, kot glavnega prekurzorja za metan nekaj acetata (~ 20 %) in vodika je direktno producirano pri fermentaciji sladkorjev najpomembnejša pot za nastanek acetata je acetogeneza in dehidrogenacijo višjih maščobnih kislin za ta proces je največkrat potrebna sintrofija, saj nastajajoči vodik blokira proces

106 Metabolizem maščobnih kislin pri Syntrophomonas wolfei maščobna kislina produkt CH 3 CH 2 CH 2 COO H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H + CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO H 2 O 3 CH 3 COO - + 4H 2 + 2H + CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO H 2 O 4 CH 3 COO - + 6H 2 + 3H + CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 COO - +1 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + CH 3 COO - +2H 2 + H + CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO H 2 O CH 3 CH 2 COO CH 3 COO - +4H 2 + 2H + CH 3 CHCH 2 CH 2 CH 2 COO H 2 O CH 3 CHCH 2 COO - + CH 3 COO - + 2H 2 + H + CH 3 CH 3

107 Metanogene reakcije reakcija G o (kj/mol) CO H 2 CH 4 + 2H 2 O HCO H 2 + H + CH H 2 O CH 3 COO - + H + H 4 + CO CH 3 COO - + H 2 O CH 4 + HCO HCOO - + H CH CO H 2 O CO H 2 O 0.25 CH CO CH 3 OH 0.75 CH CO H 2 O CH 3 NH H 2 O 0.75 CH CO 2 + NH (CH 3 ) 2 NH 2+ + H 2 O 1.5 CH CO 2 + NH (CH 3 ) 2 NCH 2 CH 3 H + + H 2 O 1.5 CH CO H 3 NCH 2 CH (CH 3 ) 3 NH+ 1.5H 2 O 2.25 CH CO 2 + NH

108 Vrste anaerobnih bioreaktorjev CSTR Dilution Rate (1/HRT) Time < Growth Methanosaete Rate (t d =7 d), growth rate = ln(2)/t d = 0.1 d -1 so minimum HRT = 10 days Recycle of Active Biomass Dilution Rate (1/HRT) Time > Growth Rate sludge retention time uncoupled from hydraulic retention time Contact Process Immobilization of Active Biomass Dilution Rate (1/HRT) Time > Growth Rate sludge retention time uncoupled from hydraulic retention time biogas Anaerobic effluen Filter t influen t biofil m Support (pumice) 3 phase separator influent weir settler baffles Upward-flow Anaerobic Sludge Blanket biogas gas cap sludge bed effluent gas bubble sludge granu

109 bioplin Expanded Granular Sludge Bed Effluent gas cap usedalnik sludge granule gas bubble Recikel efluenta Sludge Bed Influent

110 Optimalni pogoji za anaerobno digestijo Za izbrano vrsto odpadne vode je potrebno optimizirati: zadrževalni čas v fermentorju temperaturo (35 do 37 o C) ph(6-8) C : N razmerje C: P razmerje koncentracijo težkih kovin gostoto biomase ( /ml) recikliranje biomase

111 Kinetični parametri anaerobnih mikroorganizmov podvojitveni čas Cell Yield Cell Activity ks days g VSS g-1 COD g COD g-1 VSS d-1 mm Active Sludge (sugar) Aerobic Bacteria 0,030 0,40 57,8 0,25 Acidification (sugar) Fermentative Bacteria 0,125 0,14 39,6 ND Acetogenesis (fatty acids) Acetogenic Bacteria 3,5 0,03 6,6 0,4 Methanogenesis Autotrophic (H2) 0,5 0,07 19,6 0,004 Acetoclastic (acetate) Methanosarcina 1,5 0,04 11,6 5,0 Methanosaete 7,0 0,02 5,0 0,3

112 Pretok ogljika pri anaerobnem tretiranju odpadne vode kompleksne organske spojine 20% 5% hidroliza 60% 15% intermediati 15% propionat acetogeneza 35% 13% acetat 17% 10% H 2 metanogeneza 72% CH 4 28%

113 Terciarno čiščenje terciarno čiščenje odpadne vode je fizikalno-kemijski postopek čiščenja odpadne vode (npr. precipitacija, filtriranje, kloriranje), s katerim se dosega eliminacija dušika in fosforja tako, da se zagotavlja doseganje mejnih vrednosti za izpust odpadne vode v vodotoke terciarno očiščena voda ne omogoča znatne rasti mikroorganizmov

114 Dezinfekcija v kolikor odpadno vodo spuščamo v vodozbirno območje je potrebno vodo dezinficirati in tako uničiti enteropatogene bakterije in viruse najobičajnejši postopek je uporaba hipoklorida (Ca(OCl) 2 ) ali NaOCl spojina, ki opravi dezinfekcijo je hipoklorid, ki je močan oksidant in reagira z organskimi spojinami, amonijem, reduciranim železom, reduciranim manganom in reduciranimi žveplovimi spojinami, v nekaterih primerih uporabljamo tudi ozon

115 Dezinfekcija klorinacija deklorinacija z aeracijo

116 Indikatorski mikroorganizmi Za onesnaženost voda s fekalijami uporabljamo indikatorske mikroorganizme. Od indikatorskega mikroorganizma zahtevamo: prisoten mora biti vedno ko se pojavi patogen mikroorganizem prisoten mora biti samo takrat, ko obstaja nevarnost za okužbo prisoten mora biti v večjih gostotah kot patogen mikrob biti mora lahko odkrivljiv. Univerzalnega indikatorja ni, za fekalne koliforme največkrat uporabljamo E.coli.

117 Mejne vrednosti parametrov odpadne vode za odvajanje neposredno v vodo parameter enota mejne vrednosti kemijska potreba po kisiku KPK mg/l 120 biokemijska potreba po kisiku BPK 5 mg/l 25 neraztopljene (suspendirane) snovi mg/l 80 nitratni dušik mg/l 30 nitritni dušik mg/l 1,0 amonijev dušik mg/l 10 celotni fosfor mg/l 2,0 skupno število koliformnih bakterij MPN/100 ml število koliformnih bakterij fekalnega izvora število/100 ml števili streptokokov fekalnega izvora število/100 ml Uredba o emisiji snovi in toplote pri odvajanju odpadnih voda iz virov onesnaženja, kot splošna uredba in Uredba o emisiji snovi pri odvajanju odpadnih vod iz komunalnih čistilnih naprav s posebnimi zahtevami za komunalne odpadne vode.

118 Mejne vrednosti parametrov odpadne vode za odvajanje neposredno v vodo parameter enota zmogljivost čistilne naprave v PE < > neraztopljena s. Mg/L NH + 4 mg/l celotni dušik mg/l celotni fosfor mg/l KPK mg/l BPK 5 mg/l učinkovitost za N % učinkovitost za P % Uredba o emisiji snovi in toplote pri odvajanju odpadnih voda iz virov onesnaženja, kot splošna uredba in Uredba o emisiji snovi pri odvajanju odpadnih vod iz komunalnih čistilnih naprav s posebnimi zahtevami za komunalne odpadne vode.