ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΡΙΣΙΜΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΤΟΠΙΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Περιγραφή περιστατικού ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΕΚΣΚΑΦΗ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-1
ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Οι μέθοδοι βιοαποκατάστασης: Αξιοποιούν τη δράση μικροοργανισμών ή προϊόντων μεταβολισμού μ των μικροοργανισμών ργ μ για τη μετατροπή επικίνδυνων περιβαλλοντικά ουσιών σε απλούστερα ακίνδυνα προϊόντα. Εφαρμόζονται κυρίως σε οργανικούς ρύπους: Ανοργανοποίηση μετατροπή σε CO 2 και Η 2 Ο Μετασχηματισμός σε απλούστερες-ακίνδυνες οργανικές ενώσεις ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-2
Βιολογικές μέθοδοι για ανόργανους ρύπους: Με τη βιολογική επεξεργασία ξργ 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 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-3
ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΒΑΚΤΗΡΙΑ 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 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-4
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. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-5
Α. Πηγή άνθρακα: Ετερότροφα: χρησιμοποιούν οργανικές ενώσεις, π.χ. γλυκόζη, σαν πηγή C Αυτότροφα: χρησιμοποιούν ενώσεις ανόργανου άνθρακα, π.χ. CO 2 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. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-6
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 ιακά (facultative): ο δέκτης ηλεκτρονίων μπορεί να είναι το οξυγόνο ή και άλλο στοιχείο ανάλογα με τις συνθήκες στις οποίες θα βρεθεί ο μικροοργανισμός. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-7
ΒΙΟΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣ ΔΕΚΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ Τυπικές αντιδράσεις βιοαποδόμησης του βενζολίου με χρήση διαφορετικών δεκτών ηλεκτρονίων ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες οξειδοαναγωγικού δυναμικού, Eh. Eh (mv) Δέκτης ηλεκτρονίων Αντίδραση βιοαποδόμησης Χρόνος ημιζωής* (d) > +200 O 2 C 6 H 6 + 7.5 O 2 6 CO 2 + 3 H 2 O 7 < +200 NO 3 - C 6 H 6 + 6 NO 3- + 6 H + 6 CO 2 + 3 N 2 + 6 H 2 O 97 3 6 6 3 2 2 2 < 0 Fe(III) C 6 H 6 + 30 Fe 3+ + 12 H 2 O 6 CO 2 + 30 Fe 2+ + 30 H + 140 < -100 SO 4 2- C 6 H 6 + 3.75 SO 4 2- + 7.5 H + 6 CO 2 + 3.75 H 2 S + 3 H 2 O 50 < -200 C 6 H 6 C 6 H 6 + 12 H 2 O 2.25 CO 2 + 3.75 CH 4 61 * Lawrence, 2006 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-8
ΒΙΟΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣ ΔΕΚΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ Όταν έχουμε διαρροή οργανικών ρύπων που βιοαποδομούνται εύκολα με δέκτη ηλεκτρονίων το Ο 2 (π.χ. χ απλοί αλειφατικοί και αρωματικοί υδρογονάνθρακες), παρατηρείται: σημαντική κατανάλωση του οξυγόνου στην εστία της ρύπανσης και δημιουργούνται χαρακτηριστικές ζώνες, στις οποίες εμφανίζονται οι διαδοχικά δ επικρατέστεροι δέκτες ηλεκτρονίων ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-9
ΒΙΟΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣ ΔΕΚΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ITRC, 2002 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-10
ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ - ΚΙΝΗΤΙΚΗ 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 ρ με εργαστηριακές μετρήσεις ή επιτόπιες μετρήσεις. Η έννοια του χρόνου ημιζωής εμπεριέχει την απλουστευτική παραδοχή ότι η βιοαποδόμηση ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης: dc dt = λt λc C = C o e ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-11
ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ - ΚΙΝΗΤΙΚΗ Παράδειγμα: Σε εργαστηριακές δοκιμές προσδιορίσθηκε ότι η βιοδιάσπαση του τολουολίου ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης με σταθερά λ=1.65x10-3 h -1. Πόσος είναι ο χρόνος ημιζωής του τολουολίου; Λύση: Ο χρόνος ημιζωής αντιστοιχεί στον υποδιπλασιασμό της αρχικής συγκέντρωσης, δηλ. C/C o =0.5. t 1/2 = - ln(0.5)/λ = 0.693/λ = 420 h ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-12
ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ - ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΠΡΩΤΗΣ ΤΑΞΗΣ Απλουστευτικές παραδοχές Υπάρχει σε επάρκεια ο δέκτης ηλεκτρονίων, π.χ. το οξυγόνο ξγ 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. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-13
ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ - ΚΙΝΗΤΙΚΗ Μεταβολή του ρυθμού βιοαποδόμησης συναρτήσει της συγκέντρωσης της οργανικής ένωσης ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-14
ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ - ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ MONOD dc dt = λcx K C S + όπου : Χ = συγκέντρωση των βακτηρίων. K S = παράμετρος με διαστάσεις συγκέντρωσης. C<< K S : C>>K S : ο ρυθμός αποδόμησης μεταβάλλεται γραμμικά με την συγκέντρωση C κινητική πρώτης τάξης ο ρυθμός dc/dt δεν εξαρτάται από την συγκέντρωση C κινητική μηδενικής τάξης ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-15
ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ - ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ANDREWS dc dt = K S λcx + C + C K 2 K i όπου : K i = συντελεστής τοξικότητας (διαστάσεις συγκέντρωσης). ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-16
ΚΡΙΣΙΜΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ Η ΣΥΝΗΘΙΣΜΕΝΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 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. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-17
ΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΔΙΑΣΠΑΣΗ 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 : C 5 H 7 O 2 N ή C 60 H 87 O 23 N 12 P ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-18
Πόσο οξυγόνο χρειάζεται για την αερόβια διάσπαση τολουολίου: α) Μέσω καταβολισμού C 7 H 8 +. O 2... CO 2 +.H 2 O β) Μέσω αναβολισμού C 7 H 8 +.. O 2 + ΝΗ 4+ C 5 H 7 O 2 N +. CO 2 +... H 2 O +. Η + ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-19
Πόσος σίδηρος χρειάζεται για την αναερόβια δά διάσπαση του τολουολίου απο σιδηροαναγωγικά βακτήρια : α) Μέσω καταβολισμού C 7 H 8 + Fe 3+ +... H 2 O...CO 2 +...Fe 2+ +.H + β) Μέσω αναβολισμού C 7 H 8 +... Fe 3+ + ΝΗ 4+ +... H 2 O C 5 H 7 O 2 N +...CO 2 +...Fe 2+ +... Η + 5 7 2 2 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-20
α) Μακροθρεπτικά: N και P ΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ C 5 H 7 O 2 N C 60 H 87 O 23 N 12 P β) Μικροθρεπτικά : Na, S, K, Ca, Mg, Fe καθώς και δά διάφορα ιχνοστοιχεία Στα εδάφη υπάρχει συνήθως η απαιτούμενη ποσότητα μικροθρεπτικών, αλλά είναι πιθανό να χρειάζεται προσθήκη N και P. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-21
ΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ Παράδειγμα: Πόσo άζωτο και φωσφόρος απατούνται για τη βιοδιάσπαση ενός mg τολουολίου, C 7 H 8 εάν θεωρηθεί ότι: 7 8 το 50% του τολουολίου οξειδώνεται μέσω καταβολισμού και το 50% χρησιμοποιείται για την παραγωγή νέας βιομάζας. Λύση: Από το 1mgτολουολίου μόνον το 0.5 mg χρησιμοποιείται για την παραγωγή βιομάζας. Με βάση την αντίδραση: C 7 H 8 + 4 O 2 + ΝΗ 4+ C 5 H 7 O 2 N + 2 CO 2 + 2 H 2 O + Η + 0.5 mg 0.614 mg βιομάζας Από την αναλογία Ν και P στον τύπο C 60 H 87 O 23 N 12 P : (12 x 14) / 1374 x 0.614 = 0.075 mg N και 31/ 1374 x 0.614 = 0.0139 mg P ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-22
Πίνακας 5.1. 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. Καταβολισμός C 7 H 8 + 9 O 2 7 CO 2 (50%) Απαιτο Παραγό Παραγό- Απαιτού- Απαιτούμενο ύ-μενο οξυγόν ο -μενο CO 2 μενη βιομάζα μενο άζωτο ς φωσφόρος Αναβολισμός (50%) C 7 H 8 + 4 O 2 2 CO 2 + C 5 H 7 O 2 N (~ 1/12 C 60 H 87 O 23 N 12 P) Moles / mole C 7 H 8 1 6.5 4.5 0.5 0.5 0.042 Gram / mole C 7 H 8 92 208 198 56.55 7 13 1.3 Gram / gram C 7 H 8 1 2.26 2.15 0.61 0.076 0.014 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-23
ΕΠΙΤΟΠΙΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Οι επιτόπιες μέθοδοι στηρίζονται κυρίως στη δράση γηγενών βακτηρίων Η επιτόπια επεξεργασία ξργ εδαφών με προσθήκη μη γηγενών βακτηρίων αποτελεί αντικείμενο έρευνας ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ΥΔΡΟΦΟΡΟ ΣΤΡΩΜΑ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-24
ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ 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. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-25
ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ Απαιτήσεις σχεδιασμού (α) Διατήρηση ροής O 2 μέσα από τη ρυπασμένη ζώνη, έτσι ώστε να ευνοείται ηαερόβια βιοαποδόμηση των ρύπων. Κύρια επιδίωξη: η μεγιστοποίηση της χρήσης του Ο 2 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. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-26
ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ 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 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-27
ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-28
ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ΥΔΡΟΦΟΡΟ ΣΤΡΩΜΑ 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 O 2 εφαρμόζονται δύο κυρίως τεχνικές: (α) άντληση η και επανακυκλοφορία των υπόγειων νερών,, μετά από τον εμπλουτισμό τους σε οξυγόνο σε επιφανειακές εγκαταστάσεις, και (β) διοχέτευση αέρα μέσα στο υδροφόρο στρώμα. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-29
ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ΥΔΡΟΦΟΡΟ ΣΤΡΩΜΑ Άντληση, οξυγόνωση και επανακυκλοφορία των υπόγειων νερών ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-30
1 2 3 4 Αναπαράσταση της διαδοχικής μετακίνησης στις ζώνες χρήσης των δεκτών ηλεκτρονίων, κατά την οξυγόνωση των νερών, όσο προχωράει η βιοαποκατάσταση (Schmidt & Bueltel, 2007) ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 7-31
ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ΥΔΡΟΦΟΡΟ ΣΤΡΩΜΑ Προσθήκη οξυγόνου: Εμφύσηση αέρα συγκέντρωση στο νερό O 2 = 8 mg/l Εμφύσηση καθαρού οξυγόνου διαλυτ. O 2 = 40 mg/l Προσθήκη H 2 O 2 συνεχής παραγωγή O 2 με διάσπαση: Περιορισμός: 2 H 2 O 2 H 2 O+ O 2 Το H 2 O 2 είναι τοξικό στους μικροοργανισμούς σε συγκεντρώσεις > 1000 mg/l. Συνήθεις συγκεντρώσεις H 2 O 2 : 100-500 mg/l διαθέσιμο O 2 = 47-235 mg/l ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-32
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 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 O 2 γίνεται (α) με εμφύσηση αέρα, (β) με εμφύσηση καθαρού οξυγόνου και (γ) με προσθήκη Η 2 Ο 2 σε συγκέντρωση 250 mg/l. Υπολογισμοί Απαιτούμενο οξυγόνο με βάση τις αντιδράσεις μεταβολισμού: 2.26 mg Ο 2 ανά mg τολουολίου 11300 kg Ο 2 για 5000 kg τολουολίου (α) Με εμφύσηση αέρα. Ρυθμός τροφοδοσίας σε οξυγόνο ξγ : 300 L/min x 8 mg/l x 1440 min/day = 3.5 kg/day Απαιτούμενος χρόνος: t = 9 χρόνια ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-33
(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 Η 2 Ο 2 250 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 = 74 7.4 μήνες Εργαστηριακές δοκιμές: Χρόνος ημιζωής τολουλίου ~ 400 ώρες ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-34
ΕΠΙΤΟΠΙΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Αεροδιασκορπισμός Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-35
Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα Δύο μηχανισμοί απομάκρυνσης των ρύπων: (α) Εξάτμιση των διαλυμένων πτητικών ρύπων, μέσα από την διεπιφάνεια αέριων φυσαλλίδων-νερού. νερού Προϋπόθεση υψηλή σταθερά Henry, δηλ. Η>0.001 atm.m 3 /mol. (β) Βιοαποδόμηση λόγω του εμπλουτισμού των υπόγειων νερών με οξυγόνο. Συνεχής τροφοδοσία οξυγόνου που περιορίζεται μόνον από τα φαινόμενα μεταφοράς εαφοράςμάζας μεταξύ εαξύαέριαςαέριας και υδατικής φάσης. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-36
Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα Εξάτμιση ή/και βιοαποδόμηση Ένωση Σταθερά Henry Αερόβια βιοαποδόμηση atm.m m 3 /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 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-37
Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα 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 ξρ από τα γεωτεχνικά χαρακτηριστικά του εδάφους Διαπερατά και ομοιογενή εδάφη δημιουργούν συνήθως στενούς κώνους Εδάφη χαμηλής διαπερατότητας ή ανομοιογενή δημιουργούν περισσότερο ανοικτούς κώνους ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-38
Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα Παράμετροι σχεδιασμού Βάθος διοχέτευσης :30με 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. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-39
Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο ρ στρώμα ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-40
Περιστατικό βιοαποκατάστασης υδροφόρου στρώματος Πρατήριο πώλησης καυσίμων, Florida, USA Ιστορικό, προέλευση ρύπανσης: (Schmidt & Bueltel, 2007, ETEC, 2008) 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 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. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 6-41
Χώρος υπεδάφιων δεξαμενών Κάτοψη της περιοχής (Schmidt & Bueltel, 2007; ETEC, 2008) ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 6-42
Αρχική κατανομή Βενζολίου ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 6-43
Χαρακτηριστικά επεξεργασίας Άντληση υπόγειων νερών, προσθήκη οξυγόνου και άλλων θρεπτικών και επανέγχυση των νερών Τεχνολογία DO-IT TM της ETEC ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 6-44
Διάταξη πηγαδιών άντλησης (9+4) και έγχυσης (23) ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 6-45
Χαρακτηριστικά επεξεργασίας Έναρξη: Φεβρουάριος Φβ 2006 Συνολική διάρκεια λειτουργίας: 24 μήνες Άντληση, προσθήκη οξυγόνου και άλλων θρεπτικών και επανέγχυση ποσότητας ~38 000 m 3 υπόγειων νερών Μέση παροχή άντλησης των νερών 52 m 3 /d ή 36 l/min Προσθήκη 1700 kg διαλυμένου O 2 (40+ ppm) και ~1300 kg άλλων δεκτών ηλεκτρονίων (NO 3- και SO -2 4 ) Μέσος ρυθμός προσθήκης Ο 2 2 kg/d ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 6-46
Αποτελέσματα επεξεργασίας ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 6-47
Κατανομή βενζολίου: αρχική και μετά από 24 μήνες Βενζόλιο: ανώτατο (αποδεκτό) όριο για πόσιμο νερό 5 ppb ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 6-48
ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2 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 ηβιοδιάσπασητου τολουολίου ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης με σταθερά λ= 1.65x10-3 h -1 (t 1/2 =17.5 d) Υπενθυμίζουμε τα ακόλουθα: Διαρροή 20m 3 τολουολίου από μία δεξαμενή. Ρύπανση της ακόρεστης ζώνης σε έκταση 1250m 2 και με μέσο βάθος 4m. Προσδιορίστηκαν τα χαρακτηριστικά του εδάφους στη ρυπασμένη ζώνη: ρ d =1.7 g/cm 3,n t =0.4,n w =0.2 d t w Ζητούνται: Ο ρυθμός διοχέτευσης του αέρα έτσι ώστε έτσι ώστε να πραγματοποιείται η αερόβιο δά διάσπαση ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-49
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2 Η βιοδιάσπαση του τολουολίου βρέθηκε ότι ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης, δηλ. περιγράφεται από την εξίσωση: dc dt = λc Παρατήρηση: Οι βιολογικές αντιδράσεις γίνονται κατά κανόνα μέσα στα υδατικά διαλύματα C=C w Η ανάλυση της αρχικής κατανομής φάσεων του τολουολίου έδειξε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό (~69%) βρίσκεται στη μορφή οργανικής υγρής φάσης (NAPL) C=C w =S ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-50
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2 dc dt -3 1 1 1 V w = λs = (1.65 10 h ) (490 mg / L) = 0.8085 mg L 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 n w h dc dt V εδ = dc dt V W V V w εδ = dc dt V W n w = 0.8085 0.2 = 0.1617 g m 3 h 1 Διαιρώντας με το μοριακό βάρος του τολουολίου MW=92.184 g/mol : R δ,τολ = dc dt V εδ = 0.1617 92.14 = 1.755 10 3 mol m 3 h 1 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-51
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2 Με βάση τη στοιχειομετρία των αντιδράσεων καταβολισμού και αναβολισμού ο ρυθμός με τον οποίο πρέπει να διοχετεύουμε το O 2 είναι: R O 2 = 6.5 R δ,τολ = 11.41 10 3 mol m 3 h 1 Για να βρούμε την αντίστοιχη ροή αέρα Q λαμβάνουμε υπόψη ότι η συγκέντρωση του Ο 2 στο αέρα αντιστοιχεί σε 20.9% v/v και ότι 1 mol αντιστοιχεί σε 24 L σε κανονικές συνθήκες (20 o C, 1 atm): 0.209 L / L O αέρα 3 3 O, 8.71 10 molo2 / L έ 8.71 molo2 / m 2 αερ = = α ρα = αερ 24 LΟ / mol C 2 Ο 2 Q = C R O O, αερ 2 3 3 1 10 mol mεδ h 3 3 3 1 = 1.310 10 m m h 3 αερ εδ mαερ 11.41 = 8.71mol 2 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-52
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2 Εάν θεωρήσουμε το συνολικό όγκο της ρυπασμένης περιοχής, δηλ. V εδ =5000m 3, 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: Q ολ = 1 1 3 3 1 Q Vεδ = 1.310 10 5000 = 9.174 mαερ h η 0.714 Q ολ = 0.153 m 3 min 1 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-53
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2 ΡΥΘΜΟΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΟΛΟΥΛΙΟΥ ΜΕ ΤΙΣ ΔΥΟ ΜΕΘΟΔΟΥΣ Για το πρώτο στάδιο απομάκρυνσης της ελεύθερης οργανικής φάσης, NAPL ΑΕΑ R EO = 112 kg/d R' δ,τολ = R δ,τολ V = (0.1617 g m = 808.5g / h εδ 3 h 1 Βιοαερισμός ) (5000 m 3 ) T EO 3 M EO (11.94 t) (10 kg / t) = = R EO = 19.4 kg/d R EO 112 kg / d 3 M EO (11.94 t) (10 kg / t) TEO = = R EO 19.4 kg / d Τ EO = 106.5 d Τ EO = 615.5 5 d ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-54
ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΕΚΣΚΑΦΗ Όταν δεν είναι δυνατή ηεφαρμογή της βιολογικής επεξεργασίας επιτόπου, τότε γίνεται εκσκαφή του ρυπασμένου εδάφους και μεταφορά του σε ειδικά διαμορφωμένες εγκαταστάσεις. Οι συνηθέστερες μέθοδοι: Επεξεργασία μετεχνικές αγροκαλλιέργειας (landfarming) Επεξεργασία σε σωρό ή λάκκο (biopile ή biopit) ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-55
Επεξεργασία με τεχνικές αγροκαλλιέργειας ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-56
Επεξεργασία με τεχνικές αγροκαλλιέργειας 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 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-57
Επεξεργασία σε σωρό ή λάκκο 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. ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-58
Επεξεργασία σε σωρό ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-59
Επεξεργασία σε λάκκο ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-60
ΑΝΑΦΟΡΕΣ ETEC (2008) In Situ Aerobic Bioremediation of Gasoline Constituents Super-Ox System & Enhancements. http://www.etecllc.com/bioremediation-case-studies.asp com/bioremediation-case-studies asp ITRC (2002). A systematic Approach to In Situ Bioremediation in Groundwater. Prepared by Interstate Technology and Regulatory Council, 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 Lawrence, S. (2006). Description, Properties, and Degradation of Selected Volatile Organic Compounds Detected in Ground Water A Review of Selected Literature. USGS (United States Geological Survey) report. http://pubs.usgs.gov/of/2006/1338/pdf/ofr2006-1338.pdf ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-61