Τεχνικές Απορρύπανσης Εδαφών και Θαλασσών Ενότητα 4: Βιολογικές μέθοδοι αποκατάστασης εδαφών Τσικριτζής Λάζαρος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας» 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. 3
Σκοποί ενότητας 4 Μετά την επιτυχή ολοκλήρωση της ενότητας οι φοιτητές θα πρέπει: να γνωρίζουν τις γενικές αρχές των βιολογικών μεθόδων αποκατάστασης εδαφών και τα κύρια σημεία κάθε μεθόδου. να επιλέγουν σε απλές περιπτώσεις εξυγίανσης εδαφών την κατάλληλη βιολογική μέθοδο και να μπορούν να συμμετέχουν σε μια επιστημονική ομάδα που θα κληθεί να τη σχεδιάσει και να την εφαρμόσει. 4
Περιεχόμενα ενότητας 4 Βιολογικές μέθοδοι αποκατάστασης εδαφών Εισαγωγή. Βιοαερισμός. Βιοαντιδραστήρας Slurry. Εδαφική επεξεργασία. Κομποστοποίηση. Για όλες τις μεθόδους: Περιγραφή, στάδια εφαρμογής, πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα. 5
Μέθοδοι βιολογικής εξυγίανσης εδαφών /Εισαγωγικά (1/5) Χρήση βιοτικών διαδικασιών για αποδόμηση ρύπων Ρύποι + Οξυγόνο + θρεπτικά CO 2 + H 2 O + βιομάζα κλπ Γίνεται και χωρίς οξυγόνο. Θα πάρουμε CH 4 κλπ, αλλά.. Πιθανή και η φυσική μείωση οργανικών ρύπων, οπότε αρκεί ο απλός έλεγχος. Κατά κανόνα όμως απαιτείται επέμβαση. In situ (προσθήκη Ο 2, μ/ο, Ν & Ρ και παρακολούθηση). Υπάρχει όμως και ex situ αποδόμηση (μεταφορά σε αντιδραστήρες εξυγίανση - επιστροφή). 6
Μέθοδοι βιολογικής εξυγίανσης εδαφών /Εισαγωγικά (2/5) Ρύποι επιδεκτικοί σε αποικοδόμηση. Πετρελαϊκοί HC. Οι ελαφροί HC κι οι απλοί αρωματικοί είναι βιοδιασπάσιμοι. PAHs. Όχι τόσο. Πιο βαρείς και σύνθετοι (πίσσες, λάσπες διυλιστηρίων, βερνίκια). Μη χλωριωμένοι διαλύτες. Βιοδιασπάσιμοι. Αλκοόλες, κετόνες. Επικίνδυνοι για χλωρίδα σε υψηλές συγκεντρώσεις (διαλυτοί). 7
Μέθοδοι βιολογικής εξυγίανσης εδαφών /Εισαγωγικά (3/5) Ρύποι επιδεκτικοί σε αποικοδόμηση [συνέχεια]. Ελαφρά χλωριωμένοι. Χλωροβενζόλιο, ελαφρά PCBs. Διασπάσιμοι σε αερόβιες συνθήκες. Χλωριωμένοι διαλύτες (οι πιο διαδεδομένοι στο υπέδαφος). Είναι δυνατόν να διασπαστούν υπό όρους. Βαρέα μέταλλα. Δεν αποδομούνται, αλλά μπορεί να αλλάξει το σθένος και συνεπώς οι ιδιότητες, ο βαθμός βιοσυσσώρευσης κλπ. 8
Μέθοδοι βιολογικής εξυγίανσης εδαφών /Εισαγωγικά (4/5) Περιορισμοί / προβλήματα. Αυξημένη συγκέντρωση ρύπων δηλητηρίαση μ/ο. Λίγοι μ/ο. Ανεπαρκές Ο 2. Μη ευνοϊκές συνθήκες για μ/ο (Τ, w, ph). Συλλογή δεδομένων και έλεγχός τους. Ικανότητα βιοαποικοδόμησης ρύπων. Είδος - χημική σύσταση ρύπων. Ιδιότητες εδάφους, συγκέντρωση οξυγόνου κλπ. 9
Μέθοδοι βιολογικής εξυγίανσης εδαφών /Εισαγωγικά (5/5) Κυριότερες μέθοδοι. Βιοαερισμός. Βιοαντιδραστήρες slurry. Εδαφική καλλιέργεια. Κομποστοποίηση. Βιοεξυγίανση. 10
Βιοαερισμός / Bioventing BV (1/6) Πολύ καλή και ανερχόμενη τεχνολογία. Παρέχει αέρα στο έδαφος και ενεργοποιεί τους μ/ο που κάνουν βιοαποικοδόμηση. Συγχέεται με την άντληση αέρα (soil vapor extraction SVE). Όμως οι δυο μέθοδοι, BV και SVE, διαφέρουν σημαντικά. 11
Βιοαερισμός / Bioventing BV (2/6) Βασικά χαρακτηριστικά της BV. Αύξηση Ο 2 στο έδαφος με εισαγωγή αέρα και μέσω πηγαδιών. Μικρός ρυθμός παροχής. Έτσι ευνοούνται οι μ/ο και δεν εξατμίζονται οι ρύποι). Αν όμως εξατμιστούν, τότε συνδυάζω και SVE για να τους αντλήσω. Μόλις ανέβει η C του Ο 2 οι μ/ο αρχίζουν να δουλεύουν. Πιθανόν να χρειαστούν και θρεπτικά (P / N). Επιτυγχάνεται η αποικοδόμηση και περιορισμένη εξάτμιση πτητικών. 12
Βιοαερισμός / Bioventing BV (3/6) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 13
Βιοαερισμός / Bioventing BV (4/6) Παράγοντες που επιδρούν στη BV. 1) Διαπερατότητα εδάφους. Καθορίζεται από το πορώδες, το μέγεθος κόκκων και την υγρασία. Αν κόκκοι πολύ μικροί διαπερατότητα μικρή (ανέφικτη η μέθοδος BV). Αν υγρασία μεγάλη λιγοστεύουν οι κενοί πόροι (ανέφικτη η BV). Παράλληλα η υγρασία επηρεάζει την κατανομή των ρύπων. 14
Βιοαερισμός / Bioventing BV (5/6) Παράγοντες που επιδρούν στη BV [συνέχεια]. 2) Μικροοργανισμοί μ/ο. Υπάρχουν σχεδόν πάντα. Το ζητούμενο είναι οι ευνοϊκές συνθήκες που θα τους αναπτύξουν (Τ, W, ph). 3) Οξυγόνο Ο 2. Βασικότατο. Είναι ο κυριότερος δέκτης ηλεκτρονίων για την οξείδωση. Απαιτουμένη ποσότητα καθορίζεται από τη στοιχειομετρία. Π.χ εξάνιο. Ακτίνα επιρροής Ο 2 = η μέγιστη απόσταση με επάρκεια Ο 2 για καλή βιοαποικοδόμηση. Ανάλογα με την ακτίνα επιλέγεται ο φυσητήρας αέρα. Εξαρτάται από ρυθμό παροχής και ρυθμό κατανάλωσης από μ/ο. Επίσης από τη γεωλογία, χωροθέτηση των πηγαδιών. Συνήθως από 5-10 m. 15
Βιοαερισμός / Bioventing BV (6/6) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 16
Βιο-αντιδραστήρας Slurry (1/9) Είναι αντιδραστήρας σε παρτίδες (διαλείποντος έργου / batch reactor). Ex situ διεργασία με: Νερό. θρεπτικά. μ/ο. Τα συστατικά αυτά εισάγονται στο δοχείο του αντιδραστήρα μαζί με το ρυπασμένο έδαφος. 17
Βιο-αντιδραστήρας Slurry (2/9) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 18
Βιο-αντιδραστήρας Slurry (3/9) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 19
Βιο-αντιδραστήρας Slurry (4/9) Στάδια μεθόδου: Προετοιμασία (εκσκαφή, μεταφορά, κοσκίνηση). Προσθήκη νερού και ρύθμιση Τ, ph κλπ. Εισαγωγή εδάφους σε δεξαμενή ανάμιξης (+ νερό + θρεπτικά). Μεγιστοποίηση επαφής συστατικών. Εισαγωγή ρευστού μίγματος στον Slurry. Γίνεται αποικοδόμηση με προσθήκη Ο 2 + μ/ο (ελεγχόμενα). Χρόνος παραμονής: ποικίλει ανάλογα με το είδος εδάφους, των ρύπων, κλπ. 20
Βιο-αντιδραστήρας Slurry (5/9) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 21
Βιο-αντιδραστήρας Slurry (6/9) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 22
Βιο-αντιδραστήρας Slurry (7/9) Φυσικοί βιο-αντιδραστήρες Slurry («λίμνες»). Αερισμός με φυσητήρες επιφανείας ή βάθους. Ανάδευση. Γίνεται βασικά μέσω του αερισμού (+ mixer). Προσθήκη θρεπτικών. Επιλογή των σωστών οξειδωτικών ή αναγωγικών ουσιών που θα προστεθούν. Δυνατότητες εφαρμογής της μεθόδου Slurry. για πολύ ρυπασμένα εδάφη με C ρύπων = 2.5-250g/Kg για μεγάλη ποικιλία ρύπων, PCB, HC, πίσσα. 23
Βιο-αντιδραστήρας Slurry (8/9) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 24
Βιο-αντιδραστήρας Slurry (9/9) Πλεονεκτήματα. Μεγάλη απόδοση. Σημαντική μείωση όγκου του ρυπασμένου εδάφους. Μειονεκτήματα. Παράγουν αρκετά δευτερογενή απόβλητα (αέρια, υγρά, στερεά). Τα βαριά μέταλλα και τα χλωριωμένα παράγωγα δηλητηριάζουν τους μ/ο. Οι μη διαλυτοί ρύποι δεν αντιμετωπίζονται. 25
Εδαφική επεξεργασία (1/7) Γνωστή ως Landtreatment or Landfarming. Αρχή της μεθόδου. Βιολογική επεξεργασία αποκατάστασης (ex situ). Εκσκαφή εξάπλωση στην επιφάνεια επεξεργασία (+νερό, θρεπτικά) βιοαποικοδόμηση. Αν η ρύπανση επιφανειακή προσθήκη μ/ο με όργωμα. 26
Εδαφική επεξεργασία (2/7) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 27
Εδαφική επεξεργασία (3/7) Βασικά χαρακτηριστικά μεθόδου. Εκσκαφή, εναπόθεση σε λεπτά στρώματα. Ανάμειξη με το υπάρχον έδαφος (10-30 cm). Έτσι: μειώνεται η συγκέντρωση των ρύπων. αυξάνονται θρεπτικά, μ/ο, αερισμός. Προσθήκες, εφόσον χρειάζεται. 28
Εδαφική επεξεργασία (4/7) Παράμετροι Εδάφους: Διαπερατότητα Υγρασία πυκνότητα Ρύπων: πτητικότητα δυνατότητα αποικοδόμησης Οι περισσότεροι ρύποι είναι αποικοδομήσιμοι. Οι πολύ πτητικοί πρόβλημα (βάζουμε καλύμματα). 29
Εδαφική επεξεργασία (5/7) Άλλα δεδομένα της μεθόδου. Καιρικές συνθήκες. Επηρεάζουν την απόδοση (π.χ Τ, W). Προετοιμασία πεδίου, προετοιμασία εδάφους, (κοσκίνισμα, έλεγχος ph). πιθανόν και. γεω-υφάσματα για να προστατευτεί ο υδροφορέας. σύστημα συλλογής στραγγισμάτων και επιφανειακών απορροών. καλύμματα για συλλογή πτητικών σύστημα επεξεργασίας τους. 30
Εδαφική επεξεργασία (6/7) Δυνατότητες εφαρμογής Σε πολλούς ρύπους (πετρέλαια, βερνίκια κλπ) εμφανίζει καλές αποδόσεις. Χρειάζεται βολικά εδάφη: διαπερατά, όχι λεπτόκοκκα. Όμως παράγονται στραγγίσματα βροχής που θέλουν γεωμεμβράνες. Επομένως προ-έλεγχος συνθηκών ΠΛΗΡΗΣ. 31
Εδαφική επεξεργασία (7/7) Πλεονεκτήματα. Μειονεκτήματα. Εύκολη τεχνολογία. Σχετικά φθηνή, 30-60 /tn. Ικανοποιητικός χρόνος εξυγίανσης (6-24 μήνες). Μεγάλες εκτάσεις Πρόβλημα με τα πτητικά. Μη εφαρμόσιμη σε υψηλές συγκεντρώσεις (C<50.000 ppm) και πολλά βαρέα μέταλλα. 32
Αρχή της μεθόδου. Κομποστοποίηση Composting (1/11) Εκσκαφή - ανάμειξη εδάφους με υλικά κομπόστ, όπως σανό, κλαδέματα κλπ, τα οποία «χωνεύουν» εύκολα. Έτσι ανεβαίνει η Τ ~ 60 o C και επεκτείνεται η αποσύνθεση. Αερόβια ή Αναερόβια. Εx situ. 33
Κομποστοποίηση (2/11) Τεχνικές κομποστοποίησης. 1. Με σειράδια (windrows). Συχνή περιοδική ανάμειξη αερισμός απομάκρυνση πτητικών. 2. Με στατικούς σωρούς. Το μίγμα ακίνητο. Απαγωγή πτητικών με αντλία + αναρρόφηση φρέσκου αέρα. 3. Με κλειστούς αντιδραστήρες. Καλύτερη ανάμειξη, μικρότερος χρόνος (3 αντί για 30 μέρες) και δέσμευση πτητικών. 34
Κομποστοποίηση (3/11) Κομποστοποίηση με σειράδια ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 35
Κομποστοποίηση (4/11) Κομποστοποίηση με στατικούς σωρούς ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 36
Κομποστοποίηση (5/11) Κομποστοποίηση με κλειστό αντιδραστήρα ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 37
Κομποστοποίηση (6/11) Στις δύο πρώτες τεχνικές (ανοιχτού χώρου) παίζουν ρόλο και οι καιρικές συνθήκες (κίνδυνος μεταφοράς διαρροής ρύπων). Αντίδοτο : μεμβράνες & σκέπαστρα. Αερόβια κομποστοποίηση: κυρίως για PAHs, τολουόλιο κλπ. Επηρεάζεται απο Τ, W, ph, O 2. Αναερόβια κομποστοποίηση : για δύσκολους ρύπους φυτοφάρμακα, νιτρο-αρωματικά. 38
Κομποστοποίηση (7/11) Καλυμμένοι στατικοί σωροί ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). 39
Κομποστοποίηση (8/11) Σημαντικές παράμετροι. Θερ/σία και Ο 2 : Επηρεάζονται από μ/ο. Μειώνουν Ο 2. Ιδανικό 12-17%. Αυξάνουν Τ. Ιδανικό 45-60 o C. Όχι πάνω από 70 o C (αναστολή δράσης μ/ο). Υγρασία: 50-55 %. Μειώνεται λόγω της θερμότητας. Χρειάζεται κατάβρεξη ώστε W>37%. Η περίσσεια W ασταθή δομή. 40
Κομποστοποίηση (9/11) Σημαντικές παράμετροι [συνέχεια]. ph: Εξαρτάται από μ/ο, Βακτηρίδια ph= 6-7,5. Μύκητες ph= 5,5-8. Θρεπτικά: κυρίως C και Ν [ C/Ν 25:1 έως 35:1]. Αν C/N μικρό, τότε απώλεια Ν λόγω εξάτμισης ΝΗ 3. Αν C/N μεγάλο, τότε καθυστέρηση, διότι το Ν είναι περιοριστικός παράγοντας. 41
Κομποστοποίηση (10/11) Δυνατότητες εφαρμογής. Σε όλους σχεδόν τους τύπους εδαφών. Σε πολλούς ρύπους: πετρελαιοειδή, αλογονωμενες ενώσεις, φυτοφάρμακα. 42
Κομποστοποίηση (11/11) Πλεονεκτήματα. Εύκολη εφαρμογή, μικρός εξοπλισμός, μικρή συντήρηση, παραγωγή παραπροϊόντος. Καλή απόδοση. Μειονεκτήματα. Ex situ, μεγάλο κόστος εκσκαφής. Πιθανή απελευθέρωση πτητικών ρύπων. 43
Τέλος Ενότητας 4
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Τσικριτζής Λάζαρος. «Τεχνικές αποκατάστασης εδαφών και θαλασσών. Βιολογικές μέθοδοι αποκατάστασης εδαφών». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL.
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 46
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 47
Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες Τεχνολογίες αποκατάστασης εδαφών και υπογείων υδάτων από επικίνδυνους ρύπους, Ε. Γιδαράκος, Μ. Αιβαλιώτη, Εκδόσεις Ζυγός, Θεσσαλονίκη, 2005. Περιβάλλον και βιομηχανική ανάπτυξη, τόμος Β, Καλδέλης Ιωάννης Κ., Κονδύλη Αιμιλία Μ., εκδόσεις Σταμούλη ΑΕ, 2006. 48