prezentacja_Kalisz_26_kwietnia

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Innowacyjne metody chemicznego

i biologicznego oczyszczania

zanieczyszczonych gleb i wód podziemnych

– projekt UPSOIL

mgr inż. Mariusz Kalisz
Zakład Ochrony Środowiska, Zespół zagospodarowania odpadów
dr Janusz Krupanek
Zakład Zarządzania Środowiskowego, Zespół Polityki Ekologicznej

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

EU-25: ok.3.5 mln terenów zanieczyszczonych

metale cię

żkie,

rozlewy paliw (w

ęglowodory) i substancji

chemicznych w przemy

śle,

czynniki od

łuszczające, rozpuszczalniki –

ęglowodory chlorowane,

rozpuszczalniki, ropopochodne i
w

ęglowodory aromatyczne: benzen,

toluen, xylen, etylen (BTEX)

procesy zgazowania oraz procesy
niepe

łnego spalania: wielopierścieniowe

zwi

ązki aromatyczne (WWA),

pozosta

łości po działalności wojskowej

Główne źródła i rodzaje zanieczyszczeń:

Rodzaje zanieczyszczenia gleb w Europie (EEA
EIONET)

glowodowy

chlorowane

inne

metale ci

ęŜ

kie

37%

ropopochodne

34%

wielopier

cieni

o-we

glowodory

aromatyczne

(WWA)

13%

glowodowy

aromatyczne

(BTEX)

fenole

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

TECHNIKI remediacji – ogólny podział

Techniki Ex-situ:

–

(+) skuteczność w przypadkach gdzie wymagana jest minimalizacja czasu
prowadzenia remediacji, a tereny zanieczyszczone mają niewielką powierzchnię
(m.in. przygotowanie terenów inwestycyjnych)

–

(-) relatywnie wysokie koszty (zwłaszcza na terenach o dużym i rozległym
zanieczyszczeniu) generowanie odpadu w postaci zanieczyszczonej gleby

–

(-) zaburzenie funkcji terenu, naturalnych warunków glebowych i
hydrogeologicznych, niski „wskaźnik zrównoważenia”

Techniki In-situ:

–

(+) techniki bezinwazyjne, korzyści przyrodnicze - brak konieczności naruszania
struktury gleby

–

(+) możliwość prowadzenia aktywnej remediacji na terenach zurbanizowanych,
przemysłowych czy komunikacyjnych z istniejącą rozwiniętą infrastrukturą, w czasie
normalnego cyklu użytkowania terenu

–

(+) relatywnie niskie koszty

–

(-) długi czas remediacji

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Metody remediacji (1)

Bioremediacja - efektywny sposób remediacji terenu zanieczyszczonego

związkami organiczymi, m.in. weglowodorami pochodzenia naftowego.
Podstawowe metody:

– biostymulacja (dodanie pożywek w celu poprawy stopnia naturalnej biode-

gradacji);

– bioaugmentacja (dodanie konsorcjum bakteryjnego z gatunkami wyizolowa-

nymi z terenu zanieczyszczonego wraz z pożywkami,

– zastosowanie gotowych preparatów dostępnych na rynku, zawierających

szczepy bakterii przystosowane do remediacji określonych typów zanie-
czyszczeń.

MNA – monitored natural attenuation - w sprzyjających warunkach dla rozwoju

mikroflory, możliwe jest wykorzystanie wyłącznie ciągłego procesu naturalnej
regeneracji gleb (soils natural ability to degrade the contaminant),
monitorowanie i kontrola samooczyszczania.

Metody ekstrakcyjne – wydobycie zanieczyszczonego

medium: wody (pump and treat P&T) lub fazy gazowej
celem usunięcia zw. lotnych (air sparging, IAS, soil
vapour extrastion SVE etc…)

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Metody remediacji (2)

Metody chemiczne i fizykochemiczne – np. ISCO, ISCR, Soil washing
Usuwanie zanieczyszczeń rozpuszczonych w wodach podziemnych bądź

zaabsorbowanych na cząstkach gruntu wskutek zainicjowanych reakcji chemicznych

Przemywanie gruntu roztworami środków powierzchniowo czynnych (surfaktantów):

– obniżenie napięcia międzyfazowego pomiędzy zanieczyszczeniem organicznym a

wodą, zwiększenie przewodności hydraulicznej oraz biodostępności
zanieczyszczenia,

– w procesie in-situ - zmniejszenie sił

kapilarnych zwiększa mobilność układu i
szybkość przemieszczania zanieczyszczenia

– kosztowo-efektywna metoda oczyszczania

gleby. Wady: związki te zaabsorbowane na
cząstkach gruntu, pozostają w glebie po
zakończeniu remediacji, co może
niekorzystnie wpływać na rozwój
mikroorganizmów glebowych. Stosowane
surfaktanty winny cechować się niską
toksycznością i łatwo ulegać biodegradacji
(np. niejonowe związki powierzchniowo
czynne).

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Metody remediacji - ISCO (In-Situ Chemical Oxidation)

Iniekcja do wód podziemnych (gruntu) związków chemicznych o

charakterze utleniającym, które są w stanie bardzo szybko

neutralizować szeroką gamę zanieczyszczeń organicznych (m.in.

węglowodory chlorowane, PAHs, BTEX, fenole, PCB, TCE, PCE,VOC).

•

Do najczęściej używanych związków stosowanych do utleniania zanieczyszczeń
ropopochodnych należą:

•

nadsiarczany (np. sodu Na

, potencjał utleniania ok. 2V),

•

aktywowane nadsiarczany (SO

-•

, potencjał utleniania 2,6V),

•

ozon O

(potencjał utleniania 2-2,4V),

•

czynnik Fentona (OH

-•

, potencjał utleniania 2,8V),

•

nadtlenek wodoru (H

, potencjał utleniania 1,8V)

•

nadmanganiany (np. KMnO

, NaMnO

, potencjał utleniania ok. 1,7V).

Elementy optymalizacji: dobór odpowiedniego utleniacza wg kryterium

skuteczności względem obecnych w środowisku zanieczyszczeń, oraz w funkcji
kosztów

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

ISCO – przykładowa charakterystyka utleniaczy

P-poor, G-good, E-excellent

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Wspomaganie fizyko chemiczne bioremediacji

Zastosowanie biodegradacji wspomaganej utlenianiem

chemicznym celem zwiększenia efektywności
remediacji gruntów:

– naturalne wspomaganie procesu utleniania -

przewietrzanie gleby (bioventing) lub ozonowanie:
ograniczenia homogeniczne warunki umożliwiające
równomierny przepływ gazów;

– wspomaganie bioremediacji metodami chemicznego

utlenianiania (ISCO);

– wspomaganie bioremediacji metodami

fizykochemicznymi (np. przemywanie gruntu).

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Dotychczasowe doświadczenia wskazują że:
– chemiczne utlenianie może być zastosowane jako wstępny etap procesu

bioremediacji, odpowiednie połączenie tych metod, pozwala uzyskać efekty
trudne do uzyskania w akceptowalnym wymiarze czasowym i przy
akceptowalnym poziomie ryzyka, jeżeli technologie te byłyby zastosowane
osobno.

– Przy odpowiednim podejściu zastosowane w pierwszej fazie chemiczne

utlenianie nie tylko nie redukuje aktywności autochtonicznej mikroflory, a
wręcz powoduje późniejszą stymulację procesów biologicznego oczyszczania.

Wspomaganie fizyko chemiczne bioremediacji

–

Krótkotrwały proces ISCO zwiększa
biodostępność węglowodorów o
dłuższych łańcuchach molekularnych
(C

-C

) i ich podatność na rozkład

przez mikroorganizmy glebowe.
Proces taki zwiększa całkowitą ilość
masy zanieczyszczenia usuwanego z
gruntu, które w drugiej fazie podlega
biodegradacji.

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Projekt UPSOIL

Sustainable Soil Upgrading by Developing Cost effective,

Biogeochemical Remediation Approaches

Rozwój kosztowo – efektywnych biogeochemicznych sposobów

remediacji na rzecz trwałego podnoszenia jakości gleb

Projekt badawczy finansowany w ramach Siódmego Programu

Ramowego Unii Europejskiej w ramach działu 6 ŚRODOWISKO

(uwzględniający zmiany klimatyczne)

Strona projektu: www.upsoil.

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

UPSOIL

- konsorcjum

Koordynator: Fundación Tecnalia Hiszpania
Partnerzy:

•

VITO-MPT, Belgia

•

Deltares/TNO,Holandia

•

Wageningen University,Holandia

•

IETU, Polska

•

INCD ECOIND,

Rumunia

•

The Swedish Geotechnical Institute, Szwecja

•

ENACON s.r.o. , Czechy

•

ECOREM-Baltic, Litwa

•

DEKONTA, Czechy

•

POWIZ Sp. z o. o, Polska

•

Ejlskov A/S, Dania

•

REHABILITACIÓN DE SUELOS, Hiszpania

•

Biutec, Austria

•

Geotecnia y Cimientos, S.A., Hiszpania

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Trzy osie optymalizacji i doskonalenia rozwi

•

Koszt – konieczność zwiększania efektywności kosztowej remediacji

•

Czas - remediacja powinna pozwalać na szybkie uwalnianie terenów dla
potrzeb rozwoju terenów miejskich przemysłowych

•

Zrównoważenie - stosowane technologie powinny gwarantować jednocześnie,
eliminację problemu dalszej odpowiedzialności za degradację terenu oraz
utrzymanie i przywrócenie funkcji gleby

Rekultywacja zanieczyszczonego środowiska

gruntowo-wodnego

Potrzeby i wyzwania:

•

kompleksowe rozwiązania, łączące znane i dostępne techniki, zmierzając do
minimalizacji kosztów z założeniem osiągnięcia akceptowalnych poziomów
ryzyka

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

UPSOIL – istota podejścia, kierunki badawcze

A k c e p t o w a n y p o z io m r y z y k a

D ł u g o t e r m i n o w y c e l j a k o ś c i g l e b y

M
et

3 0

1 0

l a t a

2 0

M e to d y b io lo

g ic z n e

A k c e p t o w a n y p o z io m r y z y k a

D ł u g o t e r m i n o w y c e l j a k o ś c i g l e b y

M
et

3 0

1 0

l a t a

2 0

M e to d y b io lo

g ic z n e

•

Sterowana systemowo iniekcja czynnika remediującego
(utleniacz, substancja redukująca)

•

Dokładne i selektywne stosowanie środka remediującego

•

Modelowanie w czasie rzeczywistym oraz dynamiczny
monitoring postępów remediacji – celem uzyskania zwrotnej
kontroli procesu

•

smart coupling - podejście łączące chemiczne i biologiczne techniki
bezinwazyjne in situ, oparte o krótkoterminowy proces remediacji z
dalszym długoterminowym procesem rehabilitacji środowiska (procesy
samooczyszczania środowiska - MNA).

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

UPSOIL – poletka testowe (Flandria BE)

Terminal portowy (Flandria) wybudowany w latach 1977-78 (nabrzeże przeładunkowe,

strefa magazynowa), teren częściowo wyłączony z użytkowania. Główne
zanieczyszczenia: BTEX, weglowodory chlorowane, m.in. dichlorometan (chlorek
metylenu CH2Cl2), dichloroeten, 1,2 - dichloroetan (ETE), chlorek vinylu (VC), oleje
mineralne, PAH’s, VOC.

Prace terenowe: analiza danych

archiwalnych, badania wody i
gruntu, wykonanie poletka
testowego (sieć obserwacyjna),
instalacja aparatury pomiarowej

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Flandria (BE)

•

Kontrolne odczyty danych z
logerów (przed, w czasie i po
iniekcji), dodatkowe badania
laboratoryjne jakości
zanieczyszczonej wody, ocena
postępu procesu (ORP, EC,
zmiana barwy wody).

•

Modelowanie efektywności
reakcji w oparciu o odczyty on-
line i badania laboratoryjne.

•

Iniekcja utleniacza – 435 kg
nadmanganianu sodu
(sodium permanganate -
NaMnO

) – mobilne

urządzenie z systemem
iniekcyjnym MIP-IN na bazie
aparatury Geoprobe,
opracowane w ramach
realizacji projektu UPSOIL.

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

MIP-IN Injection System

System iniekcyjny MIP-IN

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

System pomiarowy przekazujący dane w czasie
rzeczywistym (logery) jest instalowany przed iniekcją
w studniach monitoringowych

Monitorowanie w czasie rzeczywistym - zwrotna kontrola procesu ISCO

Transmitter -
ZigBee

PC host - Receiver

Manhole

Multilogger

Transmitter -
ZigBee

PC host - Receiver

Manhole

Multilogger

Narzędzie modelujące:

Kalkulacja podstawowych - parametrów (ROI, ilość utleniacza),
Model geochemiczny + monitoring:
- Wizualizacja przebiegu reakcji
- Alarm w przypadku pojawienia się nieoczekiwanych wartośc

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

T0A – 17 tyg. przed iniekcją
T0B – 1 tydz. przed iniekcją
T1 – 1 tydz. po iniekcji
T2 – 3 tyg. po iniekcji
T3 – 8 tyg. po iniekcji
T4 – 16 tyg. po iniekcji

NARZĘDZIE MODELUJĄCE: WSPOMAGANIE REMEDIACJI

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

UPSOIL – poletka testowe (Węgliniec – PL)

Teren kolejowy (Węgliniec) - punkt tankowania

lokomotyw spalinowych, oraz rejon mycia
lokomotyw parowych i spalinowych. Ok. 40-
letni okres eksploatacji terenu, od roku 1998
wyłączony z użytkowania (tankowanie),
punkt mycia taboru zlikwidowany w latach
’70-tych.

Główne

zanieczyszczenia:
związki ropopochodne
(diesel, nafta)

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Poletko testowe – NAPL (W

gliniec)

Strefa skażona obejmuje ok. 3m warstwę gruntów
nasypowych (żużel, piaski, pospółka, żwiry, gruz),
ograniczoną autogeniczną warstwą torfu traktowaną
jako warstwa izolacyjna (k <1×10

-8

m/s). Strefa źródłowa

- wolny produkt (diesel), poza tą strefą (plume) obecny
film paliwowy; zawartość olei mineralnych w wodzie na
poziomie 0,2 – 4 mg/dm

, oraz lokalnie silne przesycenie

gruntu ciężkimi frakcjami olejowymi

Zanieczyszczenie powoduje utrudniony przepływ wód
podziemnych - na podstawie wykonanych badań
hydrogeologicznych rejestrowany spadek filtracji z k=5-
6x 10

-4

[m/s] dla gruntu niezanieczyszczonego (olej

mineralny ok. 60 mg/kg), do 1-3x 10

-7

[m/s] w

warunkach silnego oglejenia ciężkimi frakcjami
ropopochodnymi (olej mineralny do 8000 mk/kg).

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Prace rozpoznawcze I etap

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Teren badań - Węgliniec

•

Analiza danych archiwalnych
(system remediacji COWI)

•

wstępne badania wody,
próbek gruntu i badania
laboratoryjne,

•

wybór lokalizacji poletka
testowego

Prace terenowe

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Poletko testowe - Węgliniec

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Prace rozpoznawcze II etap, wykonanie poletka dośw.

•

wykonanie poletka
doświadczalnego

•

wiercenia - dodatkowe
badania zmienności
zanieczyszczeń w profilu
głębokości

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Medium

water

date

15.04.11

Sample

description

T-1

T-2

B-07

B-12

6,94

7,18

7,10

7,11

Conductivity

[mS/cm]

1,11

1,096

1,278

1,515

Total organic

carbon

[mg/l C]

33,0

28,6

23,9

29,4

Mn*

mg/l

1,47

1,79

1,25

2,64

Fe*

mg/l

8,47

2,14

24,08

Cl-

mg/l

3,372

2,974

4,314

7,096

NO2

mg/l

<0,09

0,162

0,177

0,104

NO3

mg/l

<0,1

0,348

0,405

<0,1

SO4-

mg/l

9,620

20,629

401,04

305,31

mg/l

2,84

3,05

2,68

4,95

NH4

mg/l

0,305

0,267

0,172

0,569

mg/l

5,56

5,10

12,96

11,62

mg/l

1,67

2,49

3,85

7,97

mg/l

44,58

45,81

52,45

59,92

Mineral oil

mg/l

5,090

0,690

0,184

0,295

Benzines C

-C

mg/l

31,1

30,9

11,3

53,4

Poletko testowe Węgliniec – badania wód podziemnych

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Woda podziemna – poletko badawcze

w strefie gdzie
prowadzony jest
eksperyment
stwierdzono obecność
filmu paliwowego
(0,5-1 mm)

C-1

C-2

T-1

T-3

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Medium

Soil

Sample

Depth

1,5-2,0m

1,5-1,6 m

1,8-2,0 m

7,91

7,66

8,18

Conductivity

[mS/cm]

117,2

3282

170,1

org

[%]

5,35

3,55

5,05

g/kg d.m

42,53

30,18

21,19

mg/kg d.m.

823,68

702,56

386,82

mg/kg d.m.

96,29

145,9

33,14

mg/kg d.m.

219,3

180,7

56,48

mg/kg d.m.

2,34

1,94

<0,87

mg/kg d.m.

636,6

583,6

171,8

Mineral oil

mg/kg d.m.

835

177

297

Benzines C

-C

mg/kg d.m.

2,25

1,18

0,95

Poletko testowe Węgliniec – badania gleby

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

December 2011

sample:

T-10

T-0

ORP

°C

mg/l

T-1

6,07

1510

-141

T-2

6,60

9,7

7,48

1440

-131

T-3

6,88

9,8

8,48

1530

-137

T-4

6,94

7,9

4,59

1898

-199

We-I

6,74

9,0

5,74

1643

-144

C-1

6,83

9,1

5,16

1634

-163

C-2

6,88

9,4

5,05

1721

-173

C-3

7,04

9,6

5,89

1689

-150

C-4

6,99

9,3

7,00

1766

-164

C-5

7,03

9,3

4,66

1402

-112

C-6

6,89

8,6

4,19

1384

-84

C-7

6,91

8,2

4,48

1409

-74

C-8

6,91

8,7

4,55

1357

-65

C-9

6,88

8,0

2,10

1293

-77

C-10

6,96

9,2

5,02

1445

-87

Wyniki badań terenowych

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

gw level

Przewodność elektrolityczna właściwa, poziom zwierciadła
wód podziemnych

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

•

Jako poletko testowe wybrano obszar poza
strefą źródłową, gdzie nie stwierdza się wolnej
fazy w wodach podziemnych (ślady filmu
paliwowego)

•

Elementy utrudniające proces remediacji - duża
zmienność zanieczyszczenia w profilu glebowym,
heterogeniczność gruntu, wysokie
zanieczyszczenie gleby w strefie saturacji (do 12
g/kg s.m.), zróżnicowane wydatki piezometrów

•

Duża heterogeniczność i zróżnicowanie oglejenia
gruntu w w. saturacji, powodującą powstanie
uprzywilejowanych kierunków przepływów wód.
Zanieczyszczenie substancjami ropopochodnymi
skutkuje znacznym obniżeniem
przepuszczalności w stosunku do wody, do
poziomu 1,7-3,7×10

-7

m/s. Bez zanieczyszczenia

DNAPL uzyskano wartości rzędu 4-5×10

-4

m/s

Identyfikacja problemu – wyniki projektu

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

depth

[m.bgl]

Mineral oil in soil C10-C40 [mg/kg d.m.]

C-1

C-2

C-3

C-4

We-I

1,3

<10

200

270

1,5

140

250

880

630

1,7

930

3000

130

2300

1100

1,9

1400

4000

2700

12000

2,1

4500

3200

5700

8400

2,3

7800

5400

1600

5500

2,5

8900

4000

150

910

6400

silne zwietrzenie substancji ropopochodnych zawartych w gruncie,
zastarzały charakter zanieczyszczenia,

przewaga węglowodorów o dłuższych łańcuchach (plume), wskazuje że
proces biodegradacji spowodował usunięcie części zanieczyszczenia bardziej
podatnego na biodegradację (rys) – dalszy proces biodegradacji w tych
warunkach można określić jako małoefektywny.

Identyfikacja problemu – wyniki projektu

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

strefa

ródłowa (TPH 15,4 mg/kg

s.m.)

chmura zanieczyszczenia (TPH

5,2 mg/kg s.m.)

ró

[

]

C24-C40

C20-C24

C16-C20

C12-C16

C10-C12

Gleba: strefa źródłowa/ rejon chmury zanieczyszczenia

Struktura udziału węglowodorów TPH – wyniki badań

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Testy laboratoryjne chemicznego utleniania

Spadek stężenia Na

w czasie – wyniki uzyskane

w testach laboratoryjnych (Deltares)

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Wskazania do przeprowadzenia remediacji i proponowany
dobór technologii

•

W warunkach laboratoryjnych (wytrząsanie) uzyskano najwyższą
skuteczność usuwania zanieczyszczeń poprzez proces bioremediacji.

•

Jak wykazują wyniki badań w warunkach terenowych zachodzenie tego
procesu jest ograniczone (silne oglejenie gruntu, słaba przepuszczalność,
niska zawartość tlenu).

•

Założenie: krótkotrwały proces ISCO w charakterze wspomagającym

•

Efekt badań laboratoryjnych: Wskazany utleniacz – nadsiarczan sodowy
Na

•

Przedmiot prowadzonego w 2012r doświadczenia: W jakim stopniu
zaproponowane podejście jest w stanie zwiększyć biodostępność
zanieczyszczenia przy akceptowalnym poziomie ryzyka i przy zachowaniu
potencjału biologicznego gleby wystarczającego do wtórnego
zainicjowania procesów naturalnej biodegradacji,

•

W jakim stopniu spowoduje to poprawę właściwości fizycznych gruntu
(zwiększenie wydajności studni, wzrost przepuszczalności gruntu).

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Eksperyment polowy

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

100

150

200

250

300

hours

[

]

C10

Eksperyment polowy – wstępne dane z ciągłego monitoringu

www.ietu.katowice.pl

Otwarte seminaria 2012

Mariusz Kalisz

Waste Management and Brownfields Redevelopment Departament

Institute for Ecology of Industrial Areas

e-mail: mkalisz@ietu.katowice.pl

Dziękuję za uwagę