OCZYSZCZANIE WÓD PODZIEMNYCH ZANIECZYSZCZONYCH WĘGLOWODORAMI METODAMI BIOLOGICZNYMI









OCZYSZCZANIE WÓD PODZIEMNYCH ZANIECZYSZCZONYCH WĘGLOWODORAMI METODAMI BIOLOGICZNYMI













Marcin Firkowski

Piotr Kociński

WSTĘP

Rozwój techniki spowodował, że człowiek coraz częściej ingeruje w środowisko naturalne, nie zwracając uwagi na wynikające z tego powodu zagrożenia, dlatego też rośnie liczba odpadów niebezpiecznych, a ilość miejsc skażonych wzbudza, nie bez uzasadnionych podstaw, obawy. Rola wód podziemnych jako źródło zaopatrzenia w wode wzrosła w ostatnich dekadach ze względu na złą jakość wód powierzchniowych. Ponad 90% zanieczyszczeń środowiska gruntowo-wodnego to węglowodory, a w szczególności pochodne ropy naftowej. Powszechnie uważano, że wody podziemne sa skutecznie chronione przez naturalny filtr biologiczny jaki stanowi grunt i strefa aeracji. Jednak po latach aktywnej działalności przemysłowej na skalę światową przyszedł czas na zrewidowanie tych poglądów. Transport zanieczyszczeń w środowisku gruntowo-wodnm jest procesem powolnym, stąd też wpływ antropopresji na wody podziemne ujawnił się dopiero poźniej. Zanieczyszczenie wód pozdziemnych to zmiana stanu chemicznego spowodowana bezpośrednio lub pośrednio dziełalnością człowieka, która czyni je mniej podatnymi do celów które mogłyby służyć w swoim stanie naturalnym.

























WYSTĘPOWANIE ZANIECZYSZCZEŃ WĘGLOWODOROWYCH





Do zanieczyszczeń ropopochodnych zwykło się zaliczać:




Ropa naftowa jest mieszaniną węglowodorów zawierających także niewielkie ilości (do 3 %) związków organicznych tlenu (kwasy karboksylowe, fenole), siarki, azotu oraz metali ciężkich (do 1 %). W skład ropy naftowej wchodzą grupy węglowodorów:


Produkty naftowe mogą występować w wodach podziemnych w następujących postaciach:


Wyjątkowo niebezpieczne są składniki olejowe rozpuszczalne w wodzie, które wraz z wodąprzenoszone są w głębsze warstwy gruntu, trafiając do wód podziemnych i tym samym, stanowiąć poważne zagrożenie dla źródeł zaopatrzenia w wodę pitną. Rozpuszczalność węglowodorów maleje na ogół ze wzrostem masy cząsteczkowej.

Dotychczas nie zostały określone prawem standardy jakości wód podziemnych ogólnego przeznaczenia, dlatego dla ustalenia wymaganej jakości wód podziemnych w procesach rekultywacji używa się pomocniczo wskazówek metodycznych do oceny stopnia zanieczyszczenia gruntów i wód podziemnych produktami ropopochodnymi i innymi substancjami chemicznymi, opracowanych przez Państwową Inspekcję Ochrony Środowiska. Dopuszczalne stężenia zanieczyszczeń węglowodorowych wód podziemnych wg PIOŚ przedstawiono w tabeli 1.



Tab. 1. Dopuszczalne koncentracje węglowodorów w wodach podziemnych [μg/dm3] według PIOŚ

lp

Parametr

Obszar a

Obszar b

Obszar c

1

Benzen

0,2

1

5

2

etylobenzen

0,2

20

60

3

toluen

0,2

15

50

4

Ksylen

0,2

20

60

5

Fenol

0,2

15

50

6

Aromatyczne

suma

0,2

30

100

7

Olej mineralny

50

200

600

8

Benzyna suma

10

40

150



Usuwanie wszystkich faz węglowodorów z gruntu i wód podziemnych należy

prowadzić tak długo, dopóki ich koncentracja nie zmniejszy się do poziomu

bezpiecznego dla zdrowia ludzkiego i środowiska określonego w rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002 roku (Dz. U. nr 165, poz. 1359) w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi.










BIOREMEDIACJA



Rozwój biotechnologii umożliwia zastosowanie metod wykorzystujących procesy biologiczne do usuwania zanieczyszczeń organicznych ze środowiska. Metody te określa się mianem bioremediacji (bio – biologiczne, remedium – środek zaradczy, lekarstwo). Bioremediacja oparta jest na wykorzystaniu zdolności fizjologicznych mikroorganizmów naturalnie zasiedlających skażone środowisko lub wprowadzonych do niego do metabolizowania organicznych zanieczyszczeń do końcowych produktów CO2 i H2O, czyli do ich mineralizacji. Zdarza się to tylko w warunkach idealnych. W warunkahc niedoboru tlenu lub substancji biogennych albo beztlenowych następuje biotransformacja (biodegradacja częściowa). Wymaga ona dłuższego czasu trwania i współdziałania licznych organizmów. Procesy metaboliczne zachodządze w komórkach mikroorganizmów można podzielić na dwie kategorie: anaboliczne (synteza biomasy) i kataboliczne (rozkład substancji). Drogi i strategia biochemicznej transformacji związków ropopochodnych zależą od charakteru chemicznego rozkładanego ksenobiotyku, od dostępności akceptora elektronów i oczywiście od szczepów drobnoustrojów biorących udział w remediacji. W warunkach tlenowych, gdy akceptorem elektronów jest tlen, stosunkowo szybciej degradacji podlegają w ropie naftowej n-alkany.

Lata poszukiwań pozwoliły wyizolować te mikroorganizmy ze środowiska naturalnego, w konsekwencji można było zanalizować ich właściwości, zachowanie i sposób rozmnażania. W ten to sposób udało się ustalić specyficzną i dokładną rolę bakterii w procesie degradacji węglowodorów w środowisku naturalnym. Autochtoniczne mikroorganizmy wód pozdziemnych (ponad 30 klas i blisko 100 gatunków) są w stanie dokonać biodegradacji większości związków ropopochodnych stanowiących dla nich wyłączne źródło węgla, a co za tym idzie, także energii w procesie metabolizmu.

Wykres 3.Schemat biodegradacji olejowych zanieczyszczeń w warunkach tlenowych (A) i beztlenowych (B) : H.Kołoczek

Wytwarzane i wydalane przez dane mikroorganizmy enzymy zwiękrzają rozpuszczalność związków ropopochodnych i tym samym ich penetrację do wnętrza komórki. Dodatkowo rozwój mikroorganizmów na powierzchni lustra wody zanieczyszczonego węglowodorami i formowanie się wielkich aglomeratów wymienionych mikroorganizmów ułatwia przenikanie substratu ( substancji ropopochodnych) przez błonę komórkową. Wybór metody oczyszczania zależy w znacznym stopniu od przeznaczenia danego terenu. Istnieją dwie podstawowe metody oczyszczania:




W przypadku in situ bioremediacji skażone środowisko modyfikuje się tak (głównie polega to na uzupełnianiu go w związki odżywcze, których stężenie w środowisku ogranicza wzrost mikroflory degradującej zanieczyszczenie), aby w pełni wykorzystać potencjał fizjologiczny zasiedlającej go mikroflory; czasami zaszczepia się również do zanieczyszczonego środowiska podziemnego jeden lub więcej typów mikroorganizmów specyficznych dla danego zanieczyszczenia, które uzyskuje się bądź na drodze manipulacji genetycznej, bądź selekcji i hodowli-bioaugmentacja to wzbogacanie zanieczyszczonego terenu w specjalnie wyselekcjonowane bakterie, o dużej zdolności do biodegradacji zanieczyszczeń. Stosuje się ją w przypadku gdy rodzima populacja bakterii, na skażonym terenie, nie wykazuje pożądanej aktywności. Bioremediacja in situ pozwala często zachować istniejącą na danym terenie infrastrukturę.


Bioremediacja Podstawowa

Bioremediacja podstawowa to proces, podczas ktorego jedynie naturalna

mikroflora skażonych wód podziemnych jest wykorzystywana do obniżania stężenia substancji toksycznej w gruncie do bezpiecznego miejsca (w określonych i akceptowalnych ramach czasowych). Metoda ta nie wymaga dodatkowej interwencji, poza monitoringiem procesu bioremediacji i pozwala zachować stan pierwotny środowiska naturalnego.


Biostymulacja

Powszechnie znane czynniki ograniczające naturalny proces biodegradacji to:

skrajnie wysokie stężenie substancji stanowiącej skażenie, niedobor tlenu,

niekorzystne pH, niedobor substancji zawierających azot i fosfor, zbyt niska

wilgotność oraz niekorzystna temperatura, Kiedy tempo naturalnego procesu

bioremediacji jest niewystarczające, wtedy stosuje się stymulację rodzimej mikroflory w celu przyspieszenia tego procesu.



Bioremediacja in situ stymulowana wodą

Oczyszczanie wód podziemnych polega na wydobywaniu wody z gleby przy pomocy jednej lub kilku studni wydobywczych umieszczonych w strefie zanieczyszczenia, biorąc pod uwagę kierunek spływu wody podziemnej, trzeba spowodować przenoszenie się zanieczyszczeń w glebie w kierunku miejsca zbierania, czynnikiem wymuszającym ten ruch jest przepływ wody. Po wydobyciu woda jest oczyszczana, w celu oddzielenia substancji szkodliwych, (pompa pływakowa zbiera pływającą po powierzchni warstwę węglowodorów), następnie dodaje się do niej substancje konieczne do rozwinięcia się pożądanej aktywności biologicznej (mikroorganizmy, składniki pokarmowe oraz tlen).

Woda jest z powrotem dostarczana do gruntu, w miejsce zanieczyszczenia. Odbywa się to przy pomocy studni. Zlikwidowanie 1 kg produktów naftowych w sprzyjających warunkach geologicznych, wymaga użycia co najmniej 150 litrów wody.


Metoda BIO-VEPS

Sczerpywanie LNAPL przy użyciu metody BIO-VEPS to kombinacja sczerpywania wspomaganego podciśnieniem oraz biodegradacji rezydualnych związków ropopochodnych. Metoda ta nei wymaga zastosowania drogich pomp o pierścieni cieczowym oraz nie wiążę się z koniecznością sczerpywania wody. Napływ LNAPL w kierunku otworu sczerpującego uzyskuje się dzięki wytworzeniu podciśnienia w studni. BIO-VEPS jest obecnie uważana za jedną z najbardziej efektywnych metod szczerpywania LNAPL. Stosowane skimery typu smart skimmer przemieszczają się wraz z wahającym się poziomem zwierciadła wody podziemnej co eliminuje niebezpieczeństwo sczerpywania wody zamiast LNAPL.

Przykładowy schemat skimera, http://www.poolcenter.com/_derived/parts_skimmer_hayward_sp1085.htm_txt_50_hayward_skimmer_sp1082.gif


Bioremedicja in situ stymulowana powietrzem

Bioremedicja in situ stymulowana powietrzem (biowentylacja) jest to metodą mająca zastosowanie przy skażeniu dużych obszarów na niewielkie głębokości. Aby mogły zachodzić procesy biochemiczne, do gruntu wprowadza się filtry doprowadzające powietrze poniżej warstwy zanieczyszczonej, oraz filtry odciągające powietrze zlokalizowane blisko powierzchni terenu. Powietrze pompowane z gruntu powinno być doprowadzane do filtra w obiegu zamkniętym w celu zlikwidowania nieprzyjemnego zapachu. Doprowadzone powietrze musi mieć odpowiednią temperaturę, aby podgrzać glebę, przewietrzyć ją, odprowadzić pary węglowodorów oraz uaktywnić rozwój

bakterii. Rodzaj bakterii wprowadzanych do środowiska zależy od wielu czynników. Generalnie bardzo dobrze sprawdza się rozhodowywanie bakterii autochtonicznych, pobranych wcześniej ze skażonego terenu. Najczęściej stosuję się preparaty wykonane z rodzimych szczepów bakterii, w skład których wchodzą bakterie degradujące określone węglowodory aromatyczne, bądź alifatyczne. W czasie degradacji zanieczyszczeń pochodzenia organicznego, procesy metaboliczne prowadzą poprzez liczne substancje pośrednie do

otrzymania dwutlenku węgla oraz wody. Jednakże w niektórych przypadkach, proces może zostać przerwany, zatrzymując się na takim produkcie pośrednim, który będzie jeszcze bardziej toksyczny dla środowiska. Znając dokładnie warunki środowiskowe skażonego terenu, należy tak postąpić, aby zmodyfikować je, by stały się optymalne dla namnażania i podniesienia aktywności mikroorganizmów degradujących zanieczyszczenie.



Rozróżnia się dwie metody funkcjonowania bakterii za

względu na potencjał redox:



W przypadku reakcji aerobowych, tlen jest używany jako akceptor elektronów w reakcji utleniania węgla ze związków substancji zanieczyszczającej. W efekcie pojawia się CO2 i węgiel, który wykorzystywany jest do budowy nowej masy komórkowej bakterii, tlen zredukowany jest do H2O. Większość bakterii funkcjonuje na sposób aerobowy i w technikach biooczyszczania korzysta się częściej z tej metody, ponieważ w tym przypadku metabolizm jest on 10 – 100 razy szybszy. Na sukces bioremediacji ma wpływ wiele czynników, a bardzo istotnym jest dostępność pierwiastków biogennych: azotu i fosforu. Związki ropopochodne zbudowane są głównie z węgla oraz wodoru i tylko niewiele z nich zwiera stosunkowo małe ilości azotu. To powoduje, że w tak skażonej glebie znacznie wzrasta równowaga C:N. Występujący w obfitości węgiel nie może być w pełni wykorzystany przez mikroorganizmy, ponieważ brak jest dostatecznych ilości azotu i fosforu, niezbędnych do syntezy białka, kwasów nukleinowych i związków wysokoenergetycznych. Niedobór tych dwóch istotnych pierwiastków biogennych nie pozwala na zużywanie

węgla jako źródła energii i jego przekształcenia w masę bakteryjną.

Zasadnicze procesy wchodzące w skład technologii bioremediacji to:

Końcowe produkty efektywnie przeprowadzonego procesu bioremediacji - dwutlenek

węgla oraz woda są nietoksyczne i mogą być przyswajane bez szkody dla środowiska naturalnego.


Podsumowanie
Technologia bioremediacji jest metodą polecaną do szerokiego stosowania w walce z coraz powszechniejszym problemem skażeń wód związkami ropopochodnymi. Sprawdza się ona w różnych warunkach pogodowych i w zróżnicowanych formacjach geologicznych. Coraz większą popularność technologia bioremediacji zawdzięcza posiadanym zaletom:
· jest ekonomiczna (tańsza niż stosowane dotychczas metody oczyszczania wód i gruntów)
· proces likwidacji skażenia może być prowadzony in situ (w miejscu skażenia, bez konieczności przemieszczania gruntu)
· grunt nadaje się do użytku bezpośrednio po przeprowadzeniu procesu oczyszczania
· w procesie likwidacji skażenia nie są wytwarzane szkodliwe związki wydzielane do gruntu, wód i atmosfery (bakterie rozkładają składniki zanieczyszczeń do obojętnych dla środowiska dwutlenku węgla i wody
· technologia ta nie wymaga stosowania kosztownej i skomplikowanej aparatury.
Wymienione zalety technologii bioremediacji sprawiają, że jest to technologia bezkonkurencyjna w porównaniu z tradycyjnymi metodami oczyszczania gruntu, szczególnie w przypadku gdy mamy do czynienia z dużymi obszarami skażonego gruntu, gdzie zastosowanie technik związanych z przemieszczaniem gruntu jest niemożliwe ze względu na skalę zjawiska.



PODATNOŚĆ NA BIODEGRADACJĘ



Sukces metody biodegradacji zależy od :


Szybkość bioremediacji a tym samym jej efektywność w warunkach in situ zmienia się w sposób nieliniowy i wyraźnie maleje poniżej określonego poziomu stężenia zanieczyszczeń w środowisku gruntowo-wodnym. Dalsza stymulacja procesu oczyszczania przy takiej sytuacji nie ma wpływu na wrost szybkości usuwania zanieczyszczeń a w tym przypadku węglowodorów i biorediajcja intensywna przestaje być efektywna. Trudności związane z przyspieszeniem desorpcji i dostępnością zanieczyszczeń wymagają wydłużenia czasu trwania procesu bioremediacji. Koszty procesu bioremedjacji są duże, dlatego też kierując sie rachunkiem ekonomicznym i logiką po etapie intensywnym bioremediacji następuje faza ekstensywna (pasywna) bez luz z minimalnym wspomaganiem ze strony człowieka. Ekstensywny etap zawsze powienien następować po usunieciu zanieczyszczeń łatwo dostępnych gdy proces przestaje być efektywny i trwać do momentu uzyskania stężeń rezydualnych poniżej wartości dopuszczalnych określonych przez obowiązujące przepisy.

Mikroorganizmy występujące w środowisku przyrodniczym posiadają zdolność degradacji prawie wszystkich naturalnie nie występujących substanji, aczkolwiek związki węglowodorowe charakteryzują się różną podatnością na atak katalityczny drobnoustrojów. Zdolność do biodegradacji węglowodorów można uporządkować w następujący malejący sposób: n-alkiny > alkany rozgałęzione > związki aromatyczne o niskiej masie cząsteczkowej > związki aromatyczne wielopierścieniowe (WWA). W efekcie, kinetyka biodegradacji jest najszybsza dla nasyconych alkanów, a najwolniejsza dla WWA. Ekstremalnie wolną degradację stwierdzono dla polarnych wielopiersieniowych chlorowcopochodnych. Jednocześnie w ostatnich latach zauważono, że nastepuje szybszy proces degradacji niektórych związków organicznych w obecności innych zanieczyszczeń. Jest to tzw. Efekt ko-metabolizmu, gdzie mikroorganizmy wykorzystują zanieczyszczenie jako donor elektronów w procesie redukcji drugiego. Przykład ten ilustruje ogromną plastyczność biochemiczną drobnoustrojów w procesach wykorzystania zanieczyszczeń jako żródła wegla i energii.











Wykres 2. Wpływ liczby pierścieni aromatycznych na zachowanie się zanieczyszczeń


MTBE – eter tert – butylowo – metylowy, BTEX – weglowodory monoaromatyczne, PCB – polichlorowane bifenyle, WWA – wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne




Sprawny proces rozkładu zanieczyszczeń organicznych zachodzi tylko w przpadku, gdy istnieją sprzyjające warunki środowiskowe (odpowiednia wilgotność, temperatura, pH, obecność dodatkowych substancji troficznych obecnośc tlenu w przemianach aerobowych lub odpowiednich donorów i akceptorów elektronów w warunkach beztlenowych). Proces biodegradacji często kończy się niepowodzeniem, w przypasku gdy stężenie odpadów organicznych jest zbyt duże (powyrzej 10%) i powoduje toksyfikację mikroorganizmów, lub też w przypadku braku odpowiedniego aparatu enzymatycznego, rozkładającego przejściowe produkty (intermediaty) degradacji. Bardzo często produkty pierwszych etapów biodegradacji wykazują o wiele silniejszy efekt toksyczności niż zanieczyszczenia wyjściowe. Stwarza to konieczność monitoringu i kontroli biologicznej dekompozycji zanieczyszczeń z uwzględnieniem mikrobiologicznej i biochemicznej interwencji.










Fitoremediacja

Fitoremediacja polega na wykorzystanu roślin i związanych z nimi mikroorganizmow ryzosferowych do unieruchomienia (fitostabilizacjia), usunięcia (fitoekstrakcja), odparowanie (fitoparowanie) i rozkładu (fitodegradacja, ryzodegradacja) zanieczyszczeń. Jedynie fitodegradacja jest możliwa do zastowowania w przypadku wód pozdziemnych znajdujących się na niewielkich głębokościach. Nalezy zaznaczyc, że stanowi ona jedynie wspomaganie dla biodegradacji zanieczyszczeń organicznych w ryzosferze. Także trawy i drzewa, których korzenie sięgają do płytkozalegających wód podziemnych, mogą działać jako pompy słoneczne, usuwają zanieczyszczona wodę ze środowiska gruntowo-wodnego poprzez transpirację. Do tego typu kontroli hydraulicznej wykorzystywane są przede wszystkim drzewa o głębokim systemie korzeni, takie jak hybrydowe topole lub wierzby. Zaletą fitoremediacji jest jej pasywność, a co za tym idzie, niskie koszty inwestycyjne. Aczkolwiek w przypadku wód pozdziemych jej zastosowanie jest ograniczone do nielicznych sytuacji. Ostatnio są czynione próby połączenia fitoremediacji z produkcją roślin przemysłowo-energetycznych.dynamicznie rozwijająca się w ostatnich latach inżynieria genetyczna daje możliwość na zastosowanie fitoremediacji w szerszym spektrum przypadków, w sposób bardziej efektywny, w przyszłości. Szczególnie zachęcające są perspektywy otwierające się w przypadku oczyszczania wód podziemnych.

















WNIOSKI

1. Likwidacja zanieczyszczenia substancjami ropopochodnymi środowiska wód podziemnych jest na ogół trudna i kosztowna. Skuteczna reakcja na wyciek produktów naftowych wymaga znajomości ich rodzaju, warunków w rejonie wycieku oraz określenia wymaganych do osiągnięcia celów i zakresu działania.


2. Ważną decyzją jest wybór technologii oczyszczania, najlepiej spełniającej

postawione przed nią zadanie, wymaga to trafnego określenia zagrożenia dla

środowiska, rozpoznania norm i warunków prawnych odnośnie dopuszczalnych

koncentracji, mogących wpłynąć na wybór opcji techniki i technologii

dekontaminacji.


3. Techniki i technologie dekontaminacji mogą się różnić w zależności od typu

produktu naftowego (frakcje lotne, ciężkie itp.) oraz stopnia likwidacji

zanieczyszczenia.


4. Należy pamiętać, że poszczególne technologie usuwania zanieczyszczeń

węglowodorowych z gruntów i wód gruntowych są skuteczne w ściśle określonych warunkach środowiskowych.


5. Metody biologiczne oczyszczania środowiska z węglowodorów są najbardziej przyjazne dla środowiska łącząc postęp technologiczny z naturalnymi procesami zachodzącymi w ekosystemie.


6. Bioremediacja jest metodą o niewielkiej inwazyjności pozwalającą w sposób najbardziej realny powrót do stanu sprzed wprowadzeniem zanieczyszczeń do wód podziemnych.


7. Nadal wiele kwestii dotyczących teoretycznej efektywności usuwania węglowodorów z wód przez mikroorganizmy wymaga głębszego zbadania w praktyce.


8. Bioremediacja nie jest możliwa do wykorzystania w przypadku wód podziemnych wykorzystywanych do zaopatrywania w wodę zbiorowisk ludzkich.


9. Biodegradację zawsze należy brać pod uwagę przy stosowaniu metod oczyszczenia środowiska o działaniu długotrwałym.





Bibliografia

T. Solecki, Techniki i technologie usuwania zanieczyszczeń ropopochodnych z gruntu i wód gruntowych, , http://www.malopolskie.pl/Pliki/2005/tsolecki.pdf



G. Malina, Likwidacja zagrożenia środowiska wodno-gruntowego na tereanch zanieczyszczonych, Częstochowa 2007










Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
wiśniewski,oczyszczanie wody,oczyszczanie wód podziemnych

więcej podobnych podstron