01.10.2008r.

Według definicji Europejskiej Federacji Biotechnologii, biotechnologia środowiska to integracja nauk przyrodniczych i inżynieryjnych w celu osiągnięcia zastosowania organizmów, komórek, części komórek lub molekularnych analogów do dalszego rozwoju cywilizacyjnego z zachowaniem środowiska.

Główne zadania biotechnologii środowiska to:

- oczyszczenie strumieni ścieków, odpadów stałych i gazów

- racjonalności gospodarowania zasobami naturalnymi

- detekcja skażeń (monitorowanie środowiska)

-zapobieganie zanieczyszczeniu środowiska (prewencja)

- remediacja skażonych środowisk

Kierunek biotechnologia środowiska (w tym technologia bioremediacji), wywodzi się z inżynierii sanitarnej, gdzie głównym punktem zainteresowania były aspekty techniczne procesów oczyszczania. W miarę czasu, gdy poznawano zjawiska przyrodnicze i odkryto fenomenalną zdolność wybranych grup mikroorganizmów do asymilacji substancji toksycznych, co raz większe zainteresowanie skupiało się na zbadaniu istoty sprawy, mechanizmów degradacji związków toksycznych przez mikroorganizmy czy rośliny. Poznanie tych zjawisk daje podstawę do opracowania konkretnych technologii oczyszczania. Wykład technologii bioremediacji poświęcony więc będzie zarówno aspektom biologicznym (mikroorganizmom i ich fizjologii, metodom ich pozyskania), jak i technologicznym w ramach których przedstawione zostaną wybrane rozwiązania techniczne do likwidacji danego typu zanieczyszczeń.

Zanieczyszczenia likwidowane metodami bioremediacji:

1. Usuwanie skażeń węglowodorami ropy naftowej

2. Mikrobiologiczna transformacja fosfogipsu przez bakterie redukujące siarkę

3. Odsiarczanie węgla, usuwanie metanu

W proces odsiarczania węgla mogą być włączone biofiltry. Na filtrach znajdują się immobilizowane kultury mikroorganizmów wychwytujących związki siarki. Metoda ta jest szeroko wykorzystywana.

Metoda usuwania metanu- w korytarzach kopalni montowane są bioreaktory z pożywką zaszczepioną bakteriami metylotroficznymi i przez podłoże w sposób ciągły przepuszczane jest powietrze z pokładu. Namnażające się bakterie wykorzystują duże ilości metanu, zwiększając tym samym bezpieczeństwo pracy górników, jednakże w przypadkach uwolnienia dużej masy metanu, metoda nie zabezpiecza przed wybuchem.

4. Redukcja siarczanów w ściekach i odpadach siarczanowych, osadach i rzekach

Liczne bakterie wykazują zdolność redukcji siarczanów do siarczków lub siarki, co może być wykorzystane zarówno podczas oczyszczania ścieków, jak i w procesach remediacji.

5. Denitryfikacja azotanów i azotynów

Odkryto wiele gatunków bakterii i mikobakterii, które w warunkach beztlenowych lub ograniczonego natlenienia wykazują zdolność do tak zwanego oddychania azotanowego, a tym samym powodują intensywną redukcję azotanów do azotynów, tlenków azotu i azotu atmosferycznego. W wyniku ulotnienia wolnego azotu do atmosfery, środowisko (woda lub gleba) w którym zachodzi proces redukcji, uwolnione zostały od nadmiaru azotanów i azotynów.

6. Usuwanie jonów metali ciężkich ze ścieków

7. Usuwanie fosforu

Główną uwagę zwraca się tutaj na mikroorganizmy wykazujące zdolność do kumulowania fosforanów w komórce w postaci polifosforanów, związków inertnych w stosunku do mikroorganizmów.

8. Oczyszczanie wód skażonych fosfoorganicznymi truciznami sabotażowo- dywersyjnymi

9. Biodegradacja pestycydów

10. Biodegradacja chlorku dodecylopirydyniowego

11. Biodegradacja fenoli (membrany)

Fenol należy do częstych zanieczyszczeń, jako łatwo rozpuszczalny w wodzie, trudno ulega degradacji i woda po zabiegach oczyszczania może zawierać w dalszym ciągu duże ilości fenoli. Dla ich usunięcia montuje się biofiltry (membrany), na których znajdują się immobilizowane bakterie degradujące fenol. Biofiltry tego typu są stosowane w dużej skali.

12. Produkcja biogazu z odpadów przemysłu rolno- spożywczego, osadów makulaturowych

13. Zagospodarowanie osadów czynnych

Wzrost ilości ścieków i stopnia ich obciążenia powoduje, że wzrasta problem powstawania ogromnych mas osadu czynnego i osad ten w pewnych ilościach może być wykorzystywany jako nawóz ze względu na dużą zawartość związków C, N, P, makro- i mikroelementów, jednakże w przypadku gdy znajdują się w nich duże ilości jonów metali ciężkich, rozprowadzenie osadów na polach może być niewskazane. Najprostszym sposobem jest wyrzucenie tych osadów w miejsca niezaludnione i zabezpieczenie przed wycie kekiem z osadów jonów metali do wód gruntowych, jednakże prowadzone są prace nad opracowaniem technologii produkcji biogazu z tegoż osadu, z odzysku wybranych jonów, itp.

7.10.2008

Wykorzystanie preparatów enzymatycznych w procesach remediacji:

W przypadku zanieczyszczeń jednorodną substancją wysoce toksyczną skutecznym okazuję się wprowadzenie do zanieczyszczonego środowiska odpowiedniego enzymu, który przekształciłby się w związek podlegający łatwiej degradacji z udziałem mikroorganizmów. Zabiegi tego typu wykonuje się w przypadku , gdy substancja zanieczyszczająca występuje w niewielkim stężeniu i rozwijająca się w tym ekosystemie mikroorg. „tolerowałyby” to zanieczyszczenie a nie je rozkładały. Opracowywane są i stosowane również technologie tzw. Kompleksowe, w których wprowadza sie do zanieczyszczonego środowiska równolegle mikroorganizmy i preparaty enzymatyczne. Te dwa działania mikroorg. i enzymów uzupełniają się.

Zeolity- są to pochodne związków krzemowych, dodawane do proszków do prania, po przedostaniu się do scieków, zbiorników mogą powodować tworzenie się lagun stanowiących siedlisko dla rozwoju mikroorg w tym chorobotwórczych.

Mogilniki- są to miejsca znajdujące się na głębokości kilkunastu metrów w ziemi, odizolowane od odtoczenia, wybetonowane, w których składowane są substancje niebezpieczne tj. narkotyki, przeterminowane leki i inne produkty przemysłu chemicznego, których w chwili obecnej nie potrafimy zutylizować. Istnieje jednak niebezpieczeństwo wynikające z ruchów tektonicznych i z ograniczonego czasu trwania tych produktów i po ok.30 latach mogilniki muszą być kontrolowane i w miarę możliwości znajdujące się tam substancje są utylizowane.

Bifenyle, polichlorowane bifenyle, dioksyny, benzo(a)piren, trichloroeten, węglowodory poliaromatyczne- są to związki wysoce toksyczne, rakotwórcze i jednocześnie trudnodegradowalne; pod kątem utylizacji tych odpadów opracowywane są szczególnie technologie.

Biotechnologia środowiska

- procesy oczyszczania ścieków, gazów, utylizacji odpadów

- procesy bioremediacji

- działalność prewencyjna, monitorowanie, ustawodawstwo, szkolenia itp. Recykling, zrównoważony rozwój

Procesy bioremediacji

Bioremediacja- jest zabiegiem stymulującym mikroorganizmy do efektywnego degradowania niebezpiecznych zanieczyszczeń, szczególnie organicznych, które to zanieczyszczenia są zaadsorbowane w gruncie lub rozpuszczone w wodzie stanowią zagrożenie i muszą być usunięte do ilości bezpiecznej dla środowiska.

Procesy bioremediacji znajdują zastosowanie w oczyszczaniu gleb zarówno w warstwie powierzchniowej jak i warstwach głębszych, w oczyszczaniu osadów i szlamów, wód stojącyh, wód gruntowych, rzek, mórz i oceanów. Różnorodność zanieczyszczeń i zdecydowanie różne warunki panujące w wymienionych środowiskach powodują, że technologie te są bardzo różne i ich cechą wspólną jest to, że rozkład substancji toksycznych zaangażowane są mikroorganizmy.

Bioremediacja- to proces wstępujący normalnie w przyrodzie jednak, ze bez pomocy człowieka, zachodzi on bardzo powoli od kilku do kilkuset lat. Dizłania technologów polegają tu głównie na wprowadzeniu do zanieczyszczonego układu odpowiednich mikroorganizmów , wyspecjalizowanych w degradacji danej grupy związków i stworzeniu im w miarę możliwości korzystnych warunków do rozwoju. Należy wziąć jednak pod uwagę , że nie mamy do czynienia sytuacją typową dla klasycznych procesów biotechnologicznych gdzie pracujemy w sterylnych warunkach, proces zachodzi z udziałem jednego szczepu, podłoże ma zoptymalizowany skład i optymalne są również warunki hodowli. W procesach bioremediacji paramerty fiz-chem tj. temperatura, wilgotność dyktowane są warunkami klimatycznymi, wprowadzane przez nas mikroorganizmy muszą funkcjonować mimo obecności autochtonicznej mikroflory.

Warunki pH, zasolenie, obecność makro- i mikropierwiastków wynikają ze specyfiki zanieczyszczonego układu. Generalnie uważa się, że proces bioremediacji rokuje powodzenie gdy wilgotność jest wyższa od 25%, zawartość tlenu musi być wyższa od 0,2mg/l, potencjał oksydoredukcyjny powinien być powyżej 50mV, pH w zakresie 5,5-8, stosunek węgla do azotu i fosforu powinien wynosić 100:10:1, temp.4-5˚C.

Największym potencjałem, na który się liczy w procesach bioremediacji jest zdolność do adaptacji do obecności zanieczyszczenia i wykształcenia odpowiednich dróg metabolicznych do degradacji związków toksycznych, tak więc podstawowym zabiegiem stosowanym w procesach bioremediacji jest polepszanie warunków dla rozwoju mikroflory w zanieczyszczonym środowisku. Zabiegi te polegają na dodaniu dodatkowego węgla ( niezbyt łatwo przyswajalnego), pierwiastków biogennych czyli makro- i mikroelementów i akceptora elektronów.

Podział procesów bioremediacji

• Bioremediacja naturalna ( podstawowa)inaczej mikrobiologiczna adaptacja- proces ten jest normalnym zjawiskiem w przyrodzie, proces oczyszczania zachodzi jednak bardzo długo.

• Biostymulacja- polega na wprowadzaniu pierwiastków biogennych, zwiększaniu dostępu tlenu, i celem jego jest stymulowanie rozwoju rodzimej mikroflory by wspomóc procesy adaptacyjne mikroorganizmów w stosunku do zanieczyszczenia

• Bio_____________- obejmuje nie tylko wprowadzanie pierwiastków biogennych i zwiększenie dostępności tlenu, ewentualnie zawartości wody, ale i dodanie kultury mikroorganizmów wykazujących zdolność do degradacji danego typu zanieczyszczenia. Kultury te są przygotowywane, selekcjonowane w laboratorium, niekiedy są to mikroorganizmy wyizolowane z tego zanieczyszczonego środowiska, namnożone w wielkiej ilości i dodane w formie kultury starterowej do zanieczyszczonego układu.

8.10.2008

Charakterystyka- wady i zalety procesu bioremediacji:

Technologie bioremediacji nie są technologiami, które można zastosować zawsze i wszędzie. W przypadku gdy poziom zanieczyszczeń jest bardzo wysoki a zanieczyszczenie może bardzo szybko przedostać się do wód gruntowych, ujęcia H₂O pitnej, zastosować należy metody chemiczne bądź fizyczne , które w sposób szybki „ neutralizują „ zanieczyszczenia. Dopiero po tym zabiegu może być dobrana odpowiednia technologia dekontaminacji.

Bioremediacja daje słabe wyniki w przypadku długo zalegających zanieczyszczeń w bardzo niewielkich stężeniach. W tej sytuacji mikroorganizmy bytują w tym środowisku mimo obecności substancji toksycznych i nie podejmują zdecydowanej ich , nie atakują substancji zanieczyszczającej. W tej sytuacji metody fizyczne i chemiczne nie są skuteczne.

Substancje toksyczne z gruntu mogą trafiać do tkanek roślinnych, te z kolei w formie pożywania do organizmów zwierzęcych lub ludzkich. W organizmie ssaków kumulują te zanieczyszczenia co może prowadzić do groźnych chorób ( nowotworowych i alergii)

Procesy bioremediacji używane są w sytuacjach gdy: -zanieczyszczenie występuje w stężeniu większym niż stężenie ograniczającego wzrost większości organizmów. W przypadku ropy naftowej jej zawartość może dochodzić do 10%, w przypadku polichlorowanych bifenylictoksyczne dawki wynoszą uła,mi % - zanieczyszczenie wystąpiło w miejscu, które można odizolować od wód gruntowych i poboru wody pitnej.

Procesy bioremediacji mogą być prowadzone w miejscu zanieczyszczenia- in situ lub zanieczyszczenie( materiał ) przenoszony jest w bezpieczne miejsce ( ex situ.

Generalnie procesy bioremediacji są zdecydowanie bardziej skuteczne, bezpieczne i tańsze w porównaniu z metodami fizycznymi bądź chemicznymi. W czasie bioremediacji w większości przypadków nie powstają produkty toksyczne. Ostatecznymi produktami rozkładu związków organicznych są dwutlenek węgla i woda, w przypadku nitrozwiązków- azot. W metodach fizycznych i chemicznych stosowane SA niebezpieczne rozpuszczalne sole, zasady, kwasy i związki te stanowią kolejne zagrożenie dla oczyszczanego układu. Zwykle procesy bioremediacji nie wymagają drogiej aparatury. drogich odczynników i w sensie technicznym technologie te są stosunkowo proste.

Wśród wady wymienia się to, że biostymulacja jako taka polegająca na wprowadzeniu do środowiska określonych pożywek powoduje istotne zakłócenia w zbiorowości mikroorganizmów bytujących w danym środowisku.

Jak wskazują badania zwykle po zakończeniu procesu oczyszczania różnorodność i ilość mikroorganizmów w danym środowisku wraca do stanu wyjściowego jednakże przy nieumiejętnym dawkowaniu pożywek mogą nastąpić bardzo trwałe zmiany w ekosystemie.

Biostymulacja powoduje również pewne zniszczenia mechaniczne spowodowane tym, że do zanieczyszczonego gruntu wprowadzane są w głąb dreny umożliwiające rozprowadzanie pożywek i wentylacji oczyszczanego gruntu. Stosowane są również systemy wypłukiwania substancji zanieczyszczającej co powoduje wymywanie naturalnych substancji biogennych z gruntu

Ograniczenie wzrostu mikroorganizmów:

Generalnie zależy nam by utrzymać duża różnorodność mikroorganizmów ponieważ dzięki tej różnorodności jest szansa na wystąpienie zjawiska komensalizmu, gdzie degradacja danej substancji zachodzi przy udziale kilku współbytujących mikroorganizmów.

Czasami biodegradacja wspomaga zjawisko kometabolzimu polegającego na tym , że dana substancje toksyczna rozkładana jest tylko w obecności innego substratu ( zwykle o zbliżonej budowie) i mikroorganizm degradujący tą substancję dodatkową ( wyposażony w odpowiednie enzymy o stosunkowo niskiej specyficzności ) zaczyna atakować podstawową substancję toksyczną. Właściwa substancja toksyczna jest rozkładana dzięki obecności odpowiedniego ko substratu, ktry to spowodował u określonych mikroorganizmów indukcję enzymów, które mogą być zaangażowane tylko w degradację kosubstratu ale i właściwej substancji toksycznej.

Mikroorganizmy stosowane w procesach bioremediacji:

Najczęściej w pro bioremediacji związków zaangażowane są bakterie. Zasiedlają one zarówno akweny wodne jak i grunty, grzyby i drożdże bytują chętniej w gruntach. Bakterie mają zdecydowanie przewagę w środowisku o pH >5, przy niższych wartościach pH chętniej rozwijają się grzyby i drożdże. Wśród bakterii największym zainteresowaniem cieszą się bakterie:

-Achromobacter

- Acientobacter

- Alcalibacter

- Arthobacter

- Bacillus

- Flavobacterium

- Nocardia

-Pseudomonas

Oprócz bakterii właściwych cenne uzdolnienia enzymatyczne do biodegradacji ksenobiotyków mają mikobakterie ( Dietza, Gordonia). Bakterie te zdolne są do rozkładu najszerszego spektrum zanieczyszczeń. Grzyby natomiast specjalizują się w rozkładzie policyklicznych związków aromatycznych podobnych do lignin.

Biodegradacja może być prowadzona zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych. Znaczna większość związków toksycznych rozkładana jest szybciej w obecności tlenu.

Niektóre związki aromatyczne rozkładane są tylko w warunkach beztlenowych i są technologie, w których zaleca się stosowanie przemienne warunków tlenowych i beztlenowych co przyspiesza proces biodegradacji.

Bardzo poważnym zjawiskiem utrudniającym biodegradację jest silnia sorpcja substancji toksycznych ( głównie związków aromatycznych) w pory gruntu. Pory te są tak małe, że mikroorganizm nie może dostać się do „uwięzionego „ zanieczyszczenia. Zjawisko to spowodowane jest siłami elektrostatycznymi na tyle silnymi, że trudno jest nawet mimo stosowania silnych detergentów wydobyć te substancje do oznaczeń.

Sorpcja zanieczyszczeń to najważniejsze ograniczające efektywność degradacji środowisko …………. W przypadku zanieczyszczeń środowisk wodnych czynnikiem ograniczającym degradacje może być niska rozpuszczalność substancji zanieczyszczającej w wodzie. W środowisku wodnym czynnikiem ograniczającym biodegradację może być utrudniony kontakt mikroorganizmów hydrofobowym substratem. Mikroorganizmy wykazują zdolność do tworzenia substancji powierzchniowo czynnych ( biosurfaktanty ), które to substancje powodują emulgację i zwiększenie rozpuszczalności substancji hydrofobowej. Tworzone są tzw. Makro i mikrokrople hydrofobowych związków. Makrokrople są zasiedlane przez mikroorganizmy. Mikrokrople - wchłaniane do wnętrza komórki.

Synteza biosurfaktantów ma również ogromne znaczenie w środowisku glebowym. Substancje te mogą przeciwdziałać sorpcji zanieczyszczeń w porach gruntu. Zjawisko to jest jednak bardzo złożone ponieważ nie wszystkie biosurfaktanty są aktywne w stosunku do dużej liczby substancji zanieczyszczających. Dlatego też przy opracowywaniu danej technologii bioremediacji szczepy selekcjonuje się nie tylko pod kątem ……… aktywności degradującej ale i zdolności tworzenia odpowiednich biosurfaktantów.

15.10.2008

Metody fizyczne likwidacji zanieczyszczeń( skażeń) gruntów

Flotacja- to proces polegający na selektywnej koagulacji składników skażenia w pęcherzykach powietrza. Metoda wymaga wydobycia zanieczyszczonego gruntu z miejsca skażenia, wymieszana ze specyficznymi substancjami chemicznymi( są to zwykle środki powierzchniowo- czynne, syntetyczne)powodującymi zmiany powierzchniowe substancji zanieczyszczających czego skutkiem jest uczynienie zanieczyszczenia bardziej aktywnym i podatnym na absorbcje gazów. Mieszanina jest umieszczana w odpowiednim reaktorze, w którym stwarzane są odpowiednie warunki do flotacji czyli wydobycia kontaminantu ( zanieczyszczenia) na powierzchnię, tworząc piane, którą usuwa się mechanicznie. Przy typowych zanieczyszczeniach ilość piany wynosi 10 do 20% całej objętości zanieczyszczenia gruntu. Proces flotacji ze względu na swoja uniwersalność stosowany jest niemal do wszystkich rodzajów zanieczyszczenia. Oleje mineralne usuwa w ilości 75- 99%, WWA do 90%, cyjanki do 99%, metale ciężkie do 90%.

Pasywna adsorpcja na powierzchniach….. jest stosowana w miejscu skażenia( In situ) głównie stosowana jest do usunięcia zanieczyszczenia lotnymi substancjami organicznymi. Metoda polega na wprowadzeniu do zanieczyszczonego gruntu polimeru, który stanowi mieszanine di-winylobenzenu i etylowinylobenzenu. Cząstki polimeru mają takie rozmiary by w polach zamknięte zostały, w miarę możliwości duże ilości związków toksycznych. Najczęściej polimer pakowany jest do stalowych cylindrów z otworami i wprowadzany do tzw. Studni ekstrakcyjnych wykopywany bezpośrednio w zanieczyszczonym gruncie. Proces polega na adsorpcji par substancji organicznych, które stanowią zanieczyszczone strefy oddychania gruntu. W miarę przebiegu procesu do studni dostają się zanieczyszczenia z coraz to bardziej odległych od studni miejsc. Cylinder pozostaje w gruncie na czas kilku tygodni po czym wymaga regeneracji. Polega ona na ogrzewaniu polimeru w atm. Azotu( koniecznie) bo zapobiega to utlenieniu polimeru. Regeneracja może być prowadzona nawet kilkadziesiąt razy. Zanieczyszczenie może być odzyskiwane lub utylizowane metodami biologicznymi.

Płukanie gruntu( soil washing) zasada tej metody : zanieczyszczenie zostaje usunięte z gruntu na skutek przeniesienia go do fazy wodnej i często się to dzieje na skutek ekstrakcji z dodatkiem substancji chemicznych. Proces dzieli się na kilka etapów:

1. obróbka wstępna gruntu- jest to ujednorodnienie cząstek by nie były większe od 5-6 cm ani większe kamienie bo spowodowałoby to uszkodzenie aparatury.

2. Płukanie i ekstrakcja zanieczyszczenia- zachodzi na skutek dwóch jednoczesnych mechanizmów; mechanicznego ( tarcie, ocieranie i cięcie grud - co powoduje uwalnianie kontaminantów i przechodzenie do fazy ciekłej) i fizyko- chemicznego( gdzie zachodzi desorpcja i rozpuszczanie kontaminantów w fazie wodnej.

Najczęściej używanymi ekstrachentami są:

• woda ( zimna i gorąca)- jest stosowana do usuwania jonów metali. Temu wypłukiwaniu towarzyszyć mogą reakcje chemiczne polegające na wiązaniu przez te metale anionów występujących w glebie( clorki i siarczany).

• substancje powierzchniowo- czynne słabo pieniące, stosowane są surfaktany jonowe niejonowe do usuwania węglowodorów pochodzenia naftowego, przy czy związki te nie tylko przechodzą do fazy wodnej, częściowo towarzyszyć temu może tworzenie piany. Siarkowy, azotowy i solny - rozpuszczalnik te stosowane są do usuwania jonów metali ciężkich, podczas traktowania kwasem, tlenki metali przekształcane są do siarczanów, azotanów, chlorków i przechodzą do fazy ciekłej. Można też stosować roztwory alkaliczne : ług sodowy, węglan sodu - tylko w określonym przypadku ( do usunięcia cyjanków) czynniki kompleksujące: kwas cytrynowy, EDTA te związki SA stosowane do ekstrakcji metali ciężkich jest to alternatywa dla stosowania roztworów kwasów. Rozpuszczalniki organiczne stosuje się do usunięcia WWA.

Separacja faz- stosuje się roztwór ekstrachenta i grunt. Ekstrachent używany jest w takiej ilości by na powierzchnie gruntu mogły przedostać się zanieczyszczenia, które są zabierane z powierzchni gruntu. Istnieje alternatywna metoda- cedzenie jak na durszlaku ( ekstrachent zbierany jest poniżej warstwy gruntu). Zastosowanie płukania gruntu- wydajność zależy od rodzaju gruntu i rodzaju zanieczyszczenia. Lotne związki aromatyczne usuwane są z wydajnością 99% , średnio lotne 40-60%. Czasem stosuje się różne środki wypłukujące jedne po drugich, np. środki powierzchniowo- czynne i roztwory kwasu. Technikę tę stosuje się gdy zanieczyszczenie to mieszanina substancji o różnorodnych właściwościach i trudno jest dostać jeden specyficzny środek do ekstrakcji. Koszty procesu płukania gruntu zależą w dużej mierze od rodzaju użytego ekstrachentu. Jeżeli jest to H₂O to koszt wynosi ok. 50$za oczyszczenie 1 tony gruntu przy użyciu detergentów ok. 100$ jeszcze droższe jest stosowanie roztworów kwasów i czynników kompleksującyh .

Wentylowanie gruntu- jest to szybka metoa, wydajna i stosunkowo tania stosowana dla usunięcia lotnych związków organicznych. Proces polega na zainstalowaniu w zanieczyszczonym gruncie tzw. Studni odpowietrzających, co powoduje usunięcie zanieczyszczeń występujących w gruncie w postaci pary i gazów przy jednoczesnym odparowaniu lotnych składników zanieczyszczenia wystepującyh w gruncie również w postaci płynów. Technika wentylowania gruntu stosowana jest z uwzględnieniem takich parametrów jak : - rozpuszczalność w wodzie substancji zanieczyszczonych, ciśnienie par, zdolność do adsorpcji na powierzchni gruntu, charakterystyki samego gruntu- jego spoistości , przepuszczalności dla powietrza, struktury gruntu porowatości tego gruntu , wilgotności. Parametry te decydują o ruchliwości zanieczyszczenia w gruncie i przepuszczalności powietrza między cząstkami gruntu. Metodę tę stosuje się gdy zależy nam na bardzo szybkim usunięciu związków lotnych z gruntu, jakkolwiek związki te samoczynnie ulatniają się, ale w międzyczasie mogą reagować z substancjami stanowiącymi humus gleby lub z innymi substancjami organicznymi powodując tym samym gromadzenie się związków obcych, nietypowych dla gruntu- często bardzo toksycznych. Praca inżyniera polega tu głównie na rozplanowaniu i umiejscowieniu odpowiedniej ilości i wielkości studni, opracowanie właściwego systemu, przewietrzenia gruntu odpowiednią ilością powietrza i o właściwym ciśnieniu. Metoda jest stosunkowo droga, koszt oczyszczania 1 tony gruntu wynosi ok. 70 $ a zanieczyszczenie przekazywane jest do atmosfery i dlatego metodę tę stosuje się tylko w wyjątkowych sytuacjach.

Metody fizyczne do oczyszczania wód

Stosuje się tkaniny adsorpcyjne i absorpcyjne. Metody fizyczne mają tu mniejsze zastosowanie i obejmują przede wszystkim:

1. mechaniczne usuwanie mieszających się z wodą związków( oleju, ropy naftowej)

2. pokrycie lustra wody słomą np. w przypadku ropy która działa nie tylko jako dobry adsorbent, ale ze względu na swoją strukturę kapilary.

3. stosowanie tzw. Materiałów adsorpcyjnych produkowanych specjalnie do tych celów wchłaniających w krótkim czasie duże ilości substancji hydrofobowych.

Bezradni jesteśmy jeśli chodzi o usuwanie jonów metali metodami fizycznymi.

21.10.2008

Chemiczne metody usuwania zanieczyszczeń z gruntów

1 reakcje utleniania

Najczęściej stosowanymi reagentami są ozon, nadtlenek wodoru, dwutlenek chloru (ClO₂). Proces utleniania polega na przekształceniu zanieczyszczenia w substancję o wyższym potencjale oksydoredukcyjnym co oznacza, że do reakcji musimy użyć substancję o potencjale redox wyższym od potencjału jaki posiada zanieczyszczenie. W/w substancje należą do związków o największym stopniu utlenienia i są bardzo reaktywne. Ich nadmiar łatwo się Rozkłada tak więc szkody dla środowiska spowodowane dodatkiem tych substancji są niewielkie. Substancje te są bardzo skuteczne przy oczyszczaniu gruntów zanieczyszczonych pestycydami. W Kalifornii, w której w latach 60 użyto największej ilości pestycydów w tym związków zawierających formaldehyd, reakcje utleniania pozwoliły o 1000 razy zredukować poziom zanieczyszczeń.

2. Reakcje redukcji

Reakcje te prowadzi się w celu przekształcenia związków w formy mniej mobilne. Są nimi wodorek sodowo-borowy (NaBH₄ ), wodorek borowo-litowy (LiBH₄), chlorek cyny (II). Reakcje te mają szereg wad, główna wada to, że wprowadzamy do gruntu substancje szkodliwe tj. cyna czy lit. Proces ten wykorzystuje się w przypadku zanieczyszczenia gruntów chromem (VI) [najbardziej toksyczny] i nienasyconymi związkami organicznymi. Reakcje redukcji prowadzone są tylko w szczególnych wypadkach gdy jest to bezwzględnie konieczne.

3 Ekstrakcja rozpuszczalnikami

Do ekstrakcji wykorzystuje się typowe rozpuszczalniki organiczne i metoda ta ma zastosowanie do odzysku produktów ropopochodnych z gruntów. Metoda jest bardzo pracochłonna, nie wolno jej prowadzić In situ tak więc wymaga wydobycia zanieczyszczonego gruntu, następnie obróbki wstępnej tego materiału ( przesiewanie, dodanie wody w ilości umożliwiającej przepompowanie wydobytego materiału). Często by zwiększyć wydajność ekstrakcji całość należy ogrzać , niekiedy musi być regulowane pH. Efektywność procesu ekstrakcji zależy od intensywności mieszania gruntu z rozpuszczalnikiem a przede wszystkim od właściwości gruntu, rodzaju zanieczyszczenia ( adsorpcja) i od samego rozpuszczalnika.

Po procesie ekstrakcji są 3 różne strumienie. Woda procesowa, grunt oraz mieszanina gruntu z rozpuszczalnikiem. Dla wszystkich tych strumieni prowadzi się obróbkę wtórną a oczyszczony rozpuszczalnik jest zawracany do procesu ekstrakcji. Oddzielone zanieczyszczania są poddawane neutralizacji. Metoda ta jest kosztowna ponieważ odzysk rozpuszczalnika polega zwykle na jego oddestylowaniu (energia). Ekstrakcje prowadzi się w przypadku zanieczyszczenia gruntów PCB, czasem subst. ropopochodnymi gdy występują w bardzo wysokim stężeniu. Natomiast metoda jest nieprzydatna w przypadku zanieczyszczeń substancjami nieorganicznymi, metalami ciężkimi, kwasami i zasadami. Może być jednak stosowana gdy zanieczyszczenie jest niejednorodne.

Głównymi wadami procesu ekstrakcji są:

• Duża energochłonność

• Konieczność wstępnej obróbki materiałów

• Ograniczone bezpieczeństwo- dużą łatwopalność

• Wymagane jest podejmowanie dużych środków ostrożności

• Technologia komplikuje się w przypadku gdy obecność substancji organometalicznych oraz substancji powierzchniowoczynnych

• Koszty ekstrakcji sięgają 500-700 dolców, tonę gruntu

4) Dehalogenacja

Proces dehalogenacji to reakcja chemiczna między pochodnymi glikolu a substancjami chlorowcopochodnymi wśród nich są PCB, PCDD ( polichlorodibeznodioksyna) i PCDF ( polichlorodibenzofuran). Proces dehalogenacji prowadzi się w reaktorach , w podwyższonej temperaturze. Skażony grunt mieszany jest z alkalicznym roztworem polietylenu glikolu (PEG). Dehalogenacja zachodzi najefektywniej w temperaturze ok. 150˚C przy intensywnym mieszaniu. Czas reakcji do 5 h. W wyniku reakcji tworzone są substancje mniej toksyczne, zwykle rozpuszczalne w wodzie, które w podwyższonej temperaturze odparowują i przekazywane są do kondensatora. Tam poddawane są dalszej obróbce np. utlenianiu chemicznemu lub bioremediacji. Pary kontaminantu adsorbowane są na węglu aktywnym. Pozostały glikol w formie soli sodowych lub potasowych oddziela się od gruntu na zasadzie dekantacji. Grunt po dehalogenacji poddaje się płukaniu po czym może być przekazany do pierwotnego miejsca.

Dehalogenacja jest procesem bardzo kosztownym około 500 dolców za tonę gruntu. Prowadzi się ją dla w/w związków oraz dla wielu rodzajów pestycydów

Wielką zaletą reakcji dehalogenacji jest brak toksycznych produktów ubocznych. Uzyskane produkty są o wiele łatwiej podatne na biodegradację. Proces dehal. przebiega bardzo szybko.

Główną wadą jest to, że może być stosowana tylko do tych wybranych skażeń a koszt procesu zależy od stężenia zanieczyszczenia w gruncie a reagenty są stosunkowo drogie. Proces dehalogenacji może być zakłócany obecnością związków ropopochodnych , zbyt dużą wilgotnością gruntu, niskim pH i obecnością glinu, w obecności którego zachodzą reakcje konkurencyjne. Aparatura w tej technologii szybko ulega korozji.

5) Inertyzacja( stabilizacja)

Celem jest zredukowanie ruchliwości, mobilności zanieczyszczeń, niedopuszczenie do jego migracji do środowiska. Wód gruntowych. Substancje wykorzystywane w procesach inertyzacji dzielą się na dwie grupy :

nieorganiczne np. Cement, uwodnione wapno i glina

substancje nieorganiczne: termoplasty i polimery

Koszty cementowania dochodzą do 250 dolców / tonę gruntu.

W procesach z wykorzystaniem termoplastów , wykorzystuje się substancje, które zmieniają swoje właściwości mechaniczne ze zmianą temperatury. Stosuje się asfalt, parafiny, polietylen, polipropylen i inne. Polimery stosowane w procesach inertyzacji tworzone już są w samym gruncie. Do gruntu dodaje się jedynie monomer i katalizator. Tworzący się w gruncie polimer wiąże w swoją strukturę zanieczyszczenie uniemożliwiając jego dalszą migracje. Procesy inertyzacji stosowane są głównie do unieszkodliwiania zanieczyszczeń nieorganicznych, rzadziej organicznych.

Likwidacja zanieczyszczeń substancjami ropopochodnymi z wykorzystaniem metod biologicznych.

Ropa naftowa:

Jest naturalnym surowcem powstałym z materii organicznej obumarłych organizmów. Istnieje wiele teorii jej pochodzenia. Najczęściej wskazuje się na organiczne pochodzenie składników ropy naftowej, obejmuje nie tylko przemiany biochemiczne ale i zjawiska fizykochemiczne, które zachodziły w ciągu wielu mln lat i zachodzą dalej w głębi ziemi w warunkach podwyższonego ciśnienia, wysokiej temperatury, w obecności naturalnych katalizatorów i promieniowania radioaktywnego. Ropa naftowa stanowi złożoną, wieloskładnikową mieszaninę związków chemicznych wśród których najczęściej występują węglowodory parafinowe, naftenowe, aromatyczne. Związków aromatycznych jest znacznie mniej niż parafin i naftenu. Skład ropy różni się w zależności od strefy pochodzenia. W warunkach klimatu umiarkowanego inne pierwiastki wchodzące w skład ropy naftowej tj, siarka, azot i tlen stanowią mniej niż 3 % . Jednakże w ropach z klimatu cieplejszego zawartość tych związków może dochodzić do 8%. Wśród parafin są węglowodory o długości łańcucha od C1 do C60. Od C1 doC4 -gazy, do C15- ciecze, powyżej C15-ciała stałe. Obok prosto łańcuchowych parafin są również rozgałęzione - izoparafiny. Najlepiej poznanymi izoparafinami są pristan i fitan. Składniki te są bardzo trudno deghradowalne. Grupy metylowe stanowiące rozgałęzienia utrudniają dostęp oksygenaz do cząsteczki węglowodoru.

Cykloparafiny-związki naftenowe, wśród których w największych ilościach występują metylocyklopentan i metylocykloheksan( związki te ulegają bardzo trudno degradacji).

Węglowodory wchodzące w skład ropy naftowej zawierają przynajmniej jeden pierścień aromatyczny ( benzen, toluen, ksylen, styren- należą do wysocy toksycznych, łatworozpuszczalnych i są trudniej degradowane od alkanów).

Wśród związków wielopierścieniowych w największych ilościach występują:

- naftalen ( b.toksyczny i trudno degradowany)

- acenaftalen

- fenantren

- antracen

- benzo(a)piren

Są to związki toksyczne, mutagenne i kancerogenne. Określa się skrótem PAH's.

Oprócz węglowodanów w ropie naftowej są również żywice i asparteny. Są to wielopierścieniowe związki zawierające tlen, siarkę, azot oraz metale ciężkie: wanad i nikiel, merkaptany, pochodne tiofenu, siarczki i wielosiarczki, związki azotu-pochodne pirydyny, choliny i pirolu, kwasy naftenowe- związki cykliczne z krupą karboksylową.

Najpowszechniejszym kryterium klasyfikacji ropy naftowej jest zawartość siarki, która waha się od 0,01% do 8%.

22.10.2008

Związki azotowe w ropie o stężeniu 0,01 do 2 % Substancje te maja charakter zasadowy lub obojętny. Zasadowe są pirydyny, chinoliny i akrydyny a obojętne są pirole indole i karbazole. Te związki azotowe wpływają niekorzystnie na właściwości eksploatacyjne paliw. Związki zawierające tlen występują w ropie w postaci kwasów fenolowych, fenoli i furanów. Związki te występują w ilościach zbliżonych do połączeń azotowych.
Metale ciężkie - głównie wanad i nikiel - powodują korozje i zniszczenie wiele urządzeń ,utrudniają przebieg procesów rafineryjnych.

Substancje żywiczno-asfaltowe to komponenty ropy naftowej zawierają jeszcze tlen siarkę i N ₂ w strukturze tych związków mogą znajdować się w śladowych ilościach pierwiastki tj. Pb, Ni, Co, V, Fe
II. Parametry charakteryzujące ropę naftową
Parametrami tymi są:

• Gęstość

• Lepkość

• Napięcie powierzchniowe

• Lotność

• Parametry pomocnicze o charakterze optycznym i elektrycznym

Gęstość ropy naftowej waha się od 0,77-0,99 g/cm³ to rzutuje na strukturę i skład ropy. Wraz ze wzrostem stosunku liczby atomów C do liczby atomów H ( C:H) rośnie wartość gęstości. I tak np. dla heksanu H:C wynosi 2:3 a dla naftalenu H:C wynosi 0:8
Lepkość- w przypadku ropy używa się pojęcia lepkości dynamicznej i kinetycznej ( częściej używana wyrażona w μm/s) Ropy o niższej gęstości charakteryzują się zwykle niższą lepkością, paliwa silnikowe - niższa lepkość w porównaniu z olejami opałowymi i smarowymi.

Napięcie powierzchniowe- jest funkcją masy cząsteczkowej i temperatury. Jeśli masa cząsteczkowa rośnie to napięcie powierzchniowe rośnie. Wzrost temperatury powoduje zmniejszenie napięcia powierzchniowego. Typowe wartości napięcia powierzchniowego mieszczą się w zakresie 24-40 …/cm dla benzyny 26 dyn/cm
Temperatura topnienia i płynięcia - są to wielkości decydujące o jakości ropy naftowej.
Temperatura płynięcia oznacza niższą temperaturę w której ropa naftowa (lub jej produkty) znajdują się na granicy utraty płynności pozostając nadal cieczą.
Temperatura płynięcia zależy od składu ropy, parafiny mają niższe temperatury płynięcia remy i naftaleny wyższe. Temperatura topnienia natomiast dla wszystkich węglowodorów rośnie ze wzrostem masy cząsteczkowej.
Ze względów przemysłowych ważnym parametrem jest temperatura wrzenia. Frakcja ropy o temperaturze wrzenia do 350°C - oddestylowane są pod zmniejszonym ciśnieniem tzw. frakcje próżniowe.

W przerobie ropy naftowej największe znaczenie odgrywa klasa paliw stanowiąca 80-83% przetwarzanej ropy. Frakcje określone terminem paliwa obejmują : benzyny, oleje napędowe, paliwa żeglugowe, paliwa opałowe oraz paliwa do silników lotniczych turbinowych i odrzutowych.
paliwa benzynowe maja gęstość 0,7 do 0,78
oleje napędowe 0,81 do 0,88
paliwa lotnicze 0,78
oleje opałowe 0,89-0,99

Główne składniki benzyn: Temperatura wrzenia:
…..C₃ do C₁₄ do 215°C
oleje napędowe C₁₅ - C₂₂ 163-399° C
paliwa lotnicze C₉ - C₁₄ 150-250°C
oleje opałowe C ₂₀ i wyżej powyżej 350° C

---