Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki 15.12.2011

Ochrona Środowiska

Semestr V

Metody oczyszczania gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi i ich efektywność

Zanieczyszczenie gleb metalami ciężkimi jest dość powszechnym problemem. Ich obecność spowodowana jest działalnością energetyki, górnictwa, hutnictwa żelaza i metali nieżelaznych a także zakładów chemicznych czy też budowlanych. Możliwość odnowy gleby zanieczyszczonej metalami ciężkimi jest bardzo ograniczona i ciężka do zrealizowania. Wraz z postępem czasu dodatkowo rośnie kumulacja tychże zanieczyszczeń w glebie, a co za tym idzie- zwiększa się ich pobieranie przez rośliny. Najgroźniejszymi metalami ciężkimi w glebie są: Zn, Cu, Pb, Hg oraz Cd.

Całkowita rekultywacja terenów zdegradowanych przez nadmiar metali ciężkich jest praktycznie niemożliwa. Nie ma także takiej metody konwencjonalnej, która usunęłaby je z gleby nie naruszając jednocześnie życia biologicznego. Zanim ustalimy odpowiednią metodę musimy wziąć pod uwagę rodzaj czynnika degradującego, stopień degradacji a także jej zasięg w ujęciu objętościowym i areałowym oraz przyczynę.

Najczęściej stosowanymi metodami usuwania metali ciężkich z gleby są metody fitoremediacji. Na fitoremediację składa się 5 następujących metod:

1. fitoekstrakcja;

2. fitostabilizacja;

3. volatilizacja;

4. fitodegradacja;

5. rizofiltracja

Częściowe usunięcie bądź też zatrzymanie metali ciężkich jest możliwe przez trzy pierwsze wymienione powyżej metody.

Fitoekstrakcja polega na wykorzystaniu roślin akumulujących metale ciężkie do transportu tych metali z gleby i ich bioakumulacji w nadziemnych częściach roślin. Rośliny stosowane w fitoekstrakcji powinny mieć dużą tolerancję na niekorzystne warunki środowiska spowodowane nadmiarem metali ciężkich czy też innych zanieczyszczeń. Część gatunków stosowana w tym procesie nazywana jest „hiperakumulatorami”. Nazwa ta oznacza, że te gatunki roślin posiadają dużą zdolność akumulacji metali ciężkich. „Stężenia metali w s.m organów nadziemnych niektórych hiperakumulatorów wynoszą od 0,02% w przypadku Cd do 5,0% dla Ni, Mn i Zn” [1] Przykładem dobrego hiperakumulatora jest roślina z gatunku tobołków okrągłolistnych o łacińskiej nazwie Thlapsi Rotundifoliom L. Akumuluje ona w suchej masie organów nadziemnych nawet do 8000 mg/kg Pb. Pomimo, że hiperakumulatory są najlepszymi gatunkami pod względem ilości pobierania metali ciężkich, często stosuje się także inne rośliny takie jak: gorczyca sarepska, rzepak czy też kukurydza zwyczajna

Tabela zamieszczone poniżej przedstawia poszczególne gatunki roślin i masę zakumulowanego przez nie ołowiu w 1g suchej masy.

* rośliny rosły 14-20 dni w mieszaninie piasku i perlitu, zawierającej 625µg Pb^2-/g

Poniższa tabela przedstawia zestawienie roślin i rodzaju zanieczyszczeń przez nie akumulowanych.

Aby zwiększyć efektywność fitoekstrakcji obniża się dodatkowo odczyn gleby i stosuje się czynniki chelatujące (najczęściej EDTA, gdyż może on w dużej ilości zwiększyć poziom jonów Pb dostępnych dla roślin).

Kolejną biologiczną metodą jest fitostabilizacja. Polega ona, na obniżeniu biodostępności zanieczyszczeń w glebie i zredukowanie migracji metali ciężkich do głębszych warstw gleby. W odróżnieniu od poprzedniej metody, rośliny użyte do procesu fitostabilizacji muszą charakteryzować się nie tylko tolerancją wobec wysokich stężeń metali, ale także zdolnością do unieruchamiania ich poprzez absorpcję, wytrącanie lub redukcję. Zgodnie z definicją proces ten ma obniżać biodostępność zanieczyszczeń- obniżenie to następuje w wyniku wydzielania przez zastosowane rośliny tzw. eskudatów korzeniowych (wodnisty sok wydzielający się z przekroju korzenia po odcięciu łodygi na skutek działania ciśnienia korzeniowego). Wydzieliny te powodują wytrącenie jonów metali w postaciach nierozpuszczlnych lub redukują je poprzez zmianę potencjału gleby. Fitostabilizacja nie powoduje niestety detoksykacji metali ciężkich, jednakże zatrzymuje dalszą ich migrację. Przykładem roślin stosowanych do tego procesu może być wiklina, rzepak lub część odmian roślin trawiastych.

Trzecią metodą jest volatilizacja. Polega ona na pobieraniu przez rośliny z gleby substancji nieorganicznych i uwalnianiu ich w postaci gazowej (lotnej). Metoda ta nie jest jednak jeszcze dobrze poznana jeżeli chodzi o zastosowanie w oczyszczaniu gleby z metali ciężkich. Prowadzi się jednak badania w przypadku skażenia rtęcią. Do tej pory odkryto, że istnieją takie rośliny, które powodują redukcję jonów Hg do mniej toksycznej formy elementarnej.

Jeżeli mowa o rtęci to innym zabiegiem niż volatilizacja może być także wapnowanie gleb. Spowoduje to wytrącenie rtęci w formie węglanów i wodorotlenku, a dodatkowo jony Ca²⁺ obniżają pobieranie rtęci przez korzenie.

(Na zakończenie:p

Z drugiej strony biorąc pod uwagę nadmierne pobieranie przez rośliny metali ciężkich, w celu ochrony roślinności stosuje się:

-nawozy organiczne (komposty, torf) – dzięki dosyć dużej pojemności sorpcyjnej substancji organicznej, sorbują one silnie na drodze sorpcji wymiennej kationy metali ciężkich, na wskutek czego stają się one trudno przyswajalne dla roślin

-wapnowanie-przez podwyższenie pH obniża się rozpuszczalność metali ciężkich oraz silnie obniża się ich pobieranie. Przykładem jest dodawanie żywic kationowo -wymiennych. Stwierdzono dodatni ich wpływ na wzrost roślinności, uprawianych na zanieczyszczonej glebie.

Często po metodach rekultywacji niezbędne jest wapnowanie oraz zastosowanie nawozów organicznych w celu odzyskania przez nią żyzności.

Usuwanie metali ciężkich z materiału glebowego i gruntowego poza miejscem skażenia (ex situ)

Ekstrakcja i separacja zanieczyszczeń w roztworach wodnych

Jest to inaczej tzw. „pranie gleby”. W procesie tym zachodzą trzy główne procesy:

-intensywne mieszanie zanieczyszczonej gleby z roztworem ekstrakcyjnym

-wydzielenie oczyszczonego materiału glebowego od zanieczyszczeń, gdzie przeszły one do ekstraktu lub występują w postaci zawiesiny koloidalnej

-oczyszczenie roztworu z zanieczyszczeniami w oczyszczalni ścieków.

Polepszone efekty tego procesu można uzyskać przez zastosowanie wysokociśnieniowej ekstrakcji oraz wibracyjnych płuczek.

Aby oddzielić zanieczyszczony roztwór ekstrakcyjny od oczyszczonej gleby używa się takich urządzeń jak:

-hydrocyklony

-sortowniki przelewowe

-selektywna flotacja.

Wyżej wymienione metody mają istotne znaczenie głównie w oczyszczaniu gleb piaszczystych, ponieważ zawartość substancji organicznej z iłem koloidalnym nie przekracza 10-15% (duża część zanieczyszczeń znajduje się w tej frakcji). Z jednej strony uzyskuje się oczyszczenie 85-95% materiału glebowego, jednak wybór tej metody jest sensowny tylko dla gleb pod budowę osiedli mieszkalnych bądź innych obiektów wymagających gruntu czystego. Po zastosowaniu takiej metody nie uzyskamy czystych gleb uprawnych, ponieważ zostaje usunięta frakcja koloidów, która jest cenna dla żyzności gleby. Kolejną wadą tej metody jest jej wysoki koszt, ze względu na oczyszczanie wody zawierającej zanieczyszczenia w dość dużej ilości na oczyszczalni ścieków. Zaletą jest niedługi czas oczyszczania.

Kolejną metodą, stosowaną głównie w celu usunięcia rtęci jest obróbka termiczna, składająca się z dwóch etapów:

1. odparowanie zanieczyszczeń w temperaturze 150-700ºC

2. spalanie w specjalnych komorach wydzielających się gazów.

Są to jednak metody stosowane głównie w przypadku katastrof ze względu na wysoki koszt związany z koniecznością zastosowania wysokiej klasy urządzeń do oczyszczania gazów odlotowych. Należy zwrócić uwagę, iż otrzymany w efekcie końcowym materiał glebowy jest pozbawiony zanieczyszczeń, ale także właściwości gleb. Zostają zniszczone mikro- oraz makroorganizmy, zmniejsza się zawartość azotu i znacząca część próchnicy zostaje spalona. Koszty tej metody są więc powiązane także z długotrwałymi próbami przywrócenia żyzności glebie.

Oprócz wyżej wymienionych wyróżniamy jeszcze elektrolityczne usuwanie rtęci z gleby, stosowane dla obszarów wokół zakładów rtęciowych. Kolejną metodą jest destylacja próżniowa, polegająca na umieszczeniu gleb w temp 380ºC i w warunkach podciśnienia 100-200hPa. Zaleta tej metody jest usunięcie Hg z najdrobniejszych frakcji glebowych.

Kolejną- być może najbardziej skuteczną- metodą jest witryfikacja (zeszklenie). Proces ten polega na dostarczeniu energii do substancji, która w wysokiej temperaturze (często sięgającej nawet 1300°C) ulega termicznego rozkładowi z jednoczesnym wydzieleniem produktów gazowych i ulega spopieleniu. Popiół ten zostaje następnie stopiony i szybko schłodzony, dzięki czemu zyskuje strukturę szkła.

Tabela przedstawiona poniżej ukazuje wyniki badań prowadzonych w Instytucie Inżynierii Środowiska na Politechnice Wrocławskiej, dotyczące wymywania zeszklonych produktów z gleby.

Jak wynika z powyższej tabeli zdecydowanie mniejsza jest zawartość danego pierwiastka w wyciągu wodnym w popiele zeszklonym niż w wyjściowym. Świadczy to o tym, że proces witryfikacji bardzo dobrze zatrzymuje metale ciężkie i nie będą one miały możliwości migrowania w głębsze partie gleby. Zeszklone produkty charakteryzują się także wytrzymałością mechaniczną, są odporne na działanie różnego rodzaju chemikalia oraz nie ulegają pyleniu. Jednakże wadą takiej metody jest fakt, że potrzebna jest bardzo duża ilość energii niezbędnej do zeszklenia danego zanieczyszczenia, a co za tym idzie wysokie koszty.