Mikrobiologiczne oczyszczanie gruntów

Wśród licznych metod odnowy skażonych gruntów znaczącą pozycję stanowią metody wykorzystujące siły przyrody, a w szczególności zdolność mikroorganizmów do wykorzystywania wielu substancji, w tym tych będących zanieczyszczeniami, w charakterze pokarmu. Mikroorganizmy metabolizując zanieczyszczenia przekształcają je w substancje prostsze, najczęściej mniej szkodliwe albo, neutralne, a nawet przydatne, np. nawozy.

Zwykle takie oczyszczanie (terminy bliskoznaczne: rewitalizacja, remediacja, rekultywacja) nie jest procesem samym w sobie, a jedynie etapem bardziej złożonej procedury. Zazwyczaj etap biologiczny poprzedzony jest obróbka mechaniczną, czasem fizykochemiczną. Po etapie biologicznym wielekroć stosowane są też zabiegi o charakterze technicznym.

Zanieczyszczenie gruntów produktami ropopochodnymi.

Ropa i produkty związane z jej przetwarzaniem, czyli np. paliwa, oleje, smary, asfalty dostają się do środowiska w czasie procesu wydobywania i przetwarzania. Zdarza się, że wydostają się podczas transportu lub magazynowania.

W Polsce największe skażenie gleb produktami ropopochodnymi obserwujemy w otoczeniu rafinerii, stacji paliw, rurociągów, lotnisk, stacji naprawczych i linii kolejowych.

Do rozszczelniania zbiorników paliw przyczyniają się też bytujące w nich mikroorganizmy, np. grzyby z rodzaju Cladospirum korodując ścianki zbiorników. Do paliw dodaje się więc biocydy by zahamować rozwój mikroustrojów.

Metody oczyszczania gruntów z produktów ropopochodnych.

Wybór metody remediacji gruntu powinna poprzedzać analiza sytuacji miejscowej, czynników określających własności gruntów, rodzaju i wielkości skażenia, oczekiwanych efektów i kosztów.

Czynniki ukierunkowujące sposób oczyszczania:

• budowa profilu gruntowego

• struktura gruntu i właściwości fizyczno - chemiczne

• lokalizacja wód podziemnych, kierunek i wielkość przepływu wód

• usytuowanie miejsca zanieczyszczenie w stosunku do ujęć wody i innych obiektów podlegających ochronie

• charakterystyka fizyczno - chemiczna, biologiczna i mikrobiologiczna związków wchodzących w skład skażenia: stężenia, rozpuszczalność w wodzie, reaktywność w stosunku do środowiska, podatność na rozkład chemiczny i biologiczny

• kształt i wielkość smugi zanieczyszczenia w gruncie

• warunki klimatyczne i szata roślinna

• ograniczenia techniczne i ekonomiczne

• wymagania prawne i oczekiwania odnośnie poziomu zanieczyszczenia po procesie remediacji

Co dzieje się po przedostaniu się substancji ropopochodnych do gleby

W przypadku rozlań powierzchniowych produkty naftowe mogą przedostawać się poprzez strefę aeracji do warstw nieprzepuszczalnych i do wód gruntowych. Na rozprzestrzenianie zanieczyszczeń oddziałują zjawiska sorpcji i wymiany jonowej z elementami i cząstkami gruntu oraz warunkująca je porowatość, wzajemne relacje fazy gazowej i stałej, zawartość wody, temperatura. W strefie aeracji mogą wystąpić procesy odparowania lotnych frakcji do powietrza zawartego w gruncie, częściowego rozpuszczenia węglowodorów w wodzie oraz sorpcji na ziarnach gruntu. Węglowodory alicykliczne i aromatyczne wielopierścieniowe mogą ulegać sorpcji w gruntach gliniastych lub zawierających składniki humusowe. Kumulacja lotnych węglowodorów w powietrzu glebowym może być przyczyną wybuchów i pożarów. Szybkość przemieszczania się zanieczyszczeń w głąb zależy od struktury warstw gruntu i przepuszczalności. W gruntach słabo przepuszczalnych migracja węglowodorów zachodzi w płaszczyźnie poziomej. Zanieczyszczenia ropopochodne zmieniają właściwości gruntu, zmniejszają pojemność chłonną, zawartość tlenu, przepuszczalność. Jeśli związki ropopochodne nie występują w środowisku w stężeniach toksycznych dla mikroorganizmów glebowych mogą podlegać procesom biodegradacji.

Ochrona przed migracją zanieczyszczeń

Do ochrony wód i gruntów przed migracją zanieczyszczeń stosuje się bariery fizyczne, hydrauliczne oraz unieruchamianie sorbentami i spoiwami. Bariery te wykonywane są z materiałów o małej przepuszczalności - blach metalowych, betonu, tworzyw sztucznych. Bariery hydrauliczne to zespoły studni, drenów i rowów opaskowych. Produkty naftowych można zestalić wraz z gruntem w którym się znajdują wiążąc go cementem, gipsem, krzemianami, asfaltem, gliną organicznie modyfikowaną, sztucznym żywicami. Przed przystąpieniem do oczyszczania gruntów należy sczerpać paliwo z warstwy wodonośnej jeżeli wody podziemne zostały skażone. W tym celu stosuje się pompy zaopatrzone w skimery do oddzielania wolnego produktu. Wodę poddaje się napowietrzaniu metodą tzw. stripingu, pozwalającego usuwać lotne węglowodory i do gruntu dostarczać tlen wraz z wodą w obiegu cyklicznym. <patrz przykłady>

Rysunek. Przegrody i bariera hydrauliczna wokół nieszczelnego zbiornika

Rysunek. Instalacja do odpompowania zanieczyszczonych wód

Zdjęcie. Kontenerowa stacja oczyszczania wód gruntowych

Woda ze studni jest kierowana do kontenerowych stacji oczyszczania i tzw. wież strippingowych. Często są to obiekty kompaktowe, całkowicie zautomatyzowane, gdzie efektywność redukcji zanieczyszczeń sięga 90%. Odpowiednie ulokowanie stacji pozwala na stworzenie bariery hydraulicznej wyciskającej plamę paliwa od strony naturalnego spływu w kierunku stanowisk czerpania. Naturalną hydrodynamikę wód podziemnych wykorzystuje się do podniesienia efektywności procesu. Woda po oczyszczeniu wraca do tej samej warstwy wodonośnej, z której została pobrana. Krajowa firma, Hydrogeotechnika (Kielce) sczerpała dotąd wody głównie w sąsiedztwie dużych stacji paliw, obiektów wojskowych, przemysłowych, bocznic PKP oraz miejsc awarii rurociągów naftowych. Wysoką skuteczność oczyszczania uzyskano m.in. dzięki tzw. skimerom własnej konstrukcji. Są to pływaki rurowe ssące zanieczyszczenia z powierzchni wody w studniach, otworach piezometrycznych, zbiornikach podziemnych itp. Opracowano skimery samonastawne, tzn. takie, które podążają za zwierciadłem wody gruntowej w granicach wahań do 0,5-2,5 m. w zależności od typu - oraz skimery bierne, nieruchome. Oba typy mogą być zaopatrzone w pompkę oraz przewód odprowadzający zanieczyszczenia do zbiornika. Mogą też być opróżniane okresowo.

Biodegradacja węglowodorów.

Do głównych składników ropy naftowej zalicza się alkany (parafiny), cykloalkany (nafteny) i związki aromatyczne. Biodegradowalność związków każdej z tych grup jest nieco odmienna.

Procesów mikrobiologicznych przy rozkładzie węglowodorów zależy od:

• budowy cząsteczki

• właściwości fizycznych (np. rozpuszczalność w środowisku wodnym)

• stężenia w środowisku, rzutującego na skutki toksyczne dla biocenoz glebowych i wodnych. Takimi skutkami mogą być np. obumieranie organizmów roślinnych, zanik fauny biocenoz, zanik bioróżnorodności, zaburzenia w łańcuchach troficznych itd.

Biodegradacja niektórych węglowodorów jest niezwykle trudna, np., niektóre węglowodory policykliczne wykazują prawie 100% odporność na wszelkie zabiegi biodegradacyjne. Jednak są i takie związki jak alkany, które w swojej cząsteczce zawierają od 8 do 18 atomów węgla, które można łatwo zdegradować przy użyciu metod biologicznych.

Organizmy odpowiedzialne za prowadzenie procesu biodegradacji to przede wszystkim bakterie. Wśród nich możemy wyróżnić należące do rodzajów: Pseudosomonas, Micrococcus, Aeromonas, Vibrio, Mycobacterium i inne. Swoje miejsce znajdują tu także grzyby mikroskopowe. Do naturalnych biodegradatorów możemy także zaliczyć promieniowce, cyjanobakterie i glony.

Zazwyczaj biodegradacja rozpoczyna się od hydroksylacji prowadzącej do powstania alkoholu. W tej reakcji biorą udział enzymy oksygenazy związane z łańcuchem oddechowym. Taki proces mogą prowadzić np. przez bakterie z grupy Mycobacterium sp. W efekcie do cząsteczki wprowadzany jest atom tlenu. Dalej taka cząsteczka przechodzi szereg kolejnych przemian metabolicznych z udziałem mikroorganizmów. Do wykorzystywania substancji jako jedynego źródła węgla i energii zdolna jest jednak niewielka część drobnoustrojów, 0,1 do 1 %. Większość mikroorganizmów rozkłada zanieczyszczenia kometabolizując je, to znaczy wykorzystując jako źródło węgla, ale nie energii. Energia musi być czerpana w procesie rozkładu innej substancji. Kometabolizm - spotykany jest bardzo często podczas rozkładu cykloalkanów.

8

Przegroda

Poziom wód

Kierunek przepływu

Wyciek

Zbiornik produktów naftowych

Warstwa nieprzepuszczalna

Studnia

Studnia

Poziom gruntu

Separator

(stripping)

Zanieczyszczony grunt

Studnia ssąca

(skimer)

Studnia chłonna

Komin

---