NÁPRAVA EKOLOGICKÝCH ŠKOD 1. ČÁST ZÁKLADNÍ POJMY A PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VÍT MATĚJŮ ENVISAN-GEM, a.s. Biotechnologická divize, Radiová 7, 102 31 PRAHA 10 envisan@grbox.cz O ČEM TO BUDE ? 1. Základní pojmy v sanačních technologiích, definice, druhy polutantů – aby bylo jasné, o čem se hovoří 2. Způsoby aplikace technologií – jak se technologie využívají 3. Principy sanačních technologií a jejich rozdělení EKOLOGICKÉ ŠKODY • Kontaminace horninového prostředí nejrůznějšími polutanty v důsledku anthropogenních činností, především průmyslové výroby a intenzivní zemědělské činnosti • Kontaminace po haváriích vzniklých z nejrůznějších důvodů – úniky ze skladovacích zařízení, havárie při dopravě, technologické havárie, selhání lidského faktoru atd…. POLUTANTY • Ropné látky • Chlorované ethyleny • Monoaromatické uhlovodíky (benzen, toluen, ethylbenzen, xyleny)(BTEX) • Methylterciárníbutylether (MTBE) • Chlorované alkany • Polycyklické aromatické uhlovodíky • Pesticidy • Polychlorované bifenyly • Těžké kovy • Anionty (sulfát, kyanidy) • Nejrůznější perzistentní organické polutanty (POP) TYPY ZNEČIŠTĚNÍ • Ohniskové znečištění (bodové) • Diufúzní znečištění – kontaminace na velké ploše, koncentrace polutantů jsou nízké VYSVĚTLENÍ POJMŮ • HORNINOVÉ PROSTŘEDÍ Saturovaná zónaNesaturovaná zóna Hladina Podzemní vody Zvodeň, kolektor VYSVĚTLENÍ POJMŮ • SATUROVANÁ A NESATUROVANÁ ZÓNA SATUROVANÁ ZÓNA NESATUROVANÁ ZÓNA CHARAKTERIZACE KONTAMINOVANÉ ZVODNĚ Aby bylo možné vybrat konkrétní sanační technologii, je třeba znát poměry v podzemní vodě či nesaturované zóně. Parametry zvodně: • Teplota • pH • Koncentrace rozpuštěného kyslíku a dalších akceptorů elektronů • Redox potenciál • Druh a koncentrace polutantu • Přítomnost volné fáze produktu • Rychlost proudění podzemní vody • Filtrační koeficient, propustnost CHARAKTERIZACE KONTAMINOVANÉ ZVODNĚ • FINÁLNÍ AKCEPTORY ELEKTRONŮ VYSVĚTLENÍ POJMŮ • DRUHY POLUTANTŮ PODLE FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ VYSVĚTLENÍ POJMŮ •DRUHY POLUTANTŮ PODLE FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ VYSVĚTLENÍ POJMŮ • DRUHY POLUTANTŮ PODLE CHEMICKÝCH VLASTNOSTÍ Organické polutanty Anorganické polutanty Rozpustné ve vodě (polární polutanty) Nerozpustné ve vodě (nepolární polutanty) VYSVĚTLENÍ POJMŮ • KONTAMINAČNÍ MRAK - LNAPL VYSVĚTLENÍ POJMŮ HLADINA PODZEMNÍ VODY VOLNÁ FÁZE ROZPUŠTĚNÝ POLUTANT ROZPUŠTĚNÝ POLUTANT VOLNÁ FÁZE DNAPLLNAPL VYSVĚTLENÍ POJMŮ • KONTAMINAČNÍ MRAK - DNAPL VYSVĚTLENÍ POJMŮ • KAPILÁRNÍ TŘÁSEŇ VYSVĚTLENÍ POJMŮ • KAPILÁRNÍ TŘÁSEŇ VYSVĚTLENÍ POJMŮ • KOLÍSÁNÍ HLADINY PODZEMNÍ VODY VYSVĚTLENÍ POJMŮ • KOLÍSÁNÍ HLADINY PODZEMNÍ VODY VYSVĚTLENÍ POJMŮ • SANAČNÍ METODY – ZPŮSOBY APLIKACE • IN-SITU – na místě bez těžby pevných materiálů, bez čerpání vyčerpávání podzemní vody • EX-SITU – po vytěžení pevných materiálů nebo vyčerpání podzemní vody a přemístění z kontaminované lokality • ON-SITE – po vytěžení nebo vyčerpání na kontaminované lokalitě • OFF-SITE – po vytěžení nebo vyčerpání mimo kontaminovanou lokalitu ZPŮSOB APLIKACE ZPŮSOB APLIKACE ZPŮSOB APLIKACE ZPŮSOB APLIKACE • Nesaturovaná zóna in-situ - bioventing • Saturovaná zóna in-situ – biosparging, bioslurping, bariéry, přirozená atenuace • Vytěžená zemina ex-situ on-site nebo off site, suspenzní bioreaktory • Vyčerpaná podzemní voda na povrchu (pump & treat) – čištění v bioreaktorech • Čištění půdní vzduchu – čištění v biofiltrech VYSVĚTLENÍ POJMŮ • ROZDĚLENÍ SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ PODLE MÍSTA APLIKACE i) Pro nesaturovanou zónu ii) Pro saturovanou zónu iii) Použitelné obecně VYSVĚTLENÍ POJMŮ • SANAČNÍ METODY – ROZDĚLENÍ Dělí se podle principů, na kterých je sanační metoda založena, na: i) biologické ii) fyzikálněchemické a fyzikální iii) chemické iv) kombinované (integrované) – treatment trains v) přirozená atenuace vi) podporovaná atenuace vii) green remediation (využití udržitelných energií při čištění kontaminovaných lokalit) viii) fytoremediace VYSVĚTLENÍ POJMŮ i) Biologické sanační metody Anorganické polutanty • Redukce sulfátu • Fytoremediace • Mokřady (uměle konstruované) • Biosorpce • Bioimobilizace • Biostabilizace • Biologická redukce a oxidace kovů a radionuklidů • Přirozená atenuace • Biofiltrace • Denitrifikace VYSVĚTLENÍ POJMŮ i) Biologické sanační metody Organické polutanty • Bioventing • Biosparging • Bioslurping • Bioaugmentace • Fytoremediace • Bioimobilizace • Biosorpce • Kompostování • Aerobní rozklad polutantů v zeminách • Kompostování • Landfarming • Kometabolismus • Přirozená atenuace • Biofiltrace VYSVĚTLENÍ POJMŮ ii) Fyzikálněchemické a fyzikální sanační metody • Sanační čerpání (pump & treat) • Elektrokinetické metody • Odporový ohřev • Uzavření (capping) • Vitrifikace • Stripping vzduchem • Adsorpční filtrace • Gravitační separace • Odsávání půdního vzduchu (venting) • Air sparging VITRIFIKACE VYSVĚTLENÍ POJMŮ iii) Chemické metody • chemická oxidace • vymývání roztokem povrchově aktivní látky • chemická redukce • solidifikace a stabilizace • reaktivní bariéry • chemická extrakce VYSVĚTLENÍ POJMŮ iv) Integrované sanační technologie • chemická oxidace + biologické dočištění • sanační čerpání + stripping + adsorpční filtrace • biosparging + odsávání půdního vzduchu + adsorpční filtrace • ohřev (odporový, parní) + odsávání půdního vzduchu • sanační čerpání + biologické dočištění • odtěžení + biologické dočištění ex-situ VYSVĚTLENÍ POJMŮ v) Přirozená atenuace BIODEGRADACE cca 95 % odstraněného znečištění VYSVĚTLENÍ POJMŮ v) Přirozená atenuace AIR FORCE CENTRE FOR ENVIRONMENTAL EXCELLENCE Tod Wiedermayer National Contingency Plan (EPA, 1990), (Environmental Protection Agency (EPA). 1990. Preamble to the national oil and hazardous substances pollution contingency plan, final rule. Federal Register 55(46): 8666-8732.) National Research Council (NRC, 1993) (NRC (National Research Council). 1993. In Situ Bioremediation: When Does It Work? Washington, D.C.: National Academy Press.) • Biodegradace • Disperze • Ředění • Sorpce • Těkání • Stabilizace • Přeměna VYSVĚTLENÍ POJMŮ vi) Podporovaná atenuace • obecně optimalizace podmínek pro činnost bakterií a podporu dalších přirozených procesů snižujících koncentraci polutantu • úprava redoxních podmínek (například dávkováním heterotrofních substrátů do podzemí, které podporuje spotřebu rozpuštěného kyslíku a vznik redukčních podmínek nezbytných pro dehalogenaci chlorovaných ethylenů) • úprava koncentrace rozpuštěného kyslíku • zvýšení biologické dostupnosti polutantu VYSVĚTLENÍ POJMŮ vii) green remediation (především využívání obnovitelných zdrojů energie) •Koncepce vznikla v roce 2004, kdy U.S. EPA publikovala Introduction to Energy Conservation and Production at Waste Cleanup Sites“, ENGINEERING FORUM ISSUE PAPER (Michael Gill and Katarina Mahutova) (http://www.epa.gov/tio/tsp/download/epa542s04001.pdf) •Rozpracování konceptu: studentská práce Amandy D. Dellens – podporovaná U.S. EPA (National Network for Environmental Management Studies Fellow, Case Western Reserve University) „Green Remediation and the Use of Renewable Energy Sources for Remediation Projects“ (http://cluin.org/download/studentpapers/Green-Remediation-Renewables- A-Dellens.pdf) VYSVĚTLENÍ POJMŮ viii) Fytoremediace Pro eliminaci polutantů využívá vyšších rostlin Mechanismy uplatňované při fytoremediaci: volatilization ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • SANAČNÍ ČERPÁNÍ gravitační separace adsorpční filtrace stripping vzduchem bioreaktor chemické srážení jiná úprava ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • SANAČNÍ ČERPÁNÍ ZVYŠOVÁNÍ ÚČINNOSTI SANAČNÍHO ČERRPÁNÍ - ohřevem parou - odporovým ohřevem - vymytím povrchově aktivní látkou ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • STRIPPING VZDUCHEM (odstraňování těkavých polutantů) – Henryho zákon a Henryho konstanta polutantu musí být > 0,01 ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • ODSÁVÁNÍ PŮDNÍHO VZDUCHU (pro těkavé polutanty) - VENTING BIOFILTRACE FILTRRACE NA AKTIVNÍM UHLÍ PROMÝVÁNÍ (scrubbing) pro polutanty rozpustné ve vodě ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • ELEKTROKINETICKÉ METODY ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • ODPOROVÝ OHŘEV (PARNÍ OHŘEV ) ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • VITRIFIKACE • Záhřev na teplota až kolem 1000 oC – vysoká spotřeba energie ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • ZAKRYTÍ (CAPPING) ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • GRAVITAČNÍ SEPARACE ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • CHEMICKÁ OXIDACE • Oxidační činidla: Fentonovo oxidační činidlo Manganistan draselný Ozon Ozon + peroxid vodíku persulfát Oxidační potenciál • Hydroxyl radikál ●OH 2.7 V • Sulfatový radikál SO SO4 ●- 2.6 V • Ozone O3 2.2 V • Persulfatový aniont S2O8 - 2.1 V • Hydrogen peroxide H2O2 1.8 V • Manganistanový iont MnO4 - 1.7 V • Peroxymonosulfátový anion HSO5 1.4 V ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ Chemická oxidace ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • VYMÝVÁNÍ HORNINOVÉHO PROSTŘEDÍ POVRCHOVĚ AKTIVNÍ LÁTKOU ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • VYMÝVÁNÍ HORNINOVÉHO PROSTŘEDÍ POVRCHOVĚ AKTIVNÍ LÁTKOU • Kritická miceliární koncentrace surfaktantu musí být co nejmenší. Pokud není překročena, v prostředí nevznikají micely, a proto je nezbytné koncentraci monitorovat a udržovat v aktivní koncentraci ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • SOLIDIFIKACE A STABILIZACE • Stabilizace a solidifikace s cementem, vápnem a využití pozzolanových reakcí (popílek) (silikáty) ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • SOLIDIFIKACE A STABILIZACE PRODUKT - SOLIDIFIKÁT ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • REAKTIVNÍ BARIÉRY Náplně: nula mocné železo biologická náplň sorpční náplň DVA ZÁKLADNÍ TYPY BARIÉR FUNNEL AND GATE ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • REAKTIVNÍ BARIÉRY - VÝSTAVBA STRATEGIE SANACE OHNISKO ZNEČIŠTĚNÍ KONTAMINAČNÍ MRAK ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • INTEGROVANÉ TECHNOLOGIE ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • INTEGROVANÉ TECHNOLOGIE FILOSOFIE INTEGRACE Počátek sanace – vysoké koncentrace polutantu vybírají se technologie vhodné k odstraňování vysokých koncentrací polutantů (odsávání volné fáze s hladiny podzemní vody, sanační čerpání – většinou fyzikální metody. Po poklesu koncentrace polutantů ztrácejí fyzikální technologie účinnost a zařazují se nové technologie vhodné pro dočištění (biologické dočištění, podporovaná atenuace, chemická oxidace) PROČ INTEGRACE SANAČNÍCH METOD? • V 80. letech minulého století se předpokládalo, že sanační čerpání s úpravou vody vyřeší veškeré problémy s kontaminací horninového prostředí • Ale po několika letech přišly špatné zprávy: ?Sanační limit koncentrace čas ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • INTEGROVANÉ TECHNOLOGIE Každá ze sanačních technologií je samostatně (a rozumně) použitelná jen za určitých podmínek: koncentrace polutantů druh polutantů rozpustnost polutantu ve vodě specifická hmotnost polutantu (vyšší než voda – DNAPL, nižší než voda – LNAPL) Většinou se však nedosáhne sanačního limitu ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • INTEGROVANÉ TECHNOLOGIE • Sanační technologie řazené sekvenčně (například sanační čerpání – stripping – filtrace na aktivním uhlí, či chemická oxidace – biologické dočištění), po ukončení využívání jedné technologie se začne využívat jiná • Sanační technologie řazené paralelně (bioventing nebo venting a odporový ohřev, vymytí povrchově aktivní látkou a biologické čištění) – souběžně se využívají dvě nebo více technologií ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • INTEGROVANÉ TECHNOLOGIE • Zvýšení účinnosti sanace • Zkrácení doby pro dosažení limitů • Dosažení limitů • Snížení nákladů na sanaci • Překonání „neřešitelných“ situací ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • INTEGROVANÉ TECHNOLOGIE – CO LZE KOMBINOVAT? ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ • INTEGROVANÉ TECHNOLOGIE – CO LZE KOMBINOVAT? 1. Sanační čerpání – vymytí neionogenní povrchově aktivní látkou – air sparging – biologické dočištění (podpora přirozené atenuace) 2. Chemická oxidace in situ – biologické dočištění 3. Sanační čerpání – ohřev – venting 4. Odstranění ohniska (odtěžení, chemická oxidace,…), přirozená atenuace, podporovaná atenuace ZÁKLADNÍ PRINCIPY SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍ SEAR – vymytí povrchově aktivní látkou OTÁZKY ? DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST !!