Úskalí a problémy spojené s aplikací biodegradace in situ jako sanační technologie praktické zkušenosti

Transkript

1 Úskalí a problémy spojené s aplikací biodegradace in situ jako sanační technologie praktické zkušenosti J. Macháčková, S. Prokšová, F. Herčík Earth Tech CZ s.r.o.

2 Aerobní biodegradace ropných uhlovodíků Ropné látky, zvláště lehčí frakce, patří k biologicky odbouratelným látkám, půdní mikroorganismy jsou schopny tyto látky za vhodných podmínek využívat jako zdroj uhlíku a energie a metabolizovat je na oxid uhličitý První testy provedeny v 8. letech, v polovině devadesátých let publikován rozsáhlé materiály US EPA a US armádních agentur, zaměřené na nesaturovanou zónu (venting, bioventing) Saturovaná zóna air sparging v polovině 9. let inovativní metoda

3 Zájmové území letiště Hradčany bývalé vojenské letiště, situované v severních Čechách u města Mimoň provozováno v období Rozsáhlá kontaminace ropnými látkami, odhad v roce tun na ploše 28,3 ha Semi-volatilní RU, 7% letecký petrolej (střed C1) Volná fáze RU (LNAPL) přítomna na 5% území, mocnost až 9 cm pilotní testování biodegradace sanace na lokalitě Hradčany dobrá odbouratelnost kontaminantu, mimo dostupnosti kyslíku limitující faktor živiny 1997 biodegradace leteckého petroleje hlavní sanační metoda, projekt vycházel z pilotního testu a literárních údajů

4 Site Geology Srf -5 m -7 m sandstone siltstone GWL Sedimentary complex of the Bohemian Cretaceous Basin Overlaid with Quaternary river terrace (2-5 m) GWL 4-1 m bgs Main and intensively used drinking water source in wide vicinity of the site Contamination limits use and revitalization of the site claystone

5 Rozsah kontaminace zemin v roce 2

6 depth under and above GWL (m) 3 2,5 2 1,5 1,5 -,5-1 -1,5-2 amount of TPH in depth interval (%) ,2,6,8,4,5 1,9 3,4 8,9 25,1 26,5 31,8 Distribuce kontaminantu v půdním profilu GWL Maximum of contamination (7 %) bounded to layer 1,5 m under groundwater table (soil sampling result in area of 11 ha, rok 2) TPH concentration (mg/kg)

7 Clean-up technology Combination of several methods I. stage Soil vapor extraction + vacuum oil phase extraction removal of extractable LNAPL 1 2 years in the source zone II. stage In situ aerobic biodegradation stimulation of indigenous aerobic bacteria Oxygenation of soil and groundwater (venting, air sparging) Naturally very low nutrient content periodical application of nutrients (N,P,K) 2 6 years, based on initial contamination

8 Schéma sanace s podporou biodegradace v celém kontaminovaném profilu

9 Problém s použitím amerických postupů metodiky pro projektování technologií vycházely z lokalit s podstatně nižší kontaminací US Air Force Bioventing Initiative vyhodnocoval data ze 125 lokalit, kde průměrná koncentrace NEL byla 23 mg/kg a pouze 16% vzorků zeminy překročilo koncentraci 5. mg/kg NEL na lokalitě byla průměrná koncentrace 11. mg/kg NEL, 5. mg/kg NEL sanační limit AS v roce 1997 nebyl ověřená sanační technologie záhy po zapojení sanační technologie AS v projektovaném výkonu (1 kompresor s výkonem 8 m3/hod/,5 ha sanované plochy, cyklicky přepínaný mezi 4 skupinami vrtů s intervalem 1 hodina) byly zjištěny rozsáhlé deficity v provzdušnění podzemní vody

10 Hlavní problém sanace Optimální distribuce kyslíku v saturované zóně Půdní vzduch - aerační kapacita 21% obj. sanační limity v nesaturované zóně dosaženy v roce 22, projektovaná kapacita postačovala Podzemní voda Maximální aerační kapacita 12 mg/l (,1%) Dostačuje k biodegradaci 3,5 mg/l RU Pomalý postup sanace, nebylo zajištěno dosažení sanačních limitů v projektovaném čase, nutno sáhnout k zásadnímu zvýšení aerační kapacity, zvláště v silně kontaminovaných částech lokality

11 dissloved oxygen (mg/) GW temperature ( C) dissolved oxygen (mg/l) GW temperature ( C) Dissolved Oxygen Utilisation, E -122 well, AS operation AS operation 12, biodegradační aktivita 22 mg RU/l/den 7: 8: 9: 1: 11: 12: 13: 14: 12,5 12,4 12,3 12,2 Respirační aktivita v podzemní vodě dissolved oxygen GW temperature point information oxygen concetration changes in groundwater (saturated zone) O 2 consumption = biodegradation rate stochiometrically 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, AS J-193, , 9,4 7: 8: 9: 1: 11: 12: 13: 14: dissolv. oxygen biodegradation rate 11 mg/l GW/day temperature AS operation 9,6 9,58 9,56 9,54 9,52 9,5 9,48 9,46 9,44 9,42

12 biodegradační aktivita (kg/den/ha) vydatnost AS (m 3 /hod/ha) množství NEL (t/ha) Sanace pole L (2,5 ha) v roce 26 v části pole (1,5 ha) dosaženo sanačních limitů 1 5 I-1 I-2 I-3 I-4 I-5 I-6 I-7 I provoz sanace pokračoval jen v nadlimitní části plochy biodegradace vydatnost AS množství NEL (t/ha)

13 biodegradační aktivita(kg/den/ha) vydatnost AS (m 3 /hod/ha) množství NEL (t/ha) Sanace pole J (4,9 ha) I- I-1 I-2 I-3 I-4 I-5 I-6 I-7 I-8 specifická biodegradace vydatnost AS množství NEL (t/ha)

14 biodegradační aktivita (kg RU/den/ha) biodegradační aktivita (kg RU/den/ha) Vliv objemu vtláčeného vzduchu na intenzitu biodegradace y =,25x + 72,84 R 2 =, vydatnost AS (m 3 /hod/ha) y =,43x - 14,5 R 2 =, vydatnost AS (m3/hod/ha)

15 biodegradační aktivita (kg RU/den/ha) biodegradační aktivita (kg RU/den/ha) Vliv obsahu RU na intenzitu biodegradace V3 S J4 L V2 N BV E J K V1 O F P3 B J5 y =,23x + 8,47 R 2 =, bilance NEL (tuny/ha) 4 I G 24 NEL vstup 35 3 P3 V N J BV 26 NEL O S V 2 V 1 K y = -,4x + 29, R 2 =, L I E bilance NEL (tuny/ha) F B G

16 Závěry I Hlavní technologický faktor, který je určuje intenzitu biodegradace v silně kontaminovaných plochách je objem vzduchu vtláčený AS Výkon aerační technologie musí být přizpůsoben obsahu kontaminantu důležitá co nejpřesnější kvantifikace obsahu kontaminantu Pro biodegradaci neplatí, že maximální účinnost je dosažena na začátku sanace a pak pouze klesá účinnost sanace je dána mírou optimalizace podmínek, které určují metabolickou aktivitu půdní mikroflóry. Potřebný objem vzduchu i na relativně homogenní lokalitě ve střednězrnných pískovcích výrazně ovlivňovaly geologické podmínky. Obsah kontaminantu (substrátu) v silně kontaminovaných plochách má malý vliv na pozorovanou intenzitu biodegradace Limitace substrátem se začala projevovat po odstranění cca 8% vstupního znečištění

17 Hodnocení účinnosti sanace Měření respirační aktivity půdních mikroorganismů (1x měsíčně, spotřeba kyslíku, produkce oxidu uhličitého) stochiometrická bilance odbouraných RU, poměr bilance oxid uhličitý/kyslík na lokalitě v průměru,9 kontrola úplného odbourání RU Kvantifikace obsahu kontaminantu v sanované ploše bilance NEL na základě vzorkování zemin (1x za dva tři roky) uzavírání podlimitních ploch, kontrola sanace

18 petroleum hydrocarbons (tons) petroleum hydrocarbons removed (kg/day) contamination removed total (tons) Sanační a zeminová bilance pole I Jan-98 Jan-99 Jan- Jan-1 Jan-2 Jan-3 Jan-4 Jan biodegradation rate (kg/day) vacuum LNAPL extraction (kg/day) venting (kg/day) total removal (tons) Jan-98 Jan-99 Jan- Jan-1 Jan-2 Jan-3 Jan-4 Jan-5 petroleum hydrocarbons removed - remediation balance (a=,5) petroleum hydrocarbons removed - soil balance maximum soil removal (a=,1) minimum soil removal (a=,1)

19 odstraněné RU (t/rok) odstraněné RU (t celkem) Sanační a zeminová bilance lokality Hradčany Bilance kontaminace v zeminách (P 9%) rok 1997 rok tun ropných látek tun ropných látek odstraněné množství tun ropných látek Sanační bilance (chyba měření 15%) odstraněné množství tun ropných látek 93% biodegradace, 5% volná fáze, 2% venting Hlavní sanační činitel metabolická aktivita půdní mikroflóry nutno při sanaci monitorovat a kvatifikovat měřením in situ úbytek kontaminantu možno posoudit pouze v delších časových intervalech celkem/rok (t) celkem od zahájení sanace (t)

20 Lokalita Hradčany použití nástrojů molekulární biologie k hodnocení sanace projekt BIOTOOL 5 vzorkovacích míst, vzorky zemin odebírány 3x v rozmezí dvou let bod NEL BTEX HRB-1 (5-6 rok sanace) HRB-2 (3 4 rok sanace) HRB- 3 ( 1 rok sanace) HRB-5 po dokončení 9 17 mg/l 4 18 mg/l 4 77 mg/l,1 49 mg/l (výrazný pokles v průběhu projektu),4 1 mg/l (kolísání) 43 7 mg/l 2 7 mg/l,7 1,1 mg/l HRB- <,1 mg/l <,5 ug/l

21 Detekce taxonomického složení půdní mikroflóry a její metabolické kapacity metodami nezávislými na kultivaci

22 Složení půdní mikroflóry na lokalitě Hradčany

23 Detekce genů kódujících enzymy klíčové pro biodegradaci (TBItoluen- bifenyl oxygenáza)

24

25 Fosfolipidy jako biomarkery v procesu bioremediace fosfolipidy jsou sloučeniny tvořící cytoplazmatickou membránu buněk látky specifické pro živé organismy, možno využít ke kvantifikaci biomasy jednotlivé typy druhově specifické

26 Adaptace na stres změna viskozity membrány Nasycené mastné Kyseliny High Melting Point C16:/C16: = 63 O C Low Temp. High Temp. Solvents Nenasycené mastné kyseliny Low Melting Point C16:1/C16:1 = -34 O C málo viskózní membrána vysoce viskózní membrána Model máslo Model olivový olej

27 degree of saturation area counts of PLFA 1,2E+7 1,E+7 8,E+6 Obsah fosfolipidových mastných kyselin na kultivaci nezávislá kvantifikace biomasy 6,E+6 4,E+6 2,E+6,E+, 1, 3, 4, 5,5 6,5 finished cleanup background years of treatment/ status of soil Stupeň nasycení mastných kyselin míra stresu mikroorganismů finished cleanup Years of treatment/ soil status background

28 Děkuji za pozornost!