ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ -...

ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ

ΚΡΙΣΙΜΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

ΕΠΙΤΟΠΙΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙΕΠΙΤΟΠΙΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

Περιγραφή περιστατικού

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΕΚΣΚΑΦΗ

ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-1

ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑΣΤΟΙΧΕΙΑΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑΣΤΟΙΧΕΙΑΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑΟι μέθοδοι βιοαποκατάστασης:

Αξιοποιούν τη δράση μικροοργανισμών ή προϊόντωνμεταβολισμού των μικροοργανισμών για τη μετατροπήμ β μ μ ρ ργ μ γ η μ ρ ήεπικίνδυνων περιβαλλοντικά ουσιών σε απλούστερα –ακίνδυνα προϊόντα.

Εφαρμόζονται κυρίως σε οργανικούς ρύπους:

• Ανοργανοποίηση⇒ μετατροπή σε CO2 και Η2ΟΑνοργανοποίηση ⇒ μετατροπή σε CO2 και Η2Ο

• Μετασχηματισμός σε απλούστερες-ακίνδυνες οργανικές ενώσειςοργανικές ενώσεις


Βιολογικές μέθοδοι για ανόργανους ρύπους:

Με τη βιολογική επεξεργασία επιδιώκεται η αλλαγή της η β γ ή ξ ργ η γή ηςοξειδωτικής βαθμίδας των στοιχείων, έτσι ώστε:

α) Να προκύψουν σταθερές, μη τοξικές ενώσεις, π.χ.α) Να προκύψουν σταθερές, μη τοξικές ενώσεις, π.χ.

Τοξικό και ευδιάλυτο Cr(VI) → μη τοξικό Cr(III) που καταβυθίζεται σε μορφή Cr(OH)3καταβυθίζεται σε μορφή Cr(OH)3

β) Να προκύψουν ευδιάλυτες μορφές έτσι ώστε να είναι δυνατή η απομάκρυνσή τους από τα εδάφη π χδυνατή η απομάκρυνσή τους από τα εδάφη, π.χ.

As δεσμευμένο σε οξείδια Fe(III) → βιολογική αναγωγή Fe(III) σε Fe(II) και αποδέσμευση του Asαναγωγή Fe(III) σε Fe(II) και αποδέσμευση του As


ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣΒΑΚΤΗΡΙΑ

• απλοί μονοκύτταροι οργανισμοί μ ρ ργ μ• τυπικό μέγεθος ~ 5μm • βάρος ~ 10 pg.

Χρειάζονται: μια πηγή άνθρακα, μια πηγή ενέργειας και ένα δέκτη ηλεκτρονίων.

• Πηγή άνθρακα : παραγωγή βιομάζας - πολλαπλασιασμός= αναβολισμόςβ μ ς

• Πηγή ενέργειας : αναγκαία για την ανάπτυξη ή απλώς τησυντήρησή τους = καταβολισμόςσυντήρησή τους καταβολισμός

• Δέκτης ηλεκτρονίων : αναγκαίος για τις αντιδράσειςπαραγωγής ενέργειας = αντιδράσεις οξειδοαναγωγής


παραγωγής ενέργειας αντιδράσεις οξειδοαναγωγής

ΒΑΚΤΗΡΙΑ

• Σε αναλογία με τον άνθρωπο: πηγές άνθρακα και ενέργειας = τροφήδέκτης ηλεκτρονίων = οξυγόνο

• Μεταβολισμός = αναβολισμός + καταβολισμόςΜεταβολισμός αναβολισμός + καταβολισμός

• Καταβολισμός = Χημικές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής:

Η πηγή ενέργειας οξειδώνεται και ο δέκτης ηλεκτρονίων ανάγεται.


Α. Πηγή άνθρακα:

Ετερότροφα: χρησιμοποιούν οργανικές ενώσεις, π.χ. γλυκόζη, σαν πηγή CΑυτότροφα: χρησιμοποιούν ενώσεις ανόργανου άνθρακα, π.χ. CO2

Β. Πηγή ενέργειας:

Χημότροφα: η ενέργεια προέρχεται από χημικέςαντιδράσεις.

Λιθότροφα: χρησιμοποιούν ανόργανες ενώσειςΟργανότροφα : χρησιμοποιούν οργανικές ενώσεις

Φωτότροφα: χρησιμοποιούν το φως σαν πηγή ενέργειας.


Γ Δέκτης ηλεκτρονίων:Γ. Δέκτης ηλεκτρονίων:

Αερόβια: ο δέκτης ηλεκτρονίων είναι το οξυγόνο.

Αναερόβια: ο δέκτης ηλεκτρονίων είναι άλλη ένωση ήστοιχείο εκτός του οξυγόνου, π.χ. θειικά και νιτρικάανιόντα τρισθενής σίδηρος κλπ Οι αναερόβιοι οργανισμοίανιόντα, τρισθενής σίδηρος κλπ. Οι αναερόβιοι οργανισμοίσυνήθως δεν μπορούν να επιβιώσουν παρουσία οξυγόνου.

Περι α ιακά (fac ltati e): ο δέκ ης ηλεκ ρονίων ορείΠεριστασιακά (facultative): ο δέκτης ηλεκτρονίων μπορείνα είναι το οξυγόνο ή και άλλο στοιχείο ανάλογα με τιςσυνθήκες στις οποίες θα βρεθεί ο μικροοργανισμός.συνθήκες στις οποίες θα βρεθεί ο μικροοργανισμός.


ΒΙΟΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣ ΔΕΚΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ

Τυπικές αντιδράσεις βιοαποδόμησης του βενζολίου με χρήση διαφορετικών δεκτών ηλεκτρονίων ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες

οξειδοαναγωγικού δυναμικού Ehοξειδοαναγωγικού δυναμικού, Eh.

Eh (mV)

Δέκτης ηλεκτρο- Αντίδραση βιοαποδόμησης

Χρόνος ημιζωής*( )

νίων (d)> +200 O2 C6H6 + 7.5 O2 → 6 CO2 + 3 H2O 7

< +200 NO3- C6H6 + 6 NO3

- + 6 H+ → 6 CO2 + 3 N2 + 6 H2O 973 6 6 3 2 2 2

< 0 Fe(III) C6H6 + 30 Fe3+ + 12 H2O → 6 CO2 + 30 Fe2+ + 30 H+ 140

< -100 SO42- C6H6 + 3.75 SO4

2- + 7.5 H+ → 6 CO2 + 3.75 H2S + 3 H2O 50

< -200 C6H6 C6H6 + 12 H2O → 2.25 CO2 + 3.75 CH4 61

* Lawrence, 2006


ΒΙΟΑΠΟΔΟΜΗΣΗΜΕΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣΔΕΚΤΕΣΒΙΟΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣ ΔΕΚΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ

Όταν έχουμε διαρροή οργανικών ρύπων που βιοαποδομούνται εύκολα με δέκτη ηλεκτρονίων το Ο2 (π χ απλοί αλειφατικοί και αρωματικοίδέκτη ηλεκτρονίων το Ο2 (π.χ. απλοί αλειφατικοί και αρωματικοί υδρογονάνθρακες), παρατηρείται:

• σημαντική κατανάλωση του οξυγόνου στην εστία της ρύπανσης και• σημαντική κατανάλωση του οξυγόνου στην εστία της ρύπανσης και

• δημιουργούνται χαρακτηριστικές ζώνες, στις οποίες εμφανίζονται οι δ δ ά έ δέ λ ίδιαδοχικά επικρατέστεροι δέκτες ηλεκτρονίων


ΒΙΟΑΠΟΔΟΜΗΣΗΜΕΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣΔΕΚΤΕΣΒΙΟΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣ ΔΕΚΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ

ITRC 2002ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ 5-10

ITRC, 2002

ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ -- ΚΙΝΗΤΙΚΗΚΙΝΗΤΙΚΗΗ ευκολία βιοαποδόμησης των ρύπων εκφράζεται συνήθως ωςχρόνος ημιζωής⇒

χρόνος που απαιτείται για να μειωθεί κατά 50% η αρχικήσυγκέντρωση του ρύπου.

Αφορά συνήθως την αερόβια βιοαποδόμηση των ρύπων καιπροσδιορίζεται με εργαστηριακές μετρήσεις ή επιτόπιεςρ ρ ζ μ ργ ηρ ς μ ρή ς ή ςμετρήσεις.

Η έννοια του χρόνου ημιζωής εμπεριέχει την απλουστευτικήχρ ημ ζ ής μ ρ χ η ήπαραδοχή ότι η βιοαποδόμηση ακολουθεί κινητική πρώτηςτάξης:

λCdtdC

−= tλoeCC −=


ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ -- ΚΙΝΗΤΙΚΗΚΙΝΗΤΙΚΗΟΝΟΟΝΟ ΝΝ

Παράδειγμα: Σε εργαστηριακές δοκιμές προσδιορίσθηκε ότι ηΠαράδειγμα: Σε εργαστηριακές δοκιμές προσδιορίσθηκε ότι ηβιοδιάσπαση του τολουολίου ακολουθεί κινητική πρώτης τάξηςμε σταθερά λ= 1.65 x 10-3 h-1. Πόσος είναι ο χρόνος ημιζωής τουμ ρ ς χρ ς ημ ζ ήςτολουολίου;

Λύση:η

Ο χρόνος ημιζωής αντιστοιχεί στον υποδιπλασιασμό της αρχικήςσυγκέντρωσης, δηλ. C/Co=0.5.συγκέντρωσης, δηλ. C/Co 0.5.

t1/2 = - ln(0.5)/λ = 0.693/λ = 420 h


ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ -- ΚΙΝΗΤΙΚΗΚΙΝΗΤΙΚΗ

ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΠΡΩΤΗΣ ΤΑΞΗΣΑπλουστευτικές παραδοχές

•Υπάρχει σε επάρκεια ο δέκτης ηλεκτρονίων, π.χ. το οξυγόνο ρχ ρ ης η ρ χ ξ γγια την περίπτωση των αερόβιων δράσεων.

•Δεν μεταβάλλεται ο πληθυσμός των μικροβίων κατά τημ β η μ ς μ ρ β ηδιάρκεια της βιοαποδόμησης.

•Ο ρυθμός αποδόμησης μεταβάλλεται γραμμικά με τηνΟ ρυθμός αποδόμησης μεταβάλλεται γραμμικά με τηνσυγκέντρωση του ρύπου. Ισχύει μόνον σε χαμηλέςσυγκεντρώσεις.



Μεταβολή του ρυθμού βιοαποδόμησης συναρτήσει της συγκέντρωσης της οργανικής ένωσης


ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ ΧΡΟΝΟΣ ΗΜΙΖΩΗΣ -- ΚΙΝΗΤΙΚΗΚΙΝΗΤΙΚΗΚΙΝΗΤΙΚΗ MONOD

CKλCX

dtdC

S +−=

όπου : Χ = συγκέντρωση των βακτηρίων.

ά δ ά έKS = παράμετρος με διαστάσεις συγκέντρωσης.

C<< KS : ο ρυθμός αποδόμησης μεταβάλλεται γραμμικά με την συγκέντρωση C ⇒ κινητική πρώτης τάξης

C>>KS : ο ρυθμός dC/dt δεν εξαρτάται από την συγκέντρωση C ⇒ κινητική μηδενικής τάξης



ΚΙΝΗΤΙΚΗANDREWSΚΙΝΗΤΙΚΗ ANDREWS

λCXdC2

S KCCKdt

++−=

όπου : Ki = συντελεστής τοξικότητας (διαστάσεις

iK

όπου : Ki συντελεστής τοξικότητας (διαστάσεις συγκέντρωσης).


ΚΡΙΣΙΜΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣΚΡΙΣΙΜΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣΗ ΣΥΝΗΘΙΣΜΕΝΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ

Οι οργανικοί ρύποι χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα σαν:Οι οργανικοί ρύποι χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα σαν:

πηγή άνθρακα και πηγή ενέργειας

με δέκτη ηλεκτρονίων το οξυγόνο

⇓

Αερόβια βιοδιάσπαση

ΚΡΙΣΙΜΟ ΕΡΩΤΗΜΑ:

Πόσο οξυγόνο χρειάζεται⇒Υπολογίζεται με βάση τη στοιχειομετρία των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής.


ΑΕΡΟΒΙΑΒΙΟΔΙΑΣΠΑΣΗΑΕΡΟΒΙΑ ΒΙΟΔΙΑΣΠΑΣΗ

Κρίσιμα ερωτήματα:

ξ ζ β δ• Πόσο οξυγόνο χρειάζεται για τη βιοδιάσπαση του οργανικού ρύπου μέσω καταβολισμού ⇒

υπολογίζεται από τη στοιχειομετρία της αντίδρασης οξειδοαναγωγής

• Πόσο οξυγόνο χρειάζεται για τη βιοδιάσπαση μέσω αναβολισμού⇒

υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη τη μέση τυπική σύσταση των βακτηριακών κυττάρων :

C5H7O2N ή C60H87O23N12P


Πόσο οξυγόνο χρειάζεται για την αερόβια διάσπαση τολουολίου:

α) Μέσω καταβολισμούα) Μέσω καταβολισμού

C7H8 + …. O2 → ... CO2 + ….H2O

β) Μέσω αναβολισμού

C7H8 + ….. O2 + ΝΗ4+ → C5H7O2N + …. CO2 + ... H2O +…. Η+


Πό ίδ άζ όβ δ άΠόσος σίδηρος χρειάζεται για την αναερόβια διάσπαση του τολουολίου απο σιδηροαναγωγικά βακτήρια :

α) Μέσω καταβολισμού) β μ

C7H8 + … Fe3+ + ... H2O → ...CO2 + ...Fe2+ + ….H+

β) Μέσω αναβολισμού

C7H8 + ... Fe3+ + ΝΗ4+ + ... H2O →

C5H7O2N + ...CO2 + ...Fe2+ + ... Η+5 7 2 2


ΘΡΕΠΤΙΚΑΣΥΣΤΑΤΙΚΑΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ

α) Μακροθρεπτικά: N και P

C5H7O2N

C60H87O23N12PC60H87O23N12P

β) Μ θ ά N S K C M F θώ δ άβ) Μικροθρεπτικά : Na, S, K, Ca, Mg, Fe καθώς και διάφορα ιχνοστοιχεία

Στα εδάφη υπάρχει συνήθως η απαιτούμενη ποσότητα μικροθρεπτικών, αλλά είναι πιθανό να χρειάζεται προσθήκη N

και P.


ΘΡΕΠΤΙΚΑΣΥΣΤΑΤΙΚΑΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑΠαράδειγμα: Πόσo άζωτο και φωσφόρος απατούνται για τη βιοδιάσπαση ενόςmg τολουολίου, C7H8 εάν θεωρηθεί ότι:g 7 8 ρη

το 50% του τολουολίου οξειδώνεται μέσω καταβολισμού και το 50%χρησιμοποιείται για την παραγωγή νέας βιομάζας.

Λύση: Από το 1 mg τολουολίου μόνον το 0.5 mg χρησιμοποιείται για τηνπαραγωγή βιομάζας. Με βάση την αντίδραση:

C7H8 + 4 O2 + ΝΗ4+ → C5H7O2N + 2 CO2 + 2 H2O + Η+

0.5 mg ⇒ 0.614 mg βιομάζας

Από την αναλογία Ν και P στον τύπο C60H87O23N12P ⇒:(12 x 14) / 1374 x 0.614 = 0.075 mg N και

31/ 1374 x 0.614 = 0.0139 mg P


Πίνακας 5.1. Υπολογισμός των απαιτήσεων σε οξυγόνο και μακροθρεπτικά συστατικά (N, P) για την αερόβια διάσπαση του τολουολίου, υποθέτοντας 50% διάσπαση για παραγωγή ενέργειας και 50% για παραγωγή βιομάζας.

Απαιτο Παραγό Παραγό- Απαιτού- Απαιτούμενού-μενοοξυγόν

ο

-μενοCO2

μενη βιομάζα

μενοάζωτο

ς φωσφόρος

Καταβολισμός(50%)

C7H8 + 9 O2 → 7 CO2(50%)

Αναβολισμός (50%) C7H8 + 4 O2 → 2 CO2 + C5H7O2N (~ 1/12 C60H87O23N12P)

Moles / mole C7H8 1 6.5 4.5 0.5 0.5 0.042

Gram / mole C H 92 208 198 56 5 7 1 3Gram / mole C7H8 92 208 198 56.5 7 1.3

Gram / gram C7H8 1 2.26 2.15 0.61 0.076 0.014



• Οι επιτόπιες μέθοδοι στηρίζονται κυρίως στη δράση γηγενώνβακτηρίων

• Η επιτόπια επεξεργασία εδαφών με προσθήκη μη γηγενώνξ ργ φ μ ρ ή η μη γηγβακτηρίων αποτελεί αντικείμενο έρευνας

ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ

ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟΥΔΡΟΦΟΡΟ ΣΤΡΩΜΑΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ΥΔΡΟΦΟΡΟ ΣΤΡΩΜΑ



Κατά την άντληση αέρα για την απομάκρυνση πτητικών οργανικών ρύπων απότην ακόρεστη ζώνη (τεχνολογία AEA) παρατηρήθηκε ότι προκαλείταιταυτόχρονα η βιολογική αποδόμηση των οργανικών ρύπων.


ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ

Απαιτήσεις σχεδιασμού

(α) Διατήρηση ροής O2 μέσα από τη ρυπασμένη ζώνη, έτσι ώστεί όβ β δό ύνα ευνοείται η αερόβια βιοαποδόμηση των ρύπων.

Κύρια επιδίωξη: η μεγιστοποίηση της χρήσης του Ο2

Ταχύτητα άντλησης αέρα: μια τάξη μεγέθους χαμηλότερη από τη ροή στιςεγκαταστάσειςAEA.

Εμπειρικός κανόνας: ο αέρας των πόρων πρέπει να ανανεώνεται κάθε 1 ή 2ημέρες.



Απαιτήσεις σχεδιασμού

(β) Διατήρηση της υγρασίας του εδάφους σε μία βέλτιστη τιμή για τη μικροβιακή δραστηριότητα.

Τα κύτταρα αποτελούνται από νερό κατά 75-80% ⇒ απαιτείται ένα ελάχιστο ποσοστό υγρασίας

Βέλτιστη υγρασία : 40 και 60% της υδατοχωρητικότητας του εδάφους.

Με εδαφική υγρασία > 60%, πρόβλημα κυκλοφορία του αέρα

(γ) Προσθήκη μακρο και μικρο θρεπτικών συστατικών εάν(γ) Προσθήκη μακρο- και μικρο-θρεπτικών συστατικών, εάν χρειάζεται



Όταν η ρυπασμένη περιοχή βρίσκεται μέσα στο υδροφόροΌταν η ρυπασμένη περιοχή βρίσκεται μέσα στο υδροφόροστρώμα, η διαθεσιμότητα του οξυγόνου γίνεται ένα ιδιαίτερακρίσιμο πρόβλημα για την αερόβια βιοαποδόμηση των οργανικώνρύπων.

Για την προσθήκη του απαιτούμενου O2 εφαρμόζονται δύοη ρ ή η μ 2 φ ρμ ζκυρίως τεχνικές:

(α) άντληση και επανακυκλοφορία των υπόγειων νερών, μετά( ) η η φ ρ γ ρ , μαπό τον εμπλουτισμό τους σε οξυγόνο σε επιφανειακέςεγκαταστάσεις, και

(β) διοχέτευση αέρα μέσα στο υδροφόρο στρώμα.



Άντληση, οξυγόνωση και επανακυκλοφορία των υπόγειων νερών


1 2

3 4

Αναπαράσταση της διαδοχικής μετακίνησης στις ζώνες χρήσης των δεκτών ηλεκτρονίων, κατά τηνοξυγόνωση των νερών όσο προχωράει η βιοαποκατάσταση (Schmidt & Bueltel 2007)


οξυγόνωση των νερών, όσο προχωράει η βιοαποκατάσταση (Schmidt & Bueltel, 2007)


Προσθήκη οξυγόνου:Προσθήκη οξυγόνου:

• Εμφύσηση αέρα⇒ συγκέντρωση στο νερό O2 = 8 mg/LΕ ύ θ ύ ξ ό δ λ O 40 /L• Εμφύσηση καθαρού οξυγόνου⇒ διαλυτ. O2 = 40 mg/L

• Προσθήκη H2O2 ⇒ συνεχής παραγωγή O2 με διάσπαση:

2 H2O2 → H2O + O2

Περιορισμός:ρ ρ μ ς

Το H2O2 είναι τοξικό στους μικροοργανισμούς σεσυγκεντρώσεις > 1000 mg/L.γ ρ ς gΣυνήθεις συγκεντρώσεις H2O2 : 100 - 500 mg/L ⇒διαθέσιμο O2 = 47-235 mg/L


ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Πρέπει να απομακρυνθούν 5000 kg τολουολίου με την τεχνική της άντλησης,οξυγόνωσης και επανακυκλοφορίας των υπόγειων νερών. Η άντληση τωννερών γίνεται με ρυθμό 300 L/min Πόσος χρόνος θα χρειασθεί για τηννερών γίνεται με ρυθμό 300 L/min. Πόσος χρόνος θα χρειασθεί για τηναποκατάσταση της περιοχής εάν η προσθήκη O2 γίνεται (α) με εμφύσηση αέρα,(β) με εμφύσηση καθαρού οξυγόνου και (γ) με προσθήκη Η2Ο2 σεσυγκέντρωση 250 mg/L.

Υπολογισμοί

Απαιτούμενο οξυγόνο με βάση τις αντιδράσεις μεταβολισμού:

2.26 mg Ο2 ανά mg τολουολίου ⇒ 11300 kg Ο2 για 5000 kg τολουολίου

(α) Με εμφύσηση αέρα.

Ρυθμός τροφοδοσίας σε οξυγόνο :μ ς ρ φ ς ξ γ

300 L/min x 8 mg/L x 1440 min/day = 3.5 kg/day ⇒

Απαιτούμενος χρόνος: t = 9 χρόνια


Απαιτούμενος χρόνος: t 9 χρόνια

(β) Με εμφύσηση καθαρού οξυγόνου

Ρυθμός τροφοδοσίας οξυγόνου:

300 L/min x 40 mg/L x 1440 min/day = 17.3 kg/day ⇒

Απαιτούμενος χρόνος: t = 1.8 χρόνια

(γ) Με προσθήκη Η2Ο2 250 mg/L

Ρυθμός τροφοδοσίας σε οξυγόνο:Ρυθμός τροφοδοσίας σε οξυγόνο:

300 L/min x (250 x 32/68) mg/L x 1440 min/day = 50.8 kg/day ⇒

Α ύ ό t 7 4 ήΑπαιτούμενος χρόνος: t = 7.4 μήνες

Εργαστηριακές δοκιμές:Χρόνος ημιζωής τολουλίου ~ 400 ώρες



Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμαΑεροδιασκορπισμός

Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα


Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα ⇒

Δύο μηχανισμοί απομάκρυνσης των ρύπων:Δύο μηχανισμοί απομάκρυνσης των ρύπων:

(α) Εξάτμιση των διαλυμένων πτητικών ρύπων, μέσα από τηνδιεπιφάνεια αέριων φυσαλλίδων νερούδιεπιφάνεια αέριων φυσαλλίδων-νερού.

Προϋπόθεση υψηλή σταθερά Henry, δηλ. Η>0.001 atm.m3/mol.

(β) Βιοαποδόμηση λόγω του εμπλουτισμού των υπόγειων νερώνμε οξυγόνο. Συνεχής τροφοδοσία οξυγόνου που περιορίζεταιόνον α ό α φαινό ενα ε αφοράς άζας ε αξύ αέριας καιμόνον από τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας μεταξύ αέριας καιυδατικής φάσης.


Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα ⇒

Εξάτμιση ή/και βιοαποδόμησηΕξάτμιση ή/και βιοαποδόμηση

Ένωση Σταθερά Henry Αερόβια βιοαποδόμησηatm m3/mol Χρόνος ημιζωής ώρεςatm.m /mol Χρόνος ημιζωής, ώρες

Από ΜέχριΒενζόλιο 5.5 x 10-3 120 384Τολουόλιο 6.6 x 10-3 96 528m-Ξυλένιο 6.3 x 10-3 168 672Αιθυλ-βενζόλιο 8.7 x 10-3 72 240Τριχλωροαιθυλένιο 9.1 x 10-3 4320 8640

31,1,1-Τριχλωροαιθάνιο 16.2 x 10-3 3360 6552Ακετονιτρίλιο 1.1 x 10-4 168 672Διφαινύλιο 4.15 x 10-4 36 168


Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα

Παράμετροι σχεδιασμούΠαράμετροι σχεδιασμού

Κύριος στόχος του σχεδιασμού: μέγιστη δυνατή διεπιφάνειαμεταξύ αέρα και υπόγειων νερών ⇒ πολλές και μικρέςμεταξύ αέρα και υπόγειων νερών ⇒ πολλές και μικρέςφυσαλίδες αέρα που να διασπείρονται σε όλη τη ρυπασμένηπεριοχή.ρ χή

Ζώνη επιρροής : έχει μορφή ανεστραμμένου κώνου καιεξαρτάται από τα γεωτεχνικά χαρακτηριστικά του εδάφουςξ ρ γ χ χ ρ ηρ φ ς

• Διαπερατά και ομοιογενή εδάφη δημιουργούν συνήθως στενούςκώνους

• Εδάφη χαμηλής διαπερατότητας ή ανομοιογενή δημιουργούνπερισσότερο ανοικτούς κώνους


Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμαΔιοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμα

Παράμετροι σχεδιασμού

Βάθος διοχέτευσης : 30 με 60 cm χαμηλότερα από τοκατώτερο βάθος της ρυπασμένης περιοχής.

Πίεση του αέρα: Μεγαλύτερη από την υδροστατική πίεσηΛεπτόκοκκα εδάφη χαμηλής διαπερατότητας ⇒ μεγάλη υπερπίεση,0.3-3 m στήλης νερού

Χονδρόκοκκα διαπερατά εδάφη ⇒ μικρή υπερπίεση ~ 3-30 cmστήλης νερού.

Ροή του αέρα: Τυπικές τιμές ογκομετρικής ροής ανάγεώτρηση: 25 - 400 L/min.


Διοχέτευση αέρα στο υδροφόρο στρώμαχ η ρ ρ φ ρ ρ μ


ή ώλ ί i SA

Περιστατικό βιοαποκατάστασης υδροφόρου στρώματοςΠρατήριο πώλησης καυσίμων , Florida, USA

(Schmidt & Bueltel, 2007, ETEC, 2008)

λ• Ιστορικό, προέλευση ρύπανσης:− Παλαιό πρατήριο πώλησης καυσίμων. Διαρροές από υπεδάφιες δεξαμενές, αντλίες διανομής, κλπ.

• Ρύπανση: − Κύριοι ρύποι: BTEX (9200 ppb), TPH (10000 ppb)Έκταση ρύπανσης: 90 m × 30 m− Έκταση ρύπανσης: 90 m × 30 m

− Πάχος ρυπασμένης ζώνης στα υπόγεια νερά 3 m • Χαρακτηριστικά υπεδάφους:

− Υδροφόρος ορίζοντας σε βάθος 1.5-4 μέτρα (bgs)− Λεπτή άμμος

• Μέτρα αποκατάστασης:Μέτρα αποκατάστασης:− Έχουν προηγηθεί (α) άντληση της ελεύθερης οργανικής φάσης και (β) αποκατάσταση της ακόρεστης ζώνης με άντληση εδαφικού αέρα, ΑΕΑΈναρξη έργων βιοαποκατάστασης των υπόγειων νερών το 2006


− Έναρξη έργων βιοαποκατάστασης των υπόγειων νερών το 2006.

Κάτοψη της περιοχήςΧώρος υπεδάφιων δεξαμενώνδεξαμενών

(Schmidt & Bueltel, 2007; ETEC, 2008)


(Sc dt & ue te , 007; C, 008)

Αρχική κατανομή Βενζολίου


Χαρακτηριστικά επεξεργασίας

• Άντληση υπόγειων νερών, προσθήκη οξυγόνου και άλλων θρεπτικών και επανέγχυση των νερώνθρεπτικών και επανέγχυση των νερών

• Τεχνολογία DO-ITTM της ETEC


Διάταξη πηγαδιών άντλησης (9+4) και έγχυσης (23)


Χαρακτηριστικά επεξεργασίας

Έ ξ Φ β ά 2006• Έναρξη: Φεβρουάριος 2006

• Συνολική διάρκεια λειτουργίας: 24 μήνες

• Άντληση, προσθήκη οξυγόνου και άλλων θρεπτικών και επανέγχυση ποσότητας ~38 000 m3 υπόγειων νερών

• Μέση παροχή άντλησης των νερών 52 m3/d ή 36 l/min

• Προσθήκη 1700 kg διαλυμένου O2 (40+ ppm) και ~1300 kgΠροσθήκη 1700 kg διαλυμένου O2 (40+ ppm) και 1300 kg άλλων δεκτών ηλεκτρονίων ( NO3

- και SO4-2)

• Μέσος ρυθμός προσθήκης Ο 2 kg/d• Μέσος ρυθμός προσθήκης Ο2 2 kg/d


Αποτελέσματα επεξεργασίας


Κατανομή βενζολίου: αρχική και μετά από 24 μήνες

Βενζόλιο: ανώτατο (αποδεκτό) όριο για πόσιμο νερό 5 ppb


ενζό ιο: ανώτατο (αποδε τό) όριο για πόσιμο νερό 5 ppb


Δεδομένα:ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2

Για την περίπτωση της ρύπανσης με τολουόλιο που εξετάσθηκε στα παραδείγματα 4.1και 4.2, θέλουμε να αξιολογήσουμε τη δυνατότητα εφαρμογής τεχνικής βιοαερισμού.Σε εργαστηριακές δοκιμές διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν γηγενή βακτήρια τα οποίαμπορούν να βιοαποδομήσουν το τολουόλιο. Προσδιορίσθηκε ότι η βιοδιάσπαση τουτολουολίου ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης με σταθερά λ= 1.65 x 10-3 h-1 (t1/2=17.5 d))

Υπενθυμίζουμε τα ακόλουθα:• Διαρροή 20m3 τολουολίου από μία δεξαμενή.• Ρύπανση της ακόρεστης ζώνης σε έκταση 1250m2 και με μέσο βάθος 4m• Ρύπανση της ακόρεστης ζώνης σε έκταση 1250m2 και με μέσο βάθος 4m.• Προσδιορίστηκαν τα χαρακτηριστικά του εδάφους στη ρυπασμένη ζώνη:

ρd =1.7 g/cm3, nt = 0.4, nw = 0.2ρd g t w

Ζητούνται:Ο ρυθμός διοχέτευσης του αέρα έτσι ώστε έτσι ώστε να πραγματοποιείται η αερόβιο δ ά


διάσπαση

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2

Η βιοδιάσπαση του τολουολίου βρέθηκε ότι ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης, δηλ.Η βιοδιάσπαση του τολουολίου βρέθηκε ότι ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης, δηλ. περιγράφεται από την εξίσωση:

dC

Παρατήρηση:

λCdtdC

−=

Παρατήρηση: • Οι βιολογικές αντιδράσεις γίνονται κατά κανόνα μέσα στα υδατικά διαλύματα

C=Cw

• Η ανάλυση της αρχικής κατανομής φάσεων του τολουολίου έδειξε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό (~69%) βρίσκεται στη μορφή οργανικής υγρής φάσης(NAPL)(NAPL)

C=Cw=S


ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2

dC ⎞⎛ 1113-

V

hLmg8085.0)L/mg490()h101.65(λSdtdC

w

−−− ⋅=⋅×==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

Το διαφορικό dC/dt έχει σαν βάση αναφοράς τον όγκο της υδατικής φάσης Vw, που σχετίζεται με την εδαφική υγρασία. Για να έχουμε σαν βάση αναφοράς τον όγκο του εδάφους πολλαπλασιάζουμε το διαφορικό με το πορώδες nw

13w

Vεδ

w

VV

hmg1617.02.08085.0ndtdC

VV

dtdC

dtdC

WWεδ

−−⋅=⋅=⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−

Διαιρώντας με το μοριακό βάρος του τολουολίου MW=92.184 g/mol :

133

Vτολ,δ hmmol10755.114.921617.0

dtdCR

εδ

−−− ⋅×=÷=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=


ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5 2ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 5.2

Με βάση τη στοιχειομετρία των αντιδράσεων καταβολισμού και αναβολισμού ο β η η χ μ ρ ρ β μ β μρυθμός με τον οποίο πρέπει να διοχετεύουμε το O2 είναι:

133τολ,δO hmmol1041.11R5.6R

2

−−− ⋅×=⋅=

Για να βρούμε την αντίστοιχη ροή αέρα Q λαμβάνουμε υπόψη ότι η συγκέντρωση του Ο2 στο αέρα αντιστοιχεί σε 20.9% v/v και ότι 1 mol αντιστοιχεί σε 24 L σε κανονικές

2

συνθήκες (20oC, 1 atm):

32έ2

3έO,O m/Omol71.8L/Omol1071.8

mol/L24L/L209.0

C 2

2 αερραα−

Ο

ραααερ =⋅=

⋅=

2Ο

1333133

O hhmmol1041.11R −−−

δ− ⋅⋅× 1333

3,O

O hmm10310.1mmol71.8

hmmol1041.11C

Q2

2 −−εδαερ

−−

αερ

εδ

αερ

⋅⋅×=⋅

×==



Εάν θεωρήσουμε το συνολικό όγκο της ρυπασμένης περιοχής, δηλ. Vεδ=5000m3,καθώς και έναν συντελεστή αποτελεσματικότητας η=0.714, δηλ. αντίστοιχο με αυτόν που είχαμε χρησιμοποιήσει στην περίπτωση της απομάκρυνσης των ρύπων μεπου είχαμε χρησιμοποιήσει στην περίπτωση της απομάκρυνσης των ρύπων με εξάτμιση, υπολογίζουμε την απαιτούμενη συνολική ροή αέρα:

13311 133 hm174.9500010310.1714.01VQ1Q −

αερ−

εδολ ⋅=⋅×⋅=⋅⋅η

=

13 minm153.0Q −ολ =



ΡΥΘΜΟΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ –ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΟΛΟΥΛΙΟΥ ΜΕ ΤΙΣ ΔΥΟ ΜΕΘΟΔΟΥΣ

Για το πρώτο στάδιο απομάκρυνσης της ελεύθερης οργανικής φάσης, NAPL

ΑΕΑΒιοαερισμός

REO = 112 kg/dh/g5808

)m5000()hmg1617.0(VR'R

313εδτολ,δτολ,δ

=⋅⋅=

⋅=−−

d/kg112)t/kg10()t94.11(

RMT

3

EO

EOEO

⋅== REO = 19.4 kg/d

h/g5.808=

d/kg112REO

ΤEO = 106.5 dd/kg4.19

)t/kg10()t94.11(RMT

3

EO

EOEO

⋅==

Τ = 615 5 d


ΤEO = 615.5 d

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΕΚΣΚΑΦΗΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΕΚΣΚΑΦΗΟΟ

Ό δ ί δ ή ή β λ ή ξ ίΌταν δεν είναι δυνατή η εφαρμογή της βιολογικής επεξεργασίαςεπιτόπου, τότε γίνεται εκσκαφή του ρυπασμένου εδάφους καιμεταφορά του σε ειδικά διαμορφωμένες εγκαταστάσεις.μεταφορά του σε ειδικά διαμορφωμένες εγκαταστάσεις.

Οι συνηθέστερες μέθοδοι:

ξ ί έ λλ έ (l df i )• Επεξεργασία με τεχνικές αγροκαλλιέργειας (landfarming)

• Επεξεργασία σε σωρό ή λάκκο (biopile ή biopit)


Ε ξ ί έ λλ έΕπεξεργασία με τεχνικές αγροκαλλιέργειας


Επεξεργασία με τεχνικές αγροκαλλιέργειας

• Το έδαφος απλώνεται σε στρώμα πάχους 45 60 cm ⇒• Το έδαφος απλώνεται σε στρώμα πάχους 45-60 cm ⇒απαιτείται μεγάλη επιφάνεια

• Σε τακτά χρονικά διαστήματα το έδαφος οργώνεται έτσι• Σε τακτά χρονικά διαστήματα το έδαφος οργώνεται, έτσιώστε να εμπλουτίζεται με οξυγόνο

Γί θή ί θ ώ• Γίνεται προσθήκη υγρασίας και θρεπτικών


Επεξεργασία σε σωρό ή λάκκο

Όταν δεν υπάρχει επαρκής διαθέσιμη επιφάνειαρχ ρ ής μη φ

Ό έδ έ λή ά δ ό• Όταν το έδαφος έχει χαμηλή σχετικά διαπερατότητα, οσωρός κατασκευάζεται σε διαδοχικά στρώματα πάχους 60cm περίπου τα οποία χωρίζονται μεταξύ τους με ένα λεπτόcm περίπου, τα οποία χωρίζονται μεταξύ τους με ένα λεπτόστρώμα διαπερατής άμμου. Τα διαπερατά στρώματασυνδέονται με μία αντλία, μέσω της οποίας γίνεται ηδιοχέτευση αέρα στον σωρό.

• Όταν υπάρχει κίνδυνος διαφυγής πτητικών ενώσεων οχ ς γ ςσωρός καλύπτεται πλήρως με αδιαπέρατη γεωμεμβράνη.


Επεξεργασία σε σωρό


Επεξεργασία σε λάκκο


ΑΝΑΦΟΡΕΣ

ETEC (2008) In Situ Aerobic Bioremediation of Gasoline Constituents Super-Ox™ System & Enhancements http://www etecllc com/bioremediation-case-studies asp

ΑΝΑΦΟΡΕΣ

System & Enhancements. http://www.etecllc.com/bioremediation-case-studies.asp ITRC (2002). A systematic Approach to In Situ Bioremediation in Groundwater.

Prepared by Interstate Technology and Regulatory Council, USA.Schmidt, C. and Bueltel, E. (2007). Enhanced Multi-phase Extraction using Groundwater

Re-circulation for Oxygenated Water and Biological Enhancement Delivery., Florida Remediation Conference Presentation. http://www.etecllc.com/docs/FRC_2007-2.pdf

Lawrence, S. (2006). Description, Properties, and Degradation of Selected Volatile Organic Compounds Detected in Ground Water — A Review of Selected Literature. USGS (United States Geological Survey) report. http://pubs.usgs.gov/of/2006/1338/pdf/ofr2006-1338.pdf


ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ -...

Documents

Transcript of ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ -...