Toxikus fémekkel szennyezett talajok remediációja

Átírás

1 Toxikus fémekkel szennyezett talajok remediációja Talajvédelem Feigl Viktória Molnár Mónika BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

2 Toxikus fémek Biológiai hatása bizonyos koncentráció tartományban, illetve afölött negatív az élőlények számára Esszenciális fémek: koncentrációfüggő mértékben pozitív hatás Stefanovits, 1995

3 Toxikus fémek Toxikus fémek: arzén, bárium, cink, higany, kadmium, kobalt, króm, molibdén, nikkel, réz, ón, ólom (alumínium, bór, titánium) Nehézfémek (sűrűsége 5 g/cm 3 -nél, rendszáma 20-nál nagyobb) mindegyike toxikus fém Kék: esszenciális fémek

4 Fémszennyezettség eredete a talajban Fosszilis energiahordozók (szén, olaj) eltüzelése, ipari létesítmények emissziója, közlekedés légszennyezés, talajra és növényekre kiülepedés Bányák, fémfeldolgozó üzemek, kohók Ipari és kommunális hulladékok gondatlan kezelése Mezőgazdaság: műtrágyák (elsősorban foszfátok), talajjavító anyagok (mész), peszticidek, szerves trágyák, hígtrágyák, szennyvíziszapok, szennyezett öntözővíz

5 Toxikus fémek a talajban Természetes összetevőként Kőzetek mállása Szilárd fázis szilikátok rácsalkotójaként, csapadékként, kolloidok felületén adszorbeálódva vagy kicserélhető ionként Vizes fázis szabad hidratált ionként, vízoldható szerves vagy szervetlen komplexben, ion-asszociációkban Dinamikus egyensúly a fémformák között

6 Kockázat Fém könnyen oldódó, mozgékony, a biológiai rendszerek által is hozzáférhető és felvehető mennyisége! Ionos forma (vízoldhatóság, ionerősség, fázisok közötti megoszlás, szorbeálódóképesség, általános mozgékonyság) Talaj tulajdonságai befolyásolják (összetétel, ph, redoxviszonyok, ioncserélő képesség, szervesanyagtartalom, egyéb ionok) Perzisztencia Wei et al., 2008

7 Fémmel szennyezett talajok remediációja Mobilizáció / immobilizáció Fizikai / kémiai / biológiai / kombinált ex situ/ in situ / on site / off site Pontforrások / diffúz szennyezőforrások kezelése

8 Fémmel szennyezett talajok remediációs technológiák Hagyományos mérnöki technikák Fizikai-kémiai módszerek Biológiai módszerek Növényekkel Mikroorganizmusokkal Kombinált technológiák

9 Hagyományos mérnöki technikák Talajcsere Izoláció Fizikai-elválasztás (előkezelés)

10 Talajcsere Költséges Biztonságos elhelyezés Cseréhez szennyezetlen talaj Csak pontforrásra

11 Izoláció Szennyezett talaj és/vagy felszín alatti víz helyben tartása Átmenetileg is Építőmérnöki, mélyépítési technológiák Teljes izoláció / letakarás Csapadék beszivárgásának megakadályozása Szag- és gázkibocsátások megszüntetése, esztétikai látvány javítása, stabil felszín kialakítása

12 Izoláció Felszín alatti vízzáró falak Szennyezett talajvízzel történő terjedés megakadályozása

13 Fizikai-elválasztás szennyezett részek elválasztása a talaj többi részétől szitálás, osztályozás, centrifugálás, flotálás és mágneses elválasztás előkezelési módszer a kezelendő talajmennyiség csökkentése céljából

14 Fizikai-kémiai technológiák Talajmosás Termikus deszorpció Elektrokinetikus elválasztás Megszilárdítás Vitrifikáció Kémiai stabilizálás Kémiai kezelés (felszín a. víz) Reaktív gátak (felszín a. víz) Mobilizáció Immobilizáció

15 Talajmosás In situ (függ: terület hidraulikus vezetőképességétől)/ ex situ víz, sav, bázis, kelátlépző, oxidálószer, redukálószer, oldószer vagy felületaktív anyag

16 Termikus deszorpció C-os hőmérséklet a fémek illékonnyá tételéhez Higany Más fémek (ólom, arzén, kadmium, króm) esetén redukáló vagy folyósító szerrel történő előkezelés

17 Elektrokinetikus elválasztás Leírás: Elektródák, potenciál-különbség Katód: pozitív ionok Anód: savas közeg, fémek mobilizációja

18 Talajszilárdítás Szennyezőanyagokat fizikailag kötik vagy bezárják egy stabilizált tömegbe Portland cement vagy puzzolán aktivitással rendelkező anyag Bekeverés vagy injektálás

19 Vitrifikáció Talaj megolvasztása elektromos árammal Stabil, nem-oldható, üveg- vagy kristályszerű anyag

20 Fizikai-kémiai technológiák hátrányai Legtöbbször irreverzibilisen károsítják a talajfunkciót Tönkreteszik a biodiverzitást Biológiailag inaktívvá teszik a talajt Költségesek Nagy energiafelhasználásúak Destruktív hatásúak

21 Kémiai stabilizálás Fémek mobilitása csökken adalékanyag hatására Adszorpció, komplexképzés vagy csapadékképzési reakciók Lúgos anyagok, agyagásványok, vas és vastartalmú vegyületek, foszfátok, szerves anyagok és biohulladékok Hátrány: összes fémkoncentráció nem változik, hosszú távú újramobilizálódás lehetősége

22 Fizikai-kémiai technológiák felszín alatti vizek kezelésére Kémiai kezelés Oxidációs, redukciós és semlegesítési reakciók Reaktív résfalak (PRB permeable reactive barrier) Adszorpció, kicsapás vagy egyéb fizikai-kémiaibiológiai reakció

23 Aktív résfal (PRB): Shilbottle, Northumberland 170 m hosszú Savanyú (ph~4) csurgalékvíz Fémszennyezettség: ~700 mg/l Fe, 300 mg/l Al és 240 mg/l Mn 50% mészkő/nagyolvasztói salak, 25% lótrágya, 25% zöldhulladék komposzt

24 Passzív vízkezelés tavas rendszerekkel St Helen Auckland, County Durham, Anglia Quaking Houses, County Durham Aerob láp: semleges ph-jú, vassal szennyezett víz kezelésére Komposzt láp: savanyú ph-jú víz kezelésére, komposzt alapon, anoxikus körülmények között

25 Biológiai technológiák Fitoremediáció Növények (és a velük együtt élő mikroorganizmusok) felhasználásával történő remediáció Fitoextrakció - mobilizáció Fitostabilizáció - immobilizáció

26 Fitoextrakció Szennyezőanyagok kivonása hiperakkumuláló vagy nagy biomassza tömeget képző növényekkel Hatékonyságot befolyásolja: -Fémek mennyisége és biológiai hozzáférhetősége (adalékanyagok pl. kelátképzők, savak) - Növények toleranciája és bioakkumuláló képessége Befejező lépés: A szennyezett biomassza betakarítása és kezelése, pl. égetés, hamu veszélyes hulladékként lerakása, ill. értékes elemek kinyerése

27 Hiperakkumuláló növények Kb. 400 faj

28 Thlaspi caerulescens (havasalji tarsóka, Európa) (> 1% Zn MS; > 0,3% Cd; Ni; Pb )

29 Sebertia acuminata, Új-Kaledónia

30 Fűzfa és nyárfa nagy biomasszát képző fajok

31 Fitobányászat (speciális alkalmazás) 03/plantas-hiperacumuladoras-de-metais.html Arany részecske Scutia buxifoliaban (Dél-Amerika)

32 Nikkel hiperakkumulátor: Berkheya coddii (Dél-Afrika) Fitobányászott nikkel Ismert hiperakkumuláló fajok 2/3 Ni hiperakkululátor!

33 Fitostabilizáció Szennyezőanyagok mobilitásának csökkentése növények (és adalékanyagok) segítségével. Menedzsment stratégia a kockázat csökkentésére. Immobilizációs technológia!

34 Berti és Cunningham, 2000

35 Bioremediáció mikroorganizmusokkal Biológiai kioldás - mobilizáció Biológiai kicsapás - immobilizáció

36 Autrotróf biológiai kioldás (bioleaching) Alapja: autrotróf (kén-oxidáló) baktériumok energiatermelése pl. Acidothiobacillus thiooxidans, A. ferrooxidans Könnyen hasznosítható szubsztrát: szulfidásványok Kémiai oldódás és biológiai oxidáció Összességében: 4FeS O 2 + 2H 2 0 2Fe 2 (SO 4 ) 3 + 2H 2 SO 4 azaz Fe 2+ + oxigén + víz Fe 3+ + kénsav

37 Acid Mine Drainage (AMD)

38 Biológiai kioldás bioremediációs alkalmazása Talajok és üledékek kezelése Pl. bányászati területek, meddőhányók Fémek és radionukleotidok Biológiai kicsapással/kémiai immobilizálással kombinálva

39 Biológiai bányászat (biomining) Gyenge minőségű ércek, a világ réztermelésének ~20%-a Fémek: réz, arany, nikkel, kobalt, cink, urán

40 Biológiai kioldás prizmákban

41 Biomine üzem

42 Pirit részecske felülete 5 hónap biológiai kioldás után (Telegdi és Sand) Sand et al., 1995)

43 Heterotróf biológiai kioldás Szerves savakkal, pl. citromsav, glükonsav, oxálsav Olcsó szénforrás szükséges Pl. Aspergillus niger, Penicillium simplicissimum

44 Kevésbé mobilis forma -Szulfát-redukáló baktériumok : fémek fémszulfid formában történő kicsapása - Fémek mikrobiális redukciója (Cr 6+ Cr 3+, U 6+ U 4+ ) v. oxidációja (As 3+ As 5+ ) Biológiai kicsapás

45 Biológiai kicsapás Shewanella oneidensis által immobilizált uránium

46 Esettanulmány: Bányászati meddőanyag kémiaival kombinált fitostabilizációja. Stabilizálószer: erőművi pernye Gyöngyösoroszi ércbánya 1949-től Pb és Zn bányászat (előtte Au, Ag, Pb) 1986 bányászat felhagyása, 2003-tól remediáció: Bánya szakszerű bezárása Pontforrások eltávolítása és kezelése Visszamaradó és diffúz szennyezettség kezelése Szulfidos érctartalmú meddőhányók pl. Károlytáró Toka-patak által szállított szulfidos meddőkőzet Víztározók szennyezett üledéke Áradás Gyöngyösorosziban

47 Kémiaival kombinált fitostabilizáció Kémiai stabilizálószer Tápanyag

48 Mikrokozmoszok kísérletekben kipróbált kémiai stabilizálószerek Mezőgazdasági talaj (1) és bányameddő (2) Hagyományos stabilizálószerek mész-hidrát, nyersfoszfát, alginit, lignit Hulladékok Erőművi pernyék (6) (ph= ) és keverékük mésszel Fe-Mn-hidroxid ivóvíztisztítási csapadék (3, 5) vörösiszap (4) vasreszelék

49 Bányabérci meddőhányó (kísérleti terület) 49

50 Szabadföldi kísérleti parcellák Erőművi pernye -Hulladék -Nagy szilikáttartalom -Erős fémmegkötő képesség Pernyés + meszes kezelés Kezeletlen bányabérci meddőanyag BÁNYAREM projekt 50

51 Kémiai stabilizálószeres kezelés hatása Csurgalékvíz: Cd: 441 µg/l (Hat.é. 5 µg/l)* 0,12 µg/l Zn: µg/l (Hat.é. 200 µg/l)* 29,3 µg/l (Kezeletlen parcella, 2007 Pernye+mész+vas, 2009) Pernyével és mésszel kezelt meddőanyag Kezeletlen bányabérci meddőanyag Fű: 0,16 ppm Cd (Hat.é.=1 ppm)** 58 ppm Zn (Hat.é.=100 ppm)** * B szennyezettségi határérték felszín alatti vízre, 6/2009 (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM együttes rendelet ** Élelmiszerekre és takarmányokra vonatkozó határérték 44/2003. (IV.26.) FVM rendelet és 17/1999. (VI. 16.) EüM rendelet

52 Ajánlott irodalom Stefanovics P.: Talajtan, Mezőgazda Kiadó, Budapest, 1992 Körinfo.hu>Képtár>Gyakorlati alkalmazás>szennyezett terület vagy Talaj és felszín alatti víz - Kockázatcsökkentési technológiák Körinfo.hu>Lexikon Gruiz K.: Reaktorszemlélet eaktorszeml%c3%a9let.pdf Kármentesítési kézikönyvek: ok/

53 Köszönöm a figyelmet!