Toxikus fémekkel szennyezett talajok remediációja

Átírás

1 Toxikus fémekkel szennyezett talajok remediációja Környezeti mikrobiológia és remediáció Feigl Viktória Molnár Mónika BME ABÉT

2 Toxikus fémek Biológiai hatása bizonyos koncentráció tartományban, illetve afölött negatív az élőlények számára S-alakú dózis-hatás görbe 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 Toxikus fémek megoszlása a talajban Párolgás Felszín alatti víz Stefanovits, 1995

7 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

8 A talajban lejátszódó folyamatok Fizikai terjedés: szilárd v. oldott Fizikai-kémiai folyamatok: oldódás-kicsapódás, szorpció-deszorpció, fázisok közötti megoszlások Kémiai átalakulás: épülés-mállás, oxidációredukció, komplexképződés Biológiai: megkötés, felvétel, bioakkumuláció, biokoncentráció, biomagnifikáció

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

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

11 Hagyományos mérnöki és hulladékmenedzsmentből átvett technológiák Talajcsere Költséges Biztonságos elhelyezés Cseréhez szennyezetlen talaj Csak pontforrásra

12 Talajcsere Ahol nincs más megoldás?

13 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

14 Izoláció Felszín alatti vízzáró falak Szennyezett talajvízzel történő terjedés megakadályozása vertikális és horizontális résfalak, iszapfalak, injektált falak, jet grouting falak, injektált függönyfalak és szádfalak

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

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

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

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

19 Elektrokinetikus elválasztás Elektródák Potenciálkülönbség Katód: pozitív ionok Anód: savas közeg, fémek mobilizációja

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

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

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

23 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

24 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

25 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

26 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

27 Biológiai technológiák Fitoremediáció Növények (és a velük együtt élő mikroorganizmusok) felhasználásával történő remediáció Fitoextrakció Fitofiltráció Fitovolatilizáció Fitodegradáció (csak szerves) Fitostabilizáció Mobilizáció Immobilizáció

28 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

29 Hiperakkumuláló növények Kb. 400 faj

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

31 Sebertia acuminata, Új-Kaledónia

32 Fűzfa és nyárfa nagy biomasszát képző fajok

33 Fitoextrakcióra hatékonyan alkalmazható növények Gyors növekedés és nagy biomassza produkció Nagy tolerancia a szennyezőanyagokkal szemben és nagy bioakkumulációs képesség a felszín feletti részekben Hatékony szállítás a gyökérből a szárba és kis akkumuláció a gyökérben Biokoncentrációs faktor >1 Szétterjedő, elágazó, mély gyökérzet Bennszülött vagy a szennyezett környezethez könnyen adaptálódó faj Könnyű termeszthetőség és kezelhetőség

34 Fitoextrakció limitáló tényezői Nagy időigény Fém típusa és több fém együttes jelenléte Szennyezettség mélysége (max. 50 cm, kiv. fák) Megfelelő növény alkalmazása (hiperakkumulálók nagy biomassza tömegű növ.) Növények utókezelése (de: energiatermelés, rostok, fémek visszanyerése) Kis- és közepesen szennyezett talajok kezelése Kockázat: fémek táplálékláncba kerülése (visszamaradó fémtartalom hat. é. alatt)

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

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

37 Fiotdeszalináció (speciális alkalmazás) Halofil növények Sók, NaCl Suaeda maritima Sesuvium portulacastrum Wikipedia.org

38 Fitofiltráció/rizofiltráció Szennyezőanyagok kivonása vízből növényekkel Blasztofiltráció: csíranövények

39 As eltávolítás kerti zsázsával (Lepidium sativum)

40 Víztisztítás páfránnyal (Pityrogramma calomelanos)

41 Fitovolatilizáció Szennyezőanyagok illékonnyá tétele növényekkel (Se, Hg)

42

43 Fitodegradáció/Rizodegradáció Szerves szennyezőanyagokra!

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

45 Berti és Cunningham, 2000

46 Erőművi pernyével és fűkeverékkel kezelt meddőanyag Kezeletlen bányászati meddőanyag (Bányabérci meddő, Gyöngyösoroszi) BÁNYAREM projekt

47 BÁNYAREM projekt Vörösiszaptározó felületének növényesítése (Almásfüzitő)

48 Fitoremediációs technológiák előnyei In situ Passzív Nap energiáját használja Alkalmas a szennyezett területek helyreállítására Széles körben alkalmazható (más technológiák által nem kezelhető területeken is) Javítja a terület jövőbeni használatát Fémek biológiai visszanyerésének lehetősége Bioenergia termelés lehetősége Költséghatékony (monitoring, előkezelés, növényültetés, növényvédelem, betakarítás, technológiától függően: a szennyezett biomassza kezelése égetés és hamu kontrollált lerakása) Csökken a vízzel és a levegővel való szennyezőanyag terjedés Hosszú távú stabilizálás és eróziógátlás Társadalmi elfogadása jobb (zöld és biológiai)

49 Mikroorganizmusok szerepe a fitoremediációban Pilon-Smits, 2005, modified by Phieler et al., 2013 PGPB (plant growth promoting bacteria): növények növekedését segítik pl. nitrogén fixálás, foszfát oldás, fitohormonok, sziderofórok, biotenzidek, biopolimerek, szerves savak, enzimek termelése stb. Endofita baktériumok és gombák: a növény szöveteiben, patogénekkel, fémekkel, kártevőkkel szembeni ellenállás, növekedés elősegítése, N-fixálás Mikorrhiza gombák: növényi gyökerekben, szimbiózis, növény számára tápanyagok és víz, növénytől szénhidrátok

50 Bioremediáció mikroorganizmusokkal Biológiai kioldás Biometiláció Redox átalakítás Bioremediáció sziderofórokkal Bioszorpció, bioakkumuláció Biológiai kicsapás Mobilizáció Immobilizáció

51 Autrotróf biológiai kioldás (bioleaching) Alapja: autrotróf (kén-oxidáló) baktériumok energiatermelése Könnyen hasznosítható szubsztrát: szulfidásványok Kémiai oldódás: 4FeS 2 + 4Fe 2 (SO 4 ) 3 12Fe(SO 4 ) + 8S Biológiai oxidáció: 12Fe(SO 4 ) + 3O 2 + 6H 2 SO 4 6Fe 2 (SO 4 ) 3 + 6H 2 0 8S + 12O 2 + 8H 2 0 8H 2 SO 4 Összességében: 4FeS O 2 + 2H 2 0 2Fe 2 (SO 4 ) 3 + 2H 2 SO 4 azaz Fe 2+ + oxigén + víz Fe 3+ + kénsav

52 Acid Mine Drainage (AMD)

53 Réz kémiai redukciója: Cu 2 S + 4Fe 3+ 2Cu 2+ +4Fe 2+ +S Biológiai oxidáció: 4Fe 2+ + O 2 + 4H + 4Fe H 2 0 S + 1.5O 2 + H 2 0 H 2 SO 4 Összességében: Cu 2 S + 2.5O 2 + 4H + 2Cu 2+ + H H 2 SO 4

54 Baktériumok a biológiai kioldásban Acidothiobacillus (korábban Thiobacillus, pl. T. thiooxidans, T. ferrooxidans), Leptospirillum, Acidiphilium, Sulfobacillus, Ferroplasma, Sulfolobus, Metallosphaera, Acidianus.

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

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

57 Biológiai kioldás prizmákban

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

59

60 Biomine üzem

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

62 Biometiláció Metil-csoport (-CH 3 ) kötése a fémekre: Hg, As, Se, Sn, Te, Pb Metilált forma mobilisabb, illékony

63

64 Fémek mobilizálása redox átalakításokkal Vas-redukáló baktériumok A vas-(iii)- és mangán-(iv)- oxidok erősen adszorbeálják a fémeket. Redukciójuk során a fémek felszabadulnak.

65 Fémek szolubilizálása, majd megkötése/kicsapása sziderofórokkal Nagy vas komplexáló affinitással rendelkező, kis molekulatömegű molekulák Egyéb fémek megkötése is (Cr, Cu, Zn, Cd, Pb stb.) Ásványokban kötött vas kinyerése Fe 3+ komplexek képződése által Szolublizált fémek a biomasszán adszorbeálódnak, felvétel aktív transzporttal Wikipedia.org

66 Bioszorpció és bioakkumuláció Bioszorpció: élő vagy elpusztult biomasszán Fizikai-kémiai mechanizmusok, metabolikusan passzív Bioakkumuláció: sejten belül Kicsapódás / sejten belüli struktúrákhoz, sejtszervecskékhez kötődés Metallotioneinek: cisztein tartalmú, kis molekulatömegű fehérjék. Fémek felvétele, szállítása, szabályozás (toxicitás elleni védelem).

67 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

68 Biológiai kicsapás Shewanella oneidensis által immobilizált uránium

69 Biológiai kicsapás