A KÖRNYEZETVÉDELEM ALAPJAI A környezeti kockázat csökkentése Felszín alatti víz és talaj remediációja Dr. Feigl Viktória, Dr. Molnár Mónika 2016.11.14. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék E-mail: vfeigl@mail.bme.hu
Előadás tematika Szennyezett talajok kezelésére alkalmas módszerek csoportosítása Esettanulmányok Intenzifikált bioremediáció szénhidrogénnel szennyezett talaj és felszín alatti víz kezelése ciklodextrinnel Gyöngyösoroszi ólom és cinkbánya remediációja: kockázatfelmérés és kockázatcsökkentés Page 2 234
Page 3 A kockázatkezelés
EU felmérés Szennyezett területek remediációja (2014) 58 Remediáció: meggyógyítás. Vegyi anyagokkal szennyezett környezeti elemek és/vagy fázisok környezeti kockázatának elfogadható mértékűre csökkentése. 127 342 4 Page 4 http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/progress-in-management-of-contaminated-sites-3/assessment
A szennyezett talajok kezelésére alkalmazott módszerek Hagyományos csoportosítás Rendezett biztonságos lerakás Szennyezett talajtérfogat kapszulálása Környezettől való elszigetelés, kockázatcsökkkentés nem végleges Ex situ off site Kezelés a talaj (talajfázisok) eredeti helyéről való eltávolítás után, kezelő üzemben/udvaron Kiszívott talajgáz v. pára kezelése, gyakran csak a szilárd Ex situ on site Kezelés a talaj eredeti helyéről való eltávolítás után a helyszínen Technológiai szempontból kevés a különbség az ex situ-hoz képest Megkülönböztetés: a kapcsolódó műveletek, időtartam In situ Kezelendő talajfázisokat nem távolítjuk el (vagy egyiket sem, vagy csak a szilárdat nem) Kvázi reaktor (Nyitott reaktor: faltalan, de nem végtelen) http://elements.geoscienceworld.org/conte nt/6/6/363/f8.expansion.html http://www.midwestsoil.com/gallery/therm al-desorption-projects/ Page 5 234 http://www.determinationdrilling.com/dril ling%20services/insitu%20remediation.php
A szennyezett talajok kezelésére alkalmazott módszerek További csoportosítási lehetőségek Kezelt talaj fázisok: talajlevegő, talajnedvesség, talajvíz, talaj szilárd fázisa Szennyezőanyagok immobilizálása/mobilizálása Technológia alapfolyamata: Fizikai: szennyezett talajgáz elszívása és a víz kiszivattyúzása a talajból és felszíni kezelése Kémiai: a mobilitás növelése (illékonnyá tétel, vízoldhatóvá tétel, biológiai hozzáférhetőség növelése), immobilizálás (oldhatatlanná tétel, kicsapás), teljes vagy részleges bontás, toxikusság csökkentés: toxicitásért felelős csoportok elbontása, lecserélése (pl. deklórozás) Termikus: A kismértékű hőmérsékletemeléstől (intenzifikálja a biológiai folyamatokat, növeli az illékonyságot, deszorpciót) a közepes, a magas és az extrém magas (égetés) hőfokokig, gőz, meleg levegő, elektromos erőtér, rezgések segítségével Biológiai 234 Page 6
Biológiai folyamatokon alapuló talajkezelési technológiák A bioremediáció olyan technológia, amely élő sejtek vagy szervezetek, esetleg azok valamely termékének (pl. enzim) biogedradációs, bioakkumulációs vagy biológiai stabilizáló képességét állítja a technológia középpontjába, ezeknek a biológiai folyamatoknak biztosít optimális körülményeket az alkalmazott technológiai paraméterekkel, adalékanyagokkal. Fokozatok beavatkozástól függően: Page 7 - Enyhe beavatkozás: nedvesítés, levegőztetés,tápanyag adagolás, ph állítás - Erőteljesebb beavatkozás: adalékanyagok alkalmazása, mikrobiális oltóanyagok, hőmérséklet emelése
Döntési folyamat 1. Technológiai szempontok: szóbajövő technológiai alternatívák kijelölése 2. A megfelelő technológiai alternatívák rangsorolása (ökomérnök): 1. ökoszisztéma és az emberi egészség védelme, 2. kockázatkommunikációs és szociális szempontok, 3. területfejlesztés, területhasználat, 4. gazdasági szempontok. De a terület tulajdonosa ettől eltérő prioritásokat jelölhet meg (1. területhasznosítás, bevételszerzés)! Page 8 234
TRANSZFORMÁTOR OLAJJAL SZENNYEZETT TALAJ CIKLODEXTRINNEL INTENZIFIKÁLT BIOREMEDIÁCIÓJA Esettanulmány 1. 9 Page 9
SZABADFÖLDI DEMONSTRÁCIÓ HELYSZÍNE Népligeti transzformátor állomás. A szennyezőanyag: TO40A transzformátorolaj; a talajban 20 000 30 000 mg/kg, a talajvízben átlagosan 0,99 mg/l. B szennyezettségi határérték alifás szénhidrogénekre talajra: 100 mg/kg, talajvízre: 100 µg/l 6/2009. (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM együttes rendelet Rendszerellenőrző állomás Levegő- és vízbevezető kút Transzformátor Page 10 234 Kombinált kút Levegőelszívó
Bioremediáció intenzifikálása - technológiafejlesztés A bioremediáció (biodegradáció) gyakori korlátozó tényezője a szennyezőanyag korlátozott biológiai hozzáférhetősége. A hozzáférhetőség növelésének egyik módja: ciklodextrinek alkalmazása. ciklodextrinek egyedülálló szerkezet zárványkomplex-képzés + Page 11 Zárványkomplex Gazdamolekula Vendégmolekula A zárványkomplex-képzés sematikus szemléltetése: a ciklodextrin hidrofób üregében elhelyezkedő vízmolekulákat kiszorítja a hidrofób vendégmolekula Ciklodextrinek felhasználása talajkezelésben: talajmosási technikákban extrakciós eljárásokban Ciklodextrinek: hat, hét vagy nyolc alfa- D-glükopiranóz-egységből 234 álló ciklikus, nem redukáló oligoszacharidok. O CH 3 O HO O HO O CH 3 O H 3 C O O OH O O CH 3 O O HO CH 3 CH3 OH O O O CH O 3 O O O C O CH 3 O HO H O O 3 C H3C H 3 H 3 C OH O O O O H 3 C O OH 3 C
Fokozatos léptéknövelés Page 12 234
RAMEB hatása a transzformátorolaj biodegradációjára különböző textúrájú talajokban A transzformátorolaj-eltávolítás (FT-IR) a RAMEB koncentráció függvényében Minden esetben nőtt a szennyezőanyag biodegradációjának mértéke a RAMEB (véletlenszerűen metilezett béta-ciklodextrin) hatására függetlenül a talajtól. Az eltávolított szennyezőanyag-tartalom és az eltávolítás sebessége szignifikánsan függ a RAMEB koncentrációjától, és hogy az eltávolítás sebessége talajonként különböző. Page 13
SZABADFÖLDI DEMONSTRÁCIÓ TECHNOLÓGIA A szennyezett környezeti elemek kezelésére technológia-együttes: A telítetlen zóna in situ kezelése bioventillációval A talajvíz ex situ fizikai-kémiai kezelése A telítetlen zóna nedvesítése és enyhe in situ mosása a felszínen kezelt vízzel A remediáció intenzitásának növelése: Levegőztetés Tápanyagpótlás: N, P adagolása Adalékanyag: RAMEB (biológiai hozzáférhetőség-javító hatás a három fázisú talajban, és szolubilizáló képesség a talaj-talajvíz kölcsönhatás befolyásolására) Page 14 234
CDT- komplex bioremediáció ciklodextrin alkalmazásával Levegő Tápanyagok és RAMEB Szivattyú Kezelt víz Levegő Víz Fázis szétválasztás Homok szűrő Aktív szén bevezetés Passzív kutak Aktív kutak Page 15 234
CO2 [%] In situ komplex ciklodextrines biotechnológia (CDT) transzformátorállomás szennyezett talajának kezelésére O2 [%] EPH [mg/l] Page 16 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1. adagolás Mozgékony talajfázisok analízisének eredményei CO2 [%] O2 [%] 2. adagolás 3. adagolás 0 58 73 82 93 114 145 155 Idő [nap] A talajvíz EPH (extrahálható szénhidrogén) tartalma téliesítés előtt 21,5 21 20,5 20 19,5 19 18,5 18 17,5 17 16,5 234 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 A széndioxid- és oxigéntartalom a talajból kiszívott levegőben a téliesítés előtt 1. adagolás 2. adagolás 3. adagolás 0 50 100 150 Idő [nap]
In situ komplex ciklodextrines biotechnológia (CDT) transzformátorállomás szennyezett talajának kezelésére A talajminták transzformátorolaj-tartalma a kezelés indításakor, a 24. és a 47. héten Talajmintavétel Transzformátorolaj-tartalom [mg/kg] helye a felszíntől Indítás (kísérlet kezdete) 24. hét 47. hét (kísérlet vége) 10 30 cm 25 000 1 600 210 80 90 cm 25 000 800 260 Page 17 A szennyezett talaj toxicitása és jellemzése a kísérlet kezdetén és végén Mintavétel helye a felszíntől Tesztorganizmusok és végpontok 10 30 cm 80 90 cm Vizsgálat a kísérlet előtt és után Előtte Utána Előtte Utána Vibrio fischeri biolumineszcencia-gátlás ED 50 [mg] Cu 20 [mg Cu/kg talaj] Jellemzés Sinapis alba gyökérnövekedés-gátlás ED 50 [g] Jellemzés Folsomia candida mortalitás LD 50 [g] Jellemzés 22 320 toxikus 4 toxikus 12 toxikus 234 50 <80 nem toxikus >5 nem toxikus >20 nem toxikus 8 450 nagyon toxikus 2 toxikus 5 toxikus 65 <80 nem toxikus >5 nem toxikus >20 nem toxikus
A Gyöngyösoroszi Pb-Zn Bánya által okozott környezetszennyezés kockázatfelmérés és remediáció Esettanulmány, 1. rész Dr. Feigl Viktória, Vaszita Emese, Dr. Gruiz Katalin BME, A környezetvédelem alapjai, 2016.11.14.
Gyöngyösoroszi felhagyott ércbánya
Gyöngyösoroszi bányászat története 18. század - Au, Ag bányászat 19. század - Pb, Ag bányászat 1949-től aktív Pb, Zn bányászat, flotációs üzem és meddőhányó építése 1970-es évek végére veszteségessé vált 1986 bányászat felhagyása 2003-tól bányabezárás, terület rekultivációja
Kockázat felmérése
Főbb objektumok és szennyezőforrások a Toka patak északi vízgyűjtőjében Toka patak Altárói bányabejárat Bányavíztisztító mű Ércszállítási útvonal Bányavíztisztítási (vörös)iszap tározó Bányameddőhányók N Toka patak Ipari víztározó Flotációs meddőhányó Flotációs üzem Toka patak Mezőgazdasági víztározó Mezőgazdasági terület
Integrált kockázati modell Transzport modell Forrás Pont vagy diffúz szennyezettség Felszín alatti Talaj Üledék Felszíni víz Levegő víz Környezeti elem Expoziciós modell Ember Természetes és mezőgazdasági Lebontók Termelők Fogyasztók Területhasználat
1. lépés Szennyezőforrások azonosítása Elsődleges szennyezőforrások Másodlagos szennyezőforrások kémiai időzített bomba Pontszerű Diffúz
Elsődleges szennyezőforrások: Pontszerű szennyezőforrások: Bányameddőhányók Új Károly táró meddőhányója Felszínen lefolyó víz okozta erózió meddő szétszóródása savas csurgalék képződése fémkioldás leülepedés Erdei út patak
Bányameddőhányók Mine waste and soil Minimum metal concentration of mine wastes Maximum metal concentration of mine wastes Typical forest soils average in the Northern Toka catchment HU Environmental Quality Criteria for soil (B)* As 240 2000 50 15 Total metal concentration (Aqua Regia extract) mg/kg Cd 5 20 0.7 1 Cu 120 200 50 75 Pb 500 10 000 100 100 Zn 500 4000 95 200 Felszínen lefolyó víz okozta erózió és a víz terjedési útvonala Patakmeder meddőhányó alatt
Toka patak Toka patak folyásiránya Savas csurgalék és a szállított üledék Toka patak vizének fémtartalma több éves átlag alapján: As: 50 μg/l Cd: 2 μg/l Pb: 30 μg/l Zn: 800 μg/l Hatás alapú terület specifikus határérték nem érzékeny vízhasználatra : As: 10 μg/l Cd: 0,2 μg/l Pb: 10 μg/l Zn: 100 μg/l
Területen gyűjtött ásvány
Területen gyűjtött ásvány
Flotációs üzem Flotációs üzem reagensek adagolása, őrlés Flotációs üzem Zúzda Szállítási útvonal vége
Pontszerű szennyezőforrás Flotációs meddőhányó Ülepítő tó Befelé haladva épített gát Flotációs meddőhányó mélyégi szelvénye Ülepítő tó Leülepedett flotációs meddő
Pontszerű szennyezőforrás Bányavíz Altárói bányabejárat Kezeletlen savas bányavíz
Bányavíztisztító üzem területe savas bányavíz semlegesítése Mész adagolás a bányavízbe Savas bányavíz meszezés előtt
Pontszerű szennyezőforrás Bányavíztisztítási iszap tározója
Másodlagos szennyezőforrások: Bányameddőhányókból eredő diffúz szennyezettség Patakmeder néhány 100 méterre a meddőhányótól
Bányászati eredetű diffúz szennyezőforrások - nagy területet érint Szétszórt meddőanyag az erdőben Szétszórt meddőanyag az erdőben diffúz szennyezettség
Ércdarabok a szállítási útvonalon Ércszállítási útvonal (kisvasúton) Altáró és Flotációs üzem között diffúzan szennyezett terület Kiömlött ércdarabok a szállítási útvonalon
Pontszerű szennyezőforrás: Ipari víztározó (flotációs üzemhez ipari víz)
Mezőgazdasági víztározó a falu alatt
Ipari víztározóból származó üledék mélységi szelvénye (2001)
Toka-patak áradása
Patakmeder Gyöngyösorosziban áradás után (1996)
Mezőgazdasági terület az áradás után (1996)
Patakmeder Gyöngyösoroszi alatt a mezőgazdasági területen Sárgás színű meddőkőzet
Mezőgazdasági terület a falu alatt Gyöngyösoroszi Mátra Toka-patak felöli oldal
Szennyezett növények és állatok Gombák a Gyöngyösoroszi erdőben
Mintavételezés és analízis Patak vízminőségének vizsgálata
Fúrt minta vétele a Flotációs meddőhányón
Fémszennyezettség felmérése hordozható XRF készülékkel
Mintavétel meddőanyagokból és talajból
Kiskertek: talaj és növénymintavétel
Növényminták
Probléma ismertetése: Toka északi vízgyűjtője Szennyezőforrások: diffúz és pontszerű (bányameddőhányók) Szennyezőanyagok: Cd, Zn, Pb, (As) szulfidércekből Folyamatok: erózió meddőkőzet mállása és fémek eső általi kilúgzása biológiai kioldással párosul (bioleaching) savas környezet fémmel telített savas csurgalék megoszlás Domináns kockázat: felszíni víz fémtartalma Szennyezőanyag transzport: felszínen lefolyó víz
Toka-patak vízgyűjtőjének térinformatikai eszközökkel (GIS) történt modellezése Digitális terepmodell Összegyülekezési térkép
As, Pb, Zn eloszlása a talajban a Toka patak mentén
A Gyöngyösoroszi Pb-Zn Bánya által okozott környezetszennyezés kockázatfelmérés és remediáció Esettanulmány, 2. rész Dr. Feigl Viktória, Dr. Gruiz Katalin BME, Vegyipari és biomérnöki műveletek, 2016.10.11.
Kockázat csökkentése
Korlátozások A tározókban fürdés és az öntözés megtiltása Legszennyezettebb mezőgazdasági területek termelés alól való kivonása Gumós, leveles növények termesztésének visszaszorítása, pl. bogyós növényekkel történő helyettesítéssel
Remediációs terv - Gyöngyösoroszi Bánya szakszerű bezárása Pontforrások: eltávolítás és kezelés Pontforrások eltávolítása után visszamaradt szennyezettség Diffúz szennyezettség Kémiaival kombinált fitostabilizáció
Bánya bezárása
A bánya bezárásán dolgozó bányászok
Pontforrások kezelése Hagyományos építőmérnöki és hulladékmenedzsment technológiák Kiásás, eltávolítás és a flotációs meddőhányón történő elhelyezés Bányászati meddőkupacok Víztározók üledéke Patak menti kb. 2 m-es legszennyezettebb sáv Izolálás, letakarás Flotációs meddőhányó Vízkezelés és víztisztítási csapadék tárolása izolált lerakón Meszezéssel semlegesített bányavíz és a keletkező csapadék
Pontszerű szennyezőforrás: Ipari víztározó (flotációs üzemhez ipari víz) 2008. áprilisi állapot 2002. évi állapot Remediáció: vízleeresztés, meder kotrás, üledék elszállítása 2012-es állapot
Ipari víztározó remediációja Az elterelt Toka-patak Pontforrások kitermelt anyagának szállítása a flotációs meddőhányóra
Víztározók és a patakmeder remediációja Kisebb víztározók remediációja és a szennyezett patakmeder rendezése 2008 2012 A mezőgazdasági víztározó leeresztve
Altáró üzemudvar felülnézetből
Pontszerű szennyezőforrások eltávolítása Bányavíztisztítási iszap tározója 2003. július 2008. április
Új csapadéktároló Megfelelően izolált tározó a bányavíz semlegesítésekor keletkező csapadék számára Meszezés
Flotációs meddőhányó felülnézetből
Biológiai technológiák fémmel szennyezett talajok kezelésére Ni hiperakkumulátor Sebertia acuminata Fitoremediáció (növényekkel) Fitoextrakció Fitostabilizáció Bioremediáció (mikroorganizmusokkal) Biológiai kioldás Biológiai kicsapás Acid Mine Drainage Az Almásfüzitői vörösiszap tározó felületének fitostabilizációja Biológiai kioldás prizmákban Shewanella oneidensis által immobilizált uránium
Kémiaival kombinál fitostabilizáció Kémiai stabilizálószer Tápanyag
Hatékony kémiai stabilizálószer Hatására csökken: Fémek mobilitása és oldhatósága víz általi transzport környezeti kockázat Növények számára hozzáférhető fémtartalom elősegíti megtelepedésüket és növekedésüket egészségesebb növények, nagyobb biomassza Hatását hosszú távon megőrzi Hozzáadás a növények telepítése előtt
Fitostabilizációra alkalmas növények Fémtoleráns Kis fémakkumuláció a föld feletti részekben csökken a táplálékláncba jutó fémmennyiség Növelik a talaj komplexitását és humusz-tartalmát csökken a fémek kimosódása Csökkentik a víz és szél általi eróziót A fémek transzportja minden lehetséges útvonalon csökken
Bányabérci meddőhányó
Bányabérci meddőhányó
Fémszennyezettség Összes fémtartalom a szennyezett mezőgazdasági talajokban és bányameddőben (mg/kg) As Cd Cu Pb Zn talaj 57 330 4,1 11,1 163 341 227 1589 871 1863 meddő 298 390 4,9 22,4 36 374 1599 2050 1176 4361 Határérték talajra* 15 1,0 75 100 200 *6/2009 (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM együttes rendelet Összes Cd és Zn 11 16%-a vízoldható Összes Cd és Zn 17 34%-a acetáttal extrahálható (ph=4.6)
Technológiai kísérletek Talaj mintázás és analízis Termosztát 25 C 2 kg Nedvesítés és homogenizálás kéthavonta Talaj + stabilizálószer Természetes körülmények Locsolás szükség esetén 0,35 m 3 Talaj + stabilizálószer Vízgyűjtés és analízis Növény mintázás Természetes körülmények és analízis Locsolás szükség Növény mintázás esetén és analízis 90 m 3 Talaj mintázás és analízis Talaj + stabilizálószer Vízgyűjtés és analízis 1. Mikrokozmosz 2. Liziméter 3. Szabadföldi kísérlet
Szabadföldi parcellák kialakítása
Szabadföldi parcellák
Vízgyűjtés
Szabadföldi kísérletek bányabérci meddővel A parcellákon átfolyó vizek Cd és Zn tartalma Kezelés Cd Zn ph Kezeletlen (µg/l) 441 89 079 2,9 Pernye (µg/l) 138 30 380 4,1 Pernye + mész (µg/l) 2.3 226 7,2 Határérték felszín alatti vízre 5 200 Pernye (%-os csökkenés) 68,8 65,9 Pernye + mész (%-os csökk.) 98,5 99,7
Kezelés hatása a fű növekedésére 0,16 ppm Cd (Hat.é.=1 ppm) 58 ppm Zn (Hat.é.=100 ppm) Élelmiszerekre és takarmányokra vonatkozó határérték 44/2003. (IV.26.) FVM rendelet és 17/1999. (VI. 16.) EüM rendelet
Sorghum fajok növekedése Seprőcirok Július Szeptember 0,27 ppm Cd (Hat.é.=1 ppm) 43 ppm Zn (Hat.é.=100 ppm) Szudáni fű 0,43 ppm Cd (Hat.é.=1 ppm) 59 ppm Zn (Hat.é.=100 ppm) Július Szeptember
Kémiaival kombinált fitostabilizáció Károlytáró 2012
Remediáció ütemezése Remediációs munkák befejezése 2015-ig Hosszú távú feladatok Bányavíz kezelés Monitoring Utógondozás DE: 10 év alatt 34 milliárd Ft, újabb 14 milliárd Ft
Ajánlott irodalom KÖRINFO weboldal Gruiz Katalin: Reaktorszemlélet http://enfo.agt.bme.hu/drupal/sites/default/files/reaktorsz eml%c3%a9let.pdf Ciklodextrin: http://enfo.agt.bme.hu/drupal/node/2337 Gyöngyösoroszi bányaterület kockázatmenedzsmentje http://enfo.agt.bme.hu/drupal/keptar/2332, http://enfo.agt.bme.hu/drupal/etanfolyam/12029, http://enfo.agt.bme.hu/drupal/etanfolyam/2716,