Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Házi Dolgozat Talajvédelem tantárgyból

Készítette: Nagy Gábor GVF7EG VBK-KM II. évfolyam

2009. december

Szénhidrogén szennyeződések remediálási módszerei

A remediálás kifejezés a terület megjavítását, meggyógyítását, rendbehozatalát jelenti. A remediálás nem a szennyező anyagtól való megtisztítást jelenti, hanem a szennyeződés mértékének olyan arányú csökkentését, amelynél a környezeti kockázat mértéke már elfogadható. A kockázat mértékét beavatkozási határértékekkel adják meg, melyek a terület használatától is függ. Ezen határértékeket a felszín alatti víz és a földtani közegre a 10/2000. (VI.2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelete tartalmazza.

A talaj kármentesítése, kezelése, tisztítása a szennyező anyag és a terület függvényében az alábbi eljárási módokon történhet: In-situ (kitermelést nem igénylő) eljárásokEx-situ (kitermelést igénylő) eljárások

On-site (kárhelyszínen végzett)Off-site (nem kárhelyszínen végzett)

Egyéb ártalmatlanítási eljárásokEmisszió csökkentési, véggáz tisztítási eljárások.

Mindegyik csoporton belül megkülönböztetünk biológiai, fizikai/kémiai és termikus ártalmatlanítást .

In-situ eljárások In-situ biológiai módszereka. In-situ biológiai lebontás

Biológiai lebontás a talajban élő vagy oda oltóanyaggal bevitt mikroszervezetek (baktériumok, mikroszkópikus gombák stb.) által végzett lebontási és átalakítási folyamatok összessége, amely azon alapul, hogy bizonyos mikroszervezetek képesek speciális enzimrendszerük segítségével a szénhidrogéneket sejtépítő folyamataikban energiaforrásként felhasználni és ennek során a szénhidrogén szennyeződést részben vagy teljesen lebontani

Elegendő oxigén jelenlétében az aerob folyamatok dominálnak, amelyekben a mikroszervezetek a szénhidrogéneket CO2-dá, vízzé és biomasszává alakítják át. Anaerob körülmények között is van lehetőség bizonyos vegyületek lebontására, ennek során főként metán (CH4), kevés szén-dioxid (CO2) és hidrogén (H2) keletkezik.A biológiai lebontás függ: -a megfelelő oltóanyagtól -a mikroorganizmusok és a szennyezőanyag kapcsolatba kerülésének biztosításától. -a kiegészítő tápanyagok és az oxigén eljuttatásától arra a határfelületre, ahol az anyagcsere végbemegy. -a talaj átlagos pórusátmérőjétől; ez nem lehet kisebb a bejuttatandó mikroorganizmus átmérőjénél.

b. Bioszellőztetés Ennek a költség-hatékonysága miatt

külföldön egyre terjedő eljárásnak a célja elsősorban, hogy a talajban spontán lezajló aerob biológiai folyamatok oxigénszükségletét biztosítsa. Másodsorban az illékonyabb komponensek folyamatos kiszellőztetése, a gőzfázisbeli koncentrációk csökkentésével a megoszlási egyensúly állandó eltolása a gőzfázis javára. Ezt a levegő folyamatos, kis sebességű injektálásával érik el függőleges vagy irányított injektáló kutak segítségével.A sikeres talajszellőztetéshez legalább két feltételnek kell teljesülnie:

-a talaj átjárhatósága (permeabilitása) a levegő számára elegendő legyen, -természetes eredetű, szénhidrogén bontó mikroszervezet olyan mértékben legyen jelen, ami biztosítja az elfogadható lebontási sebességet és így az ésszerű ártalmatlanítási időt.Ezen feltételek meglétét az előzetes permeabilitási és respirációs vizsgálatokkal kell ellenőrizni.

A talajnak a levegőre vonatkozó áteresztőképességét a szemcseméreten kívül legnagyobb mértékben a nedvességtartalom befolyásolja. Magas talajvízszint és finomszemcsés talaj együttesen megakadályozhatja a talajszellőztetés sikeres kivitelezését. A túl száraz talaj - amihez a szellőztetés szárító hatása is hozzáadódik - szintén akadályozhatja a biológiai lebontást, hiszen a mikroszervezetek életműködéséhez a víz jelenléte elengedhetetlen. Az alacsony hőmérséklet (téli időszakban) jelentősen lassíthatja, esetleg le is állíthatja a természetes biológiai folyamatokat.

In-situ fizikai/kémiai módszerekc. Pneumatikus/hidraulikus talajrepesztés

A szénhidrogén tároló kőzetek permeabilitásának növelésére a szénhidrogén bányászat régóta használ kőzetrepesztéses hozamnövelő eljárásokat. A talajrepesztés során nagynyomású levegőt (pneumatikus), vagy vizet (hidraulikus) sajtolnak a kis áteresztőképességű talajba, aminek hatására a meglévő mikrorepedések felbővülnek és új repedések is keletkeznek. Ezzel a szennyezett zónák jobb elérhetőségét teszik lehetővé a levegő ill. az oltóanyagok, felületaktív anyagok, tápanyagok stb. számára.

d. TalajmosásAz in-situ talajmosás fejlesztés alatt álló extrakciós

technológia, amelynek főként szervetlen szennyeződések (pl. fémek, radioaktív izotópok) esetében van nagyobb jelentősége és csak korlátozottan alkalmazzák CH szennyeződések eltávolítására. Lényege, hogy a szennyezett talajrétegen folyamatosan áramoltatjuk át a vizet vagy megfelelő oldószert, esetleg speciális adalékot tartalmazó extrakciós oldatot, amelyeket injektáló kúton, szivárgó ágyon keresztül juttatunk a szennyezett réteg fölé. Az extraháló anyagokat célszerű a talajvízzel együtt visszanyerni és újra felhasználni. Ennek érdekében a talajvizet szivattyús kutakkal kitermelik, tisztítják és az értékes detergenseket visszanyerik. Ez a lépés teszi ki az eljárás költségeinek nagyobb részét.

e. In-situ talajgáz extrakció A szénhidrogén szennyeződés nem mindig nagy

mértékű, illetve időben észreveszik mielőtt a talajvizet veszélyeztetné. Ha a talaj már szennyeződött, a régi tapasztalat az, hogy a hatékony tisztítás feltétele a szennyezés forrásának előzetes eltávolítása a felette lévő rétegből. Erre a célra a ma legelterjedtebben használt módszer a talajgáz extrakció, melynek során a telítetlen talajzónából megfelelően kiképzett vákuum leszívó kutak segítségével folyamatosan elszívják a levegőt. Az extraháló kutak az esetek többségében függőleges kiképzésűek, mélységük 1-5 m közötti. A levegőt vagy beinjektáló kutak segítségével juttatják a szennyezés közelébe vagy egyszerűen a megszívás hatására átáramlik a környező talajrétegeken.

A folyamatos levegőáram a gőzfázisból folyamatosan távolítja el a szénhidrogén gőzöket, de egyidejűleg az eltolódott gáz-folyadék egyensúly hatására az illékonyabb szénhidrogének feldúsúlhatnak, ezért nem elég az eljárás hatékonyságát csak az összes szénhidrogén tartalom változásával értékelni.A módszer hatékonysága a szennyezőanyag levegő/víz megoszlási hányadosától, Henry-állandójától, valamint a talaj permeabilitásától, nedvességtartalmától függ elsősorban. A szennyezők mobilitása a talaj felmelegítésé-vel jelentősen növelhető (forró levegő és gőz injektálás, radiofrekvenciás fűtés stb.)

f. Immobilizálás/stabilizálás Az in-situ immobilizációs eljárások során arra

törekednek, hogy a szennyezőanyagot helyben, valamilyen fizikai vagy kémiai módszerrel átalakítva tartósan olyan állapotba hozzák, hogy a kioldási vizsgálatok során megfeleljen az előírt határértékeknek. Tisztán CH jellegű talajszennyezés esetében az immobilizálási eljárásoknak túl nagy jelentősége nincs, mivel vannak a szennyezés természetének jobban megfelelő, olcsóbb eljárások.A beágyazó anyagoktól és az alkalmazott technológiáktól függően az immobilizáló eljárásoknak számtalan variációja létezik. Az eljárásokkal a szennyezett talaj vagy veszélyes hulladék hatása nagymértékben csökkenthető vagy megszüntethető, így rendkívül megnövekszik az elhelyezés biztonsága, akár helyben, akár rendezett lerakással történik.

In-situ termikus ártalmatlanítási módszerekg. Hőbevitellel segített talajgáz extrakció

A fenti eljárás a már ismertetett talajgáz extrakciónak intenzifikált formája, amelynél a szennyezőanyag mobilitását a talaj felmelegítésével növeljük.A hőbevitel forró levegő vagy gőz befúvásával, elektromos (pl. radioferekvenciás) fűtéssel oldható meg. A gyakorlati megvalósítás során elérhető magas talajhőmérsékletek (50-70C) lehetővé teszik olyan, közepesen illékony szénhidrogének gazdaságos eltávolítását is, mint a gázolaj. A lefújt talajgázok tisztítása esetenként szükséges lehet, ilyen módszerek: aktívszenes adszorpció, biofilterek, termikus vagy katalitikus oxidáció. Bizonyos esetekben gazdaságos lehet a termikusan kezelt talajgázok hőjét megfelelően kialakított hőcserélő segítségével a talajba injektált levegő előmelegítésére felhasználni. A hőbevitellel segített talajgáz extrakció nagyüzemileg alkalmazott, hatékony eljárás, de sikeres alkalmazásához elengedhetetlen a szennyezés pontos összetételének és a talaj szerkezetének ismerete.

h. In-situ üvegesítésA szennyezett talajok kitermelés nélküli

üvegesítése immobilizációs eljárás, amely azonban jelentős hőbevitellel jár. A kialakuló magas hőmérsékleten (1600-2000C) a szerves szennyeződések pirolízise és lebomlása is végbemegy. A módszer költséges, de egyedülálló előnye, hogy együtt megjelenő, külön is nehezen kezelhető szervetlen (pl. toxikus fémek, radioizotópok) és szerves szennyeződések (pl. dioxinok, PCB, VOC stb.) gyors és végleges ártalmatlanítását helyben oldja meg. Természetesen csak ott alkalmazható, ahol a visszamaradó bazaltszerű végtermék nem okoz gondot.

Ex-situ eljárásokEx-situ biológiai ártalmatlanítási módszerek

A szennyezett talaj kitermelését követő biológiai eljárások előnye az in-situ módszerekkel szemben az, hogy lehetőség van a talaj homogenizálására és fellazítására, így ezek a módszerek kevésbé függnek a helyi talajszerkezeti és hidrogeológiai adottságoktól. Ezenkívül előnyei még a viszonylag alacsony kezelési költség és a kis energia igény. Hátrányuk a nagy feldolgozási időigényük, hogy viszonylag kis szennyezőanyag koncentrációnál alkalmazhatók és nagy kezelőterületet igényelnek. Az EPA négy eljárást különböztet meg: -komposztálás, -ellenőrzött szilárdfázisú (bioágyas) lebontás, -talajbaforgatás, -talajszuszpenzió kezelése bioreaktorban.

i. KomposztálásA komposztálás nagyüzemileg alkalmazható, ellenőrzött biológiai ártalmatlanítási módszer, amelynek során a szennyező anyagokat legtöbbször a talajban magában jelenlévő vagy a talaj fellazítására hozzáadott adalékanyagokkal bevitt aerob, hőtűrő mikroorganizmusok bontanak le, viszonylag magas (50-55C) hőmérsékleten. A nedvességtartalom, pH, levegőztetés, hőmérséklet és a C:N:P arány ellenőrzésével jól irányított folyamat végterméke a stabilizált, ártalmatlan komposzt, amely mezőgazdasági célokra használható.

A komposztálás három legelterjedtebb formája a következő: -statikus prizmás eljárás: ennél a kitermelt, adalékanyagokkal és esetleg tápanyagokkal jól összekevert hulladékot magas (1,5-2 m) prizmákba halmozzák fel és levegőztető csöveken keresztül légfúvó vagy vákuumszivattyú segítségével levegőztetik. Ha a kezelt hulladék illékony szennyezőket is tartalmaz, szükséges lehet a távozó levegő tisztítása, zárt kezelőtér (fóliasátor) alkalmazása. -komposztáló reaktorok: ezek mechanikus keverésű reaktorok. Az eljárás intenzív de nagyon költséges. -időnként átkevert prizmákban: a prizmákat hosszabb időnként átrakják vagy géppel átkeverik. Ez a legkisebb fajlagos költségű eljárás.

j. Ellenőrzött szilárdfázisú lebontásEnnek az egyszerű komposztálásnál

igényesebb biológiai lebontási eljárásnak a lényege, hogy a szilárd fázisban is igen jól kontrollálja a biológiai folyamatokat a szivárgóvíz összegyűjtésével és adalékolás utáni visszacirkuláltatásával, a talajprizma alá helyezett levegőztető csőrendszer segítségével. A visszanyert szivárgóvizet tápanyagokkal dúsítják, esetleg külön bioreaktorban kezelik és esőztető-öntözőberendezés segítségével juttatják vissza a talajprizma felületére. A kezelőtér alá legtöbbször vizet át nem eresztő műanyag fóliát helyeznek el. Gyakran a kezelő prizmákat is fóliával takarják le a párolgás, légszennyezés csökkentésére és a napenergia összegyűjtésére.

k. Talajszuszpenzió biológiai kezelése bioreaktorbanA szennyezett talajok bioreaktorban végzett

tisztítása gyors, környezetbarát (lehetővé teszi a talaj eredeti célra történő újra felhasználását), de viszonylag költséges módszer. Az eljárás lényege, hogy a kezelendő és kitermelt talajból először a köveket és nagyobb törmelékeket leválasztják. A talajt ezután előre meghatározott mennyiségű vízzel keverve 10-40% szilárdanyag tartalmú szuszpenziót nyernek, amelynek szükség esetén a pH-ját beállítják, tápannyaggal dúsítják és oltóanyaggal keverik. Ezt a szuszpenziót a bioreaktorban folyamatos levegőellátás mellett keverik, amíg a szennyezőanyagok kívánt mértékű lebomlása végbe nem megy. Ha a biológiai lebontás lejátszódott, a kezelt talajt ülepítőkben, szűrőprésben, vákuum dobszűrőkön, szikkasztóágyon keresztül vagy centrifugálással víztelenítik.

Az eljárás előnye, hogy ma már az alkalmazott oltóanyagok a szennyezések széles körének lebontását teszi lehetővé, így a kőolaj eredetű CH-ekét is. A technológia gyakorlatilag változtatás nélkül képes szennyezett talaj, talajvíz és olajos iszapok kezelésére, akár egyidejűleg is. Előnye még a mobilitás, helyre telepíthető berendezésekkel bármilyen kárhelyszínen alkalmazható.Hátránya elsősorban költségessége, melynek legfontosabb költségelemei a következők:- a nagymennyiségű talaj kitermelése, mozgatása,- a reaktorba kerülő egyenletes szemcseméret biztosítása,- a kezelt talaj finomfrakciójának víztelenítése,- a keletkező szennyvíz tisztítása.Az in-situ biológiai lebontás helyett ott alkalmazzák, ahol a heterogén vagy kis permeabilitású talaj azt kizárja, ahol a talajvíz védelme és hatékony tisztítása nem megoldható és ahol követelmény a gyors lebontás.

Ex-situ fizikai/kémiai módszerekl. Kémiai redukció/oxidáció m. Bázikus dehalogénezés n. Glikolos dehalogénezés

Fenti eljárások egyikét sem kifejezetten a CH-nel szennyezett talajok tisztítására ajánlják, azonban egyes határesetekben, amikor a CH szennyezést egyéb, csak kémiai úton eltávolítható szennyezések kísérik (pl. cianid vegyületek, nehezebb, többgyűrűs aromás vegyületek-PAH és fenol származékok, halogénvegyületek), ezek a technológiák is számításba jöhetnek, különösen az oxidációs eljárások.

o. Ex-situ talajmosás A talajmosás során a szennyezés eltávolítása kétféleképp mehet végbe: - a szennyező anyagoknak a mosóközegben történő oldása vagy diszpergálása útján, amelyet felületaktív adalékokkal lehet elősegíteni; a mosóvizet azután általános szennyvízkezelési technológiával tisztítják tovább. - a szennyezéseknek valamely szűkebb talajfrakcióba történő koncentrálása útján. Ennek alapja, hogy a szerves és szervetlen szennyezések fő tömege kémiai és fizikai kötőerőkkel a finomszemcsés talajfrakcióhoz (agyag, iszap, humusz) kötődik. Ez a finom frakció viszont csak lazábban kötődik a durvább szemcsés homok és kavics felületéhez. Ha a mosás során nagyobb nyíróerőket alkalmaznak, a szennyezett finom frakció és így a szennyeződés nagyobb része jó hatásfokkal leválasztható, valamint a maradék a helyszínre újra visszatölthető. Nagyobb nehézséget okoz a finom agyagrészecskék szétválasztása a mosóvíztől és a folyamat során gyakran alkalmazott értékes segédanyagok visszanyerése.A talajmosási eljárás beruházás igényes és hatékony alkalmazása nagy szakértelmet követel, mivel sok részlépésből álló, komplex technológiát kell megfelelően irányítani.

p. Ex-situ talajgáz extrakció Az eljárást szinte kizárólag illékony szennyezőanyagok

(pl. benzin) eltávolítására alkalmazzák. A technológia leegyszerűsítve abból áll, hogy a kitermelt és prizmákban egy előre lefektetett szívócsőrendszer fölé rétegezett talajon vákuumszivattyú segítségével folyamatosan levegőt szívatnak keresztül. A kifúvott levegőt megfelelő módszerrel (aktívszenes adszorpcióval, termikus vagy katalitikus oxidációval) tovább tisztítják a hatósági előírásoknak megfelelően.Az ex-situ talajgáz extrakció néhány előnye in-situ megfelelőjével szemben: - a kitermelés során a talaj aprózódik, így átjárhatóbb, könnyebben hozzáférhetőbb lesz a levegő számára, - a talaj fokozott nedvességtartalma, a magas talajvíz ebben az esetben nem akadályozza ezt a fajta ártalmatlanítást, - lehetőség van a szivárgó vizek összegyűjtésére, megfelelő kezelésére, - a kezelés sokkal egyenletesebb és jobban ellenőrizhető.

q. Oldószeres extrakcióAz oldószeres talajtisztítás főleg szerves

szennyezések eltávolítására bevezetett technológia. Technológiai igényét tekintve abban különbözik a már ismertetett eljárásoktól, hogy itt az a közeg amelybe a szennyezést átvisszük szerves oldószer (pl. könnyű szénhidrogén). A befejező művelet a szennyvíz tisztítása helyett az oldószer visszanyerése. Számolni kell viszont a talajban visszamaradó oldószernyomokkal, ezért a felhasznált oldószer nem lehet toxikus.Mind a talajmosási, mind az oldószeres extrakciós eljárásról elmondható, hogy önmagukban ritkán adnak végleges megoldást, mivel mindig marad egy fázis amelyben a szennyező feldúsul (mosóvíz, finom talajfrakció, oldószer), és amelynek ártalmatlanításáról tovább kell gondoskodni. Ezek leggyakrabban biodegradáció, égetéses ártalmatlanítás és immobilizálás/stabilizálás.

Ex-situ termikus eljárásokr. Nagyhőmérsékletű termikus deszorpció s. Alacsony hőmérsékletű termikus deszorpció t. Égetés hulladékégetőben u. Pirolízis A termikus eljárást más eljárásokkal összevetve kitűnik, hogy egy ilyen kezelés mindenképp beavatkozással jár a talaj szerkezetébe, még akkor is, ha épp ezért került előtérbe az alacsony hőmérsékletű termikus deszorpció (Low Temperature Thermal Desorption, LTTD) a magas hőmérsékletű eljárásokkal szemben. Szénhidrogén jellegű szennyezések esetében ma már kizárólag alacsony hőmérsékletű (600-650C) termikus eljárásokat alkalmaznak. Az LTTD elterjedése jelentős mértékben visszaszorította a korábban szinte kizárólagosan alkalmazott biológiai lebontási módszereket. A módszert valamennyi talajtípus esetében ajánlják, általában 2% alatti szennyezések kezelésére, de igazából ott van jelentősége, ahol más megoldás nemigen alkalmazható.

A talajvíz kármentesítésének általános módjaiv. BioreaktorbanRögzített vagy szuszpendált formában jelenlévő mikroorganizmusokkal kezelik a szennyezett talajvizet, vagy a mosófolyadékot a csepegtetőtestes, illetve eleveniszapos szennyvíztisztításhoz hasonlóan. A szuszpendált rendszerekben a szennyezett folyadékot levegőztetett tartályban (reaktorban) cirkuláltatjuk, ahol a mikroorganizmusok aerob úton bontják a szerves szennyezőket. Egyes vízben oldott szennyezők esetében anaerob biodegradáció jelentheti a megoldást. Ilyenkor a reaktor a levegő kizárását biztosítja. A rögzített rendszerekben, mint például a rotációs biológiai kontraktor és a csepegtetős szűrők, a mikroorganizmusok egy inert rögzített mátrixhoz kötötten aerob úton bontják a mosófolyadék vagy talajvíz szennyezőit.

w. SztrippelésIllékony szerves szennyezők folyadékból történő eltávolítására szolgál. A szennyezett talajvíz, vagy mosófolyadék felületét megnövelhetik intenzív levegőztetés mellett. Az eljárás eszközei: töltött torony, diffúz levegőztetés, tálcás levegőztetés, porlasztásos levegőztetés. Ez a módszer talajvíz esetében in-situ, tehát a talaj mélyebb rétegeiben is alkalmazható.

x. Adszorbció aktív szénenA szennyezett talajvizet, vagy mosófolyadékot aktív szenet tartalmazó szűrőbetéteken áramoltatjuk át. A szerves szennyezők adszorbeálódnak,

az aktív szén el is égethető.

y. UV oxidációA szennyezett talajvízben és a mosófolyadékban található szerves szennyezőket ultraibolya sugárzás, ózon, és/vagy hidrogén-peroxid alkalmazásával bontják vékony rétegben szétterítve tartályban, vagy áramoltatva.