Upravljanje z odpadki

Kroženje polutantov

evaporacija

polivanje namakanje

vrtina za injiciranje

injiciranje

puščanje

vrtina za vodo deponija za

odpadke

perkolacijaperkolacija

vrtina za vodo

puščanje

nepropustna cona

zaloga sladke vode

nepropustna cona

zaloga brakične vode

evaporacija

puščanje

“Reduce, Reuse, Recycle”

• Reduciraj polucijo

– boljši dizajn pri pakiranju

– manj pakiranja

– kompostiranje organskega materiala

• ponovno uporabi

– očisti in ponovno uporabljaj orodja in dele

– vrni steklenice

• recikliraj odpadni material

– v nove uporabne produkte, kar zmanjša volumen odpadkov,porabo energije, zračno, talno in vodno polucijo

Remediacija okoljskih polutantov

Obstaja več vrst odstranjevanja polutantov iz okolja:

bioremediacija aeracija tal

kemijska oksidacija in redukcija nevtralizacija

elektro separacija fizikalna separacija

in situ spiranje in situ in ex-situ zažiganje

ekstrakcija s topili termalna desorpcija

vitrifikacija solidifikacija/stabilizacija

sežig eksplozivnih sredstev

vakumska ekstracija volatilnih spojin

Kemijska oksidacija in redukcija

• z redoks reakcijami lahko pretvorimo polutantne v bolj stabilne, manj

mobilne ali inertne spojine

• oksidacijski agensi, ki jih najbolj pogosto uporabljamo za tretiranje

polutantov so: ozon, vodikov peroksid, hipoklorit, klor, klorov dioksid, kalijev

permanganat, fentonov reagent (vodikov peroksid + železo)

• uporabno za in situ, ex situ, sedimente, tla, trdne polutante ter vode

Elektroseparacije

• v tleh apliciramo enosmerni elektriočni tok z nizko intenziteto med

dvema keramičnima elektrodama, nabite spojine potujejo proti elektrodi

• metalni ioni, amonijevi ioni in pozitivno nabite organske spojine gredo

proti katodi

• negativno nabiti anioni kot so kloridni, cianidni, fluoridni in negativno

nabite organske spojine pa proti anodi.

In situ spiranje

• tla spiramo z vodo, ki ji lahko po potrebi dodajamo surfaktante,

ko-topila, kelatorje

• efekt spiranja je večji, če se polutant veže na glinene delce v tleh

• vodo zbiramo in jo dalje tretiramo z drugimi načini

Sežiganje

• s sežiganjem pri visokih temperaturah od 850 - 1200 oC ob prisotnosti

kisika polutanti zgorijo ali se uplinijo

• za vzdrževanje gorenja potrebujemo energijo (gorivo)

• plinske produkte, ki nastajajo je potrebno še dodatno tretirati

• sežigamo lahko na mestu polucije ali pa v specializiranem obratu

Sežigalnica

Fizikalna separacija

• uporabljamo sita z različno velikostjo rež

• na ta način koncentriramo polutant v manjše volumne, ker se večina

organskih in anorganskih polutantov bodisi kemijsko ali fizikalno veže

na glinene delce v tleh

• glinene delce lahko z sedimentacijo ločimo od ostalih talnih teksturnih

delcev

Vaporizacija

• hlapne polutante lahko z vakumom odstranimo iz tal

• polutante lahko odstranimo predvsem v zračnih tleh, ki niso nasičena

z vodo

• tehnika je uporabna tako in situ kot ex situ

Vpihovanje zraka v podzemne vode

Z vpihovanjem zraka in kisika v podzemne vode izrinemo lahko hlapne

spojine v zračne pore, od koder jih lahko vakumsko potegnemo. Dodani

kisik stimulira tudi biorazgradnjo.

ekstrakcijahlapov

vpihovanjezraka

ekstrakcijahlapov

kontaminirana tla

Ekstrakcija s topili

• za ekstrakcijo organskih in kovinskih polutantov iz tal lahko

uporabimo organska topila

• v ekstraktantu pride do fazne separacije polutanta in topila

Termalna desorpcija

• polutantne segrevamo bodisi pri nižjih temperaturah 90-320 oC ali pri

višjih temperaturah 320-560 oC, pri tem pride do volatilizacije

adsorbiranih polutantov

• dobljene pline je potrebno dodatno tretirati pred izpustom

• termalno desorpcijo lahko izvajamo tudi in situ, pri tem potrebujemo

vir toplote (npr. radio freekvenčno segrevanje, konduktivno

segrevanje, injiciranje vročega zraka, injiciranje pare)

Vitrifikacija

• pri vitrifikaciji z elektrčnim tokom stopimo kontaminirano zemljo pri

zelo visokih temperaturah 1600 do 2000 oC, pri tem organski material

zgori

• pri ohlajanju pride do vitrifikacije (nastanka stekla)

• vitrificirani produkti so kemijsko stabilni, težke kovine in radionuklidi in

se ne izpirajo

Solidifikacija/stabilizacija

• solidifikacija je tehnologija, kjer odpadek enkapsuliramo in ga

pretvorimo v trdno agregatno stanje

• pri tem uporabljamo železove soli, fosfate, žveplo, silikate, gline,

spremembo pH

• stabilizacija je kemijska sprememba polutanta v manj topno, mobilno

in toksično obliko (npr. uporaba cementa, apnenca, pepela, asfalta,

polimerov)

In situ remediacija podzemnih vod

• vpihovanje zraka

• več fazna ekstrakcija

• permeabilne reaktivne bariere

• vertikalne nepermeabilne bariere

• bioremediacija

Nepermeabilne pregrade

Prečno na pretok podzemne vode vgradimo nepermeabilne pregrade, ki

spremenijo tok tekočine. Vodo nato speljemo proč od vodozbirnega

območja, zavarujemo mesto kontaminacije, ali pa jo kanaliziramo v

bazene za nadaljno obdelavo.

podtalnica

zaloga sladke vode

nepropustna plast

razlitje

pregrada

Permeabilne reaktivne bariere

Pretočne bariere so vstavljene prečno na tok podzemne vode. Pregrade

dopuščajo prost pretok vode, zadržujejo pa polutante s pomočjo

kelatorjev, adsorpcijskih sredstev, mikrobov.

podtalnica

onesnaženo območje

nepropustna plast

vir onesnaženja

težke kovine

reaktivna pregrada

čista podtalnica

Vrste reakcij, ki se dogajajo na reaktivni pregradi

Degradacija: kemijska ali biološka sprememba kontaminantov v

neškodljive produkte

Sorpcija: odstranjevanje kontaminanta z adsorpcijo ali

kompleksacijo

Precipitacija: fiksacija kontaminanta v netopne spojine in minerale

Reaktivni material za odstranjevanje organskih kontaminant

material kontaminant proces

Fe0, Fe0/Al0, Fe0/Pd CHC, FCHC reduktivna dehalogenizacija

Fe0/pirit, Fe/Ni klorirani aromatiki reduktivna dehalogenizacija

Fe0 + metanotrofi CHC mikrobna degradacija

zeoliti + metanotrofi TCE sorpcija in razgradnja

zeoliti MTBE, CHCl3, TCE sorpcija

modificirani zeoliti TCE, PAH sorpcija

Fe0/modificirani zeoliti PCE sorpcija in redukcija

organobentoniti TCE, benzen, fenol sorpcija

kisik sprošajoč spojine BTEX oks. mikrobna razgradnja

aktiviran ogljik PAH sorpcija + m. razgradnja

TCE = tetrakloroeten, PAH = poliaromatski ogljikovodiki, MTBE = metil terciani butilni eter, BTEX = benzen, toluen, etilbenzen, ksilen

PCE = perkloroetilen

Reaktivni material za odstranjevanje anoorganskih kontaminant

material kontaminant proces

Fe0 CrO42- redukcija in precipitacija

modificirani zeoliti CrO42-, SO4

2- sorpcija, redukcija

Fe0/modificirani zeoliti CrO42- sorpcija redukcija

hidroksilapatit Pb2+ precipitacija

hidroksilapatit Zn2+ sorpcija, koprecipitacija

hidroksilapatit Cd2+ koprecipitacija

apnenec UO2+ redukcija precipitacija

Fe0 UO2+, TcO4- redukcija, precipitacija

celuloza Mo42- redukcija, precipitacija

šota, Fe3+ MoO42- sorpcija, precipitacija

zeoliti 90Sr2+ sorpcija

Fe0, žagovina NO3- redukcija

Fe/Ca oksidi PO43- sorpcija, koprecipitacija

Življenska doba permeabilnih biobarier

• obloge na delcih reaktivnega materiala- precipitacija sekundarnih mineralov- korozija (rja)

• zamašitev por med delci- precipitacija sekundarnih mineralov- formiranje plina (H2)- produkcija biomase

• zmanjšanje reaktivnosti - doseganje sorpcijske kapacitete materiala- raztapljanje reaktivnega materiala

Uporaba biobarier pri zadrževanju razlitja

Biofilmi in transport polutantov

Biofilmi in distribucija pitne vode

Delež različnih remediacijskih postopkov pri čiščenju onesnaženih okolij v letu 2001

ex situ tehnologije

solidifikacija/stabilizacija 19 %

sežiganje izven mesta nastanka 8 %

bioremediacija 7 %

sežiganje na mestu nastanka 6 %

druge metode (nevtralizacija,

izpiranje tal, mehanska aeracija, vaporizacija, ekstrakcija s topili, vitrifikacija, fizikalna separacija) 4 %

kemijski tretma 1 %

ex situ tehnologije

vaporizacija 26 %

solidifikacija/stabilizacija 6 %

bioremediacija 5 %

druge metode (termalna desorpcija, kemijski tretma, fitoremediacija, ekstrakcija s topili, električna separacija, vitrifikacija) 3%

spiranje 2 %

Remediacija halogeniranih lahko hlapnih organskih spojin

ostalovpihovanje zraka

bioremediacija

vaporizacijatermalna desorpcija

Remediacija halogeniranih težje hlapnih organskih spojin

vaporizacija

sežig

bioremediacijaostalo

termalna desorpcija

solidifikacija stabilizacija

Remediacija nehalogeniranih lahko hlapnih organskih spojin

sežig

bioremediacija

vaporizacija

solidifikacija stabilizacija

termalna desorpcija

ostalo

Remediacija nehalogenih težje hlapnih organskih spojin

bioremediacija

sežigvaporizacija

solidifikacija stabilizacija

termalna desorpcija

ostalo

Remediacija benzena, toluena, etilbenzena, ksilena (BTEX)

bioremediacija

sežig

vaporizacija

vpihovanje zraka

termalna desorpcija

ostalo

Remediacija težkih kovin

oksidacija redukcija

solidifikacija stabilizacija

ostalo

Remediacija polikloriranih bifenilov

ostalo

sežig

termalna desorpcija

solidifikacija stabilizacija

Remediacija organskih pesticidov in herbicidov

bioremediacija

sežig

solidifikacija stabilizacija

termalna desorpcija

ostalo

Remediacija policikličnih aromatskih ogljikovodikov

bioremediacija

sežig

solidifikacija stabilizacija

termalna desorpcija

ostalo

vaporizacija

Bioremediacija

• bioremediacija je uporaba bioloških procesov za razgradnjo ali

odstranitev poulutantov iz določenega okolja

• organizem porablja polutant kot vir hrane ali pa ga kometabolizira

Strategije pri bioremediaciji

• ne naredimo nič (pasivna bioremediacija)

• biostimulacija (dodajanje hranil, kisika)

• bioaugmentacija (inokulacija z mikrobi)

• obdelovanje onesnažene zemlje

• kompostiranje

• fitoremediacija (uporaba rastlin)

Diagram za bioremediacijo

bioremediacija

in situ ex situ

“Landfarming” bioreaktorstimulirana nativna

dodatek kisika- bioventilacija- dovajanja zraka

biostimulacija bioaugmentacija

dodatek kisikain hranil

dodatek kisika, hranil in mikroorganizmov

“Landfarming”

kontaminirana tla

tankzračni filter / črpalka

sloj gramoza

Biokupi

hranila/vlagasloj gramoza

izcedna vodanepropustni sloj

kontaminirana tla

Primer uporabnih mikrooganizmov za bioremediacijo

snov mikroorganizem pogoji

alifatske spojine mešane kulture, aktivno blato aerobno

halogene alifatske sp. morske bakterije, aktivno blato aerobni +

tla, metanogenci anaerobno

aromatske spojine Pseudomonas sp. Bacillus sp. aerobno

Rhodococcus sp. Mycobacterium sp. anaerobno

Ostali mikrooganizmi pri bioremediaciji: Arthobacter, Alcaligenes, Corynbacterium, Flavobacterium, Achrombacter, Acinetobacter, Micrococcus, Nocardia

Primer raziskave razlitja nafte iz bencinske črpalke v talno vodo

• ena najbolj pogostih oblik

kontaminacije

• tla in podtalnica so kontaminirani

z BTEX spojinami

• izkušnje kažejo, da je večina

izpustov nafte biološko razgrajenih

Običajno zaporedje pri razgradnji ogljikovodikov po izlitju v okolje

tok tekočine

O2

NO3-

H2S

CH4

ksenobiotik

konc

entr

acija

sulfatna respiracija

denitrifikacija metanogenezaaerobna respiracija

• ko nekontaminirana voda pride v

kontaminirano področje so

ogljikovodiki hitro razgrajeni, pri

tem uporabijo kisik

• s sprememba redoks stanja iz

oksigenega v anoksigeno se porabi

nitrat, poveča se redukcija železa

in sulfatna redukcija

• povečan CO2 kaže na povečano

biodegradacija

• ko so elektronski akceptorji

porabljeni pride do razgradnje le še

na interfazi zaradi počasne difuzije

kisika

Različna stopnja razgradnje spojin

Primer uspešne biostimulacije

Razlitje 4.000 L dizelskega goriva v tla iz luknjastega tanka za gorivo v

Kaliforniji.

Predhodne raziskave so pokazale, da so v teh tleh organizmi, ki so

sposobni razgradnje dizla. Nato so v tla zavrtali vertikalne luknje in

periodično dodajali fosfor in dušik in vodikov peroksid kot vir

molekularnega kisika. V 6 mesecih niso več zaznali povečanih koncentracij

dizla v tleh.

Primer uspešne biostimulacije

Razlitje surove nafte iz tankerja Exxon Valdez na Aljaski, onesnaženo 1500

km obale.

Na obali so s razprševanjem nanesli tanek film oleofilnega NP gnojila

Inipol EAP22. Pri mešanju mikroemulzije gnojila s surovo nafto je prišlo do

destabilizacije InipolaEAP22, pri tem se je sprostil dušik v obliki ureae.

Ogljik v oleinski kislini Inipola EAP22 je služil kot začetni vir ogljika, kar je

omogočilo začetno povečanje mikrobne biomase. Ko je mikrobna biomasa

porabila ogljik v Inipolu EAP22 je začela razgrajevati surovo nafto.

Razlitje nafte med zalivsko vojno

10 let po razlitju je stopnja remediacija odvisna od okolja, ki je bilo

onesnaženo.

• slana močvirja so ~ 20 % remediirana

• peščene obale so 80 % remediirane

• kamnite obale so 100 % remediirane

• mangrove so 100 % remediirane

• koralni grebeni niso bili onesnaženi

Do največje remediacije je prišlo v področjih, kjer je bila moč valov največja in je

zaradi tega prišlo do fizične odstranitve oziroma je zaradi vnosa kisika

najintenzivneje potekala bioremediacija. Biološke združbe rekoloniziranih področij

so podobne tistim pred onesnaženjem.

Cianobakterije in bioremediacija nafte

• v Perzijskem zalivu je odmrla favna in flora ter sedimentacije finega

materijala v slanih močvirjih omogočila uveljavljanje do nekaj cm

debele plasti cianobakterij

• biofilm je zmanjšal vnos kisika v plasti pod cianobakterijami (manjša

bioremediacija v globljih plasteh)

• pozimi, ko ni bilo rasti cianobakterij se je akumuliralo od 1 do 3 mm

sedimenta

• spomladi so začele cianobakterije rasti na površini, spodnji deli

sedimenta so ostajali anaerobni in nafta je ostala nerazgrajena,

transport nafte iz nižjih plasti v višje je bil zaradi odsotne favne majhen

Cianobakterije in bioremediacija nafte

• v morski vodi onesnaženi z nafto lahko tudi nastajajo biofilmi s

cianobakterijami

• v tem primeru je bioremediacija predvsem vezana na heterotrofne

simbionte cianobakterij, ki mineralizirajo nafto in tako sproščajo hranila

za cianobakterije, cianobakterije v zameno dajejo heterotrofom

potreben kisik

Ostale biostimulacijske tehnologije

Dodajanje kisika ali vodika spremeni redoks stanja okolja in poveča

naravno atenuacijo okolja za razgradnjo.

• kisik sproščajoče spojine

MgO2 + H2O 1/2O2 + Mg(OH)2

• vodik sproščajoče spojine

Poliacetatni estri so s hidrolizo razgrajeni do mlečne kisline, ki je

anaerobno fermentirana do H2, ki ga uporabljajo reduktivni

dehalogenatorji, sproščanje mora biti počasno sicer so za H2 bolj

konkurenčni metanogenci

Ostale biostimulacijske tehnologije

Sprememba okolja iz aerobnega v anaerobno zaradi dodatkov:

- acetat

- propionat

- etanol, metanol

- laktant

- rastlinska olja

- mlečna kislina

Primer uspešne biostimulacije

Onesnaženje reke Savannah v Južni Karolini s trikloretilenom (TCE) in

tetrakloroetilenom (PCE).

V zemljo so horiznotalno vzporedno s površino zavrtali luknje in jih

napolnili z 1 % metanom. Injiciran metan je omogočil namnoževanje

metanotrofom. V anaerobnih delih tal je prišlo do reduktivne deklorinacije

PCE in TCE, ob spremembi v aerobne pogoje so ju oksidirali namnoženi

metanotrofi. Onesnaženo mesto je bilo očiščeno v 4 letih.

Uporaba biofilmov pri bioremediaciji

Uspešna biostimulacije in bioaugmentacije

8 ha z atrazinom onesnaženih tal v Louiziani na posestvu tovarne Ciba-

Geigy.

Onesnaženo zemljo so 4 krat na teden preorali. Za biostimulacijo so

dodali 880 kg NPK 13:13:13 gnojila. Poleg tega so v tla dodali tudi 2000

litrov združbe atrazin razgrajajočih Pseudomonad. Koncentracija atrazina

je padla pod predpisano mejo v 20 tednih.

Fitoremediacija

Razgradnja polutantov s pomočjo rastlin poteka v več stopnjah:

• oksidacija (npr. P450, peroksidaze)

• redukcija (npr. nitroreduktaze)

• hidroliza

• konjugacija z glutationom, sladkorji

in amino kislinami

• kompartmentalizacija (depoziti v vakuolah, vezava na celično steno)

Fitoremediacija

Pri fitoremediaciji je pomembno ali rastlina detoksificira polutant ali pa ga

nalaga in transpirira. Zelo primerne rastline so topoli, zaradi hitre rasti

visoke porebe vode in zelo razvejanega koreninskega sistema (npr. topol

lahko fitoremediira tla s trinitrotoluenom, trikloretenom, nitro triazinom,

kloriniranimi organskimi topili, benzenom, toluenom, in ksilenom).

Prednosti bioremediacije

• je manj nevarna za ljudi, ki jo opravljajo

• je običajno cenejša

• polutanti se lahko tretirajo na mestu onesnaženja

• je okoljsko sprejemljiva, saj ne generira novih odpadkov

• je družbeno sprejemljiva zaradi povečane občutljivosti za okolje

Pomankljivosti bioremediacije

• v primeru nizke biodostopnosti polutanta je neučinkovita

• bioremediacija je zelo odvisna od okoljskih faktorjev

• v primeru mešanice polutatntov so nekateri lahko toksični

• je relativno počasna

Biorazgradnja trdnih organskih odpadkov

Najpomembnejša postopka za biorazgradnjo trdnih odpadkov sta:

- deponiranje

- kompostiranje

Deponije trdnih odpadkov

Najbolj problematično je odlaganje odpadkov v nizko ležeče kotanje ali

jame. Boljša strategija so sanitarne deponije, kjer je dnevni depozit trdnih

odpadkov pokrit z zemljo. Z naravovarstvenega stališča je pomembno da:

• na deponiji poteka počasna (več desetletij) anaerobna razgradnja

odpadkov, ki v okolje sprošča N2, CO2, H2S in CH4, reducirane topne

oblike težkih kovin in drugih toksičnih organskih in anorganskih spojin

• zemeljski plin lahko uporabimo kot energent, vendar je njegovo

pridobivanje največkrat nerentabilno (draga investicija, nečistoče)

Deponije trdnih odpadkov

Novejše deponije trdnih odpadkov

Biorazgradnja s kompostiranjem

Kompostiranje je predvsem mikrobni proces, ki organske odpadke pretvori

v neškodljiv organski material z zmanjšanim volumnom, ki ga lahko

uporabimo za izboljšavo tal. Ločimo:

• mezofilno fazo na začetku

• termofilno fazo

• mezofilno fazo na koncu

Začetna mezofilna faza kompostiranja

• temperatura je < 40o C

• začetna degradacija topnih substratov

• nekaj dni

• hitra produkcija CO2

• zniževanje C:N razmerja

• imobilizacija topnega N, S, P

Termofilna faza kompostiranja

• v kompostnem kupu se razvije temperatura od 55 do 60 oC

• pride do pasterizacije, ki zmanjša število patogencev, klijočih semen,

ličink črvov in jajčec parazitov

• zmanjša se mikrobna diverziteta (manj različnih bakterij, aktinomicet in

gliv)

• termofilno fazo lahko podaljšamo, če dovajamo kisik ali pa kup po

primarni temofilni fazi premešamo

• v tej fazi pride do evaporacije vode in sušenja organskega materiala

Končna mezofilna faza kompostiranja

• ko v kompostu zmankuje hranil se termofilna faza zaključi

• z reintrodukcijo mezofilnih organizmov se nadaljuje počasna razgradnja

organskega materiala

• nastajajo plinski in toksični produkti (npr. merkaptani, amonijak, etilen,

acetat, amini) evaporirajo

• na amonuju lahko pride do nitrifikacije in nastanka nitrata

• potrebno zagotoviti odstranjevanje ofenzivnih plinskih produktov,

vezava na biofiltre (npr. plast dozorelega komposta, mikrobno obogateni

oblanci)

Pogoji za optimalno komostiranje

• vlaga med 50 in 60 %

• C : N med 25 : 1 in 35 : 1

• temperatura termofilne faze med 50 in 60 oC

• redoks potencial > 50 mV

• majhno razmerje med večjimi in manjšimi delci, manjši delci večja

površina, večja hitrost reakcij, večja poraba kisika

• odsotnost toksičnih spojin (npr. topil, pesticidov, težkih kovin)

• optimalni med pH 6 in pH 8 na začetku se lahko zniža, med termofilno

fazo naraste

Kompostni sistemi

črpalka za zrak

aerirani statični kupi

odpadki kompost

zrakaerirani kontinuirani kupi

kompostodpadki

vrteči bobni

Novejši postopek je anaerobno kompostiranje, kjer pridobivajo naravni bioplin,

trdne ostanke posušijo in uporabijo za kurjavo.

Uporabnost komposta

• ~ 10% dozorelega komopsta se mineralizira v prvem letu po dodatku

tlem, kar je bistveno več od talne organske snovi (~ 1-3 %)

• v naslednjih letih je hitrost mineralizacije primerljiva z mineralizacijo

talne org. snovi

• poveča stabilnost in agregiranost talnih teksturnih delcev

• izboljša talno aeriranost

• izboljša infiltracijo vode in poveča sposobnost za zadrževanje vode

• poveča kationsko izmenjalno kapaciteto tal

Razgradnja tekočih organskih odpadkov in kvaliteta vodnih okolij

Kvaliteta vodnih okolij pomeni, da:

• niso preobremenjene z organsko snovjo

• niso preobremenjene z anorganskimi hranili

• niso toksične

• ne vsebujejo estetsko nesprejemljivih substanc

• ne prenašajo fekalnih kontaminacij

• njihova temperatura, slanost, motnost ali pH ne smejo biti

signifikantno sprememnjeni

Parametri spremljani v Blejskem jezeru v letu 2004, (MINISTRSTVO ZA

OKOLJE, PROSTOR IN ENERGIJO AGENCIJA REPUBLIKE SLOVENIJE ZA OKOLJE)

nadvodna,podvodna radiacija, temperatura, el.prevodnost, pH, redox, O2, nasičenost z O2, fosfor – celotni, celotni org. ogljik TOC, dušik-celotni TN, NO2, NO3, NH4, SiO2, ortofosat, BPK5, KPK, O2 Winkler, m-alkal., Ca, K, Na, Mg, H2S, CO2, klorofil a, fitoplankton – biomasa, zooplankton

Parametri spremljani v Bohinjskem jezeru v letu 2004, (MINISTRSTVO ZA OKOLJE, PROSTOR IN ENERGIJO AGENCIJA REPUBLIKE SLOVENIJE ZA OKOLJE)

prosojnost-Secchi nadvodna, podvodna radiacija, temperatura, el.prevodnost, pH, redox, O2, nasičenost z O2, fosfor celotni, dušik- celotni (TN), celotni org.ogljik (TOC), ortofosfat, NO3, SiO2, NH4, BPK5, KPK, O2 Winkler, m-alkal., Ca, K, Na, Mg, CO2 –prosti, klorofil-a, zooplankton

Parametri, ki jih spremljamo pri kvaliteti voda

Parametri, ki jih spremljamo pri kvaliteti voda

Parametri spremljani v Cerkniškem jezeru v letu 2004, (MINISTRSTVO ZA

OKOLJE, PROSTOR IN ENERGIJO AGENCIJA REPUBLIKE SLOVENIJE ZA OKOLJE)

Voda: temp., pH, el. prevod., kisik, nasič., barva, suspendirane snovi, hidrogenkarbonati, karb., ., nekarb., kalc., mag., sk. trdota, m-alk., kalcij, kalij,natrij, magnezij, orto- fosfat, celotni fosfor, NH4, NO2, NO3, SiO2, celotni dušik,celotni org. ogljik, BPK5, KPK s KMnO4, O2 Winkler,4 kloridi, sulfati, deterg., miner. olja, fenoli-skupaj, težke kovine (Cu, Zn, Cr, Ni, Pb, kadmij), 1,2-dikloroetan, heksaklorobenzen, heksaklorocikloheksan, pentaklorofenol, živo srebro, tetrakloroeten, triklorobenzen, trikloroeten, triklorometan

Sedimenti: EOX, kadmij), 1,2-dikloroetan, heksaklorobenzen,heksaklorocikloheksan, pentaklorofenol, živo srebro, tetrakloroeten,triklorobenzen, trikloroeten, triklorometan, težke kovine (Cu, Zn, Cr, Ni, Pb)

Biolološke analize: klorofil-a, fitoplankton, zooplankt., makrofiti, saprobiološke analize

• I. razred – vode, ki jih v naravnem stanju, ob morebitni dezinfekciji mogoče

uporabiti za pitje in v živilski industriji, površinske vode pa tudi za gojitev

plemenitih vrst rib (salmonide);

• II. razred – vode, ki jih je v naravnem stanju mogoče uporabljati za kopanje in

rekreacijo občanov za vodni šport, za gojitev drugih vrst rib (ciprinide) ali jih

je mogoče ob obočajnih metodah obdelave – kondicioniranju (koagulacija,

filtracija in dezinfekcija ipd.) uporabljati za pitje in v živilski industriji;

• III. razred – vode, ki jih je mogoče uporabljati za namakanje, po običajnih

metodah obdelave (kondicioniranju) pa tudi v industriji, razen v živilski

industriji;

• IV. razred – vode, ki jih je mogoče uporabljati za druge namene samo po

ustrezni obdelavi.

Kvaliteta voda

Samočistilna sposobnost vodnih okolij

• samočistilna sposobnost vod pomeni, da je organski material, ki je

vnešen v vodno okolje, porabljen in mineraliziran s strani heterotrofnih

mikroorganizmov (npr. dušik je mineraliziran in oksidiran do nitrata, ki

ga porabijo, primarni producenti)

• vnešena mikrobna populacija se zmanjša, to je možno pri zmernem

vnosu organske snovi v vodno okolje, pri večjem vnosu odpove

Tako so to počeli v starih časih

In samočistilna sposobnost ni

bila kompromitirana.

Tako so to počeli v nekoliko manj starih časih

Double-decker Funkcija Double-deckerja

Prekomerna obremenjenost vodnih okolj z organskim materialom

• z naraščanjem gostote prebivalstva, masovno uporabo vode v

gospodinjstvih in industriji je vnos organske snovi večji, kot je

samočistilna sposobnost vod

• ekološko zavedanje o pomenu kvalitete vode je posledica epidemij

tifusa, kolere, dizenterije in drugih patogenih mikrobov v vodnih okoljih,

zaradi tega so se pojavile potrebe po čistilnih napravah

Septični tank

Biološka poraba kisika

Nnajpomembnejši parameter, ki ga zasledujemo pri čiščenju odpadnih

vod, je BOD ali biološka poraba kisika

amonij

fosfor

oddaljenost od izpusta odpadne vode v reko

konc

entr

acija

nitrat

kisik

BOD

oddaljenost od izpusta odpadne vode v reko

konc

entr

acija

organska snov

Septični pogoji v rekah

• zaradi porabe kisika lahko pride do septičnih pogojev v rekah in s tem

dramatične spremembe ekosistema

• na pojavljanje anaerobnosti vpliva hitrost izpusta organskih spojin vodo,

temperatura vode, sestave mikrobne združbe

• anaerobnost je nezaželena in zato je primarna skrb pri čiščenju odpadnih

vod zmanjšanje BOD

Struktura mikrobne združbe po izpustu organsko onesnažene vode v reko

oddaljenost od izpusta odpadne vode v reko

konc

entr

acija

bakterije

protozoji

alge

Primer prekomerno onesnažene odpadne vode

Karakteristike odpadne vode iz prašičje farme v Ihanu:

• KPK = 28000 mg/L

• BPK5 = 15000 mg/L

• 3 % suhe snovi

• 74 % organske snovi suhi snovi

• pH 7.2

• organski dušik 2200 mg/L

• NH4-N 1400 mg/L

• anorganska snov 5.4 g/L

Čistilne naprave

• primarno čiščenje

• sekundarno čiščenje

• terciarno čiščenje

• primarno čiščenje odpadne vode je postopek čiščenja odpadne vode

na fizikalen in/ali kemičen način, vključno z usedanjem neraztopljenih

snovi, ki se zagotavlja na komunalni čistilni napravi

• primarno čiščenje je lahko tudi drug postopek čiščenja, ki zmanjšuje

BPK za najmanj 20% in količino neraztopljenih snovi za najmanj 50%

pred izpustom

Primarno čiščenje

• sekundarno čiščenje odpadne vode je postopek čiščenja odpadne

vode, ki vključuje biološko čiščenje s sekundarnim usedanjem ali

drug način čiščenja, s katerim se zagotavlja doseganje mejnih

vrednosti za izpust odpadne vode v vodotoke

Sekundarno čiščenje

Aerobno tretiranje odpadne vode

Pri procesu, kjer uporabljamo aktivno blato vpihujemo zrak v aeroben

tank. Visoko aktivnost mikrobne združbe ohranjamo z reinokulacijo

aktivnega blata.

influent primarnisedimentacijski tank

aeracijski tank

sekundarni sedimentacijski tank

reinokulacija z aktivnim blatom

višek aktivnega blata

odstranjeno primarno in aktivno blato

zbistren efluent

aeracijski tank biostolpi

sedimentacijski tank

Primerjava različnih aerobnih postopkov

proces prednosti pomankljivosti

aerirana laguna visoko zmanjšanje BOD, povzroča smrad, potrebuje veliko

nizki stroški, prostora, občutljiva za hladno vreme

aktivno blato visoko zmanjšanje BOD, visoka poraba energije, odstranjevanje

srednji stroški blata, občutljiv za nenaden visok vnos

kapljajoči filtri nizki stroški, neobčutljiv srednje zmanjšanje BOD,

na nenaden visok vnos odstranjevanje blata

rotirajoči diski visoko zmanjšanje BOD lahko povzroča smrad, veliko znanja

kompaktni, srednji stroški potrebno odstranjevanje blata

Mikrobna združba v aerobnem tanku

• razvije se zelo heterogena mikrobna populacija

• prevladujejo Gram negativne paličke (koliformi, pseudomonade,

Zooglea), korineformne bakterije, mikobakterije, filamentozne bakterije

• filamentoznih gliv in kvasovk je relativno malo

• glavna skupina protozojev so ciliate

avtotrofne in heterotrofne bakterije

protozoji

nematode

črvi, insekti

Formiranje flokul v aeracijskem tanku

• predvsem Zooglea tvori flokule v katere se ulovijo tudi druge bakterije

• formiranje flokula je kritično za proces sedimentacije, v kolikor

prevladujejo filamentozne bakterije ne prihaja do sedimentacije

• zaradi kompeticije, predatorstva, sedimentacije in adsorpcije se

drastično zmanjša število patogenih mikroroganizmov v vodi, kjer pride

do formiranja flokul

Anaerobno tretiranje odpadne vode

• anaerobno tretiranje je običajno počasnejše od aerobnega vendar je

potreben manjši vložek energije

• najenostavnejši sistem je septični tank, v katerem pride do delne

razgradnje sedimentiranega organskega materiala, zbistreno tekočino

odvajamo

• anaerobne fermentorje uporabljamo predvsem v primerih, ko je v

odpadnih vodah veliko organskega materiala (20 do 100 g/L) in za

anaerobno razgradnjo odpadnega blata

• anaerobni fermentorji delujejo kontinuirano

Anaerobni tank

Anaerobic Sludge Granules

Physical: dense compact biofilms

(30-80 m/h)high settleability

high mechanical strength

balanced microbial communityMicrobial:

syntrophic partners closely associated

high methanogenic activity(0.5 to 2.0 g COD/g VSS.d)

protection from toxic shock

Anaerobna digestija

Anaerobna digestija poteka v dveh sklopljenih procesih:

• najprej pride do depolimerizacije kompleksnega organskega

materiala, nato sledi fermentacija do alkoholov, maščobnih kislin, CO2

in H2

• v naslednji stopnji pride do produkcije metana z redukcijo metilnih

spojin, acetata ali redukcijo CO2

Anaerobna digestija - razgradnja lipidov

• lipaze konvertirajo lipide do maščobnih kislin

• v odpadni vodi lahko najdemo populacije of 104 - 105 lipolitičnih

bakterij na ml

• klostridiji in mikrokoki so najpomembnejši producenti

ekstracelularnih lipaz

• dolge maščobne kisline so z oksidacijo razgrajene do acetil-CoA

• proteine večinsko hidrolizirajo proteaze, ki jih izločajo Bacteroides,

Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas, in

Streptococcus

• amino kisline so razgrajene do maščobnih kislin kot so acetat,

propionat, butirat in do amonija s pomočjo Clostridium, Peptococcus,

Selenomonas, Campylobacter, and Bacteroides

Anaerobna digestija - razgradnja proteinov

• heksoze in pentoze so konvertirane v C2 in C3 intermediate

• večina anaerobnih bakterij uporablja Emden-Meyerhof-Parnas

pathway (EMP), ki producira piruvat in NADH, ki je pri fermentaciji

oksidiran do fermentacijskih produktov

Anaerobna digestija – heksoz in pentoz

Glavne fermentacijske poti od stopnje piruvata

oksalacetat

malat

fumarat

sukcinat

propionat

NADH

butiraldehid

butiril-CoA

butiril-P

butanol butirat

NADH

izopropanol

acetonNADH

NADH

NADH

ATP

format

acetil-P

acetatetanol

acetalaldehid

acetil-CoA

acetoacetil-CoANADH

NADH

ATP

NADHlaktat piruvat NADH

acetalaldehid etanol

2,3 butandiol diacetil

acetoinNADH

α-acetolaktat

Pregled običajnih fermentacij

vrsta reakcija

alkoholna heksoze 2etanol + 2CO2

homolaktična heksoze 2laktat + 2 H+

heterolaktična heksoze laktat + etanol + CO2 + H+

propionska laktat propionat + acetat + CO2

mešana heksoze etanol + 2,3-butandiol + sukcinat + laktat + acetat + format +H2 + CO2

maslena heksoze butirat + acetat + H2 + CO2

butanolska heksoze butanol + acetat + aceton + etanol + H2 + CO2

kaproatna etanol + acetat kaproat + butirat + H2

homoacetogena heksoze 3 acetat + 3H+

metanogena acetat CH4 + HCO3-

Pregled neobičajnih fermentacij

vrsta reakcija

acetilenska 2C2H2 + 3H2O etanol + acetat + H+

glicerolna 4glicerol + 2HCO3- acetat + 5H+ + 4H2O

cinamatna 2C9H7O2- + 2H2O C9H9O2 + benzoat + acetat + H+

putrescinska 10C4H12N2 + 26H2O 6 acetat + 7 butirat

citratna citrat + 2H2O format + 2 acetata + H+

akonitatna akonitat + H+ + 2H2O 2 acetata + 2CO2 + H+

glioksilatna 4 glioksilat + 3H+ + 3H2O glikolat + 6CO2 + 5H2

sukcinatna sukcinat + H2O propionat + HCO3-

oksalatna oksalat + H2O format + HCO3-

malonatna malonat + H2O acetat + HCO3-

• nekaj acetata (~ 20 %) in vodika je direktno producirano pri

fermentaciji sladkorjev

• najpomembnejša pot za nastanek acetata je acetogeneza in

dehidrogenacijo višjih maščobnih kislin

• za ta proces je največkrat potrebna sintrofija, saj nastajajoči vodik

blokira proces

Produkcija acetata, kot glavnega prekurzorja za metan

Metabolizem maščobnih kislin pri Syntrophomonas wolfei

maščobna kislina produkt

CH3CH2CH2COO- + 2 H2O 2 CH3COO- + 2H2 + H+

CH3CH2CH2CH2CH2COO- + 4 H2O 3 CH3COO- + 4H2 + 2H+

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2COO- + 6 H2O 4 CH3COO- + 6H2 + 3H+

CH3CH2CH2CH2COO- +1 H2O CH3CH2COO- + CH3COO- + 2H2 + H+

CH3CH2CH2CH2CH2CH2COO- + 4 H2O CH3CH2COO- + 2 CH3COO- + 4H2 + 2H+

CH3CHCH2CH2CH2COO- + 2 H2O CH3CHCH2COO- + CH3COO- + 2H2 + H+

CH3CH3

reakcija ∆Go (kJ/mol)

CO2 + 4 H2 CH4 + 2H2O -130.7

HCO3- + 4 H2 + H+ CH4 + 3 H2O -135.5

CH3COO-+ H+ H4 + CO2 -37.0

CH3COO-+ H2O CH4 + HCO3- -32.3

HCOO- + H+ 0.25 CH4 + 0.75 CO2 + 0.5 H2O -36.1

CO + 0.5 H2O 0.25 CH4 + 0.75 CO2 -52.7

CH3OH 0.75 CH4 + 0.25 CO2 + 0.5 H2O -79.9

CH3NH3+ + 0.5 H2O 0.75 CH4 + 0.25 CO2 + NH4

+ -57.4

(CH3)2NH2+ + H2O 1.5 CH4 + 0.5 CO2 + NH4

+ -112.2

(CH3)2NCH2CH3H+ + H2O 1.5 CH4 + 0.5 CO2 ++H3NCH2CH3 -105.0

(CH3)3NH+ 1.5H2O 2.25 CH4 + 0.75 CO2 + NH4+ -170.8

Metanogene reakcije

Vrste anaerobnih bioreaktorjev

CSTRDilution Rate (1/HRT) Time < Growth RateMethanosaete (td =7 d), growth rate = ln(2)/td = 0.1 d-1

so minimum HRT = 10 days

Recycle of Active Biomass

ContactProcess

Dilution Rate (1/HRT) Time > Growth Ratesludge retention time uncoupled from hydraulic retention time

Immobilization of Active Biomass

biogas

effluent

influent

AnaerobicFilter

Dilution Rate (1/HRT) Time > Growth Ratesludge retention time uncoupled from hydraulic retention time

biofilm

Support (pumice)

Upward-flow Anaerobic Sludge Blanket

influent

effluent

biogas

sludge bed

gas capsettlerbaffles

sludge granugas bubble

weir3 phaseseparator

Influent

usedalnik

gascap

bioplin Expanded Granular Sludge Bed

SludgeBed

Effluent

Recikel efluentagas

bubble

sludgegranule

Optimalni pogoji za anaerobno digestijo

Za izbrano vrsto odpadne vode je potrebno optimizirati:

• zadrževalni čas v fermentorju

• temperaturo (35 do 37 oC)

• pH (6-8)

• C : N razmerje

• C : P razmerje

• koncentracijo težkih kovin

• gostoto biomase (109 -1010/ml)

• recikliranje biomase

Kinetični parametri anaerobnih mikroorganizmov

podvojitveni čas Cell Yield Cell Activity ksdays g VSS g-1 COD g COD g-1 VSS d-1 mM

Active Sludge (sugar)Aerobic Bacteria 0,030 0,40 57,8 0,25

Acidification (sugar)Fermentative Bacteria 0,125 0,14 39,6 ND

Acetogenesis (fatty acids)Acetogenic Bacteria 3,5 0,03 6,6 0,4

MethanogenesisAutotrophic (H2) 0,5 0,07 19,6 0,004Acetoclastic (acetate)Methanosarcina 1,5 0,04 11,6 5,0Methanosaete 7,0 0,02 5,0 0,3

Pretok ogljika pri anaerobnem Pretok ogljika pri anaerobnem tretiranju tretiranju

odpadne vodeodpadne vode

hidroliza

acetogeneza

metanogeneza

kompleksne organske spojine

intermediati propionat

H2acetat

CH4

20% 5%

60% 15%

35%

10%

13%

17%

15%

72%28%

• terciarno čiščenje odpadne vode je fizikalno-kemijski postopek

čiščenja odpadne vode (npr. precipitacija, filtriranje, kloriranje), s katerim

se dosega eliminacija dušika in fosforja tako, da se zagotavlja

doseganje mejnih vrednosti za izpust odpadne vode v vodotoke

• terciarno očiščena voda ne omogoča znatne rasti mikroorganizmov

Terciarno čiščenje

Dezinfekcija

• v kolikor odpadno vodo spuščamo v vodozbirno območje je potrebno

vodo dezinficirati in tako uničiti enteropatogene bakterije in viruse

• najobičajnejši postopek je uporaba hipoklorida (Ca(OCl)2) ali NaOCl

• spojina, ki opravi dezinfekcijo je hipoklorid, ki je močan oksidant in

reagira z organskimi spojinami, amonijem, reduciranim železom,

reduciranim manganom in reduciranimi žveplovimi spojinami, v

nekaterih primerih uporabljamo tudi ozon

Dezinfekcija

klorinacija

deklorinacija z aeracijo

Indikatorski mikroorganizmi

Za onesnaženost voda s fekalijami uporabljamo indikatorske

mikroorganizme. Od indikatorskega mikroorganizma zahtevamo:

• prisoten mora biti vedno ko se pojavi patogen mikroorganizem

• prisoten mora biti samo takrat, ko obstaja nevarnost za okužbo

• prisoten mora biti v večjih gostotah kot patogen mikrob

• biti mora lahko odkrivljiv.

Univerzalnega indikatorja ni, za fekalne koliforme največkrat

uporabljamo E.coli.

Mejne vrednosti parametrov odpadne vode za odvajanje neposredno v vodo

parameter enota mejne vrednosti

kemijska potreba po kisiku – KPK mg/l 120

biokemijska potreba po kisiku – BPK5 mg/l 25

neraztopljene (suspendirane) snovi mg/l 80

nitratni dušik mg/l 30

nitritni dušik mg/l 1,0

amonijev dušik mg/l 10

celotni fosfor mg/l 2,0

skupno število koliformnih bakterij MPN/100 ml 20.000

število koliformnih bakterij fekalnega izvora število/100 ml 12.000

števili streptokokov fekalnega izvora število/100 ml 2.000

Uredba o emisiji snovi in toplote pri odvajanju odpadnih voda iz virov onesnaženja, kot splošna uredba in

Uredba o emisiji snovi pri odvajanju odpadnih vod iz komunalnih čistilnih naprav s posebnimi zahtevami za komunalne odpadne vode.

Mejne vrednosti parametrov odpadne vode za odvajanje neposredno v vodo

parameter enota zmogljivost čistilne naprave v PE

<2000 2000-10000 10000-100000 >100000

neraztopljena s. Mg/L - 60 35 35

NH4+ mg/L - 10 10 10

celotni dušik mg/L - - 15 10

celotni fosfor mg/L - - 2 1

KPK mg/L 150 125 110 100

BPK5 mg/l 30 25 20 20

učinkovitost za N % - - 70 80

učinkovitost za P % - - 80 80

Uredba o emisiji snovi in toplote pri odvajanju odpadnih voda iz virov onesnaženja, kot splošna uredba in

Uredba o emisiji snovi pri odvajanju odpadnih vod iz komunalnih čistilnih naprav s posebnimi zahtevami za komunalne odpadne vode.