Metody fizyczne, termiczne, chemiczne i biologiczne unieszkodliwiana związków toksycznych występujących w odpadach Jacek Antonkiewicz Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Rok akademicki 2013/2014
Podział metod unieszkodliwiania związków toksycznych na podstawie kryterium miejsca stosowalności danej metody Wyróżniono dwie grupy metod: 1. Metody ex-situ stosowane poza miejscem składowania odpadu; 2. Metody in-situ stosowane bezpośrednio na odpadzie lub terenie składowania odpadu. W przypadku metod in-situ odpad poddany detoksykacji nie jest przemieszczany, a w przypadku metody ex-situ odpad jest przemieszczany do specjalnie skonstruowanych instalacji.
Techniki unieszkodliwiania zanieczyszczeń: Charakteryzując techniki unieszkodliwiania zanieczyszczeń wprowadzono podział opierając się na charakter metody: I. Metody inżynieryjne - (obejmuje metody tradycyjne, oparte na usunięciu i składowaniu zanieczyszczeń np. na składowisku i/lub zastosowaniu odpowiednich barier. II. Metody (techniki) procesowe - obejmuje procesy: fizycznej, biologicznej i chemicznej stabilizacji lub solidyfikacji oraz obróbki termicznej.
II. Metody procesowe: W tej grupie zastosowano kolejny podział, oparty na kryterium typu stosowanej techniki. Są to następujące metody: 1. Fizyczne obejmuje mycie i sortowanie oraz procesy ekstrakcji; 2. Biologiczne obejmuje procesy in-situ, statyczne procesy ex-situ, dynamiczne procesy ex-situ oraz bioakumulację; 3. Chemiczne to procesy utleniania i redukcji, dehalogenację, ekstrakcję, hydrolizę i regulację ph; 4. Stabilizację i solidyfikację z wykorzystaniem cementu portlandzkiego, wapna, krzemianów, glinokrzemianów, polimerów i innych substancji dodawanych do gleb; 5. Termiczne obejmuje desorpcję chemiczną, spalanie i zeszklenie.
Podział metod unieszkodliwiania zanieczyszczeń Spalanie Technologie ex-situ Metody fizyczne Technologie in-situ Ekstrakcja parowa odpadu Napowietrzanie Desorpcja termiczna Ekstrakcja parowa z odpadu Zautomatyzowana segregacja odpadu radioaktywnego Wspomagana termicznie ekstrakcja parowa odpadu Stosowanie barier Elektroremediacja odpadu Odmywanie odpadu Solidyfikacja / stabilizacja / sorpcja/ immobilizacja chemiczna Dehalogenacja Ekstrakcja rozpuszczalnikowa Chemiczne i fotochemiczne utlenianie / redukcja Metody chemiczne Przemywanie odpadu Solidyfikacja / stabilizacja / sorpcja/ immobilizacja chemiczna Kompostowanie odpadów Bioreaktory / filtry mikrobiologiczne Metody biologiczne Bioremediacja odpadów Fitoremediacja odpadów
Nowoczesne rozwiązania? Istotną grupę stanowią rozwiązania nowoczesne. Są one często w stadium badań, dlatego nie znajdują powszechnego zastosowania w praktyce detoksykacji odpadów, są to: Adsorpcja na polimerach; Fotoliza; Technika spalania w łuku plazmowym; Witryfikacja; Proces mieszany z użyciem elektroosmozy.
I. Wybrane metody fizyczne unieszkodliwiania związków toksycznych występujących w odpadach
Metody fizyczne - Wydobycie i gromadzenie odpadów
Metody fizyczne Izolacja powierzchniowa odpadów Izolacja powierzchniowa jest metodą fizyczną polegającą na przykryciu zanieczyszczonych odpadów i uniemożliwienie migracji zanieczyszczeń do środowiska. Pokrywa może składać się z kombinacji różnych materiałów, takich jak: włókna syntetyczne, ciężkie gliny i czasem beton. Metoda jest stosowana in situ.
Uszczelnienia powierzchni składowisk odpadów zalecane w przepisach różnych krajów w tym POLSKA W projektowaniu składowisk (rekultywacji) głównym problemem staje się zapewnienie izolacji mas odpadów od otaczającego środowiska. W zależności od warunków geologicznych i parametrów składowiska należy dobierać odpowiednie konstrukcje uszczelnienia.
Uszczelnienia powierzchni składowisk odpadów zalecane w przepisach USA Najnowsze zasady projektowania i budowy uszczelnień oparte są na opracowanej w USA koncepcji wielokrotnych barier zabezpieczających. Rozwiązania takie zabezpieczają środowisko przed skażeniem substancjami pochodzącymi ze składowiska
Uszczelnienia powierzchni składowisk odpadów zalecane w przepisach obowiązujących w NIEMCZECH W przypadku dużych składowisk stosuje się np. dwie warstwy drenażowe i podwójne warstwy uszczelniające.
Uszczelnienia powierzchni składowisk odpadów zalecane w przepisach obowiązujących we WŁOSZECH W przypadku składowisk obojętnych można zrezygnować z warstwy drenażowej lub z warstwy uszczelniającej.
Procesy spalania - Piec obrotowy I. Spalanie całkowite CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O II. Półspalanie 2 CH 4 + 3 O 2 2 CO + 4 H 2 O III. Spalanie niecałkowite CH 4 + O 2 C + 2H 2 O Rodzaj produktów spalania zależy od ilości tlenu użytego w reakcji
Desorpcja termiczna Projekt Wiedza i umiejętności kluczem do sukcesu inżynierów Ochrony Środowiska oraz
Metoda BAG Jest metodą fizykochemiczną opartą na właściwościach sorpcyjnych i jonowymiennych specyficznych glinokrzemianów - zeolitów. Ta metoda rekultywacji jest skuteczna do oczyszczania gleb z metali ciężkich (w tym radioaktywnych) oraz z wybranych związków organicznych lub do ich unieruchomiania. Metoda jest stosowana in situ oraz ex situ. Naturalny zeolit Budowa zeolitów
II. Wybrane metody chemiczne unieszkodliwiania związków toksycznych występujących w odpadach Osad pocelulozowy Osad chemiczny
Metody chemiczne - Dehalogenacja Przykłady dehalogenacji (reakcje eliminacji) H H H-C-C-H Cl Cl H Zn C H C + + H H ZnCl 2 H H H-C-C-H H Cl H H + KOH H C C OH + H H KCl
Reakcje eliminacji halogenków alkilowych Substytucja H H H-C-C-H H Br H H + OH H-C-C-H + H OH Br Eliminacja H H H-C-C-H H Br H H + OH C=C + OH + 2 H H Br Źródło: McMurry J. 2007. Chemia organiczna. Wyd. PWN, ss. 1176.
Ekstrakcja rozpuszczalnikowa Metoda ekstrakcja rozpuszczalnikowa podobna jest do metody odmywania gleby. Podobne rozpuszcza się w podobnym Substancje rozpuszczają się w podobnych rozpuszczalnikach i mieszają się z nimi, tzn. substancje hydrofobowe rozpuszczają się w rozpuszczalnikach hydrofobowych apolarnych. Substancje hydrofilowe rozpuszczają się w rozpuszczalnikach hydrofilowych polarnych. Wyjątek Miś polarny!
Fotochemiczne usuwanie zanieczyszczeń fotochemiczne oczyszczanie wód fotodegradacja tworzyw stałych fotobiodegradacja fotodetoksykacja ścieków polimerów (opakowania) fotokatalizatory półprzewodnikowe np.: TiO 2, Fe 2 O 3, ZnS, CdS barwników i pigmentów organochemikaliów
Schemat procesu immobilizacji zanieczyszczeń in-situ i ex-situ Strefa monitoringu Mieszanie z dodawaniem substancji wiążących Strefa monitoringu Miejsce występowania zanieczyszczeń Miejsce występowania zanieczyszczeń Blokowo In situ Miejscowo Miejsce występowania zanieczyszczeń Wydobycie Zanieczyszczonej gleby Ex situ Unieruchomienie Zanieczyszczeń (mieszanie) Miejsce składowania Dodatki wiążące
Schemat procesu elektrooczyszczania
III. Wybrane metody biologiczne unieszkodliwiania związków toksycznych występujących w odpadach Metoda osadu czynnego Masa organiczna odpadu
Metody biologiczne kompostowanie odpadów Kompostowanie to proces, w którym różnego rodzaju i pochodzenia materia organiczna odpadów poddawana jest mikrobiologicznej fermentacji tlenowej, w wyniku której uzyskuje się kompost. Do kompostowania nadają się wszelkiego rodzaju organiczne odpady gospodarstwa rolnego, a także stałe odpady komunalne i przemysłowe takie jak: odpady gospodarskie - plewy, słoma, chwasty (bez nasion), łęty ziemniaczane, łodygi kukurydzy, odchody zwierząt, ludzi i inne, odpady przemysłowe - kora, trociny, odpady z rzeźni, odpady komunalne, osady ściekowe, związki organiczne naturalne - torfy liście i igliwie drzew, szlam z rowów i stawów i inne.
Metody biologiczne - Wentylacja odpadów Ograniczony dostęp tlenu to czynnik limitujący przebieg bioremediacji in situ. Dotyczy to zanieczyszczenia węglowodorami lub innymi biodegradowalnymi substancjami chemicznymi. Najczęściej stosuje się następujące sposoby natleniania odpadów: wentylacja, którą prowadzi się poprzez iniekcję czyli wtłaczanie powietrza do odpadu pod zwiększonym ciśnieniem przez układ przewodów (drenów), stosowanie rozcieńczonych roztworów nadtlenku wodoru (H 2 O 2 ), który umożliwia tlenowy (aerobowy) metabolizm mikroorganizmów, Stosowanie zabiegów agrotechnicznych: spulchnianie odpadów poprzez mechaniczne zabiegi np. kultywatorowanie, bronowanie.
Biodegradacja ryzosferyczna odpadów Fot. I. Paśmionka Fot. J. Antonkiewicz System korzeniowy tworzący pożywkę dla mikroorganizmów
Fitostabilizacja odpadów Ryc. S. Gawroński
Pierwiastki: Se, As, Hg Fitoulatnianie zanieczyszczeń z odpadów Ryc. B. Tomaszewska w modyfikacji autora
Literatura Rosik-Dulewska 2008. Podstawy gospodarki odpadami. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa, ss. 342.