Remediacja gruntu skażonego produktami ropopochodnymi

Jednak usuwanie skutków skażenia jest procesem długotrwałym, wymagającym stosowania skomplikowanych technologii, a tym samym kosztownym. Dlatego też należy rozwijać technologie służące odnowie środowiska, które gwarantują wysoką skuteczność rekultywacji przy mniejszych kosztach.

Do takich technik należy zaliczyć usuwanie różnego rodzaju zanieczyszczeń z wykorzystaniem żywych mikroorganizmów (biotechnologie). Pod pojęciem biotechnologii należy rozumieć zintegrowaną wiedzę biologiczną i techniczną, wykorzystującą biochemię, mikrobiologię i nauki inżynieryjne w celu technologicznego (przemysłowego) wykorzystania drobnoustrojów i (lub) kultur tkankowych¹.

Biotechnologie już teraz należą do grupy dynamicznie rozwijających się dziedzin z pogranicza nauki i technologii. Posiadają także tę zaletę, że procesy biologiczne przebiegają w normalnych warunkach – w niskiej temperaturze (30-60^oC), przy zwykłym ciśnieniu i bez udziału chemicznych katalizatorów – co powoduje, że są one znacznie mniej energochłonne niż tradycyjne technologie chemiczne. Generowane w tych procesach odpady na ogół nie powodują zagrożenia dla środowiska, stosunkowo łatwo podlegają unieszkodliwieniu, a dość często nadają się nawet do dalszego przetworzenia i wykorzystania (zazwyczaj również metodami biologicznymi).

Metody biologicznej odnowy gleby i wód gruntowych należy uznać za najbardziej przyjazne dla środowiska, ponieważ z reguły wywodzą się bezpośrednio z procesów samoistnie w nim zachodzących. Dlatego też najlepszym sposobem oczyszczania gruntów jest stworzenie organizmom znajdującym się w zanieczyszczonym środowisku możliwie najkorzystniejszych warunków rozwoju. Dotyczy to głównie zapewnienia odpowiedniej ilości substancji biogennych, optymalnego natlenienia i nawodnienia oraz odczynu i – w miarę możliwości – warunków termicznych. Optymalizacja tych warunków pozwala bowiem na zintensyfikowanie procesów biodegradacji, zachodzących w glebie i wodach gruntowych w obecności mikroorganizmów.

Zastosowanie biotechnologii w wielu wypadkach pozwala na usunięcie zanieczyszczenia w rozsądnym horyzoncie czasowym, przy znaczącej obniżce kosztów tego typu przedsięwzięcia.

Do zalet stosowania metod biologicznych do oczyszczania środowiska należy zaliczyć bezpośrednią degradację zanieczyszczenia, a nie jego transfer pomiędzy mediami, wykorzystanie procesów metabolicznych mikroorganizmów w celu rozkładu zanieczyszczeń do końcowych produktów przemian (wody i CO₂) oraz niewielkie wydatki energetyczne (źródłem energii potrzebnej do unieszkodliwienia zanieczyszczeń w przeważającej części są same zanieczyszczenia). Ponadto wykorzystywanie technik bioremediacji „in situ” (usuwanie zanieczyszczeń w miejscu ich występowania) nie prowadzi do dewastacji krajobrazu i można je stosować w terenach wysoko zurbanizowanych.

Wadą biotechnologii jest natomiast długość procesu, który może trwać kilka lub nawet kilkanaście lat – w przypadku metody „in situ” zależy to od warunków pogodowych.

W Polsce największe zagrożenie dla środowiska przyrodniczego stanowią zanieczyszczenia wód i gruntu substancjami powstającymi w trakcie przetwórstwa, dystrybucji i transportu ropy naftowej oraz jej pochodnych. Radykalnie zmieniają one fizykochemiczne i biologiczne właściwości gleby i wód gruntowych, co prowadzi do zahamowania życia biologicznego, a proces naturalnego oczyszczania w skrajnych przypadkach może trwać nawet kilkaset lat. Zastosowanie technik wykorzystujących wyselekcjonowane biopreparaty pozwala skrócić ten okres do kilku lat. Mikroorganizmy posiadają zdolność degradacji praktycznie wszystkich występujących w środowisku substancji, choć podatność różnych węglowodorów na rozkład jest różna. Kinetyka rozkładu nasyconych alkanów jest najszybsza i maleje wraz ze wzrostem rozgałęzień w łańcuchu oraz wystąpieniem pierścieni aromatycznych. Rozkład biologiczny substancji ropopochodnych jest procesem skomplikowanym, wieloetapowym i może zachodzić w warunkach zarówno tlenowych, jak i beztlenowych.

Przed rozpoczęciem bioregeneracji gruntów konieczne jest przeprowadzenie badań, które pozwolą wybrać optymalną metodę. Powinny one wykazać, z jakimi substancjami zanieczyszczającymi mamy do czynienia, jaki jest ich metabolizm w żywych komórkach, oraz określić, jakie są właściwości fizyczne gruntu i ilości zanieczyszczeń w glebie. W większości technologii biologicznego oczyszczania gruntów stosuje się intensyfikację naturalnego procesu przez wykorzystanie odpowiednio dobranych i przygotowanych zespołów mikroorganizmów, wyspecjalizowanych pod kątem rozkładu określonych typów zanieczyszczeń. Zespoły te, określane mianem biopreparatów, są kompozycjami mikroorganizmów o określonym składzie jakościowym i ilościowym, a wprowadzone do środowiska umożliwiają (a czasami wręcz warunkują) efektywny rozwój mikroflory, wspomagając procesy degradacji zanieczyszczeń. Biopreparaty tworzy się na bazie wyizolowanych z naturalnych siedlisk szczepów mikroorganizmów, wyselekcjonowanych i zaadaptowanych do określonych warunków w taki sposób, aby cechowały się dużą żywotnością i synergią w stosunku do oczyszczanego środowiska.

Intensyfikacja procesu bioremediacji gruntów i wód podziemnych wymaga także stworzenia korzystnych warunków wzrostu mikroorganizmów i optymalizacji procesu biodegradacji zanieczyszczeń poprzez odpowiednią aerację gruntu i wód podziemnych, zapewnienie odpowiedniego poziomu odczynu (oznaczanego jako pH), wilgotności, temperatury oraz dostawę mikroelementów pod postacią specjalnie dobranych pożywek i substancji mineralnych.

W wyniku wycieku oleju opałowego z nieszczelnego rurociągu teren byłych zakładów zbożowych został zanieczyszczony produktami ropopochodnymi. Powagę sytuacji potęgowała bliskość rzeki Parsęty (750 m od granicy działki). Obecność substancji ropopochodnych stwierdzono w środowisku gruntowo-wodnym i w kanalizacji deszczowej.

Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska zobowiązał właściciela gruntu do wykonania łapacza oleju oraz kompleksowej oceny stanu środowiska. Do użytku oddano zatem łapacz oleju, oczyszczający wody na wylocie sieci kanalizacji deszczowej, i sieć piezometrów kontrolnych, przeznaczonych do obserwacji zanieczyszczenia wód podziemnych.

Projekt technologii oczyszczania gruntu w 2008 r. uzyskał akceptację Regionalnej Dyrekcji Ochrony Środowiska w Szczecinie, a następnie został wdrożony do realizacji. Zanim jednak przystąpiono do dawkowania biopreparatów, z zanieczyszczonego terenu usunięto podziemne zbiorniki oleju opałowego i ułożony tam bruk oraz wykonano trzy odwierty do głębokości ok. 5 m, z których pobrano próbki gleby i wód gruntowych do badań laboratoryjnych. Glebę analizowano pod kątem zawartości oleju mineralnego, benzenu, toluenu, etylobenzenu i ksylenu (BTEX) oraz wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA), które potraktowano jako wartości wyjściowe.

W próbkach gruntu nie stwierdzono występowania węglowodorów aromatycznych i benzyn. Za to zawartość oleju mineralnego kształtowała się na poziomie od 1400 do 25 500 mg/kg s.m., co stanowiło duże przekroczenie wartości dopuszczalnej, wynoszącej dla gleb z obszarów przemysłowych z grupy C 1000 mg/kg s.m. (grupa C, określona w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z 9 września 2002 r. w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi – DzU nr 165, poz. 1359, obejmuje tereny przemysłowe, komunikacyjne i górnicze – przyp. red.). Wyniki badań bazowych wykazały, że teren został skażony olejem opałowym, który zawiera niemal wyłącznie alifatyczne węglowodory o długości łańcucha zawartej w przedziale C10-C40.

Natomiast w próbkach wód gruntowych wartość oleju mineralnego przekraczała dopuszczalną normę, wynoszącą dla wód z obszarów z grupy C 0,6 mg/l i zawierała się w przedziale od ok. 3 mg/l aż do ok. 3100 mg/l.

Po wykonaniu wstępnych analiz w obrębie oczyszczanego terenu zainstalowano system nawadniająco-odwadniający, separator olejów oraz zbiornik podstawowy, do którego doprowadzana była woda po separatorze. Zbiornik wyposażono w ruszt napowietrzający oraz system wprowadzania oczyszczonej wody do gleby. Uproszczony schemat instalacji przedstawiono na rysunku.

Zastosowany do rekultywacji terenu proces miał na celu likwidację zanieczyszczeń bezpośrednio w miejscu ich występowania, z zastosowaniem biopreparatów, metodą szczepienia bezpośredniego. Polegała ona na pompowaniu wody gruntowej z otworów piezometrycznych w celu wytworzenia leja depresyjnego. Olej opałowy, jako substancja o mniejszej od wody gęstości, spływał po powierzchni wody i gromadził się we wszystkich otworach piezometrycznych. Olej oraz emulsje olejowo-wodne były czerpane z otworów i kierowane do odstojnika, gdzie następowała samoczynna separacja oleju opałowego i wody. Ten pierwszy był utylizowany w miejscowej suszarni zboża, natomiast zanieczyszczona woda i emulsje olejowo-wodne, które nie dały się rozdzielić, były kierowane do bioreaktora. Tam dopływała również zanieczyszczona woda gruntowa, pompowana z otworów piezometrycznych. Do zbiornika tego podawane były biopreparaty i niezbędne do rozwoju mikroorganizmów substancje pożywkowe. Warunki panujące w bioreaktorze sprzyjały rozwojowi szczepów bakterii, które rozkładały długołańcuchowe węglowodory alifatyczne do prostszych związków organicznych, a w konsekwencji do CO₂ i wody.

Oczywiście, do całkowitej degradacji tego typu węglowodorów konieczny jest długi czas (nieraz kilka tygodni), dlatego na ogół w reaktorze nie dochodziło do pełnego ich rozkładu. Napowietrzona i zaszczepiona biopreparatami woda ze zbiornika reakcyjnego była ponownie wprowadzana do poddawanego oczyszczaniu gruntu systemem metalowych iniektorów na głębokość ok. 25 – 50 cm oraz rozdeszczana. Miało to na celu wypłukanie z powierzchniowych warstw gleby zakumulowanych w niej zanieczyszczeń ropopochodnych oraz dostarczanie do gruntu bakterii, które mogły rozkładać znajdujące się w nim węglowodory. Wydajność tego procesu zależała od zawartości tlenu zarówno w wodzie gruntowej, jak i warstwach gleby, dlatego też jednym z priorytetów było należyte napowietrzenie wprowadzanej do gleby wody. Ze względu na uwarunkowania techniczne i ekonomiczne zdecydowano, że obieg wodny w tym rejonie będzie częściowo otwarty, a gwarancją, iż zanieczyszczone wody gruntowe nie przedostaną się poza obszar podlegający rekultywacji (o powierzchni 1800 m²), było stałe działanie systemu odwadniającego, zainstalowanego w otworach piezometrycznych, który powodował powstawanie leja depresyjnego.

W trakcie procesu zastosowano dwa biopreparaty zawierające mikroorganizmy i enzymy do degradacji związków organicznych o łańcuchach zawierających do 40 atomów węgla. Posiadały one aktualny atest PZH, pozwalający na ich stosowanie bez szczególnych ograniczeń. Dla prawidłowego rozwoju kultur bakteryjnych wykorzystano także nawóz mineralny, zawierający podstawowe substancje odżywcze, a do korekcji odczynu gleby – wapno hydratyzowane.

Bezpośrednio po rozpoczęciu pompowania wody w znajdujących się w obrębie leja depresyjnego otworach piezometrycznych stwierdzono zwiększony poziom oleju opałowego, gromadzącego się na powierzchni wody. Dotyczyło to zwłaszcza otworu pompowanego oraz otworów znajdujących się w jego pobliżu. W pozostałych piezometrach, usytuowanych na obrzeżu leja depresyjnego, zaobserwowano jedynie występowanie filmu olejowego lub też emulsji wodno-olejowych o niewielkiej, nieprzekraczającej kilku milimetrów miąższości. Emulsje te gromadzono w osobnym zbiorniku i każdorazowo udało się jeszcze z niego zebrać ok. 25 – 30% oleju opałowego. Pozostałą część emulsji olejowo-wodnych wprowadzano do wykopu powstałego po usunięciu podziemnych zbiorników oleju opałowego, w celu rozłożenia ich przez bakterie. wodę wprowadzano do gruntu, a jej nadmiar wykorzystywano do polewania powierzchni oraz wprowadzano do wybranych otworów piezometrycznych znajdujących się na obrzeżu zanieczyszczonego obszaru i do wykopu po zbiornikach oleju opałowego, które wykorzystywano jako dodatkowy bioreaktor. Rozdeszczona woda (napowietrzona i zaszczepiona biopreparatami) tworzyła rozlewisko doskonale zaadaptowało się do roli dodatkowego bioreaktora. Dobre nasłonecznienie i kontakt z powietrzem atmosferycznym wpływały pozytywnie na przebiegające procesy rozkładu węglowodorów podnosząc temperaturę wody i zwiększając jej konwekcję w obrębie rozlewiska, co z kolei powodowało równomierne natlenienie. Prace rekultywacyjne zawieszano na okres zimowy, a instalację częściowo demontowano w celu jej konserwacji.

Remediację prowadzono przez cztery lata, a jej zakończenie nastąpiło jesienią 2011 r. Ilość usuwanych z otworów piezometrycznych węglowodorów systematycznie spadała, dlatego zdecydowano o przeprowadzeniu wierceń w celu wykonania analiz gruntu z różnych głębokości i dokonania oceny stopnia jego zanieczyszczenia. Z wywierconych otworów badawczych pobrano do analizy próbki gruntu, w celu określenia zawartości substancji ropopochodnych na głębokościach: 1 m, 2 m, 3m, 4 m i 5 m poniżej poziomu gruntu (tabela). Lokalizację otworów badawczych wybrano tak, aby znalazły się w pobliżu otworów piezometrycznych, z których pobierano próbki gruntu przed rozpoczęciem prac remediacyjnych oraz otworów piezometrycznych, wokół których grunt był najbardziej zanieczyszczony.

Na podstawie ilości usuwanego z zanieczyszczonego terenu oleju opałowego, a także wyników analiz chemicznych wykonywanych w trakcie remediacji zaobserwowano pozytywne rezultaty podjętych działań. W 2008 r. ilość oleju opałowego usunięta mechanicznie z zanieczyszczonego terenu wynosiła ok. 0,25 l/m³ oczyszczonej wody, natomiast rok później wskaźnik ten został zredukowany do ok. 0,16 l/m³, a w roku 2010 – do blisko 0,05 l/m³. W ubiegłym roku wartość ta była już bardzo mała i wyniosła ok. 0,03 l/m³, co wskazuje na malejącą zawartość oleju w zanieczyszczonym gruncie.

W trakcie prac remediacyjnych średnia dobowa ilość wody gruntowej, podlegająca cyrkulacji, kształtowała się na poziomie ok. 3,9 m³. W okresie czteroletnich prac procesowi bioremediacji poddanych zostało w sumie ok. 3360 m³ wody gruntowej.

Podczas prac nad rekultywacją zanieczyszczonego terenu z gruntu usunięto mechanicznie łącznie ok. 369,7 l oleju opałowego, natomiast blisko 141,4 l (w postaci emulsji olejowo-wodnych) zostało rozłożone w wyniku biodegradacji. Należy zauważyć, że napowietrzoną wodę z biopreparatami aplikowano do zanieczyszczonego gruntu, a więc procesy biodegradacji oleju opałowego przebiegały także w glebie, dopóki pozwalała na to obecność tlenu. Niestety, nie istnieje metoda, która pozwoliłaby na obiektywne oszacowanie, ile zanieczyszczeń ropopochodnych zostało usuniętych bezpośrednio w gruncie.

Sprawność procesu bioremediacji – mierzona jako różnica ilości oleju opałowego w wodzie dopływającej do instalacji oczyszczenia i w wodzie odpływającej z tej instalacji – wynosiła średnio 94,5%, przy czym najniższą sprawność zaobserwowano w 2009 r. – ok. 86,1%, natomiast najwyższą w 2010 r. – 99,7%.

W 2010 r. po raz pierwszy uwidoczniły się także inne oznaki spadku ilości zanieczyszczeń terenu podlegającego remediacji – skażony teren zaczął porastać różnego rodzaju roślinnością. Pojawiły się także kopce kretów, co pozwalało przypuszczać, że gleba do głębokości ok. 1 m osiągnęła stan umożliwiający egzystencję roślin i zwierząt. W ubiegłym roku rozwój roślinności na zanieczyszczonym terenie był na tyle dynamiczny, że znacząco poprawił stopień przepuszczalności gruntu, co pozwoliło na intensywniejsze niż dotąd zraszanie terenu oczyszczoną wodą gruntową. Należy sądzić, że systemy korzeniowe roślin spulchniły wierzchnią warstwę gleby wystarczająco, aby woda w trakcie zraszania szybko wsiąkała w grunt, a nie – jak uprzednio – przez długi czas tworzyła rozległe zastoiska. Należy dodać, że przed rekultywacją na zanieczyszczonym terenie roślinność pojawiała się w znikomym stopniu, a zwierzęta praktycznie nie występowały.

Podstawowym parametrem pozwalającym na określenie stopnia zanieczyszczenia terenu były analizy gruntu pobranego z różnych głębokości oraz analizy wód gruntowych w obrębie jego występowania (tabela).

Analiza wody z pompowanych otworów piezometrycznych już od połowy 2010 r. wskazywała na znaczącą redukcję zanieczyszczeń, ponieważ ilość substancji ropopochodnych, oznaczana jako indeks oleju mineralnego, kształtowała się na granicy oznaczalności metody wynoszącej 0,01 mg/l lub nawet poniżej tej granicy. Oceniając jakość zanieczyszczonego gruntu kierowano się wytycznymi zapisanymi w publikacji Państwowej Inspekcji Ochrony Środowiska pt. „Wskazówki metodyczne do oceny stopnia zanieczyszczenia gruntów i wód podziemnych produktami ropopochodnymi i innymi substancjami chemicznymi w procesach rekultywacji”. Na podstawie informacji tam zawartych należy przyjąć, że dla gruntów z grupy C o przepuszczalności 1 x 10^-7 m/s na głębokości 2-15 m poniżej poziomu terenu dopuszczalny poziom zanieczyszczenia olejami mineralnymi to 1000 mg/kg s.m., natomiast dla wód podziemnych przy tych samych parametrach – 600 mg/dm³.

Na podstawie analiz gruntu z pięciu nowych otworów badawczych stwierdzono, że największa zawartość substancji ropopochodnych, określona jako indeks oleju mineralnego tej próbki gruntu, wynosi ok. 12,4 mg/kg s.m. Biorąc pod uwagę, jak wysoka była zawartość węglowodorów w analizach bazowych, wykonanych w 2008 r., poziom redukcji zanieczyszczenia należy uznać za bardzo wysoki.

Znaczącą poprawę zaobserwowano także w jakości wód gruntowych. W początkowym okresie prac rekultywacyjnych zawartość substancji ropopochodnych, oznaczanych jako indeks oleju mineralnego w wodzie odpompowywanej z otworów piezometrycznych, kształtowała się na poziomie ok. 3 – 15 mg/l (w wodzie z otworu piezometrycznego nr 5 za pierwszym razem oznaczono nawet ok. 3100 mg/l), natomiast w 2011 r. indeks ten nie przekroczył 0,07 mg/l (przy wartości dopuszczalnej 0,60 mg/l).

Proces remediacji terenu można uznać za zakończony, ponieważ ilość węglowodorów obecna w glebie w 2008 r. spadła po czterech latach stosowania zabiegów rekultywacyjnych do poziomu znacznie niższego od maksymalnego dopuszczanego. Można także stwierdzić, że zastosowana technologia doprowadziła do oczyszczenia skażonego obszaru z substancji ropopochodnych.

Należy zauważyć, że w otworach piezometrycznych mogą jeszcze przez wiele lat pojawiać się okresowo śladowe ilości oleju opałowego w postaci filmów olejowych, czy też emulsji olejowo-wodnych. Jest to związane z właściwościami oczyszczanych gruntów, które w przypowierzchniowej warstwie wodonośnej składają się z drobnoziarnistych piasków przewarstwionych namułami organicznymi. Charakteryzują się one dużo mniejszą przepuszczalnością niż otaczające je piaski i w dużo większym stopniu mogą akumulować różnego rodzaju zanieczyszczenia – w tym substancje ropopochodne – stopniowo uwalniając je do otoczenia, np. w czasie zmian lustra wód gruntowych, wynikającego z warunków atmosferycznych. Ilości uwalnianych w ten sposób substancji ropopochodnych będą jednak na tyle małe, że nie będą stanowiły jakiegokolwiek zagrożenia dla środowiska.

Należy także zauważyć, że przez dwa lata od chwili zakończenia prac remediacyjnych prowadzony będzie monitoring środowiska gruntowo-wodnego. Gdyby zatem zawartość substancji ropopochodnych w wodach gruntowych uległa zwiększeniu ponad obowiązujące normy, dzięki monitoringowi będzie można temu przeciwdziałać.

Działania remediacyjne na obszarze skażonym olejem opałowym zakończyły się powodzeniem. Zawartość substancji ropopochodnych, obecnych w gruncie i wodzie gruntowej, po procesie oczyszczania zmniejszyła się do ilości śladowych, znacznie mniejszych od obowiązujących wymagań. Świadczy to także o prawidłowym wyborze technologii oczyszczania gruntu, która – chociaż trwała cztery lata – sprawdziła się w praktyce i przyniosła pozytywne rezultaty w postaci biodegradacji znacznych ilości substancji ropopochodnych.

1. Miksch K: Biotechnologia środowiskowa. Katowice 1995.

 

„ENERGOPOMIAR”, Zakład Chemii i Diagnostyki