in situ kunnostusten mahdollisuudet Martin Romantschuk

Maj and Tor Nessling
Foundation
IN SITU BIOREMEDIAATION
MAHDOLLISUUDET
Martin Romantschuk
Helsingin yliopisto
Ympäristötieteiden laitos
Lahti
KEINOT SELVITTÄÄ NÄYTTEEN
MIKROBISTON KOOSTUMUS
•
SUORA
VISUALISOINTI
(MIKROSKOPOINTI)
KOHTEEN KOKO
MIKROBISTO
MIKROBIEN
KASVATUS
DIVERSITEETIN
MÄÄRITYS DNA:n ja
RNA:n KAUTTA
(DGGE, sekv.)
RASVAHAPPOKOOSTUMUKSEN
ANALYSOINTI
HAJOTUS
TOIMINNAN
ANALYSOINTI
(Biolog, entsyymit)
MALLINTAMINEN
SIIRROSTAMINEN
Luonnon omat mikrobit usein riittävät
• Suomessa saastuneita maa-alueita yli 20 000
• Luontainen hajoaminen: Orgaaniset saasteet hajoavat,
mutta usein liian hitaasti
• Bakteerien ja muiden mikrobien hajotusvoimaa voi
stimuloida optimoimalla olosuhteita
• Mikrobeja voi myös lisätä, mutta useimmiten vertaus
“tuotanto ei nouse lisäämällä työntekijöitä vaan
parantamalla niiden työskentelyedellytyksiä” pätee
• Paikan päällä puhdistus yleistyy vähitellen.
Vakioratkaisu: massan vaihto
- vastaanottoasemat täyttyvät
- uusia lupia ei saa
 Vaihtoehto massanvaihdolle:
PIMA in situ puhdistus
eli maahan viedään hajotusvoimaa
Joskus ainoa vaihtoehto
TUTKIMUKSESTA KENTTÄSOVELLUKSIIN
• LABORATORIO
– Mikrokosmeja (1 - 20 L) ja altaita 500 L; Rumpu 5 m3
– Mallinnus, yhdistelmien testaus
• PILOTTILAITOS
– Lysimetrikenttä (16 x 2 m3 sylintereitä)
– Mallinnus kenttäoloissa Lahdessa
• KONTTIMITTAKAAVA
– Yritysyhteistyö, mm. Terrasor Oy
• KENTTÄ
– Puhdistettavia kohteita: Mikkeli, Jalasjärvi ja Kontula
– Yritysyhteistyö, mm. Nordic Envicon Oy
Käsitteitä
• PIMA pilaantunut maa (saastunut maakohde)
• Bioremediaatio – PIMA:n puhdistus yl. mikrobien avulla
– Fytoremediaatio – kasviavusteinen puhdistus
– Ritsomemediaaito – juuristopuhdistus
•
•
•
•
•
•
Biostimulaatio – kohteen mikrobien olojen parannus
Bioaugmentaatio – mikrobeja lisätään kohteeseen
Luontainen puhdistuminen (natural attenuation, MNA)
In situ – kohteessa (maan alla tms)
Ex situ – muualla
On site – kohteen luona
TÄYDEN MITTAKAAVAN ÖLJYISEN MAAN ON SITE PUHDISTUS:
BAKTEERIEN JA RAVINTEIDEN LEVITYS TIIVISEEN MAAHAN
ELEKTROKINETIIKAN AVULLA
600 m3 tiivistä
öljyllä saastunutta
maata
Käsittely kohteen
luona
Marraskuu –
maaliskuu (jopa 20 oC)
Auman sisällä
+35 oC
¾ aumasta
puhdistui
Loput puhdistui
erillisessä
käsittelyssä
VAIHTOEHTO: saasteiden hajotus maan sisällä:
in situ bioremediaatio
Photo: Tuula Tuhkanen
Avain onnistumiseen: Kohteen
ominaisuuksien tuntemus
• Riittävästi näytteitä:
– saasteen pitoisuus, laatu ja levinneisyys
– Muut saasteet (kuin ennestään tunnetut)
– C:N:P eli ravinteet
– pH
– Maan laatu: läpäisevyys, tasalaatuisuus ym.
– Muut seikat
Biologisen puhdistukset tehostamiskeinot:
pullonkaulojen poisto
• Lämpötilan nosto
• Hapen lisäys
– Hapellinen vesi, happea vapauttavat yhdisteet
• Muiden elektroniakseptorien lisäys
– liukenevuus veteen suuri (NO3, Fe3+ SO4)
– tarvittavan veden määrä pienempi
• Ravinteiden lisäys (N, P, …)
– Urea, metyleeniurea, salpietari, fosfaatti, …
• Surfaktanttien lisäys  biosaatavuus paranee
– Syklodekstriini, Tween, …
In situ käsittelyn ulottaminen
koko pilaantuneelle aluelle
Haasteet/ratkaisumallit
• Epätasaistesti jakautunut saaste
– Nesteen kierrätys kaikkialle (sähkökinetiikka)
– Kohdistettu kierrätys/kohdistettu käsittely hot
spotteihin – (menetelmä?)
• Maaperän rakenne epätasainen
– Yhdistelmäkäsittely jolla nesteen kierrätys
taataan kaikkialle (imeytys + sähkökinetiikka)
Biologisen in situ kunnostuksen riskit
ja niiden hallinta
• Epätietoisuus biohajoavuudesta/hajoamistuotteista
Mallinnus & testaus
• Biohajotus vaikea ulottaa kaikkialle
Maalajit ja saasteen jakautuma selvitettävä
 Käsittely valittava testitulosten perusteella
• Pilaavat yhdisteet mobilisoituvat käsittelyn
tuloksena
Riittävää seurantaa
Milloin siirretään maata,
milloin puhdistetaan paikan päällä?
Maaperä on saastunut
Saaste vähenee
itsestään
Monitorointi:
saaste ei leviä
luontainen
puhdistum.
Saaste ei vähene itsestään
Mallinnus:
biohajotus
toimii
Mikrobien
lisäys tai
biostimulaatio
Mallinnus:
kemiallinen
hapetus toimii
Kemiallinen
hapetus
 Päätös tapauskohtaisesti testien kautta!
Hajotus ei
toimi mallinnuksessa
Massan
vaihto
Mykoritsa
(Suillus
bovinus +
bakteerit)
kolonisoi
öljyistä
TAUSTAA
Uusi tutkimus perustuu
aikaisempiin havaintoihin:
– PAH hajotus aktivoituu
humusmaassa
– Humus indusoi nopeaa
adaptaatiota
– Juuristo ei lisää
humuksen tehoa
– Mikrobeja voi liikuttaa
elektrokineettisesti
Cumulative evolution of 14CO2
from pyrene degradation
Equal pyrene degradation in both cases
Monoaromaattihajotusbakteerin hajotukvyn leviäminen:
TOL-plasmidi leviää konjugaation kautta m-toluaattipitoisessa maassa
LIMES-projekti:
PIMA:n MIKROBIEKOLOGIAA
HUMUSEFEKTIN
TESTAUS KENTTÄOLOSUHTEISSA
Sähköosmoosi liikuttaa nesteitä maassa
Elektro-migraatio: ionit liikkuvat varauksen mukaan
Elektro-osmoosi: vesi liikkuu katodia kohti tiiviissä maassa
-
+
-
+
+
-
-
+
-
ANODI
-
-
+
-
-
+
+
-
KATODI
Tiiviissä maassa:
Tasavirta saa veden liikkumaan kohti katodia
Lisätty vesi kuljettaa ravinteita ja bakteereja
Lämpötila nousee
Maata voi kuivattaa
• Kosteusgradientti muodostuu
• pH-gradientti muodostuu
•Bakteerisolut liikkuvat veden
mukana mutta myös vastavirtaan
moisture content (%)
Microkosmitestit
50
-
17 cm
40
9 cm
30
1cm
20
10
0
-12
3
9
-1
(log (cfu g ))
5
bacterial density in soil
(log (cfu g-1 ))
bacterial density in soil
-4
0
4
8
12
Fine sand (without electricity)
0 days
1 day
2 days
3 days
6 days
7 days
7
-8
distance from centreline (cm)
Fine sand (with electricity)
9
+
0 days
1 day
2 days
3 days
6 days
7 days
7
5
3
-12
-8
-4
0
4
8
distance from centreline (cm)
12
-12
-8
-4
0
4
8
distance from centreline (cm)
12
Kohde 1: BIOAUGMENTAATIO vs. BIOSTIMULAATIO
ILMASTUS/RAVINNELISÄ/MIKROBILISÄYS
mg/kg dw
maaperän öljypitoisuus
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Alku
1
2
3
pitoisus alussa ja päivinä 28 ja 61
1.Kontrolli (vain
puulastuja)
2. Ravinteita
3. A. calcoaceticus
4. Rikastusviljelmä
4
maaperän öljypitoisuus
3000
Aloitus
Urealisäys
Ravinteita + lastuja
Kontrolli
2
Kontrolli
(ei lastuja)
Ravinne
2
Ravinteita
(ei lastuja)
Mikrobilisäys
Mikrobeja (ei lastuja)
Aloitus
mg/kg dw
2500
2000
1500
1000
500
0
Alku
5
6
7
8
pitoisuus alussa ja päivänä 61
Mikrobipitoisuus
Maa huokoiseksi
puulastuilla
Kontrolli
Kontrolli
Ravinne
Ravinteita
Bioaugmentaatiolla
Bakteeri
A. calcoaceticus ei näkyvää
Rikastus
Rikastusviljelmä vaikutusta mikrobi-
10 000 000
1 000 000
100 000
0
9
23
päivä
36
diversiteettiin
61
Mikrobipitoisuus
100 000 000
cfu/ml
cfu/ml
100 000 000
Urealisäys + lastuja
Ravinne
Kontrolli 2
Kontrolli
(ei lastuja)
Ravinne 2
Ravinteita
(ei lastuja)
Mikrobilisäys
Ravint+bakt
(ei last)
10 000 000
1 000 000
100 000
1
15
29
päivä
42
61
Kohde 2: VANHA POLTTOAINEASEMA
• Bensa-asema 80-luvulle  maaperässä
öljytuotteita > 10000 mg/kg
• n.1000 m3 pilaantunutta
• In situ käsittely jotta rakennukset säilytettäisiin
• Soili ohjelma  mahdollisuus testata
kokeellisia menetelmiä
Puhdistustilanne
Maan pinta
Vuotanut
öljysäiliö
Lämmön, hapen,
ravinteiden, yms. syöttö
valuttamalla tai
“sähköpumppauksella”
Maapartikkeleita
joissa öljykalvo
Pohjaveden
pinta
Kosteaa maata
bakteereita
öljylammikko
Liuennutta öljyä
Pohjaveden virtaus
Bensa-asema (jatk.)
• Käsittelyjärjestys (labrasta kentälle)
– Huokosilman imu  ei vaikutusta; liian märkä
– Biostimulaatio: ravinteita, elektroniakseptoreita ja
lämpöä elektro-kinetiikalla
Diesel poistui, bensa ei
– Electro-osmoottinen maan kuivaus
 uudestaan huokosilman imu  onnistui
Laboratoriomittakaavan
varusteita
Bensa-asema
II
+ anodi
-
+
kontti
- katodi
I
III
B
C
muuntaja
+
Pumppu
perustus
+
-
A
+
1m
D
Bensan pitoisuuden muutos haihduttamisen kautta
Vesipitoisuus
verrattuna maan
veden pidätyskykyyn
2000
1800
C5-C10 mg/kg dw
1600
water content 59 %, control
evaporation prevented
1400
1200
water content 59 %
1000
800
water content 75 %
600
water content 88 %
400
200
water content 100 %
0
0
3
9
weeks
Bensan haihtuminen nopeaa elektro-osmoosilla kuivatetusta maasta:
-Testattu laboratoriossa eri kostestasoilla
- Käytetty kentällä
2000
1800
1600
C5-C10 mg/kg ka
Bensa haihtuu nopeasti
electro-osmoosilla
kuivatusta maasta:
-Testattu eri kosteustasoilla
laboratoriossa
-Käytetty kentällä
Bensaa jäljellä maassa kolmen viikon
haihduttamisen jälkeen
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Ei veden lisäystä, Ei veden lisäystä,
korkki kiinni
korkki auki
Vesi 40%
Vesi 70%
Vesi 100%
Bensa-asema
käsittelyn jälkeen
Kohde 3: Dieselillä pilantuneen maan
bioremediaation laboratoriomallinnus:
Surfaktanttien käyttö
CYCLODEXTRIN vs. MÄNTYSUOPA
•Anna Haukka, Katri Lepikkö, Virpi Pajunen, Milla Punkari
1 % CD
1 % PS
nutrients + PS
nutrients + CD
nutrients
Contol (water)
LAB MALLINNUS: Cyclodextrin (CD) vs. mäntysuopa (PS)
- öljyinen maa 3.5 l (ca. 5 kg)
- Ravinteita:
kalium nitraatti C:N 1:10
fosfaattipuskuri (5-10 mM K2HPO4 ja 5-10 mM NaH2PO4)
- Nesteiden kierrätys:
1-2 x viikossa
+16 °C
LAB MALLINNUS: Cyclodextrin (CD) vs. Mäntysuopa (PS)
pH
mikrobiaktiviteetti
LAB MALLINNUS: Cyclodextrin (CD) vs. Mäntysuopa (PS)
Dieselöljyä maassa
PÄÄTELMÄT: Mäntysuopa + ravinteet stimuloi mikrobiaktiviteettia
Mäntysuopa ei lisännyt dieselin hajottamista
CD ja ravinteet lisäsivät dieselin hajotuksesta
CD lisäsi vaikutusta verratuna pelkkiin ravinteisiin
 TULOKSIA OSIN KÄYTETTY KENTÄLLÄ
Kohde 4: kreosoottilla saastunut
ratapölkkykyllästämö
• Käytössä 80-luvun loppupuolelle
• Kreosoottia maassa ja pohjavedessä
peruskallioon asti (15 m maan alla)
• Laboratoriotestit  pilottesti in situ  toimi
• Ei in situ jatkoa vaan maan poisto
• Täyden mittakaavan bioremediaatio off site
myöhemmin
Pilottesti: ca 100 m3
ravinteikas happirikas vesi
kierrätettiin elektro-osmoosin
ja imeytyksen avulla
Pilotmittakaavan in situ
käsittely kreosootin
poistamiseksi
Contaminate
d soil
Ano
de
quartz
sand
air
pump
Aeration of the
recycled liquid
1000
800
mg/kg d.w.
600
400
200
0
3
4
5
6
7
8
9
Weeks
Marsh 3 m
Marsh 4 m
Building 1-3 m
Building 4.5 m
40
30
20
Outside
Cathode
10
-10
Weeks
11
9
10
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
Temperature (ºC)
• Laboratoriotesti rohkaiseva
• Pilotmittakaava kohteessa
• 100 m3 käsitelty kierrättämällä
vettä (O2, pH puskuroitu, N, P
lisäykset)
• lpt: 6 oC  20 – 50 oC
• PAH pitoisuus aleni n. 90 %
neljässä kuukaudessa
Recycling
of
aerated
liquid
Catho
de
Addition of
nutrient and
microbial solution
Mikkelin
ratapölkkykyllästämö
PILE 4 15 m3
HUMUS
Soil moved to waste
treatment station
PILE 3 60 m3
DETERGENT P
+ NUTRIENTS
F
O
R
E
S
T
PILE 2
60 m3
CD +
NUTRIENTS
CONTAINER
HUMUS and NUTRIENTS
PILE 4
Humus or leca-gravel as a 10 cm
layer + Methyleurea
1H
3H
5L
7L
2H
4L
6L
8H
SURFACTANT + NUTRIENTS
PILES 1-3
PILE 1
Ca. 170 m3
WATER +
NUTRIENTS
NUTRIENTS
PILES 1-3
• CaO2
450 kg
• Methyleneurea 126 kg
• Potassium nitrate 80 kg
(1 g/kg)
(0,28 g/kg)
(0,17 g/kg)
Circulation of liquids
PILE 1
WATER
PILE 2
1% Cyclodextrin
PILE 3
5% Detergent-P emulsifier
Kreosootin ex situ käsittely:
-Biostimulaatio
-Biostimulatio plus cyclodextriini
-Humus effect
Täyden mittakaavan kreosoottibioremediaatio
Kreosootilla saastuneet
maa-aumat
8.11.2013
44
PÄÄTELMÄ
TUNTEMALLA MIKROBIT, OLOSUHTEET,
HAJOTETTAVAT YHDISTEET JA NÄIDEN
SUHTAUTUMINEN TOISIINSA BIOHAJOTUSTA
VOIDAAN TEHOSTAA - MYÖS IN SITU