Olajszennyezések kárelhárítása

1. Olajszennyezések kárelhárítása Dr. Fleit Ernő, egyetemi docens BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék 463 4260 e-mail: fleit@vkkt.bme.hu

2. Mi az olaj? Általánosságban az olaj szénhidrogének keverékéből áll. A nyersolajban egyaránt találhatunk nagyon illékony, kis molekulasúlyú anyagokat, mint pl., a propán vagy benzol, illetve nehéz komponenseket is, mint pl. a bitumenek, aszfaltok, viaszok és gyanták. A finomított olajokban kisebb, és specifikusabb vegyületcsoportokat találhatunk.

3. Olaj, kőszén és egyéb fosszilis őrületek Drill for oil? You mean drill into the ground to try and find oil? You’re crazy.(Lefúrni olajért? Úgy érti, lefúrni a földbe, hátha olajat találunk? Maga megőrült.) Kútfúró munkások, akiket Edwin L. Drake 1859-ben megpróbált beszervezni kísérleti olajfúrásaihoz

4. Mi történik ha az olaj a vízbe kerül? • A vízbe kerülő olaj, ha nem ütközik akadályba, gyorsan szétterül, és vékony filmszerű réteget alkot, majd az 1 mm vastag olajfedettség alakul ki. Tiszta vízben ez a fedettség terjed és fokozatosan 0,2 mm-nél alacsonyabb hártyává alakul. A szennyezett víz azonban akadályozhatja az olajhártya szétterülését, és akkor a véglegesen kialakuló rétegvastagság 1 mm körül marad. • A szemmel is érzékelhető vizekbe kerülő olaj legkisebb rétegvastagsága ~ 4×10-5 mm, ami 1 km2 felületre vetítve alig 40 l olaj.

5. Az olajszennyezés jellemzői

6. A kőolajszármazékok vízoldhatósága általában rossz

7. A keletkező emulziók - "a víz az olajban" és "az olaj a vízben" - tulajdonságaikban lényegesen eltérnek egymástól. • A "víz az olajban" emulzió, mint az olajos fázis része a víz felszínén úszik. • Az "olaj a vízben" emulzió pedig a vizes fázisba kerülő olajat tartalmazza. • A két emulzió természetesen egymásba átalakulhat, mennyiségük illetve arányuk a fizikai, kémiai, mikrobiológiai folyamatoktól függ.

8. Emulzióképzés keverővel. A vörös folyadék (szilikon olaj) viszkozitása 30,000 x a vízének (színtelen folyadék). Keverés 290 rpm,~ 110,000 Reynolds szám – a keverő csúcsán.(3 sec/kép)

9. Emulziók (nagymama húslevese) O/V – olaj a vízben emulzió

10. OIaj-a-vízben emulziók elrendeződése Az alkánok vízzel alkotott emulzióinak átlagos cseppátmérője tipikusan 0.2 - 4 µm.

11. Cross-Flow Emulsification (XME)Keresztáramlású emulzifikáció Monodiszperz emulziók előállítása

12. A várható folyamatok…

13. Az olajszennyezés minden formája káros

14. Az olajszennyezések ökológiai hatásai • Az olaj hatásai egyrészt az olajok fizikai természetéből adódnak (fizikai szennyezés és borítás) és/vagy a kémiai komponensek hatásaiból (toxikus és bioakkumulatív hatások). A vízi ökoszisztémákat a kárelhárítás is kedvezőtlenül érintheti. • A fő veszélyt a perzisztens maradványok jelentik, illetve a „víz-az-olajban” emulziók („csoki"). A szennyezett felszínnel kapcsolatba kerülő növények és ás állatok egyaránt károsodhatnak. (Emlősök, hüllők, madarak)

15. Ökológiai hatások • Az olaj legtoxikusabb komponensei gyorsan elpárolognak. Ennek következtében a nagyléptékű halálozások viszonylag ritkák, lokalizáltak, és gyorsan lezajlanak. A szubletális hatások következtében a vízi szervezetek szaporodása, növekedése károsodik, illetve krónikus hatások esetén elhullás következhet be. A szűrő életmódot folytató fenéklakók (csigák, kagylók, stb.) különösen „találva” vannak, az olaj mérgező komponenseivel. Ennek táplálékhálózati következményei is lehetnek, ideértve az emberi fogyasztást is (olajos íz vagy szag)!. Ez idővel eltűnik. • A növények és állatok érzékenysége az olaj szennyezésre eltérő. Ezért igen nehéz előrejelzéseket adni a lehetséges károsodásokról.

16. Milyen ökológiai szempontokat kell szem előtt tartanunk? • A perzisztens olajok és olajcsoki a parti területeken vizuálisan is szennyező látványként jelentkeznek, a friss nyersolaj és a könnyű finomított olajok pedig közvetlen tűz- és robbanásveszélyt okoznak. • Az olajkiömlések az alvízi vízhasználatokat korlátozhatják, vagy időlegesen ellehetetlenítik (ivó- és ipari vízkivétel), halastavak, rekreációs vízhasználatok, stb. • A károsodott víz ökoszisztémák egyes elemeinek helyreállási üteme NAGYBAN eltérő, a habitat károsodás mértékétől is függ. • Az olajkiömlés ritkán károsítja közvetlenül az idősebb halállományt (DE: ikrák, embriók, kisebb halak, illetve íz- és fogyasztói problémák. • A nagynyomású gőzzel történő tisztítás és a nehéz munkagépek (kárelhárítás) további károkat okozhatnak.

17. Az élőlények … Az olaj rátapad a madarak tollára, elvész a hőszigetelés, a testhőmérséklet csökken, a madár megfagyhat. Az olaj a táplálékkal vagy a vízzel a szervezetbe kerülve vérszegénységet, csökkent termékenységet okozhat. Sok gerinces hosszú életkorú és kevés utódot nevel, a populációk hosszú a regenerációs ideje. Az olaj a halakra és a kagylókra nézve is toxikus, ahogy az eltávolítására használt vegyszerek is azok. Káros hatásukat sokszor még 20 év múlva is lehet tapasztalni. Az olaj kis mennyiségben a halak szervezetébe kerülve nem vezet elhullásukhoz, viszont felhalmozódik, és a halakat elfogyasztó madarakban vagy emberekben okozhat mérgezési tüneteket. A szennyezések által érintett területeken gyakran közegészségügyi okokból évekre betiltják a halászatot, a halászok és közösségek elvesztik fő bevételi forrásukat.

18. 2001 Treasure tanker – Cape Town

19. Csak a tengeri szállítással kapcsolatos olajszennyezések adatai…

20. Tengeri balesetek nagyságrendjei Exxon Valdez (1990)• 38,800 tonna nyersolaj• 2,100 km tengerpart• US$210 millió költség• 250,000 madár• 2,800 tengeri vidra• 300 fóka

21. A legnagyobb tengeri balesetek helyszínei

22. A 700 tonnánál nagyobb kiömlések okai (1974-2001 csak tengeri balesetek!)

23. Mi történik, ha az olaj a vízbe kerül??? • 8 főbb folyamattal számolhatunk…

24. Terjedés, szétterülés…(1) • A kiömlést követően az olaj szétterül a vízfelszínén – a szétterülés gyorsaságát alapvetően az adott olaj viszkozitása szabja meg • A kiterülő olajfolt vastagsága nem uniform, és a szél hatására a csóva széttöredezik – a kiterülés (elvben) a monomolekuláris réteg kialakulásáig tart • A kiterülést megszabó környezeti tényezők: szélsebesség, vízhőmérséklet, hullámzás

25. Evaporáció – párolgás…(2) Ennek sebessége az olaj (komponensek) gőznyomásától függ Így pl. a petróleum, kerozin és dízel olajok csaknem teljesen elpárolognak néhány nap alatt – a vízfelszínről Hazai hőmérsékleti körülmények között a 200ºC feletti forráspontú komponensek 24 óra alatt elpárolognak Erős hullámzás és szél, illetve magasabb hőmérséklet erősíti a párolgást

26. Diszperzió…(3) • A hullámok és a vízfelszín turbulenciája az olajpaplant aprítja, diszpergálja, kisebb cseppekre. A kisebb cseppek szuszpenzióban maradnak (O/V) míg a nagyobbak (fajsúlykülönbség) újra a felszínre emelkednek. • A vízben szuszpendált olajnak nagyságrendekkel megnövekszik a fajlagos felülete és ez a természetes folyamatokat felgyorsítja (oldódás, biodegradáció és ülepedés). • A diszperzió sebességét alapvetően az olaj fajta és a víz állapota (hullámzás, szélsebesség) határozza meg. A leggyorsabb a diszperzió erős hullámzás és alacsony viszkozitású, könnyű olajok esetében.

27. Az olaj mesterséges diszpergálása Felületaktív anyagok (detergensek) és oldószerek Cél: a víz-olaj határfelületi feszültség csökkentése (diszperziófok növelés) Korlátok (környezetvédelem) Költségek

28. Emulzifikáció…(4) • Emulzió két folyadék elegyedésekor jön létre (O/V vagy V/O). A nyersolajok esetében a vízcseppek szuszpendálódnak az olajban, ennek eredménye egy nagyon viszkózus és perzisztens anyag képződése, amit olajgöbecsnek, v. olajcsokinak neveznek (chocolate mousse) • Az olajcsokiban a szennyezőanyag térfogata 3 – 4x-esére nő. Ez lelassítja a későbbiekben az olajeltávolításának természetes folyamatait. • A 0.5%-nál magasabb aszfalt tartalmú olajok stabil emulziókat képeznek, amelyek hónapokig fennmaradnak. • Az emulziók újra olajakat alkothatnak pl. napfény hatására (reverzibilis emulzifikáció) amelyek újra olajcsokivá alakulhatnak a parti zónákban.

29. Oldódás…(5) • Az olaj vízoldékony komponenseit a víz oldja. Ez a folyamat az adott olajfajta összetételétől és állapotától (hőmérséklet) is függ, leggyorsabban akkor megy végbe, ha az olaj finom diszperzióban eloszlik a víztest vertikális rétegeiben. • A legjobban oldódó komponensek a könnyű, aromás szénhidrogének, mint pl. a benzol és toluol. Ezek szintén könnyen párolognak, amely folyamat kb. 10 -100x gyorsabb folyamat az oldódásnál. • Az olajok természetéből adódóan az oldódás általában alárendelt jelentőségű folyamat. • A beoldódott vegyületek között sok a rákkeltő anyag.

30. Oxidáció…(6) • Az olaj az oxigénnel reagálva oldható komponensekre bomlik, illetve még perzisztensebb vegyületekké alakul át (kátrány). • Ezt a folyamatot a napfény is elősegíti (függően a környezeti körülményektől: hullámzás, diszpergáltság foka, stb.). • Ez rendkívül lassú folyamat, és még erős napfényben is a vékony olajfilmeknek is csak kb. 0.1%-a bomlik le naponként. • A kátrányok a nagy viszkozitású, és vastag olajrétegek (vagy emulziók) oxidációja során keletkeznek. • Az oxidációs folyamatban egy külső védőréteg formálódik a nehéz komponensekből ezért az olajszennyezés egésze lassabban bomlik le. A kátránygömböcök (ld. Duna part) ennek az oxidációs folyamatnak a végtermékei – belül lágyak, kenőcsösek, kívülről szilárd kéreg borítja azokat.

31. Ülepedés, lesüllyedés…(7) • Bizonyos finomított nehézolajok nehezebbek a víznél, ezért lesüllyednek. (A legtöbb nehézolaj azonban nem süllyed le). • A lesüllyedés többnyire akkor történik amikor lebegőanyag és üledékszemcsék épülnek be az olajba. Ez a mechanizmus különösen fontos a fenékig felkeveredő hazai sekély tavakon és folyókon. • A partra került olaj keveredve a homokkal és üledékkel visszamosódva a vízbe (hullámzás, áradás) szintén lesüllyed. A meggyulladt olaj után maradó reziduális anyagok többnyire elég nagy fajsúlyúak ahhoz, hogy lesüllyedjenek.

32. Biodegradáció…(8) • A felszíni vizek mindig tartalmaznak olyan mikroorganizmusokat amelyek részlegesen vagy teljesen képesek az olaj vízoldékony komponenseit teljesen (CO2 + H2O) vagy részlegesen lebontani. Bizonyos vegyületek azonban biológiailag bonthatatlanok. • A biodegradációt befolyásoló főbb tényezők: a tápanyagok (nitrogén és foszfor), hőmérséklet és oldott oxigén. • A biodegradáció oxigénigénye miatt a folyamat csak az olaj-víz határfelületen megy végbe, mivel az olajban nincs oldott oxigén. • Az olajcseppecskék létrejötte (természetes vagy mesterséges diszpergálással) megnöveli a határfelületet, és ezzel a biodegradáció sebességét.

33. Mindezek együttesen… • A terjedés, evaporáció, diszperzió, emulzifikáció és oldódás folyamatai elsősorban a kiömlést követő RÖVID időszakban játszanak fő szerepet. • Az oxidáció, szedimentáció és biodegradáció folyamatai inkább HOSSZABB TÁVON jelentenek hatást az olaj végső (további) sorsára. • Ezeknek a folyamatoknak a leírására több modellt fejlesztettek.

34. http://ceprofs.tamu.edu/rhann/index1.asp

35. Az olajok csoportosítása

36. A vízfelszínről történő eltávolítás időtartama az egyes csoportoktól függően…

37. A terjedés nyomon követése 2002 nov. 17. (Földközi tenger) Prestige tankhajó (2x annyi olaj, mint az Exxon Valdez-en) Felvétel: European Space Agency

38. Környezeti sors – olajfajtától függően

39. A vészhelyzet kezelése (Exxon Valdez, 1989)

40. Beavatkozási lehetőségek és technológiák Lefölözés és összegyűjtés Úszó és/vagy fixen rögzített merülőfalak

41. Úszó merülőfalak

42. Lefölöző berendezés (skimmer)

43. A leggyakrabban előforduló védekezési mód az úszó szennyeződések lokalizálása, illetve ezek eltávolítása, majd újrafelhasználása, vagy megsemmisítése. Ilyen módon történik a hazánkban a legnagyobb arányban (37,4%) előforduló rendkívüli szennyezés, a kőolaj szennyezés elleni védekezés.

44. A kőolaj és származékai okozta vízszennyezés esetén a védekezés műveletei: • a szennyezés lokalizálása, • a lokalizált szennyező anyag összegyűjtése és eltávolítása, • a szennyező anyag biztonságos elhelyezése, újrahasznosítása vagy megsemmisítése

45. A terjedés megakadályozása • Az olajszennyezés lokalizálásának klasszikus módja a merülőfalak alkalmazása. Ezek a víz felszínén úszó szerkezetek, amelyeknek egy része a víz felszíne fölött van, másik (alsó) része a víz felszíne alá nyúlik le. A merülőfalak működési elve, hogy a víz felszín közelébe eső réteg lezárásával a felszínen úszó olaj továbbhaladása adszorbensek segítségével megakadályozható. • Állóvizek esetében a szennyezett területet körül kell határolni, az olaj szétterjedésének megakadályozása céljából. • Kisebb vízfolyásokon, illetve kis vízsebesség esetén a helyszínen rendelkezésre álló anyagokkal (nád, rőzse) is megoldható a lokalizálás.

46. Lokalizáció Magyarországon a "T"-típusú merülőfal a legelterjedtebb, amely legfeljebb 200 m szélességű vízfolyásokon alkalmazható, 0,7 m/s vízsebességig. Szélesebb vízfolyásokon több lépcsős elrendezés alkalmazható. A merülőfal a vízfolyás felett kifeszített drótkötelekhez rögzíthető.

47. "T" profilú merülőfal elhelyezése vízfolyáson

48. Gépi eszközök a lokalizáláshoz • A bukógyűrűs vagy bukóéles olaj-víz keverék leszedőknél a bukóélen vagy bukógyűrűn átbukó keveréket szivattyúval távolítják el. • A forgódobos olajleszedők fő eleme egy vízszintes tengely körül forgó dob, melynek palástja a működő felület. • A felhordószalagos olaj leszedők két típusát alakították ki, melyek közül az egyiknél a felhordó szalag sík felületű, a másiknál műanyag hab. A tárcsás olajleszedők a szennyezett vízbe merülő tárcsasorból és olajleszedő lapátokból állnak. • A kötélpamacsos olajleszedőknél a felszínen úszó terelő csigák által vezérelt hidrofób illetve oleofil tulajdonságú végtelenített kötélpamacsot mozgat egy gépészeti berendezés. Álló vizekben a kis sebességű vízfolyásokban jól alkalmazhatók.

49. Az olajleválasztás fázisai • az olaj-vízréteg leválasztása a vízfelszínről, • a leválasztott anyag átvezetése egy szeparáló kényszerpályán, ahol a berendezés az olajat leválasztja, a vizet visszavezeti a vízfolyásba • a leválasztott olaj összegyűjtése, és szivattyúval való eltávolítása

50. Olajcsapda