Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

TYTUŁ: Ocena składu zanieczyszczeń gleb skażonych TPH i WWA pod kątem opracowania technologii ich bioremediacji/Assessment of the composition of pollution of soil contaminated with TPH and PAHs for the development of the bioremediation technology

Autorzy: Teresa Steliga, Dorota Kluk

Opis PL

Realizowaną pracę rozpoczęto od dokonania przeglądu literaturowego osiągnięć w zakresie oczyszczania gruntów skażonych substancjami ropopochodnymi oraz produktami ubocznymi pirolizy, jako źródłami zanieczyszczenia gleby węglowodorami TPH i WWA. Na podstawie danych literaturowych dotyczących technologii oczyszczania terenów skażonych substancjami ropopochodnymi wytypowano etapy postępowania zmierzające do redukcji zawartości TPH i WWA w skażonych glebach.
W ramach realizacji pracy wykonano analizy fizykochemiczne gleb pobranych z terenów zanieczyszczonych substancjami ropopochodnymi, a mianowicie z:
− gazowni klasycznej, wyłączonej z eksploatacji, położonej na północy Polski. Próbki do badań pobrano w pobliżu starych (częściowo zlikwidowanych) dołów ze smołą pogazową, z głębokości 0–0,5 m p.p.t. (gleba GK-1);
− dołu urobkowego, w którym składowano odpady wiertnicze zanieczyszczone substancjami ropopochodnymi – gleba zaklasyfikowana do odpadów o kodzie ex 17 05 03* (gleba i ziemia zawierająca substancje ropopochodne). Próbki do badań pobrano z głębokości 0–0,5 m p.p.t. (gleba DU-1).
Analiza fizykochemiczna wykazała, że gleba z terenu gazowni klasycznej charakteryzowała się dużą zawartością WWA i stosunkowo niewielką TPH. Natomiast gleba z terenu dołu urobkowego zawierała duże ilości TPH i stosunkowo niewielkie WWA. Jako że fundamentalnym celem realizowanej pracy było badanie procesów biodegradacji TPH i WWA w glebie, dlatego wskazane było uzyskanie gleby o istotnych zawartościach TPH oraz WWA. Nadmiernie wysokie zawartości w glebie jednocześnie WWA i TPH mogą hamować przebieg jej oczyszczania, dlatego do badań procesu biodegradacji węglowodorów, prowadzonych w warunkach ex situ, jako materiał badawczy stosowano mieszaninę gleb: GK-1:DU-1 w stosunku 2:1.
Z uwagi na ukierunkowanie badań na oznaczenie zawartości węglowodorów TPH oraz WWA w glebie – w ramach realizacji pracy dostosowano metodykę chromatograficznego oznaczania zanieczyszczeń ropopochodnych ze szczególnym uwzględnieniem wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA).
W kolejnym etapie utworzono stanowisko do badań biodegradacji zanieczyszczeń prowadzonych w skali półtechnicznej, w warunkach ex situ, metodą pryzmowania. Omówiono wyniki prac dotyczących badań optymalizacyjnych prowadzenia procesu biodegradacji, obejmujących: modyfikację struktury gleby w celu zwiększenia biodostępności mikroorganizmów i substancji odżywczych do węglowodorów ropopochodnych, bioremediację podstawową stymulowaną poprzez biowentylację i wzbogacanie środowiska odpadu w składniki biogenne wspomagające rozwój mikroflory autochtonicznej oraz bioaugmentację, polegającą na inokulacji wstępnie oczyszczonej gleby biopreparatami, których skład został opracowany w Zakładzie Mikrobiologii Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego.
Doboru substancji biogennych do oczyszczanej gleby dokonano na podstawie wyników badań respirometrycznych (przeprowadzonych za pomocą zestawu OxiTop® Control) mierzących postęp samoistnej i wspomaganej biodegradacji tlenowej substancji ropopochodnych zawartych w badanym gruncie o różnej zawartości substancji biogennych.
Etapowy proces oczyszczania gleby w drodze bioremediacji podstawowej stymulowanej substancjami biogennymi oraz bioaugmentacji w warunkach ex situ prowadzono przez 300 dni. Przebieg procesu kontrolowano za pomocą rozbudowanego monitoringu obejmującego fizykochemiczne oraz toksykologiczne badania gleby, które wykonano, opierając się na mikrobiotestach typu ToxKit (Phytotoxkit, Ostracodtoxkit, Spirodela Duckweed ToxKit), Microtox, test oceny ryzyka środowiskowego MARA oraz test oceny genotoksyczności Amesa.
Równie istotnym elementem pozwalającym na szersze spojrzenie na przebieg procesu biodegradacji zanieczyszczeń ropopochodnych i określenie efektywności kolejnych etapów oczyszczania była analiza chromatograficzna, pozwalająca na ilościowe i jakościowe oznaczenie poszczególnych węglowodorów wchodzących w skład zanieczyszczeń ropopochodnych. Umożliwiała ona zaobserwowanie w glebie zmian zawartości poszczególnych n-alkanów i WWA w trakcie realizowanych etapów oczyszczania. Ponadto wprowadzane wskaźniki stopnia biodegradacji n-alkanów w postaci stosunków zawartości n-C17/Pr i n-C18/F w sposób bardzo widoczny obrazowały efektywność realizowanych kolejnych etapów opracowanej technologii oczyszczania odpadów z zanieczyszczeń ropopochodnych.
W celu opracowania modelu matematycznego biodegradacji zanieczyszczeń ropopochodnych w odpadach wiertniczych zastosowano normalizację stężenia analitów za pomocą wprowadzonego biomarkera – C30-17β(H),21β(H)-hopanu, który umożliwił pełną ocenę stopnia biodegradacji węglowodorów ropopochodnych.
Obliczone stałe biodegradacji pierwszego rzędu (k) pozwoliły na prześledzenie i porównanie kinetyki przebiegu biodegradacji poszczególnych grup zanieczyszczeń ropopochodnych (TPH, Σ n-C8–n-C22, Σ n-C23–n-C36) oraz WWA (3-, 4-, 5- i 6-pierścieniowych WWA) w kolejnych etapach oczyszczania odpadów. Ponadto na podstawie przedstawionych stałych biodegradacji przeprowadzono porównanie efektywności działania wykorzystywanych biopreparatów.
Opracowana technologia oczyszczania gleb należy do pewnych i bezpiecznych dla środowiska naturalnego oraz uzasadnionych ekonomicznie do zastosowania w warunkach przemysłowych metod likwidacji substancji ropopochodnych na zanieczyszczonych terenach.

Opis EN

The executed work was started by performing a review of literature regarding the achievements in the field of remediation of lands contaminated with petroleum derivative substances and by-products of pyrolysis as sources of contamination of the soil with TPH and PAH hydrocarbons. On the basis of literature data regarding technologies for remediation of lands contaminated with petroleum derivative substances, one selected process stages aimed at reducing the content of TPH and PAH in the contaminated soils.
As a part of the execution of the work, one performed physico-chemical analyses of soil collected from areas contaminated with petroleum derivative substances, namely from the area of:
− a decommissioned conventional gas plant, located in the north of Poland. Test samples were collected near old (partially eliminated) gas pitch pits, from a depth of 0–0.5 m below terrain level (GK-1 soil),
− a mining spoil pit, wherein drill waste contaminated with petroleum derivative substances were kept – soil classified for waste, with an ex code of 17 05 03*. The test samples were collected from a depth of 0 - 0.5 m below terrain level (DU-1 soil).
A physico-chemical analysis indicated that the soil from the area of the conventional gas plant was characterized by a high content of PAH and a relatively small content of TPH. Whereas the soil from the area of the mining spoil pit contained large amounts of TPH and relatively small amounts of PAH. Since the fundamental goal for the executed work was to study the processes of TPH and PAH degradation in soil, it was recommended to obtain soil with significant amounts of both TPH and PAH. Excessively high amounts of both PAH and TPH in the soil may hamper its remediation process. That is why the following distribution of soils was used as test material for examining the process of biodegradation of hydrocarbons, performed in ex-situ conditions: GK-1:DU-1 in a ratio of 2:1.
Due to the orientation of the studies towards determining the content of TPH and PAH hydrocarbons in the soil, as a part of the execution of the work, one adapted the method of chromatographic determination of petroleum derivative contaminations with a particular focus on polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH).
In the subsequent stage, one created a station for testing the biodegradation of contaminations, conducted on a semi-technical scale in ex-situ conditions using the compost heap method. One discussed the results of works pertaining to optimization tests for the conduct of the process, including: modification of the structure of the soil in order to increase the bioavailability of petroleum derivative hydrocarbons to microorganisms and nutrients, basic bioremediation stimulated by bioventilation and saturating the waste surroundings with biogenic ingredients supporting the development of indigenous microflora, and bioaugmentation, involving the inoculation of the initially remediated soil with biopreparations developed in Zakład Mikrobiologii INiG – PIB (Microbiology Department of the Oil and Gas Institute - National Research Institute).
The selection of biogenic substances for the remediated soil was made on the basis of the results of respirometric tests, measuring the progress of spontaneous and assisted aerobic biodegradation of the petroleum substances contained in the tested soil with varying content of biogenic substances. These tests were performed using the OxiTop®Control kit.
The staged process of soil remediation through basic bioremediation, stimulated by biogenic substances and bioaugmentation in ex situ conditions, was carried out for a period of 300 days. The course of the process was controlled using a comprehensive monitoring system, covering soil tests, both physico-chemical and toxicological, performed using ToxKit (Phytotoxkit, Ostracodtoxkit, Spirodela Duckweed ToxKit) and Microtox type tests, the MARA environmental risk assessment test and the Ames genotoxicity test.
An equally relevant element, allowing for a broader approach to the course of the process of biodegradation of petroleum derivative contaminations, and determination of the effectiveness of subsequent stages of remediation, was the chromatographic analysis, allowing for a quantitative and qualitative determination of individual hydrocarbons contained in petroleum derivative contaminations. It allowed to observe changes in the content of individual n-alkanes and PAHs during the remediation stages. Furthermore, the introduced n-alkane biodegradation degree indexes in the form of n-C17/Pr and n-C18/F content ratios very visibly illustrate the effectiveness of subsequently executed stages of the developed technology for removal of petroleum derivatives from waste.
In order to develop a mathematical model for the biodegradation of petroleum derivative contaminations in drill waste, one utilized normalization of the concentration of analytes using the introduced biomarker – C30-17β(H), 21β(H)-hopan, which allowed for a complete assessment of the degree of biodegradation of petroleum derivative hydrocarbons.
The calculated constants for first-order biodegradation (k) allowed to monitor and compare the kinetics of the course of the biodegradation of individual groups of petroleum derivative contaminations (TPH, Σ n-C8–n-C22, Σ n-C23–n-C36) and PAH (3-, 4-, 5- and 6-cyclic PAHs) in subsequent stages of waste treatment. Furthermore, on the basis of the presented biodegradation constants, one can compare the effectiveness of operation of the biopreparations used.
The presented technology is one of the methods of treatment of petroleum derivative contaminants in areas contaminated with petroleum derivative substances, that are tried and environmentally safe, and economically justifiable for use under industrial conditions.

Praca naukowa nr 215 jest dostępna w trybie open acces.

Zamówienie wersji drukowanej:

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

TYTUŁ: Ograniczenie ekshalacji gazu w otworach wiertniczych poprzez modyfikację receptur oraz kształtowanie się struktury stwardniałych zaczynów uszczelniających

Suppressing gas exhalation in wells by the modification of the slurry designs and the structure formation of the solidified sealing slurries

Autorzy: Marcin Kremieniewski

OPIS PL

Najważniejszym zadaniem zabiegu cementowania każdej kolumny rur okładzinowych jest uszczelnienie przestrzeni pierścieniowej pomiędzy zapuszczanymi rurami a ścianą otworu wiertniczego oraz poprzednio zacementowaną kolumną rur.

W trakcie uszczelniania gazowych otworów wiertniczych często dochodzi do migracji gazu, powodującej nieszczelności płaszcza cementowego. Stanowi to zagrożenie dla środowiska oraz dla życia i zdrowia ludzi. Zjawisko migracji stwarza również problemy natury technicznej podczas przygotowywania otworu do eksploatacji.

W książce przedstawiono mechanizmy powstawania migracji i ekshalacji gazu oraz omówiono zagadnienia ograniczenia ekshalacji gazu w otworach wiertniczych. Zmniejszenie ekshalacji gazu można było uzyskać poprzez modyfikację receptur zaczynów uszczelniających. Opisana została innowacyjna metodyka badań zaczynów cementowych przeznaczonych do uszczelniania otworów wiertniczych o podwyższonym ryzyku wystąpienia migracji gazu. W pracy omówiono wyniki badań migracji gazu przez wiążący i związany zaczyn cementowy na urządzeniu umożliwiającym symulację warunków otworowych oraz śledzenie zjawisk zachodzących w zaczynie podczas wiązania. Celem pracy było ograniczenie ekshalacji gazu poprzez modyfikację receptur zaczynów uszczelniających oraz analizę wpływu dokonanych modyfikacji na kształtowanie się struktury stwardniałych zaczynów uszczelniających.

W związku z powyższym w pracy poruszone zostały również zagadnienia dotyczące mikrostruktury stwardniałych zaczynów cementowych. Problematyka w dużym stopniu przyczynia się do ograniczenia migracji i ekshalacji gazu w otworach wiertniczych oraz pozwala na zminimalizowanie tego zjawiska poprzez zastosowanie innowacyjnych zaczynów uszczelniających.

OPIS EN:

The most important function of the cementing operations in each casing string column, is to seal the annular space between the installed pipes and the walls of the well, as well as the previously cemented casings.

What often occurs in a well during the cement job is gas migration, which causes leaks in the cement sheath. It poses a threat to the environment and human life and health. Moreover, gas migration causes certain technical problems while preparing the borehole for exploitation.

This book shows the mechanisms forming the migration and exhalation of gas and the problems connected with the suppressing of gas exhalation in wells. The suppression could be achieved by modifying slurry designs. This work presents an innovative methodology of analyzing cement slurries, designed to seal boreholes with a higher risk of gas migration occurrence. The work also reports the results of research into gas migration in a setting, as well as already set cement slurry, which was conducted in a simulator modelling well conditions, where all the slurry solidifying effects could be closely observed. The aim of the work was to reduce gas exhalation, by modifying slurry designs and analyzing the effects of the modifications, on the formation of the structure of the solidified slurries.

On account of this, the work also discusses some questions concerning the microstructure of solidified cement slurries. This problem contributes considerably, to the suppressing of gas migration and exhalation in wells, and helps to minimalize this process by applying innovative slurry designs.

Praca naukowa nr 199 jest dostępna w trybie open acces.

Zamówienie wersji drukowanej:

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 012 617 76 32.

TYTUŁ: Systemy filtracji spalin do samochodowych silników z zapłonem samoczynnym – problemy regeneracji filtrów DPF

Autorzy: Zbigniew Stępień

OPIS PL

Światowe ustawodawstwa dotyczące szkodliwych emisji do atmosfery stanowią obszerną dziedzinę obejmującą ustawodawcze wymagania, ograniczenia i techniczne uregulowania dotyczące różnego typu silników spalinowych mających rozmaite zastosowania. Na najważniejszych rynkach światowych, takich jak Europa i USA, wprowadzane są coraz ostrzejsze przepisy w zakresie norm emisji odnoszących się między innymi do silników z zapłonem samoczynnym (ZS), które będą wymagały od producentów samochodów osobowych, jak i różnego rodzaju użytkowych konstruowania pojazdów niskoemisyjnych. Przepisy te, poza redukcją CO, HC i NOx, nakładają ostre wymagania dotyczące ograniczenia emisji cząstek stałych. Próba spełnienia systematycznie zaostrzanych przepisów w zakresie ograniczania emisji sprawia, że coraz większe znaczenie zyskują układy tzw. następczej obróbki spalin stosowane do oczyszczania gazów spalinowych. Układy takie są powszechnie stosowane pomimo znacznego postępu w zakresie rozwoju konstrukcji silników spalinowych. W odniesieniu do przyszłych norm emisji z silników ZS optymalnym rozwiązaniem umożliwiającym spełnienie nawet najbardziej surowych przepisów dotyczących emisji jest połączenie selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) z filtrem cząstek stałych (DPF – Diesel Particulate Filter). DPF usuwają cząstki stałe z gazów spalinowych silników ZS poprzez filtrację spalin wydalanych z silnika. Jednak pomimo powszechnego stosowania już od ponad 15 lat DPF wymagają dalszych udoskonaleń i prowadzenia prac badawczo-optymalizacyjnych. Większość tych prac dotyczy obecnie stosowanych i przyszłych metod regeneracji filtrów, które są wciąż dalekie od doskonałości. Monografia ta stanowi kompendium wiedzy dotyczącej nieustannego zaostrzania przepisów w zakresie ograniczenia emisji cząstek stałych, konstrukcji, wydajności i zasad działania DPF, technologii i metod regeneracji DPF, a także opracowania systemu oczyszczania spalin z DPF regenerowanego przy wspomaganiu metodami pasywną i aktywną.
W pierwszym rozdziale omówiono: budowę i właściwości cząstek stałych, oddziaływanie wdychanych cząstek stałych na zdrowie, jak również obecne i przyszłe europejskie wymagania ustawodawcze w zakresie ograniczania emisji cząstek stałych.
W drugim rozdziale opisano konstrukcję DPF – materiały, z których wykonywane są monolity filtrujące, mechanizmy filtracji spalin, zalety i wady różnych filtrów, jak i działanie oraz właściwości użytkowe filtrów cząstek stałych. Ponadto przedstawiono konstrukcję i zastosowanie różnych systemów filtracji cząstek spalin pochodzących z silników ZS. Rozdział ten stanowi przegląd technologii wykorzystywanych do kontroli emisji cząstek stałych.
W trzecim rozdziale przedyskutowano metody regeneracji filtrów cząstek stałych, uwzględniając doświadczenia zdobyte podczas ich eksploatacji. Szczegółowo opisano i porównano strategie pasywnej i aktywnej regeneracji DPF. Rozważono stosowanie dodatków typu FBC (Fuel Borne Catalyst) do paliwa jako pasywnej metody wspomagania procesów regeneracji DPF w różnych warunkach eksploatacji. Zaakcentowano wciąż pojawiające się problemy w zakresie metod i procedur regeneracji DPF i omówiono przyszłe techniczne wyzwania z tym związane.
Celem ostatniego, czwartego rozdziału monografii było przedstawienie, w chronologicznej kolejności, procesu opracowywania, a następnie praktycznego badania i oceny systemu filtracji spalin do autobusów komunikacji miejskiej z DPF, w którym zastosowano metody pasywnego i aktywnego wspomagania regeneracji. Jest to skrócony raport zezrealizowanego projektu, w ramach którego praktycznie wykorzystano wiedzę dotyczącą konstrukcji, działania i regeneracji DPF do opracowania całego systemu filtracji spalin z zastosowaniem nowatorskiego dodatku typu FBC do pasywnego wspomagania procesów regeneracji DPF zweryfikowanych w warunkach rzeczywistej eksploatacji.

OPIS EN:

Worldwide emission legislations are a large field of legislative demands, limits and technical regulations for all the different internal combustion engine applications. Major world markets, such as Europe and USA, are legislating, among others, more and more severe diesel emission standards that will require manufacturers of passenger cars, and all ranges of commercial vehicles to develop low emissions vehicles. In addition to reduction in CO, HC and NOX, these regulations require stringent reductions of particulate emissions. In order to meet increasingly stringent emission standards, exhaust gas after treatment systems has increased in significance for internal combustion engines, despite the progress made with regard to engine modifications. For future emissions regulations concerning the Diesel engines, selective catalytic reduction (SCR) in combinations with diesel particulate filters (DPF) offers a unique and global solution for the most severe regulations. DPF remove particulate matter in diesel exhaust gases by filtering exhaust from engine. But, although DPFs have been in commercial production for more than 15 years, there is still much optimization activity in the field. Most investigations are focused on current and new regeneration methods which are still far from perfect. This monograph sets compendium of information about continuously tighten regulations with reference especially to particulate matter emission, DPF construction, performance and principle of operation, DPF regeneration technologies and procedures as well as presents development of real DPF systems with passive-active regeneration.
The first chapter introduces particulate matter composition and properties, health effects of inhaled particulate matter as well as current and future legislation on particle matter and particle number limits in Europe.
In the second chapter design of DPF, filter monolith materials, filtration mechanisms, advantages and disadvantages of various DPF, operation and operating characteristics as well as performance of DPFs has been extensively described. Furthermore, design and application different diesel particulate filtration systems were presented. It is something like diesel emission control technology review.
Chapter three discusses particulate trap regeneration methods and operating experience. Passive and active strategy for DPF regeneration has been in detail described and compared. The use of fuel borne catalyst (FBC) as a method of DPF passive regeneration supporting in a different driving conditions has been considered. Still occurrences problems with DPF regeneration procedures has been emphasized and the resultant technical challenges for the future were discussed.
The focus of the last, fourth chapter of the monograph was to present in chronological order developing and next practical evaluation of DPF system with combined regeneration method for city buses. So, this is a short report from the project of practical taking advantage of knowledge about DPF construction, operation and regeneration ways for development of novel FBC additive for passive supporting of DPF regeneration and all filtration system revised under real operating conditions.

Praca naukowa nr 207 jest dostępna w trybie open acces.

Zamówienie wersji drukowanej:

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 012 617 76 32.