Environmentálni aspekty průmyslových činností (12) Biologické remediace Ivan Holoubek, Andrea Lodolo, Kateřina Demnerová RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz üf evropský sociální fond v ČR MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ EVROPSKÁ UNIE mládeže a tělovýchovy OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Remediační technologie ^> Termické ^> Biologické Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2 Terraferm technologie pro biologické čištění půd ^/)_ . _ -vc*- Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 3 Biologické ex situ procesy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 4 Biologické remediační technologie Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5 Biodegradace, bioremediace ^ Metabolická aktivita je klíčovou pro biodegradaci ^ Dokončení úplné mineralizace nebo částečné degradace v aerobních nebo anaerobních prostředích ^ Stimulace přirozeně se vyskytujících miroorganismů pro provádění biodegradace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6 Biodegradace, bioremediace Cílem bioremediace: degradace organických polutantů tak, aby jejich koncentrace byla buď pod hranicí detekčního limitu nebo taková, že by nepřevyšovala koncentrační limit daný příslušnou vyhláškou. Bioremediace lze využít pro čištění půdy, spodních vod, odpadních vod, kalů a plynů. Vzhledem k závažnosti účinků některých polutantů na zdraví nebo ekologické riziko se bioremediační technologie v současnosti soustřeďují zejména na degradaci ropy a ropných produktů, PAHs, chlorovaných aromatických a alifatických uhlovodíků a polychlorované uhlovodíky. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7 Biodegradace, bioremediace Praktické využití biodegračních procesů je však limitováno řadou faktorů, které vlastní proces bioremediace v konkrétním prostředí ovlivňují. Faktory, které ovlivňují úspěšnost použité bioremediační technologie jsou následující: Os přítomnost organismů (mikroorganismů, rostlin), které jsou schopné efektivně degradovat polutant schopnost těchto organismů transformovat organický polutant akceptovatelnou rychlostí na výslednou koncentraci polutantu povolenou zákonem při degradaci vznik látek (meziproduktů), které by v dosažené koncentraci byly toxické f/M^\°" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment g http: / / recetox.muni.cz Biodegradace, bioremediace <4n <4n <4n na zkontaminované lokalitě přítomnost dalších chemických látek nebo jejich směsí, které by potlačovaly růst a metabolickou aktivitu degradační mikroflory dostupnost polutantů mikroorganismům na lokalitě zajištění nezbytných podmínek stimulujících růst a degradační metabolismus použitých organismů např. anorganické živiny, kyslík nebo vhodné akceptory elektronů, stopové prvky, vlhkost prostředí, odpovídající teplota, pH, zdroj uhlíku a energie pro růst, induktor katabolické dráhy cena technologie musí být nižší nebo při nejhorším stejná jaké cena jiné technologie schopné destruovat cílový polutant. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz 9 Biodegradace, bioremediace Smysl bioremediace - využít přirozené biodegradační pochody s cílem vyčistit kontaminované lokality. Systém, kdy se do půdy navrací ekologická funkce, kterou plní mikroorganismy Pokud mikroorganismy selhaly: není žádná skupina, která by byla schopna mineralizovat či detoxifikovat daný kontaminant rychlost vstupu kontaminantu je větší než rychlost dekompozice ^ chemické, fyzikální, či biologické limitace dekompozitorů polutant či koncentrace, které jsou toxické pro dekompozitory fyzikální či chemické faktory, které zabraňují kontaktu dekompozitorů a polutantu dekontaminace vede k podmínkám inhibující další procesy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 10 io Nezbytně nutné optimální podmínky biodegradace Přidávání kyslíku a jiných plynů: ^ bioventing je technika dodávky kyslíku přímo in situ do nesaturované zóny ^ "air sparging" - tlakové vhánění kyslíku do saturační zóny ^ kromě kyslíku se často dodává methan (zejména při degradacích chlorovaných látek) Dodávka živin: ^ hlavně přídavky dusíku a fosforu ^ cíl: optimalizace poměru C:N:P na hodnotu cca 100:10:1 /^*^^V" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^ http://recetox.muni.cz 11 Nezbytně nutné optimální podmínky biodegradace Stimulace anaerobních degradací: ^ dodávka alternativních TEA (terminal electron acceptor) dusičnany, sírany, Fe3+, CO2 ^ anaerobní degradace je sice pomalejší, ale dokáže "si poradit" s jinými polutanty než aerobní degradace (např. silně chlorované látky) Dodávka surfaktantů: sniží povrchové napětí a zvýší biodostupnost kontaminantů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 12 12 Nezbytně nutné optimální podmínky biodegradace Dodávka mikroorganismů či DNA: ^ introdukované organismy - bioaugmentace ^> genetické inženýrství, uměle vytvořené mikroorganismy schopné vysoce efektivních biodegradací Problémy: ^ neschopné dlouho přežít v reálném ekosystému ^ vážou se na půdní komplexy a tím jsou méně aktivní Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 13 13 Biologické procesy Výhody: <4n Využitelné pro široký rozsah organických látek Využitelné pro všechna media Rezidua jsou velmi nizká nebo žádná Častá je flexibilita v designu systému ^> Nižší ceny než jiné technologie Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 14 Biologické procesy Omezení: ^ Není obecně aplikovatelné pro anorganické látky ^ Dlouhá doba čištění ^ Je požadována důsledná charakterizace lokality ^> Je omezena charakteristikami lokality Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 15 Straight-chain carbon compounds Aromatic Compounds Chlorinated straight-chain compounds Chlorinated aromatic compounds Bioremediace Aerobní degradační potenciál Octane HHHHHHHH i i i i i i i i H -C-C-C-C-C-C-C-C-H i i i i i i i i HHHHHHHH CH Benzene CH li CH CH I CH VCH* Trichloroethylene (TCE) PCB H Cl C = C Cl Cl X XX x X XX x X = H or Cl Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 16 Rozdělení bioremediačních technologií Bioremediační technologie lze rozdělit dle místa jejich aplikace na: On On in situ, které jsou aplikovány přímo na zkontaminované lokalitě; jsou relativně levné, ale jejich průběh je obtížně kontrolovatelný ex situ, ve kterých je kontaminovaný materiál odstraněn z původní lokality a buď k degradaci dochází na místě odstranění (on site) nebo je odstraněná kontaminovaná matrice převezena na jiné místo kde probíhá vlastní biodegradační proces na dekontaminační ploše nebo v bioreaktoru (off site). Přemisťování kontaminované zeminy či spodní vody sice značně zvyšuje celkové náklady, ale proces je velmi dobře kontrolovatelný. f/M^\0" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^ http: / / recetox.muni.cz Rozdělení bioremediačních technologií Mezi in situ technologie patří bioventing, podpořená bioremediace (enhancing bioremediation), přirozená atenuace (natural attenuation) a fytoremediace. Ex situ technologie zahrnují bioremediace v suspenzním systému (slurry phase bioremediation), bioremediace v pevné fázi (solid phase bioremediation), do které patří technologie jako jsou land farming a kompostování a jejich modifikace. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 18 Biodegradace, bioremediace Table 15-1 Comparison of In situ and Ex situ Strategies for Engineered Bioremediation Systems In Situ Ex Situ Location In the landscape In a controlled bioreactor Requirements Engineer the landscape to resemble a Move contaminants from landscape to laboratory flask on-site bioreactors Characteristics Relatively poor control of Greater control biodegradation process Obstacles Complexities of landscape that may Complexities of landscape partially prevent success overcome Pollutant mixtures Pollutant mixtures Unknown site histories Unknown site histories Mass balances uncertain Decent bioreactor mass balances Biotic versus abiotic processes Biotic processes defined in bioreactor Incompatibility of site characteristics Incompatibility of site characteristics and microbiological processes and microbiological processes Production of pollutants by Production of pollutants by microorganisms microorganisms How clean is clean? How clean is clean? Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 19 19 Biodegradace, bioremediace lyi Research Centre for Toxic Compounds in the Environment 20 w http://recetox.muni.cz 20 Biodegradace, bioremediace Table 15-2 An Overview of Relationships between Chemicals, Their Properties, and Bioremediation Prospects Biodegradabilityb Frequency of Partitioning Prospects for Chemical Classes3 (A, N, AN) Mobility1 Occurrence" Reactions' Bioremediation' Hydrocarbons BTEX At, N2, AN2 H F M Es Low MW, gasoline, #2 fuel oil Al, N3, AN2 M F M Es High MW. oil, PAH A2, N4, AN4 L C S Em Creosote Al, N2, AN4 L I S Em Oxygenated hydrocarbons Low MW alcohols, ketones, esters, ethers Al, N5, AN3 H C W Es Halogenated aliphatics Highly chlorinated A4, A3, N5, AN2 M F M Em Less chlorinated A2, A3, N5, AN2 H F M Em Halogenated aromatics Highly chlorinated A4, A2, N5, AN2 L C S Em Less chlorinated A2, A3, N2, AN2 M C M Em PCBs Highly chlorinated A4, N5, AN2 L I S Em Less chlorinated A2, Al, N5, AN4 L I S Em Nitroaromatics A2, N5, AN2 M C M Em "BTEX = benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes; MW = molecular weight; PAH = polycyclic aromatic hydrocarbon; PCBs = polychlorinated biphenyls. "The three alphanumeric entries for each compound provide a biodegradability rating (1-5) under aerobic (A), nitrate-reducing (N), and other anaerobic (AN) conditions. 1 = readily mineralizable as growth substrate; 2 = biodegradable under narrow range of conditions; 3 = metabolized partially when second substrate is present (co-metabolized); 4 = resistant; 5 = insufficient information. CH = highly mobile; M = moderately mobile; L = least mobile. "Based on survey of groundwater contaminants. F = very frequent; C = common; I = Infrequent. eS = strong sorptive characteristics; M = moderate characteristics; W - weak characteristics. fEs = established; Em = emerging. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 21 21 Bioremediační technologie <4n <4n <4n Biohromady (biopiles) (ex) Bioremediace v suspenzním systému (Slurry-phase bioremediation - Bioslurry) (ex) Bioprovzdušnění (Bioventing) (in) Kompostování (Composting) (ex) Podpořená bioremediace (Enhanced bioremediation) (in) Bioremediace v tuhé fázi (Solid-phase bioremediation -Landfarming) (ex) Monitorovaná přirozená atenuace (Monitored natural attenuation - Intrinsic bioremediation) (in) Fytoremediace (Phytoremediation) (in) /^*^^V" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment 22 http: / / recetox.muni.cz Bioremediační technologie Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 23 Bioremediační technologie Technology Main Target Contaminants Biopiles (ex) Bioslurry (ex) Bioventing (in) Composting (ex) Enh. bioremediation (in) Landfarming (ex) Natural attenuation (in) Phytoremediation (in) SVOCs, VOCs, X-SVOCs, X-VOCs, PAHs SVOCs, VOCs, X-SVOCs, X-VOCs, PAHs, Diox./Fur., Pest. SVOCs, VOCs, X-SVOCs, X-VOCs, PAHs SVOCs, VOCs SVOCs, VOCs, Pest. SVOCs, VOCs, X-SVOCs, X-VOCs, PAHs, Pest. SVOCs, VOCs, SVOCs, VOCs, Inorg., Heavy metals Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 24 Bioremediační technologie Technology Cost (US$/ton) Clean-up time* Biopiles (ex) 25-75 < 6 months Bioslurry (ex) 230-270 6 to 12 months Bioventing (in) 15-80 < 6 months Composting (ex) 250-300 6 to 12 months or > Enh. bioremediation (in) 25-100 6 to 12 months Landfarming (ex) 90-100 6 to 12 months or > Natural attenuation (in) 10,000/yeat > 12 months Phytoremediation (in) 50-150 > 12 months (*) Time referred to a standard mass of about20000 tons Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 25 Bioremediační technologie Bioremediace v suspenzním systému ^ In situ remediace podzemní vody f/tf^& Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^ http: / / recetox.muni.cz Bioremediace v suspenzním systému Cílové kontaminanty: % VOCs % SVOCs % X- VOCs % X- SVOCs % PAHs % PCDDs/Fs Pesticidy f/M^\0" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^7 '•\a>^? http: / / recetox.muni.cz Bioremediace v suspenznim systému <4n <4n Může být použita jako samostatná technologie nebo v kombinaci s jinými Je využitelná pro širokou škálu organických kontaminantů Převádí kontaminanty - pokud jsou biodegradovatelné - na neškodné látky Zahrnuje půdy a kaly s bioaktivními mikroorganismy Může využívat mobilní vsádkový reaktor Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz 2S Bioremediace v suspenzním systému ^ Obvykle je technologie v suspenzním systému prováděna jako vsádkový proces v reaktoru, kterým může být laguna, otevřené nádoby nebo uzavřený systém. ^ Prvním krokem při čištění je odtěžení půdy, odstranění velkých kamenů a příprava vodní suspenze (60-95 váhových Po ukončení bioremediace se oddělí vodní a pevná fáze. Různé typy suspenzních reaktorů se od sebe liší ve způsobu okysličování a způsobem míchání suspenze. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz 29 Bioremediace v suspenzním systému Typický proces Waste Preparation Soil Water Nutrients/ Additive Oxyge Emissions _ Treated Control Emissions Slurry Bio Reactors -► Dewatering _^ Water -►Solids -► Oversize Rejects Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz JO Tvary suspenznich bioreaktorü Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 31 Tvary suspenznich bioreaktorü Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 32 Difuze kontaminantü Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 33 Bioremediace v suspenznim systemu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 34 Bioremediace v suspenznim systemu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 35 Bioremediace v suspenznim systemu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 36 Bioremediace v suspenznim systemu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 37 Bioremediace v suspenznim systemu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 38 Bioremediace v suspenzním systému 39 Srovnání bioreaktorů Table 11.1 Comparison of bioreactors. Technology Economics Biological slurry processing Batch and (semi)continuous Water addition Energy input Addition of nutrients and/or biomass Controlled conditions in closed systems Substantial investment (equipment) Complex plant or trained operators required Large scale needed (economy of scale) Use as recycling technology Cost per ton determined by surface, machinery, energy, and labor costs Composting Batch operation Limited use of technology and machinery Low energy input Addition of compost to the solids Limited control options Longer treatment times Low investment Large surface required Use as decontamination technology only May be used on small scale Cost per ton determined by surface and labor costs (Semi)continuous Limited control options Moderate scale required Moderate energy input Rotating solids bioreactor • Substantial investment (equipment) • Mobile plant on-site • Small volumes • Cost per ton similar to that of slurry systems Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 40 Bioremediace v suspenzním systému Základní vstupní charakteristiky: Organické látky: 0,025 - 2% váhového množství Q Tuhá fáze: 20 - 30% váhového množství Q Voda: 75 - 90% váhového množství Velikost tuhých částic: < 0,6 cm Teplota: 20 - 40 oC pH: 6-8 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 41 Bioremediace v suspenzním systému Koncepční model čistící technologie Biomass Nutrients Makeup Water Surface Aerator Carbon Filter^ To Atmosphere ■ w r 1 Waste In Vent Hood (TYP) ^ Primary ^ Mixing Tank Primary Digestion Tank To Atmosphere J Polishing Tank A Lined Soil Contaminant Supernatent Recycle Y Discharge A Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 42 Bioremediace v suspenzním systému Specifické aplikace: ^> Je účinná pro různé koncentrace kontaminantů ^ Využitelná pro řadu organických kontaminantů (dříve uvedené, kreosot, uhelný dehet a odpady z rafinérií) ^ Problémovou může být aplikace na místech s vysokými koncentracemi kovů, anorganických látek, pesticidů nebo organických látek nerozpustných ve vodě Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 43 Bioremediace v suspenzním systému Specifické výhody: ^ Nejsou požadovány speciální zařízení ^ Vsádkové operace dovolují přesnější stanovení hmotnostní bilance ^> Využitelné pro široký rozsah kontaminantů ^ Podmínky uvnitř suspenzního reaktoru mohou být kontrolovány Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 44 Bioremediace v suspenzním systému Specifické výhody: ^ Možnosti lepší a efektivnější kontroly procesu ^ Zajištění zvýšené rozpustnosti organických látek ^ Homogenizace pevných částic v suspenzi ^> Zlepšený kontakt mezi mikroorganismy a kontaminanty ^ Probíhá-li bioremediace v uzavřeném systému lze zvýšit rozpustnost látek přídavkem surfaktantu a k urychlení procesu přispívá i dodávání živin a jejich lepší distribuce event. přídavek vhodných mikroorganismů. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 45 Bioremediace v suspenzním systému Specifická omezení: ^ Složení půd nebo kalů může inhibovat vznik vhodné suspenze ^ Další faktory limitující proveditelnost: ♦ pH ♦ Teplota ♦ Kyslík ♦ Živiny ♦ Obsah vlhkosti Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 46 Bioremediace v suspenzním systému Specifická omezení: ^> Vyšší nároky na energii ^ Nutnost přemísťování zeminy a její úprava ^ Separace vodního a pevného podílu suspenze v závěru procesu ^> Omezují faktory mohou být řízeny technologicky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 47 Bioremediace v suspenzním systému Ceny: ^ Ceny ovlivňuje řada faktorů ^> Průměrné ceny se pohybují v rozmezí $150 - $300 za m3 ^ Obchodní ceny se pohybují v rozmezí $60 - $1500 za m3 ^ Cena Francie ca $9G za t ^ Finančně je tento způsob remediace náročnější než landfarming a kompostování, ale je mnohem levnější než fyzikální způsoby dekontaminace a navíc je rychlejší. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 48 Bioremediace v suspenzním systému Proveditelnost: ^> Proveditelnost závisí na reakční kinetice a na relativní biodegradabilitě kontaminantů ^ Technologie může dosáhnout více než 99 % čistící účinnosti pro chemicky ošetřené dřevěné odpady ^ Proveditelnost je ovlivněna časem a koncentraci materiálu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 49 Bioremediační technologie Bioprovzdušnění On Bi0remediace v tuhé fáZi f/Af£^\% Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz Bioventing (bioprovzdusneni) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 51 Bioventing (bioprovzdusneni) Cilove kontaminanty: VOCs SVOCs X- VOCs X- SVOCs PAHs f/££^\% Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^ http: / / recetox.muni.cz Bioventing (bioprovzdušnění) ^ Čištění ve vadózní zóně ^ Kyslík je využit mikrobiálními populacemi pro zahájení biochemické konverze uhlovodíků pro benzen: C6H6 + 15 1/2O2 ^ 6 CO2 + 3 H2O Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 53 Bioventing (bioprovzdušnění) Aplikace: ^ Aplikace v prostupné nenasycené půdní zóně, tj. nad vrstvou vody ^ Metoda je založena na zavádění vzduchu do půdy buď metodou přímé injektáže nebo cirkulací přes vakuový extrakční systém ^ Teplota a pH půd ovlivňuje rychlost reakce ^ VOCs, SVOCs a ropné uhlovodíky ^ Těžké uhlovodíky nejsou odstraňovány ^ Pouze pro aerobně biodegradovatelné kontaminanty, které mají tlak par nižší než 1 atm. ^ Lehce těkající organické látky se spíše odpaří než by byly zdegradovány. f/^Nys. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^ http: / / recetox.muni.cz Schéma bioventingu ^ Metoda je založena na vhánění vzduchu, jenž usnadňuje těkání některých organických kontaminantů a souběžně zajišťuje vhodné prostředí pro biodegradaci méně těkavých látek buď metodou přímé injektáže nebo cirkulací přes vakuový extrakční systém._ 55 Základní schéma uspořádání bioventingu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 56 Konstrukce běžného ventingového vrtu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 57 Bioventing (bioprovzdušnění) Přísun vzduchu do nenasycené zóny může být prováděn buď přes horizontální nebo vertikální vrty a v některých případech může být bioventing kombinován s extrakcí par z půd, což umožňuje zlepšit kontrolu toku zaváděného vzduchu. Grassy Area (Remediation Zone) Bioremediation in Near-Surface Root Zone Air Extraction Air Injection Air Injection 9 Paved Area Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http:/7recetox.muni.cz 58 Schéma bioventingu Air Injection Vacuum Soil Gas Monitoring 59 Bioventing (bioprovzdušnění) Specifické výhody: ^ Má schopnost biodegradovat semivolatilní nebo nonvolatilní organické látky, kde SVE neumožňuje čištění (stále ve stádiu výzkumu) ^> Minimalizuje množství plynu vyžadujícího čištění ^ Nevyžaduje drahá zařízení ^ Nevyžaduje náročné provádění a udržování Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz ÓD Bioventing (bioprovzdušnění) Specifická omezení: ^ Schopnost mikroorganismů biodegradovat kontaminant ^ Propustnost půd ^ Nízký obsah půdní vlhkosti Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 61 Bioventing (bioprovzdušnění) Typická cena: ^> Tržní cena se pohybuje v rozmezí $15-$12G za m3 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 62 Bioremediační technologie ipenznim systému % Bioremediace v tuhé fázi Fytoremediace 1> In situ remediace podzemni vody f/M^t" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^ http: / / recetox.muni.cz Bioremediace v tuhé fázi ^ Land farming technologie se obvykle provádí přímo v povrchových vrstvách půdy anebo na separovaných dekontaminačních plochách. ^ Kontaminovaná půda je dostatečně pohnojena N-P-K hnojivem, provlhčena a rozprostřena na nepropustnou podložku tak, aby se vrstva zeminy pohybovala v rozmezí 40 -60 cm. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz ö4 Bioremediace v tuhé fázi ^ Při dostatečné katabolické aktivitě mikroorganismů přirozeně osidlujících kontaminovanou zeminu se neprovádí žádná další inokulace mikroorganismy. ^ Půda je v průběhu dekontaminace provzdušňována přehazováním. ^ Průběžně se kontroluje vlhkost půdy, koncentrace živin a koncentrace polutantu. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Ö5 Bioremediace v tuhé fázi On On On 0 0 Pro půdy kontaminované BTEX a PCBs lze využít pro dekontaminaci vanový reaktor (bed reactor). Ten je umístěn v hale opatřené filtry pro zachycování případně vznikajících, potenciálně toxických, těkavých produktů metabolické aktivity mikroorganismů. Kontaminovaná půda nebo kal je umístěn do uzavřené vany (lože) s drenáží, která odvádí nebezpečný výluh pro další zpracování např. v bioreaktorech. Kontaminovaná půda je vzdušněna systémem trubek aeračního zařízení. Nad vanou je umístěn zavlažovací systém, který umožňuje případné dodávání dalších živin nebo mikrobiální suspenze s odpovídající katabolickou aktivitou. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz ÓÓ Bioremediace v tuhé fázi Vanový reaktor (bed reactor). Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6? Landfarming Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 68 Bioremediace v tuhé fázi On On On 0 Při kompostování je kontaminovaný materiál míchán s organickým materiálem (sláma, piliny, kůra aj.) a obohacen zdrojem N a P, případně dalšími anorganickými živinami. Materiál může být uložen rotačních bubnech, cirkulačních tancích, otevřených nádobách, silech nebo na otevřené hromadách (biopiles) nebo záhonech (windrow composting). V průběhu kompostování je materiál pravidelně vlhčen a vzdušněn přehazováním, otáčením nebo vzdušnícím systémem. Teplota během procesu je obvykle okolo 50-60 °C. Proces může probíhat za aerobních nebo anaerobních podmínek. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz 69 Bioremediace v tuhé fázi Cílové kontaminanty: Q VOCs Q SVOCs Q X- VOCs Q X- SVOCs Q PAHs Pesticidy Chlorované fenoly Výbušniny (TNT, RDX, HMX) f/M^\0" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment jq http: / / recetox.muni.cz Bioremediace v tuhé fázi Aplikace: On On On 0 0 Primárně využitelná pro řadu organických látek a některé kovy, organické látky převádí na neškodné Vhodná metoda pro čištění půd, kalů a sedimentů (studie proveditelnosti je nutná) Vysoké koncentrace kontaminantů mohou být toxické pro mikroorganismy Teplota, obsah vlhkosti, pH, obsah živin a kyslíku (pro aerobní systémy) musí být vhodné pro použité mikroorganismy Během posledních 25 let se kompostování stalo jednou ze základních technologií pro čištění městských odpad Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz 71 Bioremediace v tuhé fázi Ceny: ^ Průměrné ceny se pohybují kolem $100 za tunu ^ Cena závisí na: ■ Postupu ■ Obsahu ■ Potřebě emisní kontroly ■ Potřebě před- anebo dočištění Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz ?2 Bioremediační technologie <4n <4n Os Os Fytoremediace systému ^> Bios Q> In situ remediace podzemní vody f/tf^& Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz Fytoremediace Cílové kontaminanty: O VOCs O SVOCs X- SVOCs (e.g. cottonwood) Těžké kovy (e.g. indián mustard) Pesticidy (e.g. poplar trees) Anorganické látky f(M^& Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^ http: / / recetox.muni.cz On 0 On Pro účinnou fytoremediaci je důležité, aby znečišťující látky byly snadno dostupné kořenovému systému rostlin, který tyto látky dále transportuje do rostlinných tkání, kde jsou přeměňovány a ukládány Transportní systémy regulují příjem a distribuci kovů Ionty mohou být selektivně přijímány z půd Kořeny způsobují změny na rozhraní půda-kořen Na celém procesu se podílejí také mikroorganismy, které žijí v symbióze s rostlinami, zejména v oblasti rhizosféry -kořenové části rostlin. Kořenové exudáty mohou mobilizovat nebo imobilizovat prvky v rhizosféře Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz 75 In situfytoremediace 76 In situ fytoremediace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 77 Mechanismus fytoremediace Rostliny při dekontaminaci uplatňují několik mechanismů: přímou absorpci kořeny, následný přesun do rostlinné tkáně a akumulaci ve formě nefytotoxických metabolitů: některé rostliny absorbují organické látky přímo z kontaminované půdy; nerozpustné látky se většinou váží pevně na povrch kořenů, látky s vyšší rozpustností jsou transportovány přímo do rostlinných tkání, kde mohou být různými detoxikačními mechanismy přeměňovány na nefytotoxické sloučeniny a dále pak ukládány např. do vakuol nebo ve formě ligninu do buněčné stěny. f/Af£^\% Research Centre for Toxic Compounds in the Environment yg ''X**^'* http: / / recetox.muni.cz Mechanismus fytoremediace Mechanismus transformace organických polutantů v rostlinných buňkách (X...organické xenobiotikum, ER...endoplazmatické retikulum, GSH...glutathion, CP450.........cytochrom P450) 79 Mechanismus fytoremediace Uvolňování enzymů do prostředí, které podporují mikrobiální aktivitu a biochemickou transformaci v půdě: ^ Ve vzorcích půd z kontaminovaných míst bylo identifikováno pět enzymových systémů, které se pravděpodobně podílejí na transformaci organických látek v životním prostředí. ^ Patří mezi ně dehalogenázy, reduktázy organických sloučenin, peroxidázy, lakáza (fenoloxidasa) a nitrilázy. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz SO Mechanismus fytoremediace Zvýšenou mineralizací látek v rhizosféře, která je typická pro činnost hub a mikrobiálních konsorcií; 0 0 0 V kořenovém systému rostlin je obvykle přítomno nejvíce bakterií (asi 106108) a dále asi 105 aktinomycet a 103 hub na gram půdy. Rostliny napomáhají mikrobiální mineralizaci v rhizosféře tím, že uvolňují do půdy látky, které mohou sloužit mikroorganismům jako zdroj uhlíku a energie pro kometabolismus organických látek znečišťujících životní prostředí. Rostlinné exudáty obsahují hlavně enzymy, alifatické a aromatické látky (fenoly, terpeny, flavonoidy), aminokyseliny a cukry. Některé z těchto látek mohou působit též jako induktory bakteriálních drah degradace některých organických xenobiotik (např. PCBs). Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz Si Mechanismus fytoremediace Rostliny používají pro transformaci polutantů, na rozdíl od mikroorganismů, zcela odlišné mechanismy. Ty můžeme rozdělit dle způsobu uplatnění: ^ Fytoextrakce (fytoakumulace) založená na schopnosti rostlin přijímat a akumulovat škodlivé látky ve svých kořenech i nadzemních částech. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz S2 Mechanismus fytoremediace ^ Transformace (fytodegradace) je přímá degradace organických polutantů na méně toxické nebo netoxické sloučeniny. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 83 Mechanismus fytoremediace ^ Rhizosférni degradace využivá činnosti rostlin a mikroorganismů. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 84 Mechanismus fytoremediace Rhizofiltrace, při které dochází k adsorpci nebo absorpci polutantů, přítomných v nejbližším okolí, do kořenů rostlin. Tento mechanismus je podobný fytoextrakci, ale používá se pro odstranění polutantů ze spodních vod, spíše než z půdy. Pokusy mohou být prováděny in situ nebo je voda přečerpána do speciálních nádrží vyplněných kořeny příslušných rostlin. Předpěstovávané rostliny žijí ve vodných prostředích s nízkou hladinou kontaminace a až po určité době jsou přesazeny přímo na kontaminované místo. Z mnoha testovaných rostlin se jako jedny z nejúčinnějších ukázaly hydroponicky pěstované slunečnice, např. využívané k odstranění radionuklidů z povrchové vody v okolí Černobylu. f/tf^& Research Centre for Toxic Compounds in the Environment g^ http: / / recetox.muni.cz Mechanismus fytoremediace Fytostabilizace napomáhá stabilizovat kontaminované místo, snaží se omezit rozšiřování polutantů např. erozí nebo prosakování do spodní vody jejich pevnější vazbou na půdní částice. ^ Používá se při rekultivacích kontaminovaných ploch, kde přes poměrně nízké hladiny koncentrací polutantů neroste přírodní vegetace. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz S6 Mechanismus fytoremediace Převedení do plynné fáze, kdy některé polutanty procházejí rostlinou do listů a vypařují se do atmosféry ve stejné nebo částečně modifikované formě. ^ Jak bylo prokázáno u topolů, 90 % TCE (trichlorethylenu) odebraného z půdy bylo odpařeno. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 87 Mechanismus fytoremediace Užití rostlin pro odstranění polutantů ze vzduchu, které využívá schopnosti některých rostlin vázat polutanty přítomné v ovzduší na povrch listů např. schopnost vázat olovo zachycené z benzínových zplodin Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz SS Fytoremediace Výhody a omezení: TYPE ADVANTAGE DISADVANTAGE Phytoextraction by trees High biomass production Potential for off-site migration and leaf transportation of metals to surface Phytoextraction by grasses High accumulation Low biomass production and slow growth rate Phytoextraction by crops High biomass and increased growth rate Potential threat to the food chain through ingestion by herbivores Phytostabilizati on No disposal of contaminated biomass required Remaining liability issues, including maintenance for indefinite period of time (containment rather than removal) Rhizof iltration Readily absorbs metals Concentration in plants and wetlands of metals that must be disposed of eventually Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 89 Fytoremediace - aplikace, výhody, omezení ^ Fytoremediace je nejlépe využitelná na velkých plochách, kde kontaminace dosahuje maximálně do 5 metrů hloubky. ^ Výhodou fytoremediace je její vysoká efektivita, produkce biomasy může dosáhnout až 100 tun na hektar plochy za rok. ^> Při růstu rostlin nedochází k poškozování životního prostředí, jelikož nejsou potřeba těžké stroje ani převoz zeminy. ^ Používání fytoremediace je též akceptováno veřejností. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9G Nevýhodou fytoremediace je negativní ovlivnění jejího průběhu a výsledné kontaminace různými vlastnostmi půdy a životními podmínkami v místě znečištění. Struktura půdního profilu, pH, koncentrace solí, polutantů a přítomnost dalších toxinů - tyto faktory mohou být limitující s ohledem na toleranci použité rostliny. Kontaminanty se mohou hromadit v listech a mohou být znovu uvolňovány (např. při opadávání listů) do prostředí. V některých případech se zvyšuje rozpustnost polutantů a může dojít k jejich rozšíření do okolního prostoru. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz 9í Fytoremediace - aplikace, výhody, omezení ^ Fytoremediace je také pomalejší než běžné jiné biologické či fyzikální a chemické metody, a proto je nutné uvážit i časové hledisko při výběru metody. ^ Některé limitující faktory fytoremediace by mohly být odstraněny s použitím geneticky modifikovaných rostlin. Takové rostliny by byly získávány transformací po vložení specifických genů pro tvorbu bílkovin nebo peptidů, které se účastní vazby a transportu xenobiotik nebo zvýšením produkce a aktivity rostlinných bidegradačních enzymů a zajištění jejich přednostního transportu do rhizosféry a podpory půdních bakterií, které žijí v nejbližším okolí rostlinných kořenů. f/M^\0" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^ http: / / recetox.muni.cz Fytoremediace ^ Oblasti kontaminované určitým typem organických látek nebo anorganických látek, vyžadují specifický typ rostlin nebo větší počet rostlin ve skupině. ^ Často se používá vojtěška pro svojí schopnost fixovat dusík a vlastnostem kořenů, které zasahují do vhodné hloubky. ^ Dále se pro fytoremediace osvědčily stromy z rodu Salicaceae (topoly a vrby), které jsou značně odolné a relativně rychle rostou. Rebříček vodní (vodní mor kanadský) byl využit pro odstraňování škodlivých látek za spodních vod. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 93 Fytoremediace je metoda při níž dochází k odstraňování xenobiotik šetrně a poměrně levně ve srovnání s fyzikálně-chemickými metodami. Americká Společnost rostlinné fyziologie (ASPP) vypočetla před několika lety, že zavedené způsoby dekontaminace půdy stojí přibližně 1000 dolarů/1 tunu půdy, zatímco přečištění pomocí fytoremediace vyjde na 30 dolarů za tunu půdy - ovlivnění ceny - typ polutantu, půdní typ a rozloha kontaminovaného místa atd. - i přesto je fytoremediace významně levnější než běžné metody. Fytoextrakce, hlavně pro transport a akumulaci kovů z půdy - 25 -100 dolary za tunu přečištěné půdy. Rhizofiltrace, při které kořeny rostlin rostoucích ve vodě absorbují přítomné polutanty - 0,6 - 6,0 dolaru /1000 galonů (3 785 l) znečištěného vodního systému. f/Af£^\% Research Centre for Toxic Compounds in the Environment "X^^^J http: / / recetox.muni.cz Bioremediační technologie ^> Bioprovzdušnění ^> Bioremediace v tuhé fázi ^> Bioslurping ^ In situ remediace podzemní vody ^ Přirozená atenuace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 95 Bioslurping Vapor Discharger/ Treatment LNAPL Discharge Vacuum I_I Pump \—\ Soil Aeration Accelerates Biodegradation Oil/water Separator Water Discharge Slurp Tube Bioventing Horizontal -► X LNAPL Water Table Groundwater Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 96 Uspořádání bioslurpingového objektu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9? Bioslurping Složky systému: ^ Slurp roura rozšířená pro LNAPL ^ Vakuová extrakční pumpa ^ Separátor vody znečištěné ropnými látkami Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9S Bioslurping Odstraňované kontaminanty: ^ LNAPLs/volně plovoucí ropné uhlovodíky ^ Provzdušněná vadózní zóna Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 99 Bioslurping ^ Produkt je vytahován ve formě: kolony, broků, kapek, par ^ Přechází do separátoru ropa/voda ^ Aerace prostřednictvím půdní plynné extrakce podporuje biodegradaci Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 100 Bioslurping Výhody: ^ Zvýšení účinnosti využitím vakua má rozhodující význam ^ Usnadnění biodegradace ^> Minimální extrakce podzemní vody ^ Systém může být upraven na bioventing Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz ioi Bioslurping Omezení: ^ Pracuje pouze s LNAPLs ^ Nemůže být prováděno s kolonami většími než > 25 feet Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 102 Bioremediační technologie O Bioremediace v suspenzním systému O Bioprovzdušnění O Bioremediace v tuhé fázi O Fytoremediace O Bioslurping O In situ remediace podzemní vody O Přirozená atenuace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 1Ü3 In situ remediace podzemní vody H- Treated Water to Disposal Groundwater Treatment r Nutrients and Oxygen Treated Groundwater T Contaminated L^^^ Groundwater Extraction Well Injection. Well New Water Table Bioactive Zone Original Water Table Contaminant Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 104 Schéma zapouštěcího drénu pro podporu bioremediace nesaturované zóny in situ Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 105 Schéma podpory bioremediace zapouštěním roztoků živin do vrtů s recirkulací Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz í06 Chemická oxidace podzemni vody Fentonovým činidlem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 107 In situ remediace podzemní vody Typy: ^ Degradace ^> Detoxifikace ^> Mineralizace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz ios In situ remediace podzemní vody Požadavky infiltrace: % Vstřikovací vrty jsou většinou přímé, ale musí být pečlivě navrhovány % Infiltrační galerie nebo povrchové aplikace stojí méně, ale jsou méně přímé ^ Musí být dodány požadované koncentrace elektron akceptorů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 109 In situ remediace podzemní vody Potenciální příjemci elektronů (při 10 °C): % Vzduchem saturovaná voda: 10 mg.l-1 kyslíku % Kyslíkem saturovaná voda: 40 mg.l-1 kyslíku % 200 mg.l1 H2O2: 94 mg.l1 oxygen % 200 mg.l-1 dusičnanů: 168 mg.l-1 dusíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz iiG In situ remediace podzemní vody Požadované živiny % Kombinovaná přítomnost anorganických živin ovlivňuje rychlost biodegradace % Potřeba dalších živin závisí na charakteristikách lokality % Přídavek dalších různých látek může zajistit požadavky výživy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz lll In situ remediace podzemní vody Aplikační požadavky: % Cenově přijatelná pro kontaminované půdy a podzemní vody % Kontaminace VOCs, SVOCs a ropnými uhlovodíky % Hloubka podzemní vody a čištěné množství mohou limitovat aplikovatelnost Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz íí2 In situ remediace podzemní vody Specifické výhody: ^ Široce aplikovatelná pro organické odpady za vhodných podmínek ^ Je obecně považována za přirozený proces a podporována veřejností ^ Může být cenově přijatelnější než běžné pumpování a čistící technologie Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 113 In situ remediace podzemní vody Specifická omezení: % Kontaminanty musí být biodegradovatelné % Vyžaduje extensivní charakterizaci lokality % Pohyblivost kontaminantů může vyžadovat nezbytnost čistící systému pro vodu nad hladinou podzemní vody % Proces může vést k vytvoření anaerobních podmínek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 114 In situ remediace podzemní vody Faktory ovlivňující cenu: % Geologie a struktura půd % Typ a koncentrace kontaminantů % Hloubka kontaminantů v podpovrchových vrstvách půdy % Celková plocha povrchu a objem kontaminované oblasti % Charakteristiky systému Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz ii5 In situ remediace podzemní vody Typické ceny: % Typické ceny se pohybují v rozsahu mezi $40-$250 za kubický yard půdy % Prodejní ceny se pohybují mezi $0.08 - $100 za krychlový metr půdy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 116 In situ remediace podzemní vody Příklady aplikací: % Rutinně používaná pro čištění míst po ošetřování dřeva % Vybrána pro 11 čištěných lokalit Superfund Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 117 Podporovaná bioremediace podzemni vody in situ Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz llS Bioreaktory pro čištění podzemních vod Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 119 Bioremediační technologie penzním systému q in situ remediace podzemní vody Q Přirozená atenuace f/tf^& Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz Přirozená atenuace Princip: % Přirozená atenuace je založená na přirozených metabolických procesech, které probíhají v mikrobiálních a rostlinných buňkách. % V průběhu těchto procesů se odstraňují organické polutanty z kontaminovaných míst. % Přirozená atenuace byla demonstrována na několika případech čištění spodních vod. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Hi Zóny s různým redox potenciálem vzniklé v důsledku přirozené atenuace po kontaminaci podzemní vody SO.' ^S* NO, SÄSL. y SO.! Fe(lll) Fe(ll) Obr. č. 3.1.2-1 Zóny s různým redox potenciálem vzniklé v důsledku přirozené atenuace po kontaminaci podzemní vody. V každé zóne je využíván mikrobiální populací jiný terminálni akceptor elektronů (Chapelle a kol., 2004) 1 - ohnisko znečištění, 2 - směr proudění podzemní vody, 3 - zóna redukce Fe3* na Fe2*, 4 - methanogenní zóna, 5 - mrak s rozpuštěným polutantem, 6 - zbytková koncentrace v nesaturované zóně, 7 - zóna redukce sulfátu na sulfid, 8 - zóna denitrifikace Mna f/0^S Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^2 V^*V>-° http: / / recetox.muni.cz Přirozená atenuace Požadované základní informace: Pro její stanovení jsou vyžadovány tři typy informací: ^ data z dlouhodobého monitorování cílové lokality, která jasně ukazují, že koncentrace kontaminantu v průběhu sledování klesá; sledování koncentrace musí probíhat dlouhou dobu a sledovaná lokalita musí být podrobně charakterizována ^ koncepční a prediktivní model k dosažení přirozené atenuace ^ stanovení rizika pro ekosystém a pro lidskou populaci Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 123 Přirozená atenuace Omezení: <4n <4n <4n Pokles koncentrace cílového polutantu během sledované doby může mít řadu důvodů, z nichž jenom jeden je kompletní mineralizace. Důvody jsou odpařování, adsorpce na částice půdy, biotransformace, chemická a fotochemická oxidace. Přirozenou atenuaci lze využít pouze pro biodegradovatelné organické látky. Sběr dat potřebných pro vstupní parametry modelu. Modelování je komplexní, vyžaduje expertízu. Produkty rozkladu mohou být více toxické, pohyblivé. Rozklad kontaminantů může měnit migrační rychlost. f/M^\0" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^4 http: / / recetox.muni.cz Přirozená atenuace Koncepční prediktivní modely: % Bylo navrženo několik prediktivních modelů, které by mohly umožnit předpovědět biodegradabilitu různých organických látek, ale žádný z nich nám dosud neumožňuje spolehlivou předpověď zda bude sledovaný polutant mineralizován a jaké intermediáty metabolismu se budou v průběhu procesu hromadit. % Tyto modely jsou založeny na fyzikálních a termodynamických vlastnostech polutantů event. na bioakumulaci a rychlosti biodegradace polutantů za laboratorních podmínek. % Koncepční modely jsou spíše založeny na konkrétních znalostech biochemických procesů podílejících se na biodegradaci než na degradační kinetice a přenosu hmoty polutantu. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz l25 Přirozená atenuace Faktory ovlivňující přirozenou atenuaci: % Přirozenou atenuaci ovlivňuje řada faktorů jako je původ polutantu jeho biodegradabilita, rozpustnost, koncentrace a toxicita. Dále pak celková charakteristika kontaminovaného místa: vlastnosti půdy > velikost částic pH teplota přítomnost těžkých kovů a jiných toxických látek. V neposlední řadě potom i vlastnosti přítomné mikrobiální populace, přítomnost příslušných katabolických genů. f/M^\0" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz Do dnešní doby byla přirozená atenuace využita převážně pro halogenovaná rozpouštědla a ropné uhlovodíky. Mezi další polutanty, které mají předpoklady pro přirozenou atenuaci patří chlorbenzeny, chlorfenoly, chlorbenzoáty a PCBs. PCBs jsou dehalogenovány kometabolicky za methanogenních podmínek. Bylo popsáno již několik případů tohoto procesu. Mineralizace takto vzniklých nízkochlorovaných kongenerů je v zásadě možná. Jak ukazují i poslední výzkumy, do přeměny PCBs jsou zahrnuty i rostliny jejichž produkty uvolňované do půdy mohou také stimulovat degradaci PCBs i-m- C5 f/M^\0" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Přirozená atenuace Náklady: % Výhoda přirozené atenuace spočívá v minimálních nákladech, ale celý proces je dlouhodobý a může trvat i několik let a vyžaduje důsledný kontrolní systém. % Cena zahrnuje cenu modelování, vzorkování a monitoringu. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 12S Přirozená atenuace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 129 Kompostování ve statické hromadě s nuceným provzdušňováním Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 13ü Bioimobilizace, biostabilizace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 131 Hlavni omezeni zavedených biologických technologii Bioventing Composting I Biopiles Landfarming Technical / Economic Soil heterogeneity and low permeabilities may reduce efficiency. Low moisture content can limit biodegradation. Large space area is needed. Existence of metals may affect the clean up performance. The final volume increases due to amendment addition (for composting). Medium to long term time to reach clean up levels. Chlorinated and nitrated compounds may affect pollutants degradability. Climatic conditions may increase time required to clean up. Not suitable for PCBs. Social_._ No public opposition. No public opposition (with proper odors and emissions control). No public opposition. Environmental / Risk Potential fugitive emissions of by products or hazardous compounds. Requires off gases trapping The risk of fugitive emissions may limit the treatment of pesticides. Requires odor control and off gasses trapping systems. Potential release of VOCs or hazardous compounds during tilling. systems. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 132 Hlavní omezení zavedených biologických technologií Phytoremediation Bioslurry Enhanced bioremediation Technical / Economic The process may take years to achieve regulatory limits. Few data exist yet as input to standardization and regulatory acceptance. Dewatering soil fines after treatment can be expensive. It is required an acceptable method for disposing of non recycled wastewater. Water-based solution circulation may move pollutants to underlying ground water. Clogging may occur. It is not suitable for low permeability soil. High metal and chlorinated organic concentrations may be toxic to the organisms. This technology is not effective at low temperatures. Social Not regarded adversely by community. Not regarded adversely by community. Not regarded adversely by community. Environmental / Risk Appropriate waste management and disposal is required to prevent contamination of the food chain. Cautions and operational conditions must be set to prevent potential fugitive emissions of pesticides. Some POPs may be formed under anaerobic conditions. The mobilization of contaminants may affect surrounding environment (air and groundwater). Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 133 Ukázka remediace konkrétní lokality v ČR Technologický postup dekontaminace vod kontaminovaných polychlorovanými bifenyly kombinaci sorpce a biodegradace pro lokalitu ZEZ Zamberk Princip technologického postupu Při tomto technologickém postupu byly PCBs obsažené ve spodní vodě v první fázi sorbovány na vhodný sorpční materiál, takto ošetřená voda byla poté dočištěna na koloně s aktivním uhlíkem a suspenze obsahující nasorbované PCBs byla podrobena biodegradaci za přídavku směsné kultury bakterií. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 134 Ukázka remediace konkrétní lokality v ČR Popis technologického postupu Kontaminovaná voda byla pumpována do reservoáru (3 000 l) (obrázek), a z tohoto reservoáru (1) byla pumpována na stripovací kolonu (2), která byla naplněna polyetylénovými částicemi o průměru 1 cm. Voda tímto postupem zbavená chlorethylénů byla přemístěna do zásobního tanku (3) a odtud byla přečerpána do sorpčního tanku (4) o objemu 2 000 l. Jako sorpční materiál byl použit bentonit (10 kg) aktivovaný síranem železitým a suspenze byla míchána po 2 hodiny. Kyselost vody byla upravena na pH 7 přídavkem hydroxidu vápenatého a 50 g flokulantu Praestol 611. Sedimentace sorbetu probíhala ve dvou nádržích 1 700 l (5). Rychlost průtoku ošetřené vody do sedimentační nádrže byla 20-25 l.hod-1. Retenční čas vody v nádrži 130-170 min. Z vodní nádrže byla voda čerpána přes pískový filtr a finální dočištění probíhalo na sloupci s aktivním uhlíkem s retenčním časem 2,5-5 min. Kal ze sedimentační nádrže (obsah pevných částí cca 5%) byl podroben biodegradaci za použití 5% inokula připraveného kultivací směsné kultury bakterií (Pseudomoas sp., Acinetobacter sp.) isolované s ohledem na degradaci PCBs. Po 36 dnech degradace se snížila koncentrace Deloru 103 (vztaženo na sušinu) z 8 mg.l-1 na 2 mg.l-1 (cca na 25%) a koncentrace Deloru 106 z 2 mg.l-1 na 0,6 mg.l-1 (cca na 30%); f(M^& Research Centre for Toxic Compounds in the Environment jj^ http: / / recetox.muni.cz Ukázka remediace konkrétní lokality v ČR Schéma biodegradačního procesu: (1) zásobník kontaminované vody (2) stripovací kolona zásobní tank sorpční tank (3) (4) (5) (5a, 5b) sedimentační nádrže a/nebo bioremediační reaktory (alternace) (6) pískový filtr (7) filtr s aktivním uhlím (8) (8a, 8b) sorpční kolony s aktivním sorbetem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 136 Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 137