MUNI I R E C E T O X SCI E0280 TECHNOLOGIE A NÁSTROJE OCHRANY ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ II Bioremediace R N Dr. Mgr. Michal Bittner, Ph.D. Remediační technologie ^ Biologické Biologické remediační technologie pTOlCCltVť inľillrution infillrauon wťdl covering layer Title biorcitTor O; i ctwiveryur wcL3 w — —^"hmmJC 3t -L «- — fe» dL ř^T *•* í r*/- -t — £Touľidwat(T pool ľiyurt 4.5.5 Bio kotoul hazardous waste site remediation (after Bank. I*W4) 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. 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: ^> 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 Biodegradace, bioremediace ^> na zkontaminované lokalitě přítomnost dalších chemických látek nebo jejich směsí, které by potlačovaly růst a metabolickou aktivitu degradační mikroflóry ^> 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. Biodegradace, bioremediace Smysl bioremediace - využít přirozené biodegradační pochody s cílem vyčistit kontaminované lokality. Systém, kdy se do půdy navrací ekologická funkce, kterou plní mikroorganismy Bioremediation Triangle Bioremediace — co musíme znát ??? ^> Z pohledu degradované látky či spíše směsi látek ^> Z pohledů využívaných mikroorganismů ^> Z pohledu prostředí, ve kterém se má proces realizovat Bioremediace — co musíme znát ??? Z pohledu degradované látky či spíše směsi látek: ^> Strukturu zájmové látky či směsi látek ^> Fyzikálně-chemické vlastnosti - persistenci/reaktivitu, rozpustnost, těkavost, tendenci ke kumulaci v abiotickém prostředí a potenciál pro bioakumulaci ^> Její/jejich koncentrace ^> Produkty degradace a jejich vlastnosti ^> Biodostupnost v daném prostředí Bioremediace — co musíme znát ??? Z pohledů využívaných mikroorganismů ^> Jejich schopnost degradovat danou látku či směs látek ^> Životní optimální podmínky - živiny, vlhkost, pH, kyslík ^> Přítomnost látek toxických pro používané mikroorganismy nebo jejich konsorcia Bioremediace — co musíme znát ??? Z pohledu prostředí, ve kterém se má proces realizovat ^> Sorpční schopnosti - ovlivnění biodostupnosti ^> Fyzikálně-chemické vlastnosti ^> Mechanické vlastnosti ^> Toxicita prostředí Aerobic degradation Organic pollutant C02+ H2O +other waste products + energy Microbe Oxidized electron acceptor 02 N03- Fe(lll) S04= Reduced electron acceptor H2O N2 Fe(ll) H2S Oxidative Biodegradation Anaerobic degradation Electrophilic pollutant Electron donor sugar fatty acid H2 Less halogenated pollutant +CI" (or other reduced species) Oxidized electron donor CO2 + H2O mother fermentation products ^energy Reductive Biodegradation Biodegradability Table 2: Compilation of degradability (mineralization, hum if i cation) and transformability of some contaminants contaminant microbial degradability preferred conditions high low no mineral oil hydrocarbons short-chain mineral oil hydrocarbons + aerobic long-chain/branched mineral oil hydrocarbons + aerobic cycloalkanes + aerobic monoaromatic hydrocarbons AHs + aerobic phenols + aerobic cresols + aerobic catechols + aerobic polycyclic aromatic hydrocarbons 2- to 3-ring-PAHs (e.g. naphthalene) + aerobic 4- to 6-membered ring PAHs (benzo(a)pyrene) + aerobic chlorinated aliphatic hydrocarbons tetrachloroethylene, trichloroethane + anaerobic trichloroethvlene. dichloroethane + anaerobic/aerobic Biodegradability nitroaromatic compounds mono- and dinitroaromatics + aerobic/anaerobic trinitrotoluene (TNT) + aerobic/anaerobic trinitrophenol (picric acid) + aerobic/anaerobic nitros aliphatic compounds glycerol trinitrate + aerobic pesticides g-hexachlorocyclohexane (lindane) + aerobic/anaerobic b-hexachlorocyclohexane (lindane) (+) + aerobic/anaerobic atrazins + aerobic „dioxins" PCDD/F (several) + anaerobic 2,3,7,8-PCDD/PCDF + xenolbiotic polymers + + inorganic compounds free cyanides + aerobic complex cyanides + ammonium + aerobic/anaerobic nitrate + anaerobic sulphate + anaerobic heavy metals* + radioisotopes* + *') Microbiallv transformable, yet not "deqradable" From: Manual for Biological Remediation Techniques, 2006) Biodegřadability Table 2. Mode of bioremediation for several organic soil pollutants amenable to biodegradation. Compound Class Bioremediation mode Representative microoiganism(s) Established technology? Petroleum hydrocarbons Primary: aerobic oxidation Pseudomonas spp„ multiple aerobic heterotrophs Yes PAHs Primary: aerobic oxidation Many species of aerobic lieterotrophs Yes Secondaiy: fungal/anaerobic Cuiifi ingh a mellael egans, Ph a neroch aete ch ní osp 01 i um No Petroleum hydrocarbons: BTEX Primary: aerobic oxidation Sec ondaiy: ana erobic oxidation Multiple aerobic lieterotrophic spp. TOL4 and other denitrifying spp.: sul fa t e re due in g spp. Yes Some Chlorinated aliphatic s Primary: anaerobic reductive dehalogenation Mixed anaerobic cultures. Complete dechlorination of PCE/TCE requires the presence of DehaJococcus etheuogeues Yes From: Rockne and Reddy, 2003) Biodegřadability Methylosimis andMeihlylococcus Some Secondary: cometabolic spp (methane) aerobic oxidation Pseudomoimds (toluene and phenol) Nitrosomonasspp. (ammonia) Highly chlorinated Primaíy: reductive Mixed anaerobic consortia No PCBs dechlorination Mono- and di -chlorinated PCBs PrimaryT: aerobic oxidation Burkholderia Str. LB400 Some Explosives Primary: reduction of nitro groups Mixed anaerobic consortia Yes Pesticides and Multiple modes: primarily Multiple aerobic and anaerobic Yes herbicides aerobic for organo-phosphates and nou-chlor ina ted compounds heterotrophs: Flavobacterium spp„ Árthrobacter spp. From: Rockne and Reddy, 2003) Zásady pro využívání mikrobiálních technologií ^> Mikroorganismy pro nás nepracují proto, že my chceme, ale proto, že jim to přináší různé výhody, především energii pro množení a tvorbu biomasy a pro nezbytné fyziologické pochody ^> Pokud jim zlepšíme podmínky v prostředí, pracují o to lépe. VítMatějů Biodostupnost polutantů Semple et aľ, 2004 Podpora přenosu hmoty Zpřístupnění molekul polutantů pro buňky: ^> Přídavkem neionogenní povrchově aktivní látky (NPAL) ^> Částečná chemická oxidace Podpora přenosu hmoty ^> Ohřev horninového prostředí (odporové ohřívání, vhánění ^> Uvolnění sorpčních vazeb molekul polutantů ultrazvukem ^> Podpora tvorby biosurfaktantů Podpora přenosu hmoty — tvorba biosurfaktantů The bacterium Pseudomonas aeruginosa produces a nontoxic, degradable biosurfactant (detergent) called rhamnolipid Courtesy Raina M Maier Biosurfaktanty Glycolipids rhamnolipids, sophorolipids, trehalolipids Lipopeptides surf actin, iturin, fengycin o ii -CH-CH?-C—0-! rhamnolipid from Pseudomonas sp. CH, :<-■■■ I I CH; fChhJ, in CHfe surfactin 4—ihl— CO-IIU-; CDQH bioemulsan from Acinobacter sp. Other surface active biomolecules in natural and man-made use, especially in food products Phospholipids Proteins e.g. lecithin e.g. b-casein Biosurfaktanty ^> Všechny bakterie, které jsou schopné využívat nepolární substráty, mají schopnost biosurfaktant vytvářet a uvolňovat do prostředí ^> Bez biosurfaktantu by nebyly schopné dopravit substrát do buňky Micela neionogenní povrchově aktivní látky Molekula polutantu polární Molekula polutantu nepolární Hydrophillc head $ Aqueous so lul ion Hydrophobic tall Podpora vymytím Odbourávání PAHs OHH OH Hydroxy-PAK p-Dihydroxy-PAK p-Chinon Biodegradace x biotransformace Microorganisms eat oil Microorganisms digest oil and Microoganisms or other organic convert it to carbon dioxide (C02) give off CO2 and contaminant and water (H2O) H2O Biotransformace (vs. Biodegradace) ^> Nedochází k rozkladu až na H20, C02? k tvorbě biomasy a energie. ^> Dochází jen k biotransformaci molekul polutantu na nové sloučeniny, které jsou buď dead-end produkty, nebo nemohou být dále rozkládány vzhledem k podmínkám v prostředí ^> Tyto meziprodukty mohou mít mnohem nepříznivější vlastnosti pro životní prostředí než původní polutanty Tvorba dead-end produktů 1. PROBLÉM ^> Stanovení PAHs po extrakci nepolárními rozpouštědly ^> Biotransformační produkty jsou polární - nestanoví se, nastává pokles koncentrace PAHs - je to vyřešení problému • • • Skutečnost ^> Biotransformační produkty a dead-end produkty jsou ve vodě mnohem rozpustnější a tedy mobilnější, jsou však často i toxičtější než původní PAHs, takže zemina se sníženou koncentrací PAHs po biodegradaci je z hlediska životního prostředí mnohem škodlivější, má podstatně vyšší ekotoxicitu a genotoxicitu Biotransfbřmace místo biodegřadace Benzo[a]pyrene Benzo[a]pyrene 7, 8- 7,8-dihydrodiol dihydrodiol-9,10-epoxide Biologické procesy Výhody: ^> Využitelné pro široký rozsah organických látek ^> Využitelné pro všechna media ^> Rezidua jsou velmi nízká nebo žádná ^> Častá je flexibilita v designu systému ^> Nižší ceny než jiné technologie Biologické procesy Omezení: ^> Není obecně aplikovatelné pro anorganické látky ^> Dlouhá doba čištění ^> Je požadována důsledná charakterizace lokality ^> Je omezena charakteristikami lokality Bioremediace Aerobní degradační potenciál Straight-chain carbon compounds Aromatic Compounds Chlorinated straight-chain compounds Chlorinated aromatic compounds High difficulty HHHHHHHH i i i i i i i i Octane h - c-c-c-c-c-c-c-c- h ■ i i i i i i i HHHHHHHH CH ^ d CH CH Benzene ■■ i CH CH XCH* Trichloroethylene (TCE) PCB H Cl C = C Cl Cl X XX x X XX x X = H or Cl Rozdělení bioremediačních technologií Bioremediační technologie lze rozdělit dle místa jejich aplikace na: ^> 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. Ex-situ vs In-situ 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? Bioremediační technologie ^> Bioprovzdušnění (Bioventing) (in) ^> Podpořená bioremediace (Enhanced bioremediation) (in) ^> Monitorovaná přirozená atenuace (Monitored natural attenuation - Intrinsic bioremediation) (in) Fytoremediace (Phytoremediation) (in) Bioremediace v suspenzním systému (Slurry-phase bioremediation - Bioslurry) (ex) <*> Biohromady (biopiles) (ex) <í> Kompostování (Composting) (ex) Bioremediace v tuhé fázi (Solid-phase bioremediation -Landfarming) (ex) Bioremediační technologie Technology Bioventing (in) Enh. bioremediation (in) Natural attenuation (in) Phytoremediation (in) Bioslurry (ex) Biopiles (ex) Composting (ex) Landfarming (ex) Main Target Contaminants SVOCs, VOCs, X-SVOCs, X-VOCs, PAHs SVOCs, VOCs, Pest. SVOCs, VOCs, SVOCs, VOCs, Inorg., Heavy metals SVOCs, VOCs, X-SVOCs, X-VOCs, PAHs, Diox./Fur., Pest. SVOCs, VOCs, X-SVOCs, X-VOCs, PAHs SVOCs, VOCs SVOCs, VOCs, X-SVOCs, X-VOCs, PAHs, Pest. Bioremediační technologie Technology Bioventing (in) Enh. bioremediation (in) Natural attenuation (in) Phytoremediation (in) Cost (US$/ton) 15-80 25-100 10,000/year 50-150 Clean-up time* < 6 months 6 to 12 months > 12 months > 12 months Bioslurry (ex) Biopiles (ex) Composting (ex) Landfarming (ex) 230-270 25-75 250-300 90-100 6 to 12 months < 6 months 6 to 12 months or > 6 to 12 months or > (*) Time referred to a standard mass of about20000 tons Biořemediační technologie Biopfovzdušnění Bioventing (bioprovzdušnění) Cílové kontaminanty: ^ VOCs ^ SVOCs ^ X- VOCs ^ X- SVOCs PAHs 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) Air Injertion Air Injection Bioremediation in Near-Surface Root Zone Air Extraction t t Paved Area Bioventing (bioprovzdušnění) ^> Čištění ve vadózní zóně Kyslík je využit mikrobiálními populacemi pro zahájení biochemické konverze uhlovodíků 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 ^> Pouze pro aerobně biodegradovatelné kontaminanty, které mají tlak par nižší než 1 atm. VOCs, SVOCs a ropné uhlovodíky ^> Těžké uhlovodíky nejsou odstraňovány ^> Lehce těkající organické látky se spíše odpaří než by byly zdegradovány. 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. Dmychadlo Přivod vzduchu Extrakce vzduchu Bioventing (bioprovzdušnéní) Vaccum pump v Vapor treatment unit Vapor flow Groundwater tabie Vapor extraction well Vapor ftow Soluble plume Fig. 12.5 Process scheme of bioventing. 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 Bioventing (bioprovzdušnění) Specifická omezení: ^> Schopnost mikroorganismů biodegradovat kontaminant ^> Propustnost půd ^ Nízký obsah půdní vlhkosti Biořemediační technolo Fytoremediace Fytoremediace Cílové kontaminanty: ^> VOCs ^> SVOCs ^> X- SVOCs (e.g. Populus deltoides, topol bavlníkový) % Těžké kovy (e.g. Brassica juncea, brakevsítinovita) ^ Pesticidy (e.g. Populus sp., topoly) \ Anorganické látky Figure 10-11 Mechanisms of phy tore mediation by a plant. In situ fytoremediace Fytoremediace - popis procesu ^> 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. Mechanismus fytoremediace Rostliny při dekontaminaci uplatňují několik mechanismů: 1) přímou absorpci kořeny, následný přesun do rostlinné tkáně a akumulaci ve formě nefytotoxických metabolitů: ^> některé rostliny absorbují organické látky přímo 2 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. Mechanismus fytoremediace 2) 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. Mechanismus fytoremediace Zvýšenou mineralizací látek v rhizosféře, která je typická pro činnost hub a mikrobiálních konsorcií; V kořenovém systému rostlin je obvykle přítomno nejvíce bakterií (asi 106-108) 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). Mechanismus fytoremediace Rostliny používají pro transformaci polutantů, na rozdíl od mikroorganismů, zcela odlišné mechanismy. Ty můžeme rozdělit dle způsobu uplatnění: 4) Fytoextrakce (fytoakumulace) založená na schopnosti rostlin přijímat a akumulovat škodlivé látky ve svých kořenech i nadzemních částech. Mechanismus fytoremediace 5) Transformace (fytodegradace) je přímá degradace organických polutantů na méně toxické nebo netoxické sloučeniny. Mechanismus fytoremediace 6) Rhizosférní degradace využívá činnosti rostlin a mikroorganismů. Mechanismus fytoremediace 7) 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. Biořemediační technolo Bioslufping Uspořádání bioslurpingového objektu Obr. č. 3.1.1-2 Schéma uspořádání bioslurpingového objektu (Pláce a kol., 2003) I - povrch terénu, 2 - voda/půda-plyn, 3 - do vývěvy, 4 - palivo, 5 - oddělovací nádrž, 6 - odsávací potrubí pro suspenzi půdy ve vodě a plynu, 7 - výstroj PVC, 8 - odsávání paliva, 9 - perforace, 10 - volná fáze, II - hladina podzemní vody, 12 - půda-plyn, 13 - izolace bránící palivu ve vstupu do toho prostoru, 14 - uzavírací voda Bioslurping Složky systému: ^ Slurp roura optimalizovaná pro LNAPL (Light Non-Aqueous Phase Liquid (LNAPL) ^> Vakuová extrakční pumpa ^> Separator vody znečištěné ropnými látkami Bioslurping Odstraňované kontaminanty: ^> LNAPLs/volně plovoucí ropné uhlovodíky ^> Provzdušněná vadózní zóna Bioslurping ^> Produkt je vytahován ve formě: kolony, broků, kapek, par ^> Přechází do separátom ropa/voda ^> Aerace prostřednictvím půdní plynné extrakce podporuje biodegradaci Bio slurping Vapor Discharger/ Treatment Vacuum _ Pump — Oil/water Separator LNAPL Discharge Water Discharge Soil Aeration Accelerates Biodegradation Horizontal X Slurp Tube LNAPL Water Table Groundwater Bioslurping Výhody: ^> Zvýšení účinnosti využitím podtlaku (vakua) rozhodující význam ^> Usnadnění biodegradace ^> Minimální extrakce podzemní vody ^> Systém může být upraven na bioventing Biořemediační technolo In situ remediace podzemní vody In situ remediace podzemní vody Treated Water to Disposal Groundwater Treatment Nutrients and Oxygen Treated Groundwater Contaminated Groundwater Extraction Well Injection, Well New Water Table Bioactive Zone Original Water Table Contaminant Bioreaktory pro čištění podzemních vod Q 0 ft D o Obr. č. 3.2.1-1 Mechanicky míchaný bioreaktor (William, 2002). Recyklace biomasy je alternativou, která nemusí být vždy použita při Čištění kontaminované podzemní vody. Provozuje se kontinuálně. 1 - motor, 2 - odplyny, 3 - nůtok kontaminované podzemní vody, 4 - ventil, 5 - čerpadlo, 6 - dodávka vzduchu. 7 - recyklace biomasy, 8 - separator, 9 - vyčištěná voda O o o O 0 ,0 0 o o o AAA o aV X2 >4 0ř»r. č. 3.2.1-2 Bioreaktor s pneumatickohydrau-lickou homogenizací a samonasávacím válcem. Tento typ bioreaktoru neobsahuje žádné točivé části a je provozně velmi spolehlivý (William, 2002). Provozuje se převážně kontinuálně. I - odplyny, 2 - ventil, 3 - přívod vzduchu, 4 - vyčištěná voda s mikrobiální biomasou, 5 - přívod kontaminované podzemní vody 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 In situ remediace podzemní vody Potenciální příjemci elektronů (při 10 °C): ^> Vzduchem saturovaná voda: 10 mg.l'1 kyslíku ^> Kyslíkem saturovaná voda: 40 mg.l1 kyslíku ^ 200 mg.l1 H202: 94 mg.l1 kyslíku In situ remediace podzemní vody Požadované živiny ^> Kombinovaná přítomnost anorganických živin ovlivňuje rychlost biodegradace ^> Potřeba dalších živin závisí na charakteristikách lokality In situ remediace podzemní vody Specifické výhody: ^> Široce aplikovatelná pro organické kontaminanty 2a vhodných podmínek ^> Je obecně považována 2a přiro2ený proces a podporována veřejností ^> Může být cenově přijatelnější než běžné pumpování a čistící technologie 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 Biořemediační technologie ^ Přirozená atenuace 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. 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. ^> Také vlastnosti přítomné mikrobiální populace, přítomnost příslušných katabolických genů. Přirozená atenuace Omezení: ^> 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. Přirozená atenuace - využití ^> Do dnešní doby byla přirozená atenuace využita převážně pro halogenovaná rozpouštědla a ropné uhlovodíky. ^> Mezi další polutanty, které mají předpoklady pro přirozenou atenuaci patří chlórbenzény, chlorfenoly, chlorbenzoáty a PCBs. PCBs jsou dehalogenovány kometabolicky za methanogenních podmínek. ^> Mineralizace takto vzniklých nízkochlorovaných kongenerů je v zásadě možná. 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. Přirozená atenuace Hypothetical Long-Term Monitering Strategy Anaerobic Treatment Zone Direction of Plume Migration Extent of Dissolved-Phase BTEX Plume Aerobic Treatment Zone LEGEND Point-of-Compliance Monitoring Well Not to Scale O Long-Term Monitoring Well Biořemediační technolo Bioremediace v suspenzním systému Biořemediace v suspenzním systému Cílové kontaminanty: ^ VOCs ^ SVOCs ^ X- VOCs ^ X- SVOCs PAHs Prvním krokem při čištění je odtěžení půdy, odstranění velkých kamenů a příprava vodní suspenze (60-95 váhových %). ^> Obvykle je technologie v suspenzním systému prováděna jako vsádkový proces v reaktoru, kterým může být laguna, otevřené nádoby nebo uzavřený systém. ^> Po ukončení bioremediace se oddělí vodní a pevná fáze. ^> Různé typy suspenzních reaktorů se od sebe liší ve způsobu okysličování a způsobem míchání suspenze. Bioremediace v suspenzním systému Koncepční model čistící technologie Supernatent Recycle Bioremediace v suspenzním systému Typický proces Treated Emissions Waste Preparation Soil Water -► Oxyge -► -► Nutrients/ Additive Bio Reactors! Slurry Dewatering Water -►Solids + Oversize Rejects Bioremediace v suspenzním systému concentration mg kg"1 dry matter stan co n cent rati od fast stage slow stage rest concentration o days time j^eek! Fig. 11,8 Generalized curve for decontamination during batch operation. 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 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 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 Biořemediační technologie Bioremediace v tuhé fázi Bioremediace v tuhé fázi Cílové kontaminanty: ^ VOCs ^ SVOCs ^ X- VOCs ^ X- SVOCs PAHs ^ Pesticidy ^ Chlorované fenoly ^ Výbušniny (TNT, RDX, HMX) 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. 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. Landfarming Obr. č. 22J -4 Základní uspořádání landfar-mingu s nej důležitějším technickým vybavením (Anonym, 2004) 1 - kypřeni ošetřovaného materiálu pro zapravení kyslíku, 2 - kontaminovaná zemina, 3 - jímka na průsakové vody a jejich čištění, 4 - monitorovací vrty pro kontrolu kvality podzemních vod, 5 - ohrazení Bioremediace v tuhé fázi Vanový reaktor (bed reactor). ]4 7iviny aeračnf systém nepropustné podloží Bioremediace v tuhé fázi ^> 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. Bioremediace v tuhé fázi Aplikace: ^> 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 odpadů