KÖRNYEZETI KOCKÁZATMENEDZSMENT

Átírás

1 KÖRNYEZETI KOCKÁZATMENEDZSMENT Bioremediáció alapok, technológiák Molnár Mónika, Feigl Viktória, Gruiz Katalin Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

2 BIOREMEDIÁCIÓ BIOREMEDIÁCIÓ BIODEGRADÁCIÓ Biológiai kioldás Biológiai stabilizáció Mikroorganizmusok, növények, állatok Page 2

3 Szerves szennyezőanyagok sorsa a talajban Formáik: gáz- vagy gőzforma, vízben oldott vagy emulgeált és szilárd Perzisztencia Beépülés biomassza Beépülés táphumusz Beépülés szerkezeti humusz Fosszilizáció Természetes koncentrációcsökkenés - kémiai folyamatok Biodegradáció, kometabolizáció, mineralizáció Page 3

4 Page 4 Biodegradáció Élőlények biodegradáló hatás kifejtése: közvetlen vagy közvetett módon Közvetlen biológiai bontás: a biodegradálható szerves anyag szubsztrátként szolgál A bontható vegyületből enzimek segítségével energiatermelés (katabolizmus) Kometabolizmus: egy tápanyagul nem szolgáló szubsztrát átalakulása, egy másik tápanyagul szolgáló szubsztrát átalakulásával egybekötve Exoenzimek Hasznosítása: szennyvíztisztítás, komposztálás, talajremediáció, enzimtechnológiák stb.

5 Szénhidrogének és xenobiotikumok lebontása Page 5 Aerob vagy anaerob Szükséges idő: napoktól évtizedekig Mikroorganizmusok enzimreakciók: - oxidáció és redukció. - észterhidrolízis, - dealkilezés, - gyűrűhasadás vagy gyűrűhidrolízis. A domináló reakciótípus függ mind az szénhidrogén-szennyezés típusától, a szénhidrogén összetételétől, mind pedig a lebontásban résztvevő mikroszervezet enzimkészletétől Enzimek: oxigenázok (monooxigenáz, dioxigenáz); dehidrogenáz; hidroláz; izomeráz és transzferáz

6 Page 6 Az alkánok lebontásának biokémiai útjai

7 Alifás klórozott szénhidrogének A metanotróf baktériumok a metánmonooxigenáz enzim segítségével bontják pl. a triklóretilént, és még egy sor más klórozott szénhidrogént (pl. cisz- és transz-diklóretilén). Aerob lebontás: az epoxi-képzés kulcsreakcióját a (1) a metánmonooxigenáz katalizálja. Az instabil molekula extracellulárisan szétdarabolódik Anaerob lebontás: reduktív dehalogénezéssel különböző anaerob baktériumok. Végeredménye a deklórozott alkán és sósav. A folyamat során a klór az elektron-akceptor. Page 7

8 Biodegradáció - biodegradálhatóság Szerves vegyületek biodegradációja: a környezetbe kerülésük és a biotával való kölcsönhatásuk eredményeképpen nyilvánul meg. A biodegradáció mértékét és sebességét a szerves vegyület biodegradálhatósága és a környezet biodegradálódó képessége együttesen szabja meg. Biodegradálhatóság: molekula-szerkezettel összefüggő paraméterek Page 8

9 Biodegradálhatóság jellemzése A bontáshoz szükséges idővel (ill. felezési idővel) t 1/2, DT50 Bomlási sebességi állandóval k A biodegradálhatóság a sebességi állandó és a felezési idő közötti összefüggést a következő egyenlet adja meg: k biodegradáció, talaj = ln 2/ DT 50 biodegradáció, talaj Modellezés a molekula szerkezete és ismert biodegradálhatóságú vegyületekkel való összehasonlítás alapján: QSAR (Quantitative Structure- Activity Relationship = a vegyi anyag szerkezetének és aktivitásának mennyisége összefüggése) Pl. Ftalát-észterek biodegradálhatóságát a következő egyenlet írja le: BC = - 24,308 * log Kow + 394,84 Page 9

10 Biodegradálhatósági tesztek Biodegradálhatóságuk alapján a vegyületek lehetnek könnyen-, nehezen biodegradálhatóak, valamint perzisztensek (EU TGD). A biodegradálhatósági tesztek: detergens, vegyi anyag fogyása jelzett 14 C vegyi anyag - 14 CO 2 Oldott szerves szén- ( Dissolved Organic Carbon ) csökkenés CO 2 termelés O 2 fogyás, BOD Page 10

11 Szennyezett területeken folyó biodegradáció vizsgálata Szerves (szennyező)anyag bekerül a környezeti elembe Mikrobaszám növekedés Bontóképes fajok szelekciója Fajeloszlás megváltozása Felfokozott mutációs szelekciós és DNS rekombinációs folyamatok Page 11

12 Szennyezett területeken folyó biodegradáció vizsgálata Szennyezőanyag koncentrációjának monitorozása Biodegradációra képes sejtek jellemzése Mennyiségi, minőségi Aktivitás biokémiai - enzimológiai jellemzése Gének kimutatása, gyakoriságuk mérése o Szubsztrát fogyása, a maradék összetétele o Légzés mértéke (CO 2, O 2 ) o Speciális bontóképességű mikroorganizmusok o Enzimreakciók enzimanalitikai eljárásokkal o Enzimfehérjék immunanalitikai eljárásokkal o Biodegradációért felelős gének o PCR, hibridizáció (ismert nukleotidszekvenciájú gének) Page 12

13 Page 13 Biodegradáció jellemzése a talajban

14 Biodegradációt meghatározó paraméterek Környezeti paraméterek Oxigén mennyisége: A mikroorganizmusok oxigénhez férhetőségét meghatározza a talaj típusa, talajvízzel való telítettsége, s az egyéb szubsztrátok jelenléte. Az oxigén mennyisége és forrása légzésformák. A telítetlen talajban (talajlevegő), vízzel telített talajban (nitrátlégzés, szulfátlégzés). Redoxviszonyok: A talajok redoxpotenciálját alapvetően levegőellátottsága szabja meg. A talaj redoxviszonyai meghatározzák a használt elektronakceptorokat. Page 14

15 Biodegradáció-redoxviszonyok A biodegradálhatóság és a jellemző biodegradációs folyamatok függése a redoxviszonyoktól különböző szennyezőanyagok esetén (Middeldorp et al. 2002) Page 15

16 Biodegradációt meghatározó paraméterek 1. Nitrogén és foszfor mennyisége: limitáló lehet a talajban. (N-P-K adagolás) A hőmérséklet: meghatározza a mikrobiális bontás mértékét, befolyással van a szénhidrogén fizikai tulajdonságaira, összetételére. ph: A talajok ph-ja széles tartományban változhat, de a legkedvezőbb a semleges érték körüli ph. Biológiai hozzáférhetőség biotenzidek Page 16

17 Biotenzidek Page 17 A biotenzidek csökkentik az olajcseppek felületi feszültségét, így mikrocseppek jönnek létre, amiket egy biotenzid réteg vesz körül. Ebben az emulgeált formában jutnak a sejt felületére, és lépnek kapcsolatba a sejtmembránnal.

18 Biodegradációt meghatározó paraméterek 2. Szennyezőanyag mennyisége Szennyezőanyag minősége, összetétele Molekulaszerkezettel összefüggő biodegradálhatóság Mikroorganizmusok Mennyisége Mikroflóra összetétele Mikroflóra aktivitása (összefüggésben a vegyi anyag és a környezet paramétereivel) Koszubsztrát jelenléte Page 18

19 Kometabolizmus: TCE (triklóretilén) Biodegradáció kometabolizmussal, oxigenáz reakció Cl Cl C Cl C H + O 2 + NADH+H + NAD + + H 2 O Mindez a metanotróf baktériumban: Cl O Cl C C CO + HCOOH + Cl 2 CHCOOH Cl H Növekedési szubsztrát CH 4 NADH O 2 H 2 O NAD + CH 4 Metánmonooxigenáz CH 3 OH Köztes metabolizmus Cl C C Cl TCE Cl H Cl O Cl C C Cl H TCE epoxid Page 19 szaporodás formiát, CO,diklóracetát,glioxilát

20 Konzorcium Biokémiai átalakítások: több száz baktérium egymásra épülő tevékenysége Két baktérium konzorciuma: a paration nevű inszekticid mineralizációja két Pseudomonas faj együttes tevékenységének eredménye Page 20

21 Page 21 A xenobiotikumok mikrobiológiai bontásának összegzése

22 Bioremediáció Biodegradáció Baktériumok végtelen genetikai és biokémiai potenciálja A holt szerves anyagokhoz hasonló útvonalon (biogeokémiai ciklusok) Biodegradáció fajtái: Energiatermeléssel összekötve Kometabolizmussal (energia nem termelődik) Redoxpotenciáltól függően: aerob / fakultatív anaerob / anaerob Teljes mineralizáció vagy részleges bontást követő átalakulás - pl. humuszképződésben való részvétel mikrobiológiai stabilizációs módszerek. Page 22

23 A szennyezett talajok kezelésére alkalmazott módszerek osztályozás biológiai technológiák esetében A természetes folyamatok mérnöki alkalmazásának fokozatai szennyezett talaj remediálásában NA MNA ENA In situ Ex situ bioremediáció bioremediáció NA: Natural Attenuation természetes szennyezőanyag-csökkenés MNA: Monitored Natural Attenuation monitorozott természetes szennyezőanyag-csökkenés ENA: Enhanced Natural Attenuation gyorsított természetes szennyezőanyag-csökkenés Page 23

24 Biotechnológiák In situ biológiai talajvízkezelés: levegő és tápanyagok injektálása a talaj telített zónájában In situ biológiai talajvízkezelés: oxigéndonor vegyület injektálása a talaj telített zónájába Page 24

25 Biotechnológiák Page 25 In situ biodegradáció az anaerob zónában: nitrát vagy szulfát a H-akceptor In situ biodegradáció az anaerob zónában: a kometabolizmussal bontható xenobiotikum mellé energiaforrás is kell

26 BIOVENTILLÁCIÓ Oxigén bejuttatása Ventillátoros átszellőztetés Levegőztető kutak: mm átmérőjű, perforált műanyag béléscsővel ellátott kutak (lyukak mérete 0,5-0,75 mm) Elhelyezésük, sűrűségük: függ a talaj hézagtérfogatától, áteresztőképességétől Enyhe elszívás jobb, mint a nyomással történő légbefúvás Adalékanyag is bejuttatható Megoldási lehetőségek: szívott kútsor + passzív kútsor Telített talajba is lehet: talajvízszint alá mindig befúvás, vagy injektálás kompresszor segítségével Page 26

27 levegő In situ bioventillációs talajtisztítási technológia vázlata ventillátor C6 C5 C4 0 B3 B2 B1 szívócsövek (B) 1 Talajgáz tisztító berendezés Talajlevegő Áramlási iránya C3 C2 C1 Levegő bevezető csövek ( C) Page 27

28 Bioventilláció ag/remediation/ Page 28

29 Technológia-együttes a természetes biodegradáció intenzifikálására: felúszó olajréteg eltávolítása talajvíz ex situ fizikaikémiai kezelése talaj telítetlen zónájának bioventillációja, tápanyagpótlással talaj telítetlen zónájának időszakos átmosása Bioventilláció tápanyagpótlással Page 29

30 Bioventilláció - alkalmazási korlátok A magas talajvízállás (1-2 m), telített talajlencsék és kis áteresztőképességű közeg; A kivételesen alacsony nedvességtartalom; A talajfelszínen eltávozó gázok megfigyelése szükséges lehet; Számos klórozott komponens aerob bioremediációja sok esetben csak akkor lehetséges ha kometabolit van jelen és/vagy anaerob folyamatok is lezajlanak; Az alacsony hőmérséklet csökkenti a remediáció sebességét. Page 30

31 Bioventilláció vagy vizes talajmosás? Pump and treat talaj átmosatása tápanyagokkal és levegővel dúsított folyamatosan recirkuláltatott talajvízzel. Akkor is szívesen alkalmazták, amikor a szennyeződés még nem érte el a talajvizet!!! (Környezetszennyező környezetvédelmi technológia?) A levegő (oxigén) eljuttatása hatékonyabb bioventillációnál, mint a vízben oldott levegő v. peroxid esetén. A gáz diffúziós sebessége szer nagyobb, mint a vízé. A lassú légáram a talaj alsó rétegeiben (20 m) is aktiválja az aerob mikróbákat. Illékony szennyezőanyagok eltávolíthatók. Talaj belsejében is megnöveli a párolgást növeli a hozzáférhetőséget. Page 31

32 Ex situ talajkezelés agrotechnikai módszerekkel - landfarming A szennyezett talajt 0,5 0,8 m rétegvastagságban vízzáró (agyag, beton, geofólia) rétegre hordják mezőgazdasági gépek Mikrobiológiai bontás Optimális körülmények biztosítása mezőgazdasági gépekkel a talajt lazítják, felületét boronálják, nedvesítik, adalékanyagokkal látják el. Drénrendszer és csurgalékvíz elvezető rendszer egyszerű övárok, vagy szivárogtató gyűjtőrendszer, a kezelt talaj sátorral történő lefedése Page 32

33 Landfarming lsite/images/land_farm_2_lg.jpg e/landfarming.html - nagy mennyiségű talaj kezelésére, - relatíve alacsony költségek - nagy a siker valószínűsége - ma már kevésbé elfogadott - pl. a finomítókban keletkező iszapot szennyezés mentes talajjal keverik, és utána bioremediálják. Page 33 millsite/images/land_farm_1_lg.jpg - Illékony alkotók. - Maradék nehezen bontható..

34 Háromfázisú talaj prizmás kezelése Ex situ Csurgalékelvezető rendszer, vízzáró szilárd felület (Komposztprizmák) 1,5 2,0 méter magas, "végtelenített" vagy véges hosszúságú prizmák alkalmazhat. A nedvességtartalmat, ph-t,hőmérsékletet, oxigén- és tápanyagellátást kontrollálják. + lazító anyagok (faforgács) Kevert vagy statikus prizmák. A kevert prizmák kisebb magasságú áthalmozás (lapátolás, forgatás markológépekkel, stb.) Statikus prizmák: perforált csőrendszerek a levegőztetés, az oldott tápanyag bejuttatás és a csurgalékvíz-elvezetés megoldására. Kisebb helyet igényel, mint az agrotechnikai eljárás. Prizmás elrendezés biológiai kioldásra (pl. bioleaching) Page 34

35 Háromfázisú talaj prizmás kezelése Application/remediation.jpg Page 35

36 Háromfázisú talaj biológiai kezelése reaktorokban Tartályokban vagy reaktorokban: használaton kívüli mezőgazdasági (pl. silók) vagy szennyvíztisztító berendezések (pl. ülepítők). Forgatják a talajt adalékanyagok bejuttatása (levegőelszívás) csőrendszerrel Drénrendszer - fölös nedvesség (víz) elvezetésére. A talajjal töltött tartályok oszlopreaktorként is működtethetjük folyamatosan átszivárogtatott oldott anyagokkal, esetleg mosóvizekkel kezelve a talajtérfogatot. (eldugulás megakadályozása) Aerob biodegradáción alapuló technológia lehet, de lehet anaerob biológiai degradáción vagy biológiai kioldáson alapuló is (bioleaching). Page 36

37 Háromfázisú talaj bioremediáció felül nyitott tartályreaktorban Page 37 Egyszerű geofóliával bélelt földmedence: perforált csőrendszer mind a talajgáz- és gőz elszívására, mind pedig víz vagy vízben oldott anyagok bejuttatására A csurgalékvíz gyűjtése és elvezetése a tartály megfelelő kiképzésével.

38 Bioremediáció zárt reaktorban Épített tankreaktor levegőztetéssel, csurgalékkontrollal - Légnedves háromfázisú talaj vagy nagyobb nedvességtartalmú talaj kezelésére - A talaj vízmegkötő-képességén felüli pórusvíz-mennyiség elvezetése is meg van oldva az a csurgalékvíz-elvezető rendszer beépítésével - A kezelendő talajt homogenizálják és adalékokkal látják el Page 38

39 Forgótárcsás csőreaktor folytonos biológiai talajkezeléshez A fekvő csőreaktor háromfázisú talaj biológiai kezelésére. Szállítás: gravitáció, csigaszállítás Adalékok és a tartózkodási idő tetszőlegesen változtatható. Nedvességtartalom növelése csak egy bizonyos határig. Page 39

40 Iszapfázisú talaj vagy üledék biológiai kezelése reaktorokban Az üledéket, az iszapot, vagy a vízzel felszuszpendált szennyezett talajt keverő berendezéssel és aerob kezelés esetén levegőztetéssel ellátott reaktorokba viszik. Aerob vagy anaerob. Vizes fázisban a talaj másodlagos szerkezete szétesik, a mikroorganizmusok a vizes szuszpenzióban dolgoznak. Homogén rendszer. Aerob: levegő, vízben oldott oxigén, oxigént szolgáltató vízoldható anyagok (hidrogénperoxid, Mg-peroxid) biztosítják. Anoxikus: nitrát, Fe III, vagy szulfát biztosítja az alternatív légzéshez az elektronaceptort. A talajszuszpenzió sűrűsége változtatható. Tápanyagpótlás, adalékanyagok bejuttatása vagy a beoltás. Fázisszétválasztás, víztelenítés Page 40

41 Aerob iszapreaktor Page 41 Iszapreaktor: lehetőség van a benne kezelt szuszpenzió keverésére, levegőztetésére, tápanyagok, egyéb adalékok vagy mikroorganizmusok tetszőleges adagolására, homogén rendszert jelent, mind szakaszosan, mint folytonosan működtethető

42 Page 42 Biofilterek alkalmazása bioreaktorokban Szilárd fázis-gáz fázisú biofilterek (ált.) Mikroorganizmusok összefüggő felület biofilm- szilárd hordozón biofilter Szilárd hordozó : homok, talaj, komposzt, tőzeg, moha, cellulóz - legyen nedvesség megtartó, nagy porozitású Gáz/gőz fázisú szennyezőket átáramoltatják a biofilteren Lebontási sebesség növelhető: nagy fajlagos felület, nagy biomassza koncentráció megfelelő szubsztrát koncentráció Optimalizálás: koncentráció, áramlási sebesség Nagy térfogatokat kell kezelni minél nagyobb sebesség Eredményes, ha az effluensben nincs szennyeződés (valóban lebontás - nem párolgás!)

43 Bioreaktor biofilterrel illékony szénhidrogén bontására Forrás: stgheib/biofiltration2 Page 43

44 Bioreaktorok Talajvíz kezelésére 40/sizes/z/in/photostream/ ction/ss oileat/ss oileat-02.grid-9x2.jpg Page 44

45 Kétzónás anaerob/aerob bioremediáció Alifás halogénezett szénhidrogének Kezelés telített talajzónában (?) Page 45

46 Kétzónás in situ bioremediáció a telített talajzónában: tetraklóretilén anaerob degradációját követő aerob lépés Page 46

47 Bioaugmentáció Tudatos oltóanyag használat Tervezés (biodegradációs képesség, faj szintű azonosítás) Kockázat (patogének!) Monitoring (biológiai monitoring) Page product/bioaugmentation

48 Page 48 In situ (és ex situ) talajkezelési lehetőségek

49 ERŐSSÉGEK Az általunk alkalmazott adalékok az alkalmazott technológiai paraméterek mellett a környezetre nem kockázatosak. Technológiai paraméterek optimumon működtetése megoldható. Adalékok alkalmazása szerves szennyezőanyaggal szennyezett talajoknál újszerű, hatékony. Az adalék biodegradálhatóságának mértéke ideális, nagyságrendben azonos a technológiaalkalmazás időtartamával, tehát az alkalmazás során hat, annak végeztével eltűnik. Az adalékok növelik a biológiai hozzáférhetőséget, alkalmazásukkal a lassan bomló szennyezőanyagok biodegradálhatósága számottevően meggyorsítható, veszélyes anyagok toxikus hatása csökkenthető. GYENGESÉGEK Az adalékok viszonylag magas ára rontja költség-haszon mérleget. Az adalékanyagok engedélyeztetése problémát jelenthet, Magyarországon nem szabályozott. A technológiából történő kibocsátás kontrollját technológiailag meg kell oldani és monitorozni kell. A területen hosszú időn keresztül utómonitoringot kell folytatni, ennek többletköltsége rontja a költség-haszon mérleget. LEHETŐSÉGEK A bioremediáció hatékonyságának növelésével versenyképes technológia lehet. A biotechnológiák fejlődésével a technológia alkalmazás költsége is csökkenhet, egyes adalékok ára szintén csökkenő tendenciát mutat. Versenyképes alternatívává válik a jövőbeni használatokból eredő hasznok, és a kockázatcsökkenés figyelembevételével. A talajvédelem felerősödésével, komolyabb szabályozásával a tiszta környezetvédelmi technológiák nagyobb szerepet kaphatnak. VESZÉLYEK A természetes folyamatokra alapozó biotechnológia nagyon elhúzódhat. A szennyezőanyag mobilizálásán alapuló in situ technológiák veszélyeztethetik a környezetet. A megfelelő monitoring-rendszerrel azonban az in situ technológiák kibocsátása is jól kontrollálható. A bontás során toxikus, kockázatot jelentő termékek keletkezhetnek. Ez a probléma elkerülhető a biodegradáció mechanizmusának ismeretében. Page 49

50 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!