Rövid összefoglaló speciális élesztőkkel való nehézfém mentesítésről.

Átírás

1 GVOP pályázati munka Rövid összefoglaló speciális élesztőkkel való nehézfém mentesítésről. Biotechnológiai eljárással létrehozott új biofilter környezetvédelmi felhasználása a mérgező nehézfémek eltávolítására ipari szennyvizekből (galván, bőripari stb.), talajok remediációjánál keletkezett fémekkel szennyezett vizekből, ivóvíz felhasználású rétegvizekből.(mangán, vas, arzén, ammónia stb.) Az új biofilter berendezés folyamatos működésű, folytonos és többfokozatú fázisérintkeztetést megvalósító bioreaktor, mely hatékonyan használja ki a bioadszorbens fémmegkötő képességét és lehetőséget ad a távozó tisztított vízben minél alacsonyabb nehéz fém koncentráció biztosítására. Ma Magyarországon nehézfémekkel szennyezett jelentős mennyiségű víz (gépipar/ m3/év/, galván-felületkezelés/1,5 millió m3/év/, bőripar/ m3/év/, bányászat/ m3/év/, vörös iszap csurgalék víz/ m3/év/, fényképészet/ m3/év/, talaj remediációjánál keletkezett feldolgozandó víz/ kb. 2-3 millió m3/év/, ivóvíz felhasználású rétegvizek / arzéntartalmú m3/nap, ammónia tartalmú m3/nap/) keletkezik, melyek tisztítására alkalmas új, egyszerű, a meglévőknél olcsóbb eljárás jelentős létjogosultsággal bír. Az új hazai biofiltert alkalmazó eljárás előnyei: A jelenleg használt technológiáknál a veszélyes anyagokat tartalmazó szennyvizekből, talajvizekből nehézfémeket legnagyobb részt redukcióval és csapadékképzéssel (ez a legelterjedtebben alkalmazott módszer, ami nagy mennyiségű veszélyes hulladékot jelent), ioncserével vagy aktiv szénnel való megkötés útján távolítják el. Az egyéb alkalmazott eljárások pl. az elektrolízis vagy az iszapos sűrítmény elégetése energia igényes, költséges művelet. Ezeknek az eljárásoknak számos hátránya van: úgymint a nem teljes kivonás, nagy energia és vegyszerigény, valamint nagy mennyiségű, biztonságos elhelyezést igénylő veszélyes hulladék, tehát az eljárások igen költségesek. Az új biofilteres eljárás lényegesen egyszerűbb és gazdaságosabb ártalmatlanítást tesz lehetővé. Nehézfémtartalmú, veszélyes hulladéknak számító, ipari szennyvizek, valamint fémekkel szennyezett talajvizek, ivóvizek tisztítására való felhasználás után a szennyezett biofilter regenerálása megoldható. Egyszerű módszerekkel való hidrolizálás után a fémek visszanyerhetők vagy kis térfogatra koncentrálva megsemmisíthetők. A évi árakon 1 m3 galvánszennyvíz tisztítása átlagosan 1300 Ft. ( 1 t galvániszap végleges elhelyezése és Ft.közé esik ) Ha az új eljárással átlagosan 1000 m3 galvánszennyvízből ( Ft tisztítási költség ) regenerálás nélkül csak egyszeri felhasználással 600 kg szennyezett biomasszát kapunk és ennek az elégetése Ft. akkor a különbség mintegy Ft. Ha a várható, becsült egyéb költségeket (biofilter előállítás, kezelés, stb.) kb Ft.-ot is figyelembe vesszük akkor az új eljárás alkalmazása 1000 m3 szennyvizenként mintegy Ft. megtakarítást jelent. Ez az összeg tovább növelhető az égetési költségek csökkentésével. Ha a fém mellől a hordozó szervetlen anyagot (a mi esetünkben a biofilter hordozót) előzetesen eltávolítjuk,

2 akkor az égetés költsége Ft./t. Így a galván szennyvíz ártalmatlanítási költségek a jelenleginek a %-ára csökkenthetők. Tovább csökkenthetők a költségek a biofilter egyszeri, esetleg többszöri regenerálásával. Az egyidejűleg többféle fémszennyezést tartalmazó kevert galván vizek nehézfém mentesítése és a biomasszától való elválasztása egyetlen berendezésben megvalósítható. Nem igényel egyéb segédanyag felhasználását, melyek a környezet számára további terhelést jelentenek. A szennyezett biofilter a hordozó eltávolítása után elégethető. Értékes fémek esetében, ha a gazdasági számítások alátámasztják, lehetőség nyílik a hamuból a fémek visszanyerésére. Az ismert alga-technológia a szennyvíz fém mentesítésére lényegesen lassabb, nehézkesebb, míg az élesztő technológia megvalósítása gazdaságosabb. Az új eljárás alkalmazása nem igényel pótlólagos természeti erőforrásokat. További előnyt jelent a rétegvizeknek az ivóvízként felhasználás előtti nehéz fém, arzén és ammónia mentesítése. Az emberi egészség védelmére szolgáló új, egyszerű eljárás eredményei közvetlenül nem is számszerűsíthetők. Újdonság tartalma: Szilárd fázisú új biofilter létrehozása Magyarországon található olcsó alapanyagok felhasználásával. Az új biofilter berendezés folyamatos működésű, folytonos és többfokozatú fázisérintkeztetést megvalósító bioreaktor, mely hatékonyan használja ki a bioadszorbens fémmegkötő képességét és lehetőséget ad a távozó tisztított vízben minél alacsonyabb nehéz fém koncentráció biztosítására. Egyszerű, az ismert ioncserélő oszlopokhoz hasonló megoldással, a szennyezett folyadék egyszeri áthaladása után eléri a kívánt tisztaságot. Nem igényel külön a fázis szétválasztáshoz szükséges berendezést. Új típusú, az eddigieknél hatékonyabb és olcsóbb fonalas gombák felhasználása biológiai adszorbensként. A regenerálhatóság megoldása Olcsó, tömegesen gyártható nehézfém mentesítésre alkalmas berendezés megvalósítása Szennyvizek nehézfém mentesítésre való felhasználása. (galván-felületkezelési, bőripari vizek, bányászat, vörös iszap csurgalék víz, stb.) Talajok remediációjánál keletkezett talaj vizek tisztítása és visszavezethetőségének megoldása Rétegvizek ivóvízkénti felhasználásánál magas vas, mangán, arzén és ammónia szennyezések csökkentése, a vizek egészségesebbé tétele. Tudományos megalapozottsága: Az ipar rohamos fejlődése következtében a környezetben nagy mennyiségben halmozódott fel nehézfém tartalmú veszélyes hulladék. A kibocsátás pedig még ha kisebb mértékben és koncentrációban is de jelenleg is folyamatos. A nehézfémek eltávolítása a szennyvizekből jelenleg általában fizikai-kémai eljárásokon alapuló technikákkal történik, úgymint precipitációval, koagulációval, redukcióval, adszorpcióval, ioncserés eljárással és különböző membrántechnikákkal. Ezen technikák egy része azonban a környezeti szennyezéseknél leggyakoribb mg/l-es fémkoncentráció tartományban nem elég hatékony és/vagy túl drága. A legjobban bevált módszer az aktivált szénnel való adszorpció, bár ez is meglehetősen költséges. Kedvezőbb árú és könnyen hozzáférhető bioszorbenst képviselhet az olcsó táptalajokon esetenként ipari melléktermékeken előállítható mikroba sejttömeg. A szakirodalomban nagyszámú olyan közlemény jelent meg, amelyek

3 egyértelműen bizonyítják, hogy a legtöbb mikroba csoportban (baktériumok, gombák, algák) megtalálhatók jó fém akkumulációs képességgel rendelkező fajok, illetve törzsek, azonban ezek akkumulációs képessége széles határok között változik. Nem ritka az 500 mg/l körüli fémmegkötő képesség sem. A mikroba sejtek általi fém akkumulációs mechanizmust alapvetően az határozza meg, hogy élő vagy elhalt sejtekkel történik-e a felvétel. Élő sejtek aktív módon veszik fel a fémeket, amelynek hatékonysága függ a sejtek metabolikus aktivitásától és a fém toxikus voltától is. A metabolikusan nem aktív, elhalt sejtek passzív módon, bioszorpcióval akkumulálják a fémeket. Ez utóbbi folyamat a gyakorlati alkalmazhatóság szempontjából egyértelműen előnyösebb, mint az első, mivel a toxicitásnak nincs hatása a felvételre és biológiailag stabilabb bioszorbens fejleszthető így ki. Az ipari melléktermékeken és hulladékokon történő biomassza előállítás kettős haszonnal jár: egyrészt mentesíti a környezetet a szerves anyagterheléstől, másrészt ennek hasznosításával értékes ipari alapanyag állítható elő, amely nehézfém kötő biofilter előállításához is várhatóan jól hasznosítható. Az inaktivált (elhalt) gomba sejteket tartalmazó biomassza nehézfém kötő kapacitását elsősorban a sejtfal biztosítja és határozza meg. A fémmegkötő képesség a sejtfal szerkezetén kívül számos egyéb tényezőtől függ, ezért a szakirodalomban nemcsak az egyes fémek szempontjából találhatók széles tartományt felölelő adatok, hanem a vizsgált fajok, ezen felül a sejtek kora, fiziológiai állapota, egyéb kationok és anionok jelenléte, a ph is nagyban befolyásolja fémakkumulációs képességet. Ugyanakkor az inaktivált sejttömeg különböző fizikai és kémiai kezelésével (pl. melegítés, szárítás, lúgos kezelés), valamint ezek kombinálásával a fémakkumulációs képesség jelentősen növelhető. A megkötött (koncentrált) nehézfémek visszanyerésének (az ún. reszorpciónak) számos lehetősége van, ami egyrészt regenerálhatóvá teszi a bioszorbenst, vagy pedig értékes nehézfémek esetében a gazdaságosságot növelő tényező. Ahhoz, hogy a szelektált gombafajok fémakkumulációs képességét, az adszorpció és reszorpció mechanizmusát, a befolyásoló tényezőket tudományos igényességgel meg lehessen határozni, az adott törzsekkel végzett komoly alapés alkalmazott kutatás szükséges. A bioszorbens gyakorlati alkalmazhatóságát illetően az alábbi szempontokat kell figyelembe venni: - az adott sejttömeg fémmegkötő kapacitása - a bioszorbens előállíthatósága - a bioszorbens ára - a bioszorbens regenerálhatósága - az alkalmazás/technológia egyszerűsége vagy komplikáltsága

4 Irodalmi adatok támasztják alá, hogy optimalizált gomba bioszorbensek gazdaságosságban és hatékonyságban vetélkedhetnek, sőt felülmúlhatják a jelenleg alkalmazott kémiai nehézfém adszorbenseket (pl. aktivált szén, ioncserélő gyanta), amelyen felül nem elhanyagolható a bioszorbensek környezetbarát volta. Példa egy ilyen számításra (Kapoor és Viraraghavan, 1995): Eredet Ipari fermentációs melléktermék Bioszorbensként, fermentációval előállított sejttömeg Aktivált szén Ioncserélő gyanta Saját fonalas gomba sejttömeg Ár Szállítási és szárítási költséget foglalja magába 1-5 USD/kg 2-5,5 USD/kg USD/kg < 1 USD/kg (becsült érték) A sejtek immobilizálása további költséget jelent, amely azonban fonalas gombák esetében számos olcsó lehetőséget kínál. A kitűzött célok megvalósíthatóságát támasztja alá a szakma hazai és nemzetközi eredményeinek naprakész ismerete. A célkitűzés szorosan kapcsolódnak a hazai és nemzetközi környezetvédelmi igényekhez azzal is, hogy veszélyes hulladéknak számító nehézfémek ártalmatlanítására a meglévő eljárásoknál gazdaságosabb lehetőséget kínál. Különös előnyt jelent, hogy a nehézfémekkel szennyezett talajok méregtelenítésénél és az ivóvizek minőségének javítására is széleskörűen használható eljárást hozunk létre. Az újonnan szelektált fonalas gomba törzsek/fajok segítségével létrehozott biofilterrel érintkeztetjük a nehézfémtartalmú veszélyes hulladékokat és ennek eredményeként a nehézfémek immobilizált formában feldúsulnak, így további kezelhetőségük megjavul. Az ionos formában immobilizált nehézfémek esetében reszorpciós és remobilizációs eljárást kívánunk kidolgozni, így a sok esetben nagy értéket képviselő nehézfémek (például fotokémiai szennyvizek ezüst tartalma) visszanyerhetők és a technológiai folyamatban újra felhasználhatók illetve a keletkezéshez képest nagyságrendekkel kisebb térfogatban a ártalmatlaníthatók. Ilyen nehézfémek elsősorban a cink, nikkel, kadmium, ólom, króm és réz. Azoknál az ipari technológiáknál alkalmazható ez az eljárás, ahol nehézfém tartalmú, veszélyes hulladéknak tekinthető szennyvizek keletkeznek, többek között a galvanizáló felületkezelő-, gépipari, elemgyártó- üzemek és a bőrkikészítés. Ugyanakkor a környezetünk is erősen szennyezett nehézfémekkel, egyes ipari üzemek környezetében a talaj illetve talajvíz nehézfém tartalma a megengedett érték több százszorosa is lehet. Ezeknek a nehézfémekkel súlyosan szennyezett talajoknak máig megoldatlan nehézfém mentesítő technológiájába való beillesztésre is alkalmazható lesz az új biofiltert tartalmazó berendezés.. A talajvíz megcsapolására, fúrt ivóvíz kutak vizének nehézfém (mangán, vas, arzén stb.) tartalmának a csökkentésére is felhasználható lesz. A jelenlegi technológiáknál a keletkezett szennyvízből a nehézfémeket legnagyobb részt redukcióval és csapadékképzéses elválasztással, ioncserével vagy aktiv szénnel való megkötés útján távolítják el. Ezeknek az eljárásoknak számos hátránya van: úgymint a nem

5 teljes kivonás, nagy energia és vegyszerigény, valamint nagy mennyiségű, biztonságos elhelyezést igénylő veszélyes hulladék, tehát az eljárások igen költségesek. A mikroorganizmusok többségére jellemző, hogy sejtfalukhoz kötötten (extracellulárisan), vagy a sejten belül (intracellulárisan) különböző mennyiségben képesek a fémeket, köztük a nehézfémeket is megkötni, akkumulálni. Ennek első lépése az adszorpció, amely a sejtfal vagy a sejtfalon kívüli polimer molekulák segítségével történik, és többnyire ionos kötést jelent. A transzportált nehézfémek oldottan, vagy szerves molekulákhoz kötötten a sejtben feldúsulhatnak, de egy részük ki is válhat a citoplazmában vagy a vakuólumban. Legjobban a baktériumok, algák és fonalas gombák bioszorpciós folyamatai ismertek, amelyek közül a baktériumokat elsősorban értékes, kis koncentrációban jelenlévő fémek "bányászására" használják (biometallurgia) (1, 3, 5), míg algák segítségével technológiai eljárást dolgoztak ki szennyvízből történő uránium akkumulációra (2). A fonalas gombák esetében elsősorban a fermentáció melléktermékekeként (pl. antibiotikum gyártásnál) keletkező micélium tömeg bioszorbensként való alkalmazását vizsgálták, és dolgoztak ki rá eljárást (4). A felsorolt alkalmazások, technológiák esetében az egyik fő problémát a biofilter készítésre felhasználható mikroorganizmus korlátozott mennyisége, vagy a fermentációval történő előállítás műveleti korlátai (pl. összetett tápanyagigény, nagy oxigénigény, szubmerz fermentáció rossz hatásfoka, hosszú generációs idő) jelentették.