KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS REMEDIÁCIÓ Bioremediáció alapok, technológiák Molnár Mónika, Feigl Viktória Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék
Page 2 Biotechnológiák
NATURAL ATTENUATION https://toxics.usgs.gov/pubs/eos-v82-n5-2001-natural/ Page 3 http://www2.fiu.edu/~sukopm/seminar/announcement_19b.html
BIOVENTILLÁCIÓ Oxigén bejuttatása Ventillátoros átszellőztetés. Cél? Levegőztető kutak: 5-100 mm átmérőjű, perforált műanyag béléscsővel ellátott kutak (lyukak mérete 0,5-0,75 mm) Elhelyezés, sűrűség: függ a talaj hézagtérfogatától, áteresztőképességétől Enyhe elszívás jobb, mint a nyomással történő légbefúvás Adalékanyag is bejuttatható Megoldási lehetőségek: szívott kútsor + passzív kútsor Telített talajba: talajvízszint alá mindig befúvás, vagy injektálás kompresszor segítségével Page 4
levegő In situ bioventillációs talajtisztítási technológia vázlata ventillátor C6 C5 C4 0 B3 B2 B1 szívócsövek (B) 1 Talajgáz tisztító berendezés 2 3 4 5 Talajlevegő Áramlási iránya C3 C2 C1 Levegő bevezető csövek ( C) Page 5
Bioventilláció http://freeassociationdesign.wordpress.com/t ag/remediation/ Page 6
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 7
Bioventilláció - alkalmazási korlátok A magas talajvízállás (1-2 m); Telített talajlencsék és kis áteresztőképességű közeg; A kivételesen alacsony nedvességtartalom; A talajfelszínen eltávozó gázok; Klórozott komponens aerob bioremediáció - növekedési szubsztrát szükséges lehet; Az alacsony hőmérséklet. Page 8
Bioventilláció vagy vizes talajmosás? Pump and treat talaj átmosatása tápanyagokkal és levegővel dúsított folyamatosan recirkuláltatott talajvízzel. Környezetszennyező környezetvédelmi technológia? A levegő (oxigén) eljuttatása hatékonyabb bioventillációnál, mint a vízben oldott levegő v. peroxid esetén. A gáz diffúziós sebessége 10000-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 9
Ex situ talajkezelés agrotechnikai módszerekkel - landfarming A szennyezett talajt 0,5 0,8 m rétegvastagságban vízzáró (agyag, beton, geofólia) rétegre 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 10 http://www.oil-gasportal.com/remediation-of-hydrocarbon-contaminated-soils/
Landfarming http://www.ftbraggmillsite.com/fortbraggmil lsite/images/land_farm_2_lg.jpg http://www.desleronline.com/html/english/hazardous_wast 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 11 http://www.ftbraggmillsite.com/fortbragg millsite/images/land_farm_1_lg.jpg - Illékony alkotók. - Maradék nehezen bontható..
Háromfázisú talaj prizmás kezelése Ex situ Csurgalék elvezető rendszer, vízzáró szilárd felület (Komposztprizmák) 1,5 2,0 méter magas, "végtelenített" vagy véges hosszúságú prizmák. A nedvességtartalmat, ph-t, hőmérsékletet, oxigén- és tápanyagellátást kontrollálják. + lazító anyagok (faforgács) Dr Russell Thomas, Parsons Brinckerhoff: Bioremediation and Bionanotechnology Prizmás elrendezés biológiai kioldásra (pl. bioleaching) Page 12 http://www.remediationstrategies.com/services/rem ediation-contracting/soil-remediation/
Háromfázisú talaj prizmás kezelése 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. http://www.layfieldenvironmental.com/content_files/images/ Application/remediation.jpg Bioágy Landfarming vagy prizmás kezelés? Page 13 http://www.oil-gasportal.com/remediation-of-hydrocarbon-contaminated-soils/
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 folyamatosan átszivárogtatott oldott anyagokkal/ mosóvizekkel kezelve a talajtérfogatot. Aerob biodegradáción alapuló technológia vagy anaerob biológiai degradáción vagy biológiai kioldáson alapuló is (bioleaching). Page 14 http://www.dec.ny.gov/regulations/4636.html#biocell
Háromfázisú talaj biológiai kezelése reaktorokban Egyszerű geofóliával bélelt földmedence Épített tankreaktor levegőztetéssel, csurgalék-kontrollal Page 15
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 16
Aerob iszapreaktor Iszapreaktor: lehetőség van a benne kezelt szuszpenzió keverésére, levegőztetésére, tápanyagok, egyéb adalékok vagy mikroorganizmusok tetszőleges adagolására, homogén rendszert jelent, mind szakaszosan, mint folytonosan működtethető Page 17 Fázisszétválasztás, víztelenítés
Iszapfázisú talaj vagy üledék biológiai kezelése reaktorokban Az üledéket, az iszapot, vagy a vízzel felszuszpendált szennyezett talaj. Vizes fázisban a talaj másodlagos szerkezete szétesik, a mikroorganizmusok a vizes szuszpenzióban dolgoznak. Homogén rendszer, keverés. Aerob vagy anoxikus. Aerob: levegő, vízben oldott oxigén, oxigént szolgáltató vízoldható anyagok (hidrogénperoxid, Mg-peroxid). Anoxikus: nitrát, Fe III, vagy szulfát biztosítja az alternatív légzéshez az elektronakceptort. Page 18 https://rennisuhardi.files.wordpress.com/2014/03/slurry_1.jpg Dr Russell Thomas, Parsons Brinckerhoff: Bioremediation and Bionanotechnology
Page 19 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!)
Bioreaktor biofilterrel illékony szénhidrogén bontására Forrás:https://sites.google.com/site/mehdida stgheib/biofiltration2 Page 20
Bioreaktorok Talajvíz kezelésére http://www.flickr.com/photos/griffin_dewatering/39514558 40/sizes/z/in/photostream/ http://msnbcmedia3.msn.com/j/msnbc/components/slideshows/_produ ction/ss-100625-oileat/ss-100625-oileat-02.grid-9x2.jpg Page 21
In situ reaktív zóna A szennyező-csóván belül (csóva keresztmetszetben), vagy a szenyezőforrásnál egymáshoz közel elhelyezett talajvíz kutak. Nem klórozott szennyezőanyag - elektron akceptorok (pl. H 2 O 2 /NO 3 - ) Klórozott szennyezőanyag - elektron donorok (pl. laktátmelasz) Pulzáló injektálás. Page 22 ÁTERESZTŐ REAKTÍV RÉSFALAK (PRB) Anton, A. (2010) Kármentesítési kézikönyv 5. Bioremediáció: mikrobiológiai kármentesítési eljárások. Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium
Kétzónás anaerob/aerob bioremediáció http://clu-in.org/techfocus/default.focus/sec/bioremediation/cat/anaerobic_bioremediation_%28direct%29/ Alifás halogénezett szénhidrogének Kezelés telített talajzónában (?) Page 23
Kétzónás in situ bioremediáció a telített talajzónában: tetraklóretilén anaerob degradációját követő aerob lépés Page 24
Bioaugmentáció Tudatos oltóanyag használat Tervezés (biodegradációs képesség, faj szintű azonosítás) Kockázat (patogének!) Monitoring (biológiai monitoring) Page 25 http://toxics.usgs.gov/photo_gallery/solvents.html http://www.biocleanenvironmental.com/ product/bioaugmentation
Page 26 In situ (és ex situ) talajkezelési lehetőségek
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 27
IRODALOM Anton, A. (2010) Kármentesítési kézikönyv 5. Bioremediáció: mikrobiológiai kármentesítési eljárások. Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium Alvarez-Cohen L, Speitel Jr GE (2001) Kinetics of aerobic cometabolism of chlorinated solvents. Biodegradation 12:105-126 Alvarez PJJ, Illman WA (2006) Bioremediation and Natural Attenuation. Wiley-Interscience, New Jersey Crawford RL (2002) Biotransformation and biodegradation. In: Hurst CJ, Crawford RL, Knudsen GR, McInerney MJ, Stetzenbach LD (eds) Manual of Environmental Microbiology, 2nd edn. ASM Press, Washington Jördening H-J, Winter J (2005) Environmental biotechnology. Concepts and application. Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim KÖRINFO adatbázis: www.enfo.hu Mulligan CN (2005) Environmental applications for biosurfactants. Environ Pollut 133(2): 183 198 Pavan M, Worth AP (2006) Review of QSAR models for ready biodegradation. EUR 22355 EN Report. European Commission Directorate, General Joint Research Centre, Institute for Health and Consumer Protection, Ispra, Italy Schink B (2005) Principles of anaerobic degradation of organic compounds. In: Jördening HJ, Winter J (eds) Environmental Biotechnology. Concepts and Application. Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim Swartjes FA (2011) Dealing with contaminated sites. From theory towards practical application. Springer, Dordrecht Page 28
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!