KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA ISCO (In situ kémiai oxidáció) Biotenzidek - speciális alkalmazások Molnár Mónika és Feigl Viktória Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék
BIOTENZIDEK és speciális alkalmazásaik
Hozzáférhetőség növelése A bioremediáció gyakori korlátozó tényezője a szennyezőanyag korlátozott biológiai hozzáférhetősége. Hőmérséklet emelése Tenzidek Biotenzidek Ciklodextrinek http://www.mdpi.com/1422-0067/17/3/401/htm Page 3
Biotenzidek A biotenzidek csökkentik az olajcseppek felületi feszültségét mikrocseppek jönnek létre, amiket egy biotenzid réteg vesz körül. Page 4 http://www.titanoilrecovery.com/microscopic-photo.html
RHAMNOLIPIDEK ALKALMAZÁSAI 5 Talajremediáció, szennyvízkezelés Olajipar Mezőgazdaság: antibiózis, paraziták ellen, peszticidekben, nedvesítőszerként Élelmiszeripar: emulziók előállítása Gyógyszeripar: antibakteriális, antifungális Kozmetikaipar: emulzifikáló Page 5 www.piacesprofit.hu
6 RHAMNOLIPIDEK A TALAJREMEDIÁCIÓBAN Nehezen oldható, hidrofób anyagok hozzáférhetőségét növeli és biodegradációját elősegíti. Biofilm kialakulásában segít Nehézfém megkötés kelátképzéssel In situ talajmosás : talajvíz összegyűjtéssel vagy anélkül Természetes mikroflórával vagy inokulálással Hátrány: Drágább a biológiai előállítása Page 6
OLAJIPAR Az első és másodlagos technológiák (hagyományos kihozatali technológiák) a feltárt olajkészletek 5-35 %-a nyerhető ki Page 7 Forrás: Benkő Mária PhD. Dolgozat (2012) Tenzidek zárványkomplex képződésének vizsgálata folyadékfázisban és adszorpciójuk tanulmányozása szilárd/folyadék határfelületen
8 RHAMNOLIPIDEK ALKALMAZÁSAI MEOR - Microbial Enhanced Oil Recovery Eset: Beatrice Field, Anglia: 25%-os hozamnövekedés Page 8 Forrás: www.cell.com
ISCO
In situ kémiai eljárások Kémiai folyamatok A szennyezőanyag kémiai kötései felbomlanak a bejuttatott erős oxidálószerek (ISCO), vagy redukálószerek (ISCR) hatására. In situ http://regenesis.com Page 10
ISCO (In situ kémiai oxidáció) In situ Talajban és talajvízben A szerves szennyezőanyagok bontása, ártalmatlanítása oxidálószerekkel. Oxidálószerek: permanganát, a peroxid, a perszulfát és az ózon Az oxidálószer redukálódik, azaz elektront vagy hidrogént vesz fel. A talajvízben oldott szerves szennyezőanyag, vagy a telítetlen talaj nedvességtartalmában oldott, esetleg a szilárd felületen szorbeált szennyezőanyag bontása. Page 11
ISCO - röviden Mechanizmus: Kezelhető/eltávolítható szennyezőanyagok: Koncentráció: Kémiai lebontás/ kémiai reakciók Szabad gyökök Szennyezőanyagok széles skálájának eltávolítására alkalmas Közepes és nagy mértékű szennyezés kezelése Idő: Környezeti elemek / fázisok: Alkalmazási gyakoriság: Page 12 Gyors (hetek - hónapok) Talajvíz, talaj (telítetlen és telített) Általában többszöri alkalmazás szükséges http://regenesis.com/site-remediationsolutions/in-situ-chemical-oxidation-isco/
ISCO (In situ kémiai oxidáció) Ex situ reaktorban is alkalmazható az oxidáció kémiai reagensekkel de ez nem ISCO! Oxidálószer -fogyasztás nem elég a szennyezőanyag koncentrációjából kiindulni A talaj saját oxidálószer fogyasztásának kísérleti meghatározása. Előkísérletek, technológiatervezés Page 13
ISCO (In situ kémiai oxidáció) Kombinálható felületaktív anyagok alkalmazásával megnő a vízben oldott hányad, így hatékonyabb az ISCO kezelés. ISCO + felületaktív anyag + koszolvens együttes alkalmazása. Főbb előnyei: ritkán képződik nagyobb mennyiségű melléktermék, és rendszerint viszonylag rövid idő alatt hatásos. Döntés előtt minden esetben be kell gyűjteni a szennyezett területről származó információt értékelés döntés. Page 14
ISCO - oxidálószerek Page 15 Vegyület neve Standard redox potenciál [V] Hidroxil gyök (. OH) 2,8 Szulfát gyök (. SO 4- ) 2,5 Ózon (O 3 ) 2,1 Nátrium-perszulfát (Na 2 S 2 O 8 ) 2,0 Hidrogén-peroxid (H 2 O 2 ) 1,8 Permanganát (Na/K) 1,7 Az értékek jó összehasonlítási alapot képeznek, de a helyszíni viszonyok befolyásolnak. A hőmérséklet, a ph, a reagens koncentrációja, katalizátorok, a melléktermékek reakciói vagy a beadagolt vegyület megfelelő szétterjedése.
ISCO ózonnal Az egyik legerősebb oxidáló hatású Gázformájú, direkt oxidációra és szabadgyökös reakciókra is képes. Olyan talajrétegekbe is eljut, ahova a folyékony reagensek eljuttatása problémát jelent a talaj szorpciós kapacitása miatt. Peroxiddal kombinálva igen radikális oxidáció érhető el. Kis koncentrációban alkalmazva a keletkező oxigén stimuláló De! Problémák Page 16
ISCO perszulfáttal A disszociált só perszulfát anionja (S 2 O 8 2- ) ugyan erős oxidálószer, de a szerves szennyeződéseket önmagában igen lassan bontja. Reaktánsok hozzáadásával elősegíthetjük a perszulfát anionok szulfát gyökökké ( SO 4- ) alakulását, ami jóval erősebb oxidálószer. Az átalakulás elősegíthető a hőmérséklet növelésével vagy Fe(II) ionok hozzáadásával. Probléma: Page 17
ISCO hidrogén-peroxiddal Önmagában is erős oxidálószer de a talajban katalizátorral együtt hatékony. + Fenton-reagens : hidrogénperoxid + vasszulfát Fe 2+ hatására OH gyökök. Savas közeg: az oxidálódott Fe 3+ folyamatosan visszaalakul Fe 2+ -vé, így a katalízis állandó. (ph 4-6) A vas oldott állapotban tartását kelátképző szerekkel is el lehet érni. Problémák: Hő keletkezik Savas környezet A peroxid erős sejtméreg, nagy koncentrációban a mikroorganizmusok pusztulásához vezethet. DE Ha lassan oldódó, illetve a peroxidot lassan és fokozatosan a talajba engedő vegyületformákat alkalmaznak, akkor a mellékhatások enyhék. Page 18
ISCO permanganáttal Nem keletkeznek szabad gyökök, mint a peroxidok és az ózon alkalmazásakor. A permanganát jól oxidálja a klórozott alkánokat, a szén-szén kettős kötést tartalmazó szerves vegyületeket, az aldehid- és hidroxil-csoportot tartalmazó vegyületeket. Nincs hőtermelés, bármilyen ph-n. A permanganátok reaktivitása kevéssé érinti a mikrokapillárisokban élő talaj mikroorganizmusokat. A kezelést követően a mikroflóra spontán visszaáll. Hátrány Page 19
Klórozott szerves szennyezőanyagok permanganátos oxidációja A klórozott szerves szennyezőanyagok permanganátos oxidációja közvetlen elektron transzferen alapul, így nem keletkeznek szabad gyökök, mint a peroxidok, perszulfátok vagy az ózon alkalmazásakor. Page 20 Perklóretilénnel (PCE): 4KMnO4 + 3C2Cl4 + 4H2O 6CO2 + 4MnO2(s) + 4K + + 12Cl - + 8H + Triklóretilénnel (TCE): 2KMnO4 + C2HCl3 2CO2 + 2MnO2(s) + 3Cl - + H + + 2K + Diklóretilénnel (DCE): 8KMnO4 + 3C2H2Cl2 + 2H+ 6CO2 + 8MnO2(s) + 8K + + 6Cl - + 4H2O Vinilkloriddal (VC): 10KMnO4 + 3C2H3Cl 6CO2 + 10MnO2(s) + 10K + + 3Cl - + 7OH - + H2O
ISCO (In situ kémiai oxidáció) - alkalmazások ISCO technológiai ábra (Christ és mtsai, 2005) http://www.geo-solutions.com/what-wedo/technologies/soil-mixing/in-situ-treatment Page 21
ISCO - Kivitelezési lehetőségek Bekeverés talajba Pneumatikus tördelés Injektálás A reakciók/hatások a szennyezett pórustérben játszódjanak le, a bejuttatott anyagok a pórustérben keveredjenek a szennyezőanyagokkal. Probléma: Kevés bejuttatható hatóanyag kicsi hatástávolság kezeletlen térrészek - Gravitációs nyeletés - Nyomással történő injektálás - Ideiglenes injektáló lándzsa, nagynyomású injektálás Page 22 Izing Imre 1, Lonsták László 1, Tóth Roland 2 1 Golder Associates (Magyarország) Zrt. 2 Geo-Engineering Kft. Injektálási technológiák alkalmazása a környezetvédelemben Kármentesítés aktuális kérdései c. konferencia
ISCO alkalmazások (Max-Ox ) Page 23
ISCO alkalmazások (BME Mezőlak) Permanganát Hatékony bontás, de nagymennyiségű csapadék képződik Perszulfát Adalékok, elsősorban FeSO 4 javítják a hatékonyságot (80% fölött) Hátrány: nagy szulfátterhelés, és oldhatatlan csapadék keletkezése Page 24 Peroxid Adalékok: FeSO 4 és ciklodextrin javítják a hatékonyságot (közel 100%) Hátrány: alacsony ph, talajsavanyodás, mikrobagátlás
ISCO alkalmazások (BME Mezőlak) Page 25
TCE-koncentráció (ug/l) Szabadföldi kísérletek push & pull technikával H 2 O 2 és kénsav adagolása a kitermelt talajvízhez, injektálás Két egymástól 1 m távolságra levő kutat felváltva kezeltünk és szivattyúztunk. 8000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 MTE-1/1MTE-1/8MTE-1/9 MTE- 1/11 MTE- 1/13 MTE 1/14 TCE-koncentráció (ug/l) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 M-3/8 M-3/10 M-3/12 M-3/13 M3/14 A nyilak a kezelést jelzik Page 26
( g/lit) ( g/lit) ISCO alkalmazások (BME Mezőlak) Szabadföldi kísérlet: TCE <5000 g/lit H 2 O 2 és foszforsav adagolása július Váltott üzemű kezelés és termeltetés Page 27
In situ kémiai oxidációval kombinált ex situ vízkezelés A technológia erősségei In situ csökkenti a szennyezőanyag-koncentrációt, a szennyezőanyag nem kerül ki a talaj mélyebb rétegeiből Mobilizálja a szennyezőanyag lencsét Nem keletkeznek toxikus melléktermékek, a reakció végtermékei (szén-dioxid, klorid és víz) a talajban maradnak A hidrogénperoxid 2%-ban és alatta nem károsítja a talajmikroflórát. A technológia gyenge pontjai A vegyszerek költsége, ami csökkenthető, A munkaerőigény, ami automatizálással csökkenthető, A reagensek veszélyesek lehetnek, szakképzett személyzet, munkavédelem segít 2% felett átmenetileg káros lehet a talajmikroflórára (amit törvény nem véd). A technológia lehetőségei Pontforrások vagy nagy kiterjedésű terület egyidejű kezelésére van lehetőség Bármilyen oxidálható szennyezőanyag kezelésére alkalmas, így vegyes, nagyon toxikus szennyezőanyagokra is (pl. klórozott és nem klórozott vegyesen) Azonosított fa. források (pl. lencse) in situ kezelésével gyors eredmény érhető el. PRB-vel vagy kútsorral kialakított hidraulikai gát tölteteként vagy kutakban, mint in situ reaktorokban is alkalmazható. A technológia veszélyei Veszélyes reagenseket alkalmaz, A lencse helyzetének azonosítását nem váltja ki. Page 28 KSZGYSZ, 2009
ISCO hatása a mikroflórára (talajban) Cél: kétféle remediációs eljárás, az ISCO és az in situ biológiai remediáció párosításának alkalmazhatósága, mint költségcsökkentési lehetőség. Szabadföldön, talajban vegyes eredmények. Kis és közepes hidrogén-peroxid koncentrációk alkalmazása esetén a sejtszámok a kezdeti visszaesés után újra nőni kezdenek. Pozitív kapcsolatot a Fenton-oxidáció és a mikrobiális-biomassza között A katalizált ISCO csökkenti a mikrobák diverzitását, ami előnyhöz juttatja a bioremediációra képes organizmusokat a szubsztrátért folytatott versengésben. Page 29
ISCO - BIOREMEDIÁCIÓ ISCO BIOREMEDIÁCIÓ In situ Technieken - http://www.in-situ.nl/websiteen/en_home.html REGENESIS Page 30 http://regenesis.com/site-remediationsolutions/in-situ-chemical-oxidation-isco/
ISCO - irodalom Page 31 Izing Imre 1, Lonsták László 1, Tóth Roland 2 1 Golder Associates (Magyarország) Zrt. 2 Geo-Engineering Kft. Injektálási technológiák alkalmazása a környezetvédelemben Kármentesítés aktuális kérdései c. konferencia (KSZGYSZ) 2011. március 17 18., Hotel Aréna, Budapest REGENESIS - http://regenesis.com
KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA ZH II - témakörök
ZH témakörök Talajromlás (talajdegradáció, talajromlási folyamatok) Remediáció; remediációs technológiák csoportosítása, osztályozása Példák a különböző csoportokra Toxikus fémek, toxikus fémek a talajban, fémszennyezettség eredete, kockázatuk Hagyományos mérnöki technológiák toxikus fémekkel szennyezett talajok kezelésére Fizikai-kémiai technológiák toxikus fémekkel szennyezett talajok és felszín alatti vizek kezelésére Fitoremediációs technológiák Bioremediációs technológiák toxikus fémekkel szennyezett talajok és felszín alatti vizek kezelésére Page 33 BME ABÉT 2014
ZH témakörök Szerves szennyezőanyagok sorsa a talajban Biodegradáció (jellemzők, alapfolyamatok, enzimek) Biodegradáció és biodegradálhatóság Biodegradációt befolyásoló paraméterek Biostimuláció, bioaugmentáció, biotenzidek, biológiai hozzáférhetőség, kometabolizáció Biodegradáció jellemzése szennyezett területen (módszerek, biológiai módszerek rövid ismertetése) Bioremediáció: A természetes folyamatok mérnöki alkalmazásának fokozatai szennyezett talaj remediálásában (biológiai technológiák osztályozása, beavatkozások) Bioremediációs technológiák, a hatékonyság növelésének lehetőségei ISCO és kombinált technológiák Definíciók, részletesen kifejtendő feladatok Page 34
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!