Tadeusz Trzmiel

Instytut Biochemii Technicznej

Politechnika Łódzka

Technologie remediacji

Pojęcie biotechnologii środowiskowej: wyodrębniona część wiedzy biotechnologicznej związana z ochroną środowiska. Omawia m.in. sposoby zachowania i przywracania oraz niestety często żmudne odtwarzanie równowagi biochemiczno-ekologicznej w ekosystemach a także zajmuje się ochroną ekosystemów przed zgubnymi skutkami działalności człowieka.

Pierwsze prymitywne metody oczyszczania ścieków to ich przepływ przez otwarte cieki wodne (głównie rowy). W ten sposób zmniejszano ich obciążenie skażeniami.

Aeracja tych ścieków była ważną innowacją, która poprawiała efektywność ich oczyszczania.

Dopiero w 30-latach 20 wieku zrozumiano, że są to procesy biologiczne.

Lata 70-te przyniosły dopiero zrozumienie podstaw mikrobiologicznych i biochemicznych tych procesów.

A lata 90-te dały obraz mechanizmu biochemicznego tych procesów.

Ochrona środowiska z wykorzystaniem technologii remediacji to połączenie metod biotechnologicznych, chemicznych i fizycznych oraz wiedzy inżynieryjnej.

Remediacja gruntów (odtworzenie, przywrócenie naturalnych właściwości gruntu)

Remediacja in situ

1. badania laboratoryjne - określenie rodzaju skażenia, właściwości gruntu, autochtonicznej mikroflory na obrzeżu skażonego terenu, mikroorganizmów na terenie skażonym (ich identyfikacja, aktywność enzymatyczna, zapotrzebowania pokarmowe)

2. opracowanie sposobu działania!!!

3. podjęcie decyzji i jej wdrożenie - koszty, czas i efekty

a) in situ

b) TCE (trichloroetylen) np. w Południowej Karolinie tragedia na terenach przy fabryce broni. TCE używany jako odtłuszczacz - odpadowy składowany w otwartych płytkich glinianych dołach, z których odparowywał do atmosfery. TCE okazało się, że jest rakotwórczy.

Opracowno technologię (17 patentów) Zjawisko kometabolizmu.

TCA jest biodegradowany przy okazji (z uwagi na podobieństwo enzymów) do pochodnych chlorowinylowych (b. toksycznych) Metan stanowi źródło węgla i energii dla bytujących drobnoustrojów. 36 godzin metan/ 72 doby TCE

Metan stymuluje bakterie do wzrostu i wytwarzania enzymów. Brak metanu - atak na TCA. Kiedy populacja ma kryzys (pada) znów metan i tak cyklicznie.

Remediacja ex situ

2. CHARAKTERYSTYKA PROCESU BIOREMEDIACJI

Bioremediacja to technologia usuwania zanieczyszczeń z gruntu, wykorzystująca żywe mikroorganizmy w celu degradacji lub transformacji różnego rodzaju zanieczyszczeń w formy mniej szkodliwe.

Zasadnicze procesy wchodzące w skład technologii bioremediacji to:

• monitoring naturalnego procesu biodegradacji (bioremediacja podstawowa);

• przeprowadzenie modyfikacji środowiskowej np.: dostarczenie pożywek dla mikroorganizmów lub napowietrzanie terenu poddawanego bioremediacji (biostymulacja);

• wprowadzenie dodatkowych mikroorganizmów (bioaugmentacja).

Efektywnie przeprowadzony proces bioremediacji kończy się zazwyczaj pełną mineralizacją ksenobiotyku i jego końcowymi produktami są dwutlenek węgla oraz woda.

Podczas, gdy konwencjonalne technologie oczyszczania gruntu wymagają transportu dużych ilości gruntu skażonego substancjami toksycznymi, bioremediacja posiada tę szczególną zaletę, że może być zastosowana na miejscu skażenia (in situ) i nie wymaga zastosowania żadnych skomplikowanych urządzeń.

Mimo to, bioremediacja nie jest metodą uniwersalną i nie może być stosowana do każdego rodzaju zanieczyszczeń. Jak każda metoda, bioremediacja posiada pewne ograniczenia, takie jak: rodzaj skażeń, w stosunku do których można tę metodę zastosować; warunki panujące w miejscu, które należy poddać oczyszczeniu oraz czas, w którym zanieczyszczenie powinno zostać usunięte.

Jednakże, gdy zastosowanie bioremediacji jest możliwe to okazuje się ona efektywną metodą odnawiania środowiska naturalnego. Zalety ekonomiczne bioremediacji w porównaniu z innymi metodami chemicznymi czy fizycznymi są głównym powodem szerokiego zastosowania tej metody.

2.1. Projektowanie procesu bioremediacji

Bioremediacja nie jest technologią, którą można zastosować w dowolnym miejscu i w dowolnych okolicznościach.

Uniwersalne pozostają jedynie główne założenia tej technologii, natomiast szczegóły rozwiązań technologicznych są całkowicie determinowane przez warunki atmosferyczne, hydrologiczne, geologiczne, charakterystyczne dla obszaru, który ma być poddany procesowi bioremediacji.

Szczególnie ważne jest również przeprowadzenie wstępnych testów laboratoryjnych, których wyniki będą podstawą do podejmowania dalszych decyzji, co do szczegółowych rozwiązań bioremediacji.

Badania te powinny określić rodzaj i strukturę substancji chemicznych, stanowiących skażenie. Są to parametry jednoznacznie określające ich podatność lub oporność na proces biodegradacji. Jest to zagadnienie zasadnicze dla dalszego projektowania procesu bioremediacji.

Testy laboratoryjne powinny również umożliwiać zdefiniowanie zależności tempa procesu bioremediacji od takich parametrów jak: pH, stężenie tlenu, stężenie substancji odżywczych, temperatura, potencjał red-ox, porowatość gruntu.

Dzięki znajomości tych parametrów możliwe jest podejmowanie decyzji, co do strategicznych parametrów procesu bioremediacji takich jak: rodzaj zastosowanych mikroorganizmów, rodzaj zastosowanych pożywek, napowietrzanie.

Dopiero po przeprowadzeniu takich wstępnych analiz możliwe jest zaprojektowanie efektywnego procesu bioremediacji, którego zastosowanie umożliwi obniżenie koncentracji zanieczyszczeń obecnych w gruncie do bezpiecznego poziomu.

2.2. Rodzaje procesów bioremediacji

Bioremediacja podstawowa

Bioremediacja podstawowa to proces podczas którego jedynie naturalna mikroflora skażonego gruntu jest wykorzystywana do obniżania koncentracji polutanta w gruncie do bezpiecznego poziomu w określonych i akceptowalnych ramach czasowych.

Jeżeli tylko okoliczności są sprzyjające to metoda ta znajduje zastosowanie, gdyż nie wymaga ona żadnej dodatkowej interwencji, poza monitoringiem naturalnego procesu biodegradacji skażenia.

Biostymulacja

Kiedy tempo naturalnego procesu bioremediacji jest niewystarczające, zazwyczaj stosuje się stymulację rodzimej mikroflory w celu przyspieszenia procesu usuwania zanieczyszczeń z gleby. Kilka powszechnie znanych czynników ograniczających naturalny proces biodegradacji to: skrajnie wysokie stężenie substancji stanowiącej skażenie, niedobór tlenu, niekorzystne pH, niedobór substancji mineralnych (zawierających azot i fosfor), zbyt niska wilgotność oraz niekorzystna temperatura.

W celu zwiększenia tempa procesu naturalnej biodegradacji można zastosować różne metody modyfikacji warunków środowiskowych, przede wszystkim: natlenianie i dodawanie pożywek.

Bioaugmentacja czyli zwiększenie populacji mikroorganizmów

Wzbogacenie zanieczyszczonego terenu w specjalnie wyselekcjonowane drobnoustroje, o dużej zdolności do biodegradacji zanieczyszczeń. Bioaugmentację stosuje się w przypadku, gdy rodzima populacja bakterii na skażonym terenie nie wykazuje pożądanej aktywności w kierunku biodegradacji zanieczyszczeń. Celem tego zabiegu jest zwiększenie tempa lub/i rozmiaru biodegradacji polutanta. Proces ten stosuje się jednak dopiero wtedy, gdy zawodzą prostsze technologie bioremediacji tzn. bioremediacja podstawowa oraz biostymulacja. Ma to miejsce zazwyczaj w przypadku skażenia związkami chemicznymi o bardzo dużej oporności na proces biodegradacji.

Technologię tę realizuje się poprzez bezpośrednią iniekcję zawiesiny mikroorganizmów, o pożądanej aktywności katalitycznej, wraz z substancjami odżywczymi (jeżeli to konieczne) do skażonego gruntu.

Elektrobioremediacja

Elektrobioremediacja to ogólna nazwa dużej grupy metod oczyszczania gruntu wykorzystujących zjawiska zarówno mikrobiologiczne jak i chemiczne w celu degradacji różnego rodzaju zanieczyszczeń, a także zjawiska elektrokinetyczne w celu przyspieszenia i właściwego zorientowania transportu zanieczyszczeń lub ich pochodnych w gruncie.

Bezpośrednie oddziaływanie pola elektrycznego na roztwór elektrolitu znacznie przyspiesza jego przepływ przez porowatą fazę stałą i pozwala kontrolować kierunek tego przepływu. Dlatego też można śmiało stwierdzić, że zastosowanie pola elektrycznego, w połączeniu z odpowiednimi substancjami dodatkowymi (pożywki, akceptory elektronów), powoduje wytworzenie korzystnych warunków dla biodegradacji zanieczyszczeń podatnych na ten proces.

3. METODY OCZYSZCZANIA GRUNTÓW

Węglowodory wprowadzone do środowiska wchodzą w interakcje z otaczającymi gruntami. Głównymi procesami, którym podlegają te związków są: adsorpcja na ziarnach gruntu, odparowywanie do powietrza gruntowego, rozpuszczanie w wodzie, degradacja biologiczna i chemiczna.

Do bezpośredniej oceny stopnia zanieczyszczenia środowiska gruntowo-wodnego służą opracowane normy i wytyczne. Do rozpoznania stopnia skażenia stosowane są środki chemiczne, tj.: sondowanie ręczne czy płytkie wykopy. Z gruntów pobierane są próbki gleby do szczegółowej analizy jakościowej i ilościowej wykonywanej metodą chromatografii gazowej z detekcją płomieniowo-jonizacyjną.

Aby ocenić stopień zanieczyszczenia gruntu należy najpierw dokonać oceny stanu środowiska w miejscu wycieku a następnie określić nadzwyczajne zagrożenia wynikające z katastrofy, do których należą pożar, zatrucie ujęć wody pitnej, zatrucie ludzi parami uwolnionego materiału.

W odniesieniu do surowych rop naftowych parametrami pomocniczymi ułatwiającymi wybór i kontrolę metody oczyszczania są:

• rodzaj ropy naftowej;

• charakterystyka destylacyjna ropy;

• charakterystyka chemiczna.

Znając wszystkie powyższe parametry można dobrać odpowiednie metody oczyszczania gruntów, które dzielimy na:

• in situ, czyli w miejscu skażenia;

• ex situ, czyli poza miejscem skażenia.

Wśród każdej z tych kategorii wyróżniamy metody:

• fizykalne, np.: wypalanie, desorpcja termiczna, ekstrakcja gleby parą, ekstrakcja termiczna;

• chemiczne, np.: mycie gleby, ekstrakcja rozpuszczalnikami;

• biologiczne, np.: landfarming, bioreaktory, bioremediacja.

Dobór jednej z powyższych metod w głównej mierze zależy od rodzaju szkodliwej substancji. Z doniesień literaturowych [9-11]wynika, że do oczyszczania gruntów z substancji nisko wrzących, jak benzyny, czy rozpuszczalniki najlepiej nadają się metody wentylacji. Metody bioremediacji mogą być efektywne w odniesieniu do takich zanieczyszczeń, jak: paliwo lotnicze, oleje napędowe, oleje opałowe.

Tabela 2. Porównanie efektów oczyszczania ścieków petrochemicznych metodami fizyko-chemicznymi i biologicznymi (wg Kardasza i wsp. [12])

Substancje zanieczyszczające	Adsorpcja na węglu aktywnym	Stripping powietrzem	Obróbka biologiczna
Aceton	++	+	++++
Benzen	+++	+++	+++
Chlorobenzen	++	+++	+++
Chloroetan	+	++	++++
Chloroform	+	+++	++++
1,1-dichloroetan	+	+++	+++
1,2-dichloroetan	++	++	+++
Etylobenzen	++++	++++	++++
Eter metylowo-t-butylowy	++	++	++++
Chlorek metylenu	+	+++	++++
Naftalen	++++	++	++
Fenol	+++	+	++
Tetrachloroetylen	+++	++++	++++
Toluen	+++	++++	++++
1,1,1-trichloroetan	++	++++	++++
Trichloroetylen	++	++++	++++
Chlorek winylu	+	++++	++++
Ksylen	++++	++++	++++
bardzo wysoka efektywność	++++
wysoka efektywność	+++
słaba efektywność	++
bardzo słaba efektywność	+

Obecnie największe nadzieje pokłada się w biologicznych metodach oczyszczania terenów, zwłaszcza skażonych substancjami ropopochodnymi. W tabeli 2 przedstawiono porównanie efektów degradacji ścieków petrochemicznych metodami fizyko-chemicznymi i biologicznymi.

Z przedstawionego w tabeli 2 zestawienia wyraźnie widać, że metody biologiczne zajmują ważne miejsce w procesach oczyszczania i usuwania skażeń spowodowanych wyciekami ropy naftowej i substancji ropopochodnych.

4. Grunt i wody gruntowe zanieczyszczone węglowodorami

Węglowodory, zanieczyszczające grunt i wody gruntowe, są najczęściej spotykanym polutantem, w stosunku do którego stosuje się techniki bioremediacji. Grunty i wody gruntowe zanieczyszczone produktami pochodzenia petrochemicznego stanowią około 60% terenów, gdzie bioremediacja znajduje swoje zastosowanie.

W większości przypadków zanieczyszczenia gruntu węglowodorami za najskuteczniejszą i ekonomicznie najkorzystniejszą metodę ich usuwania uważa się biostymulację.

Typowa procedura bioremediacji obszaru zanieczyszczonego węglowodorami zaczyna się od mikrobiologicznej i chemicznej analizy skażonego miejsca. Dodatkowo korzystne jest wykonanie analizy zawartości tlenu w glebie i przepuszczalności gleby dla powietrza (tlenu). Na podstawie analizy tych parametrów dokonuje się doboru najkorzystniejszej ekonomicznie i najefektywniejszej strategii bioremediacji w celu oczyszczenia skażonego terenu.

W przypadku skażenia wód gruntowych, poza doborem odpowiedniej metody bioremediacji, w celu neutralizacji zanieczyszczenia, stosuje się również techniki zapobiegające rozprzestrzenianiu się skażonej wody gruntowej. W tym celu izoluje się studnie, ujęcia wody oraz inne wrażliwe miejsca od skażonego terenu poprzez zastosowanie barier fizycznych takich jak: cement czy bentonit lub też stosuje się w tym celu metody dynamiczne jak np.: wypompowywanie skażonej wody gruntowej.

* * *

Technologia bioremediacji jest metodą polecaną do szerokiego stosowania w walce z coraz powszechniejszym problemem skażeń wód i gruntów związkami ropopochodnymi. Sprawdza się ona w różnych warunkach pogodowych i w zróżnicowanych formacjach geologicznych.

Coraz większą popularność technologia bioremediacji zawdzięcza posiadanym zaletom:

• jest ekonomiczna (tańsza niż stosowane dotychczas metody oczyszczania wód i gruntów)

• proces likwidacji skażenia może być prowadzony in situ (w miejscu skażenia, bez konieczności przemieszczania gruntu)

• grunt nadaje się do użytku bezpośrednio po przeprowadzeniu procesu oczyszczania

• w procesie likwidacji skażenia nie są wytwarzane szkodliwe związki wydzielane do gruntu, wód i atmosfery (bakterie rozkładają składniki zanieczyszczeń do obojętnych dla środowiska dwutlenku węgla i wody

• technologia ta nie wymaga stosowania kosztownej i skomplikowanej aparatury.

Wymienione zalety technologii bioremediacji sprawiają, że jest to technologia bezkonkurencyjna w porównaniu z tradycyjnymi metodami oczyszczania gruntu, szczególnie w przypadku, gdy mamy do czynienia z dużymi obszarami skażenia, gdzie zastosowanie technik związanych z przemieszczaniem gruntu jest niemożliwe ze względu na skalę zjawiska.

---