Bioreaktory
Princíp
Znečistená voda sa po vyčerpaní na povrch privádza do bioreaktora. Tam prebieha biologická/biochemická degradácia, transformácia, resp. mineralizácia kontaminantu prostredníctvom mikroorganizmov pri optimalizovaných podmienkach (FRTR, 2008). Výsledkom biochemických procesov v bioreaktore sú netoxické (resp. menej toxické) produkty a vyčistená voda.
Použiteľnosť
Bioreaktory sa vo všeobecnosti najviac využívajú na sanáciu rozličných typov organických látok. Účinnosť pri rôznych skupinách organických látok závisí najmä od prevažujúcich redoxných podmienok biochemického procesu. Aeróbne bioreaktory sa používajú predovšetkým na čistenie poloprchavých organických látok, ropných látok, fenolov a úspešné pokusy čistenia sa urobili v prípade chlórbenzénov. V bioreaktoroch s kometabolitmi sa testovalo čistenie PCB a halogénovaných prchavých organických látok. V anaeróbnych podmienkach je výhodné sanovať niektoré chlórované organické zlúčeniny. Význam nadobúdajú aj anaeróbne bioreaktory pracujúce na princípe baktérií redukujúcich sulfáty, schopných spracúvať kyslé banské vody a odstraňovať z nich nebezpečné anorganické látky (kovy).
Základná charakteristika
Bioreaktory predstavujú technologické zariadenia, ktoré vytvárajú optimálne podmienky na aktivitu mikroorganizmov vedúce k následnej degradácii, transformácii alebo mineralizácii kontaminantov. Bioreaktory zvyčajne pracujú v aeróbnych podmienkach, ale možné je ich využitie aj v anaeróbnom prostredí (Grady et al., 1999; Bal a Dhagat, 2001).
Pri anaeróbnych podmienkach sa v prípade organických, biologicky odbúrateľných látok produkuje zmes plynov metánu a oxidu uhličitého. Množstvo produkovaného kalu je menšie ako v aeróbnych podmienkach. V anaeróbnych podmienkach pracujú aj špecifické typy bioreaktorov, ktoré zabezpečujú čistenie kyslých banských vôd s využitím baktérií redukujúcich sulfáty (Gazea et al., 1996; Ziemkiewicz et al., 2003; Neculita et al., 2007).
V aeróbnych podmienkach je prítomný vzdušný kyslík, ktorý sa využíva ako konečný akceptor elektrónov pri biologických oxidačných procesoch organických látok. Výhodou využitia aeróbnych procesov je ich relatívne vyššia rýchlosť v porovnaní s anaeróbnymi procesmi. Nevýhodou bioreaktorov s aeróbnymi podmienkami je ich vyššia energetická náročnosť a vyššie náklady spojené s vyššou produkciou kalu. Na vytvorenie aeróbnych podmienok je nutné zabezpečiť dostatočné prevzdušnenie a dosiahnuť potrebný prestup kyslíka do čistenej vody. Pri anaeróbnej úprave, resp. biologickej oxidácii organických kontaminantov sa v ideálnom prípade produkuje oxid uhličitý, voda a biomasa. Dosiahnuť takýto úplný rozklad sú v plnej miere schopné len niektoré, biologicky ľahko rozložiteľné organické látky (napr. organické kyseliny, nižšie alkoholy, ketóny, estery). V reálnych prípadoch sa popri finálnych produktoch rozkladu často objavujú medziprodukty, resp. vedľajšie produkty, ktoré môžu byť toxické či čiastočne toxické. Preto je potrebné monitorovať kvalitu už vyčistenej vody na výstupe.
Medzi najbežnejšie typy zaraďujeme (Grady et al., 1999) bioreaktory, v ktorých mikroorganizmy rastú v suspendovanej fáze (suspenzné bioreaktory) v čistenej vode v tzv. aktivačnej nádrži (suspendovaná biomasa, aktivovaný kal). Čistená voda sa v týchto typoch bioreaktorov privádza do prevzdušňovaných aktivačných nádrží s mikroorganizmami v suspenzii. V nich nastáva biologická degradácia kontaminantu, v prípade organických látok sa produkujú plyny, voda a biomasa. Prevzdušnenie systému sa pri aeróbnych suspenzných bioreaktoroch zabezpečuje premiešavaním buď pneumaticky, mechanicky, alebo hydraulicky. Biomasa (aktivovaný kal) následne sedimentuje v usadzovacích nádržiach. Odtiaľ sa buď privádza naspäť do aktivačnej nádrže bioreaktora, alebo sa odstraňuje zo systému ako odpadový kal. Prehľadná schéma bioreaktora so suspendovanou biomasou je uvedená na obr. 4.2.32. Upravenou verziou je membránový bioreaktor, kde je integrovaný ultrafiltračný membránový systém, ktorý nahrádza klasický separačný systém sedimentácie a čistenia (obr. 4.2.33). Viac informácií o využití membránových systémov pri čistení vôd je možné získať v literatúre (napr. Judd, 2006; Radjenovic et al., 2008).
Obr. 4.2.32. Schéma bioreaktorov so suspendovanou biomasou.
Ďalšou veľkou skupinou sú bioreaktory s nárastom zachyteného biofilmu na rôznych typoch pevných inertných nosičov (nárastová biomasa). Použitie bioreaktorov využívajúcich mikroorganizmy vo forme biofilmu je výhodnejšie, pretože majú obvykle menšie rozmery, vyššiu bunkovú hustotu a imobilizované mikroorganizmy sú menej citlivé na vonkajšie toxické pôsobenie. Mikroorganizmy sa tak dokážu lepšie brániť proti potenciálnym nežiaducim efektom kontaminantov alebo ich metabolitov (Demnerová, 2000).
Spomedzi bioreaktorov s biofilmom na pevných nosičoch sú najznámejšie:
• Fluidné bioreaktory. – Obsahujú pevné častice vo vznose, na ktorých sú zachytené mikroorganizmy vo forme biofilmu.
• Rotačné bioreaktory. – Predstavujú zariadenia, v ktorých ako pevný nosič mikroorganizmov slúži systém rotujúcich diskov. Disky sú konštruované najčastejšie z plastu tak, aby sa dosiahol čo najväčší merný povrch vytvárajúci optimálne podmienky na rast uchytených mikroorganizmov. Disky sú sčasti ponorené do čistenej vody. Rotáciou diskov sa dosiahne striedavé zvlhčovanie povrchu diskov, resp. biofilmu čistenou vodou spolu s požadovaným prevzdušnením. Schéma rotačného bioreaktora je uvedená na obr. 4.2.34.
• Bioreaktory s pevnou náplňou (trickling filters). – Pozostávajú zo základnej kolóny, ktorá je naplnená pevným, dobre priepustným médiom. V hornej časti je umiestnený systém (najčastejšie rozstrekovač) distribuujúci čistenú vodu do priestoru priepustného média. Samotné mikroorganizmy sú naviazané na pevnom priepustnom médiu. Ako médium je možné použiť upravenú pôdu (pôdny filter), plastické látky, kamenivo – štrk/piesok, drevnú hmotu, granulované aktívne uhlie atď. Kontaminovaná voda sa pri prechode cez priepustné médium prevzdušňuje a kontaminanty sa difúziou dostávajú do biofilmu na povrchu častíc pevnej náplne. Degradačnou aktivitou mikroorganizmov pripútaných na povrchu média sa koncentrácia kontaminantu v čistenej vode znižuje. V spodnej časti je drenážny podporný systém zachytávajúci prečistenú vodu a prípadnú biomasu, ktorá bola strhnutá pretekajúcou vodou. Ten zároveň pomáha pri prevzdušňovaní celého systému. Rozmery systému sú premenlivé, a to v závislosti od lokálnych podmienok. Obvykle je hrúbka priepustného média v rozmedzí od 0,5 do 1 m a priemer asi 1,8 m.
Obr. 4.2.34. Schéma rotačného bioreaktora.
K bioreaktorom s pevnou náplňou je možné pričleniť aj anaeróbne bioreaktory spracúvajúce kyslé banské vody s vysokým obsahom kovov. Tieto bioreaktory využívajú baktérie redukujúce sulfáty (BRS). Tieto anaeróbne baktérie môžu byť buď heterotrofné, alebo autotrofné. Sú schopné redukovať sulfáty na sulfidy za podmienky prítomnosti niektorých zložiek, najmä organického uhlíka. Vznikajúci anorganický uhlík napomáha zabezpečiť neutrálne prostredie a pri splnení všetkých podmienok sa vyzrážajú sulfidy kovov. Reakcie prebiehajú podľa nasledujúcich schém (Widdel, 1988):
,
kde 2 CH2O je zdroj jednoduchého organického uhlíka,
a
,
kde M2+ je katión kovu (napr. Cd, Fe, Ni, Cu, Zn, ...).
Zdroje organického uhlíka v kyslých banských vodách sa vyskytujú len v malom množstve, a tak je nevyhnutné ich do systému pridávať. Na odstraňovaní kovov z čistenej vody sa môžu okrem precipitácie/koprecipitácie sulfidov kovov v menšej miere podieľať aj zrazeniny hydroxidov a karbonátov, ako aj procesy sorpcie, povrchovej adsorpcie na pevných povrchoch atď. (Wildeman a Updegraff, 1997). Na zabezpečenie dostatočnej účinnosti týchto reaktorov je potrebné vytvoriť vhodné podmienky, najmä kontrolou a usmerňovaním hodnôt, obsahu organického uhlíka, pH, Eh a teploty (Willow a Cohen, 2003). Kritický prehľad informácií o bioreaktoroch čistiacich kyslé banské vody a podmienkach procesov prebiehajúcich v nich je možné získať napr. v práci Neculita et al. (2007).
Výhody a limitácie
Pri aplikácii bioreaktorov sú zrejmé určité nevýhody, resp. limitácie, ktoré je možné zhrnúť takto (Grady et al., 1999; Widdel, 1988; Neculita et al., 2007):
• nízka teplota počas nepriaznivých klimatických podmienok značne spomaľuje biochemické procesy čistenia. To predlžuje čas potrebný na sanáciu. Prípadné umelé udržiavanie optimálnych teplotných podmienok zvyšuje finančnú náročnosť technológie;
• pri vysokej záťaži vody kontaminantom nastáva v aeróbnych podmienkach rýchla spotreba kyslíka a vzniká problém s rýchlosťou prestupu kyslíka slúžiaceho ako konečný akceptor elektrónov;
• vysoká koncentrácia niektorých kontaminantov môže viesť k inhibícii biologického odbúravania a k celkovému znefunkčneniu systému;
• konkurenčné mikroorganizmy (neefektívne vzhľadom na želanú dekontamináciu) môžu kolonizovať bioreaktor, čo vedie k zníženiu účinnosti;
• naopak, pri nízkej koncentrácii kontaminantu slúžiaceho ako substrát na aktivitu mikroorganizmov je potrebné pridávať kosubstrát a nutrienty do systému, čo môže viesť k zvýšeniu nákladov;
• v závislosti od úrovne stanovených limitných sanačných hodnôt existuje určitý predpoklad nedostatočnej účinnosti metódy vzhľadom na možnú obmedzenú schopnosť mikroorganizmov efektívne odbúravať kontaminanty pri nízkej koncentrácii, keď sa činnosť mikroorganizmov spomalí, resp. zastaví;
• potreba riešenia problému vzniknutého kalu;
• potreba kontroly vznikajúcich plynných zložiek a dodatočného nakladania s nimi vzhľadom na ich potenciálnu nebezpečnosť (napr. uvoľňujúce sa toxické prchavé látky).
Výhodou bioreaktorov je možnosť efektívneho ovplyvňovania priebehu biochemického procesu čistenia kontaminovanej vody prostredníctvom regulácie hlavných faktorov, ako sú pH, kontrola množstva substrátu a nutrientov, prevzdušnenia, teploty, regulácie prítoku, resp. množstva čistenej vody. To vedie k možnosti výraznej intenzifikácie čistenia. Ďalšími výhodami sú možnosť kontrolovať kvalitu prečistenej vody, sledovať a eliminovať vznikajúce potenciálne toxické medziprodukty alebo vedľajšie produkty, zachytávať a spracúvať vznikajúci plyn a pod. V neposlednom rade môže byť výhodou aj možnosť použitia špecifického alochtónneho mikrobiálneho spoločenstva, ktoré je zamerané na dekontamináciu špecifických kontaminantov.
Trvanie čistenia a účinnosť
Trvanie čistenia kontaminovanej vody a účinnosť čistenia v bioreaktoroch závisí od konkrétneho zvoleného typu technológie bioreaktora (typ bioreaktora, výber mikroorganizmov, oxidačno-redukčné podmienky atď.), rozsahu kontaminácie a typu kontaminantu. V princípe je možné čas potrebný na celkovú sanáciu rozdeliť na čas potrebný na extrakciu kontaminantu z horninového prostredia prostredníctvom čerpania podzemnej vody, čas potrebný na samotné čistenie kontaminovanej vody v bioreaktore (vrátane prípadných predstupňov) a čas potrebný na potenciálne dočistenie a likvidáciu (vypúšťanie) vyčistenej vody. Kritickým stupňom celkovej účinnosti a sanácie znečistenia môže byť schopnosť extrahovať kontaminant z horninového prostredia prostredníctvom čerpania. Príčinou môže byť väzba kontaminantu na pevnú fázu horninového prostredia (adsorpcia, obmedzená rozpustnosť, vznik zrazenín, koprecipitácia atď.). V tomto prípade je výhodné použiť prostriedky na zintenzívnenie prechodu kontaminantu do kvapalnej fázy (úprava pH, solventy, surfaktanty atď.). V prípade efektívnej extrakcie kontaminantu z prostredia je po zabehnutí technológie účinnosť pomerne vysoká a čas čistenia na objemovú jednotku kontaminovanej vody je relatívne krátky (rádovo hodiny až dni). Celkové trvanie čistenia však, samozrejme, závisí od celkového rozsahu kontaminácie a môže sa pohybovať v týždňoch až mesiacoch (ojedinele v rokoch). Všeobecne však môžeme bioreaktory zaradiť medzi relatívne rýchle sanačné metódy.
Orientačný rozpis nákladových položiek je takýto: Prvotné náklady predstavujú inštaláciu bioreaktora, inštaláciu sedimentačného zariadenia a inštaláciu zariadenia na čistenie vznikajúcich plynných zložiek. Dodatočné premenlivé náklady pozostávajú z prevádzkových nákladov (elektrina, substrát, nutrienty), odborného dohľadu, vzorkovania a monitorovania (vrátane laboratórnych nákladov). S touto metódou súvisia aj náklady na manipuláciu s kalom, vyčistenou vodou a so vznikajúcimi plynnými zložkami.
© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží
Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,
Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová
Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,
ISBN 978-80-89343-39-3