Prirodzená atenuácia (PA), prípadne monitorovaná prirodzená atenuácia je pasívna sanačná metóda, pri ktorej sa využíva monitorovanie prirodzených procesov in situ na odstránenie kontaminácie bez vonkajšej podpory (ľudského pričinenia). To znamená, že kontaminanty sa na mieste degradujú a mineralizujú (znižuje sa ich koncentrácia, toxicita alebo mobilita) za využitia prirodzených biologických a fyzikálno-chemických procesov, ako sú napríklad riedenie, vyprchávanie, biodegradácia, disperzia, sorpcia a chemické reakcie s podpovrchovými materiálmi (chemická stabilizácia).
Prirodzenú atenuáciu je možné využiť pri sanácii znečistenia prchavými a poloprchavými látkami, PCB, palivami a výbušninami, niektorými kovmi a pesticídmi (Fuentes et al., 2002). Pri niektorých typoch kontaminantov sú procesy prirodzenej atenuácie veľmi účinné (napr. BTEX). Biodegradácia BTEX je sled reakcií uskutočňovaných pôdnymi baktériami za aeróbnych alebo anaeróbnych podmienok. Prirodzená atenuácia nie je vhodná na degradáciu aditív pridávaných do benzínu (napr. látok typu MTBE (metyl-terc-butyléter), ktoré sa vyznačujú značnou odolnosťou proti mikrobiálnemu rozkladu). Prirodzenú atenuáciu nie je vhodné uplatňovať ani pri rozklade niektorých typov chlórovaných rozpúšťadiel ako napr. trichlóreténu (TCE), ktorý je alebo nie je biodegradovateľný v závislosti od redoxného potenciálu prostredia a prítomnosti vhodnej mikroflóry. V prípade TCE je nutné realizovať aj detailnejší monitoring ako v iných prípadoch (najmä je dôležité zamerať sa na produkty mikrobiálneho rozkladu, medzi ktorými sa môže objaviť aj karcinogénny vinylchlorid) (Demnerová, 2000).
Prirodzená atenuácia (aj podporovaná prirodzená atenuácia) sa v praxi najčastejšie využíva v spojení s inými sanačnými postupmi (pretože prirodzené atenuačné procesy sú veľmi často pomalšie ako odstraňovanie znečisťujúcich látok s využitím aktívnych metód). Na začiatku sanácie je koncentrácia znečisťujúcich látok zvyčajne vysoká a aktívne fyzikálno-chemické postupy majú väčšiu účinnosť a vyššiu rýchlosť ich odstraňovania než prirodzené atenuačné procesy. Keď sa koncentrácia znečisťujúcich látok zníži, účinnosť aktívnej sanácie významne poklesne. Sanačné limity však nemusia byť vždy splnené. Ich dosiahnutie klasickými metódami sa stáva časovo aj ekonomicky náročným. V takomto prípade môže byť výhodné aplikovať podporovanú prirodzenú atenuáciu. Pri nízkej koncentrácii znečisťujúcich látok môže byť využitie prirodzených atenuačných procesov najúčinnejším aj najekonomickejším spôsobom ďalšieho znižovania koncentrácie znečisťujúcich látok (Matějů et al., 2006).
Praktické skúsenosti ukazujú, že pri sanačnom čerpaní sa obvykle ľahko odstráni napríklad určitý podiel šesťmocného chrómu, zatiaľ čo zvyšok (desiatky percent) je silne viazaný v zemine a čerpanie podzemnej vody sa potom stáva málo účinným. Ukázalo sa, že silne toxický šesťmocný chróm sa môže rozumnou rýchlosťou redukovať organickými látkami prítomnými v podzemnej vode alebo zemine (toxicita Cr3+ je v porovnaní so šesťmocným chrómom podstatne nižšia). Zásadnou otázkou v tomto prípade je rýchlosť redukcie šesťmocného chrómu a špecifikácia výslednej formy trojmocného chrómu. Ak sa na lokalite s výskytom šesťmocného chrómu uvažuje o procese prirodzeného znižovania takejto kontaminácie, potom je potrebné preukázať, že (Kubal et al., 2002):
• v kontaminovanom priestore sú prítomné redukujúce látky,
• množstvo šesťmocného chrómu a ďalších reaktívnych zložiek neprekračuje schopnosť lokality tieto látky redukovať,
• rýchlosť redukcie šesťmocného chrómu je natoľko vysoká, že nehrozí výraznejšie šírenie šesťmocného chrómu podzemnou vodou do okolia,
• výsledná forma šesťmocného chrómu je imobilná,
• nenastáva spätná oxidácia trojmocného chrómu.
Myšlienka využitia prirodzenej atenuácie vznikla v USA, kde bol tento sanačný postup prvýkrát uvedený do praxe. V priebehu výskumu sa zistilo, že alternatívne je možné niektoré prirodzené atenuačné procesy podporovať, a tak urýchliť priebeh odstraňovania znečisťujúcich látok. Vznikla tak variantná technológia nazývaná podporovaná atenuácia alebo podporovaná sanácia (podpora je takmer výhradne zameraná na biologické procesy) (Matějů et al., 2006).
Proces prirodzeného znižovania kontaminácie je zatiaľ najlepšie dokumentovaný na lokalitách kontaminovaných ropnými uhľovodíkmi, ktoré v rámci bežne sa vyskytujúcich kontaminantov najlepšie podliehajú biodegradačným procesom. Ak sa na lokalite s výskytom ropných látok uvažuje o využití PA, obvykle sa vyžaduje (Fuentes et al., 2002):
• dokumentácia skutočnej degradácie, nie iba riedenia,
• prieskum a sanácia všetkých prítomných kontaminantov (prirodzená degradácia zmesi ropných uhľovodíkov nie je dostačujúca, pokiaľ zostáva vysoká koncentrácia MTBE),
• odstránenie zdrojov znečistenia (napríklad voľného produktu),
• aby v rámci degradácie nevznikli medziprodukty, ktoré sú nebezpečnejšie ako pôvodný kontaminant,
• kontrola možnosti vzniku horľavých medziproduktov,
• vysoká rýchlosť degradácie ropných látok, aby nehrozilo výraznejšie šírenie kontaminácie podzemnou vodou do okolia.
Mechanizmy prirodzenej atenuácie je možné rozdeliť na deštruktívne a nedeštruktívne. Biodegradácia je jednoznačne najrozšírenejší deštruktívny mechanizmus znižujúci obsah kontaminantov, akými sú napr. ropné uhľovodíky. Riedenie, disperzia a sorpcia sú najvýznamnejšie nedeštruktívne mechanizmy, ktoré priamo vedú k znižovaniu koncentrácie kontaminantov. Na preukázanie znižovania koncentrácie kontaminantov je potrebný dlhodobý monitoring. Kľúčom k správnemu využitiu metódy je pochopenie dynamiky prostredia a prebiehajúcich procesov priamo na lokalite a monitoring celého kontaminovaného územia a postupnej dekontaminácie až do skončenia procesov.
Medzi mikrobiálne procesy ovplyvňujúce chovanie toxických kovov a rádionuklidov v biosfére patria:
• biosorpcia (60Co, 90Sr, UO2+, 226Ra),
• bioakumulácia (137Cs, 60Co, U),
• redukcia a precipitácia (99Tc, U6+),
• mobilizácia (bioleaching) (Pu).
Prirodzená atenuácia je proces prebiehajúci samovoľne v horninovom prostredí. Výsledkom je znižovanie koncentrácie kontaminantov alebo ich transformácia (z nich vyplýva atenuačná kapacita lokality). Prirodzená atenuácia je použiteľná vtedy, ak sa atenuačná kapacita rovná dotácii kontaminačného mraku z ohniska znečistenia alebo je väčšia, alebo ak je kontaminačný mrak stály, prípadne sa zmenšuje a neohrozuje receptory v okolí. V zhode s definíciou podľa US EPA (1997a) pri čisto prirodzenej atenuácii sa nerobí žiadny ľudský zásah do atenuačného alebo sanačného procesu.
Procesy PA pôsobia na kontamináciu v dvoch smeroch:
• znižovaním množstva kontaminantu (biochemická alebo fyzikálno-chemická degradácia látok znižuje celkové množstvo kontaminantu v prostredí, prípadne sorpcia na horninové prostredie znižuje množstvo látok v podzemnej vode),
• znižovaním koncentrácie kontaminantov, ale bez znižovania jeho celkového množstva v prostredí (vplyvom disperzno-difúznych procesov a riedenia).
Prístup k aplikovaniu prirodzenej atenuácie v praxi nemôže byť jednotný pri všetkých kontaminantoch, pretože každý kontaminant má svoje vlastné fyzikálne a chemické charakteristiky, ktoré ovplyvňujú jeho správanie v prostredí. Procesy prirodzenej atenuácie prebiehajú na všetkých kontaminovaných lokalitách, ale ich typ, intenzita a účinnosť sa líši v závislosti od typu, rozsahu a koncentrácie znečistenia a od hydrogeologických a geologických charakteristík lokality. Prirodzená atenuácia by sa nemala použiť v prípade, ak nie je zaručená ochrana ľudského zdravia a životného prostredia a ak sú alternatívne sanačné technológie dostupnejšie a ekonomicky efektívnejšie (Demnerová, 2000). Prirodzené znižovanie kontaminácie bolo rozsiahlo dokumentované najmä v súvislosti s čistením znečistených zemín a podzemnej vody, najmä na lokalitách s výskytom ropných produktov alebo polyaromatických uhľovodíkov, ale aj chlórovaných uhľovodíkov a ťažkých kovov.
V zmysle metodických pokynov (najmä US EPA) týkajúcich sa využitia PA na kontaminovaných lokalitách sa dôraz kladie na prieskumnú fázu (zistenie všetkých podstatných charakteristík danej lokality), dlhodobý monitoring a procesy vypracovania rizikovej analýzy. Predpokladá sa, že procesy prirodzeného znižovania kontaminácie by sa mali spravidla kombinovať s aktívnymi sanačnými zásahmi alebo by mali nasledovať po skončení aktívneho zásahu. Z hľadiska opisu kontaminovanej lokality sú najvýznamnejšie predovšetkým nasledujúce údaje (Kubal et al., 2002):
• Výsledky predchádzajúcich prieskumných prác potvrdzujúcich pokles kontaminácie v zemine alebo podzemnej vode. Zmenšovanie rozsahu kontaminácie indikuje väčšia rýchlosť biodegradačných procesov, ako je rýchlosť dotácie kontaminantu do prostredia zo zdroja znečistenia.
• Geologické a/alebo geochemické údaje demonštrujúce priebeh procesu prirodzeného znižovania kontaminácie. Napríklad biodegradácia kontaminantov priamo súvisí so zmenami v chemickom zložení podzemnej vody, a to znížením prirodzeného obsahu kyslíka, dusičnanov a síranov a vytváraním medziproduktov, ako napríklad Fe2+, Mn2+ a metánu. Tieto indikátory sa môžu použiť pri odhade špecifickej schopnosti lokality znižovať úroveň kontaminácie.
• Laboratórne štúdie simulujúce podmienky horninového prostredia a demonštrujúce za kontrolovaných podmienok správanie autochtónnych mikroorganizmov vo vzťahu k prítomným kontaminantom.
Najväčší význam pri posudzovaní konkrétnej lokality a účinnosti PA má prvé kritérium. Len pri jeho splnení má zmysel zaoberať sa ďalšími dvoma kritériami. V rámci procesu PA sa dôraz kladie viac na verifikáciu a monitorovanie prirodzených degradačných dejov ako na samotnú realizáciu nápravných opatrení (to však neznamená, že znečistenému územiu sa nevenuje náležitá pozornosť).
Lokality vhodné na sanáciu procesom prirodzeného znižovania kontaminácie by mali spĺňať niektoré z týchto kritérií (Kubal et al., 2002):
• znečistenie by malo byť situované v oblasti, kde pri priamom a opakovanom kontakte s kontaminovanou podzemnou vodou alebo zeminou hrozí iba malé riziko poškodenia ľudského zdravia alebo životného prostredia,
• štátne inštitúcie by mali mať vo vzťahu k znečistenej lokalite takú pozíciu, aby dokázali dlhodobo zaistiť, že kontaminácia nepoškodí ľudské zdravie alebo zdroje podzemnej vody,
• znečistené územie by malo byť dostatočne vzdialené od potenciálnych receptorov,
• zdroj znečistenia bol už odstránený niektorým z aktívnych opatrení – napríklad odstránením voľného produktu z hladiny podzemnej vody.
V niektorých špecifických prípadoch môže byť PA najlacnejšou alternatívou sanácie prostredia. Výhodou PA je minimálne narušenie miesta realizácie. Pri aplikácii metódy nevzniká sanačný odpad a nie je potrebný jeho následný transfer alebo likvidácia. Pri použití metódy nie je potrebný zásah do podpovrchových štruktúr. PA sa dá aplikovať na miestach, kde nie je možný odvoz kontaminovanej pôdy (Fuentes et al., 2002).
Praktické skúsenosti ukazujú, že pri správnom prístupe je možné prirodzené atenuačné procesy dobre využiť (zvyčajne s určitou podporou) aj pri eliminácii zvyškového znečistenia. Náklady na prípadnú podporu PA sú vo všeobecnosti nízke, no nároky na monitoring môžu podstatne ovplyvniť ekonomiku celého zásahu.
K ďalším možným výhodám PA patrí (Kubal et al., 2002):
• menšia tvorba a transport odpadu,
• menšia agresivita vo vzťahu k okoliu v porovnaní s aktívnymi zásahmi,
• kombinovateľnosť s aktívnym zásahom alebo použiteľnosť následne po ňom,
• náklady, ktoré môžu byť podstatne nižšie ako pri aktívnom zásahu.
Hlavné nevýhody a limitácie PA sú nasledovné (Fuentes et al., 2002):
• pred aplikáciou metódy je potrebné rozsiahle štúdium charakteristiky prostredia a následný rozsiahly monitoring,
• prirodzene prebiehajúce dekontaminačné procesy nemusia znížiť kontamináciu na požadované limitné hodnoty a metóda si vyžaduje dlhý čas,
• kontaminanty môžu byť odnesené (erózia, vylúhovanie a volatilizácia) skôr, ako sa degradujú alebo transformujú,
• hydrologické a geochemické podmienky vhodné na prirodzenú atenuáciu sa môžu časom zmeniť, čo môže viesť k obnoveniu mobility dovtedy stabilných kontaminantov a následnému zníženiu úspešnosti sanačnej metódy,
• metóda nie je úspešná, ak pôvodná koncentrácia kontaminantov je vysoká,
• ak je proces prirodzeného poklesu kontaminácie pomalý, kontaminačný mrak môže ďalej migrovať na väčšie vzdialenosti od zdroja kontaminácie (Kubal et al., 2002),
• často je nutné kontrolovať následné využitie zeminy alebo podzemnej vody na lokalite (Kubal et al., 2002).
Biologické procesy prebiehajúce pri prirodzenej atenuácii nie sú rýchle, a preto treba očakávať dlhší čas potrebný na dosiahnutie požadovanej limitnej koncentrácie (často päť rokov a viac). V porovnaní s klasickým sanačným čerpaním je však čas na dosiahnutie sanačných limitov zvyčajne podstatne kratší (Matějů et al., 2006).
Na posúdenie využiteľnosti prirodzenej (monitorovanej) atenuácie sa v praxi využívajú koncepčné modely vychádzajúce z rovnováhy medzi dotáciou znečisťujúcich látok do kontaminačného mraku (rDot) a rýchlosťou jeho odstraňovania atenuačnými procesmi (rOdstr). Celková schopnosť kontaminovanej oblasti odstraňovať znečisťujúcu látku prirodzenými procesmi sa nazýva kapacita prirodzenej atenuácie. Ak platí, že rDot > rOdstr, kontaminačný mrak sa v čase zväčšuje, a naopak, ak rDot < rOdstr, kontaminačný mrak sa v čase zmenšuje. Pokiaľ je rýchlosť odstraňovania znečisťujúcich látok nedostatočná, je možné aplikovať podporovanú atenuáciu. Vplyv prirodzenej atenuácie na šírenie kontaminačného mraku, resp. na koncentráciu znečisťujúcich látok sa detailne študoval napr. pri ropných látkach a chlórovaných rozpúšťadlách. Zistilo sa, že kontaminačný mrak obsahujúci BTEX je zvyčajne menší v porovnaní so šírením chlórovaných eténov alebo iných chlórovaných rozpúšťadiel. Väčšina takýchto štúdií sa realizovala v Spojených štátoch, a to väčšinou v aeróbnych podmienkach, ktoré sú vhodné na degradáciu ropných látok vrátane BTEX. Ukázalo sa, že kontaminačné mraky ropných látok sú väčšinou buď stabilné, alebo sa zmenšujú a len 5 – 10 % z nich stále expanduje.
Rýchlosť odstraňovania znečisťujúcej látky rOdstr je zložená z rýchlostí všetkých procesov odstraňovania prebiehajúcich na lokalite. Každá rýchlosť je síce definovaná, ale nemôže sa priamo merať. Skutočné hodnotenie prirodzenej atenuácie je preto založené len na nepriamych meraniach a indikátoroch. Odporúčané nepriame indikátory prirodzenej atenuácie v zmysle Westona a Balbu (2003) sú: pH, koncentrácia rozpusteného kyslíka, oxidačno-redukčný potenciál, celkové a rozpustené železo, celkový organický uhlík, celkový a rozpustený mangán, sírany a sulfidy, dusičnany a dusitany, amoniakálny dusík, teplota, fosfor, chemická spotreba kyslíka, biologická spotreba kyslíka, KNK4,5 (alkalita), metán a etán.
So zvyšujúcim sa záujmom o využitie monitorovanej prirodzenej atenuácie sa ako súčasť sanačnej stratégie vytvoril (alebo sa vytvára) veľký počet rozličných príručiek, protokolov a odporúčaní. Informácie sú zvyčajne voľne prístupné na webových stránkach a väčšina protokolov sa pravidelne aktualizuje v súčinnosti s vedeckým pokrokom a získavaním nových poznatkov o prirodzených atenuačných procesoch v praxi. Cieľom týchto zdrojov informácií je pomôcť pri preukazovaní vhodnosti a využiteľnosti prirodzených atenuačných procesov na konkrétnej lokalite, resp. spôsobu kvalitatívneho hodnotenia prebiehajúcich procesov.
Existuje veľké množstvo kritérií rozhodovania aj spôsobov vyhodnocovania prirodzenej, resp. podporovanej atenuácie . Prehľad rozličných protokolov je napr. v práci Sinke a Hecho (1999). Všeobecné požiadavky týkajúce sa prirodzenej atenuácie boli zhrnuté napríklad v práci Kram a Goetz (1999) a metodika odhadovania času potrebného na prirodzenú atenuáciu v práci. Podrobne boli spracované protokoly napr. v prípade kontaminácie ropnými uhľovodíkmi (AFCEE, 1999), chlórovanými etylénmi (Johnson et al., 2006; AFCEE, 1999), chlórovanými rozpúšťadlami (Gilmore et al., 2006; McGuire et al., 2003), prchavými organickými zlúčeninami (US EPA, 2004b), MTBE (Wilson et al., 1999), výbušninami, rádioaktívnymi látkami (IAEA, 2006) a anorganickými látkami. Podobné protokoly existujú aj v niektorých európskych štátoch, napr. vo Veľkej Británii ich vydala Agentúra pre životné prostredie.
Pred rozhodnutím o využití prirodzených atenuačných procesov v praxi je nevyhnutné vedecky dokázať, že atenuácia/degradácia prítomných znečisťujúcich látok prebieha takou rýchlosťou, ktorá je dostatočná na ochranu životného prostredia a ľudského zdravia. Údaje (dôkazy) nevyhnutné na rozhodnutie o účinnosti sanácie sa zvyčajne získavajú priamym meraním na konkrétnej lokalite, stanovovaním v laboratóriu, prípadne matematickým modelovaním (povaha a správanie látky v prostredí a transportné modely). Veľký význam majú aj historické údaje o kontaminácii.
© 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