Bioaerácia (biosparging)

   Princíp

Bioaerácia (biosparging) je metóda, ktorá podporuje prítomnosť a činnosť mikroorganizmov priamo v nasýtenom horninovom prostredí pri biodegardácii organických kontaminantov v podzemnej vode. Baktérie, bežne prítomné v horninovom prostredí, sú schopné degradovať uhľovodíky tak, že používajú kyslík na metabolizovanie organického materiálu, pričom vzniká oxid uhličitý a voda (US EPA, 1994b). Metóda je založená na dodávaní oxidačného činidla (napr. kyslíka), prípadne aj nutrientov (ak je potrebné) do pásma nasýtenia, obyčajne prostredníctvom vrtnej injektáže.

   Použiteľnosť

Metóda je vhodná na urýchlenie procesu dekontaminácie priepustnejšieho prostredia s vysokou koncentráciou kontaminantov, najmä ropného pôvodu. Možno ju aplikovať na redukovanie ložiska znečistenia alebo na znečistenie šíriace sa vo forme kontaminačného mraku (Johnson et al., 2001b).

Bioaerácia (biosparging) má väčšie využitie v prípade stredne ťažkých frakcií ropných látok (napr. nafta) ako pri ich ľahších frakciách (napr. benzín) (Anonym, 2004). Biosparging je možné aplikovať aj na kontaminanty, ktoré sa nachádzajú vo forme voľnej fázy (LNAPL, DNAPL). V niektorých prípadoch sa biosparging používa aj na čistenie prchavých kontaminantov a ťažších produktov (napr. mazacie oleje), ale trvá dlhšie, kým nastane potrebná redukcia znečistenia, lebo tieto produkty sú viacej biorezistentné (Kao et al., 2008).

Bioaerácia (biosparging)  je vhodné aplikovať v takých prípadoch, keď je potenciál pre prirodzenú biosanáciu limitovaný lokálnymi podmienkami kontaminovaného prostredia, napr. nedostatkom kyslíka, živín alebo elektrónových akceptorov.

Aplikovanie biospargingu má oproti aerácií väčšiu účinnosť pri odstraňovaní väčšieho rozsahu znečistenia ropnými uhľovodíkmi.

Ak sú v rámci kontaminovanej oblasti prítomné aj prchavé chemické látky, je vhodné biosparging kombinovať napr. s metódami extrakcie pár alebo bioventingom.

Funkčnosť a účinnosť metódy je potrebné pred jej finálnou aplikáciou laboratórne vyhodnotiť a overiť na menšom území.

   Základná charakteristika

Metóda je založená na dodávaní oxidačného činidla (napr. kyslíka), prípadne aj nutrientov (ak je potrebné) do pásma nasýtenia, obyčajne prostredníctvom vrtnej injektáže. Podporné látky sa vtláčajú pod zónu kontaminácie pri nižšom tlaku v stanovených intervaloch tak, aby bolo možné zabezpečiť ich plynulé dopĺňanie do kontaminovanej oblasti. Vzduch dodaný injektážou obsahujúci kyslík sa rozpúšťa v podzemnej vode a je konečným akceptorom elektrónov na chemickú a biologickú oxidáciu organických znečisťujúcich látok. Iné plyny – propán, bután alebo metán – zatláčané do podzemnej vody slúžia ako kosubstrát napríklad pri biodegradácii chlórovaných etylénov alebo metylterciárneho butyléteru MTBE (US Department of Defence, 2003). Vodík využívajú niektoré baktérie schopné dehalogenovať perchlóretylén (PCE) ako donor elektrónov. Jeho zavádzaním do podzemnej vody sa urýchľuje dehalogenácia, pretože nie je potrebné zachovať také podmienky v horninovom prostredí, ktoré by zabezpečili pomalú tvorbu vodíka baktériami (Newell et al., 1997a; SERDP, 2000). Na obr. 4.2.6 je schéma zapojenia systému biosparging spolu s extrakciou výparov.

 

Obr. 4.2.6. Schéma zapojenia systému biosparging spolu s extrakciou vzduchu (US EPA, 1994b).

Vysvetlivky: 1 – kompresor, 2 – podzemný zásobník, 3 – dúchadlo, 4 – čistenie vzduchu, 5 –uvoľňovanie vyčisteného vzduchu do atmosféry, 6 – cirkulácia (pohyb) vzduchu a jeho extrakcia, 7 – hladina podzemnej vody, 8 – znečisťujúce látky v plynnom stave, 9 – znečisťujúce látky adsorbované, 10 – znečisťujúce látky rozpustené.

 

Technológia bioaerácie (biosparging) vychádza z aerácie, pričom biosparging sa viac zameriava na procesy biodegradácie ako na procesy volatilizácie (prchavosti) príslušného kontaminantu. Pri tejto metóde sa preto obyčajne do prostredia dodáva vzduch s nižšou intenzitou než pri aerácii (US EPA, 1994b). Pri aplikácii systému biosparging sa predpokladá, že v nasýtenej zóne v okolí aeračného vrtu sa vytvorí zásoba vzduchu v póroch, ktorá postačuje na to, aby niekoľko hodín udržala aktívne biodegradačné procesy (Johnson et al. 2001).

   Výhody a limitácie

Výhody aplikovania systému bioaerácie je možné zhrnúť takto (US EPA, 1994b; US Department of Defence, 2003):

•      v prípade vhodných podmienok (priepustné a homogénne prostredie, ľahšie frakcie ropných uhľovodíkov) sú nároky na inštalovanie technológie a jej prevádzku v porovnaní s intenzitou odstraňovania znečistenia relatívne nízke,

•      prísun vzduchu v malom množstve a s malou rýchlosťou minimalizuje potrebu na zachytávanie a odstraňovanie výparov z horninového prostredia,

•      pomalé dodávanie vzduchu do kontaminovanej oblasti znižuje potenciál migrácie kontaminantov mimo čistenej zóny,

•      v priaznivých podmienkach sa kontaminanty biodegradačnými procesmi redukujú priamo na mieste (nie je potrebné odčerpávať kontaminovanú vodu, resp. s ňou akýmkoľvek spôsobom ďalej nakladať),

•      zvyšuje účinnosť aerácie pri odstraňovaní väčšieho rozsahu znečistenia ropnými uhľovodíkmi.

Hlavné nevýhody a limitácie metódy (US EPA, 1994b; US Department of Defence, 2003):

•      malá priepustnosť hornín alebo nehomogenita horninového prostredia limitujú prísun vzduchu a živín dodávaných do sanovanej oblasti a tým sa úmerne znižuje efektivita prebiehajúcich biodegradačných procesov;

•      prítomnosť veľmi vysokej koncentrácie ropných látok alebo ťažkých kovov na lokalite môže byť toxická alebo inhibovať rast a reprodukciu baktérií podieľajúcich sa na biodegradačných procesoch. Naopak, veľmi nízka koncentrácia organického substrátu spôsobuje pokles mikrobiologickej aktivity. Pri prekročení koncentrácie ropných uhľovodíkov v pôde na hodnoty vyššie ako 50 000 μg . g^–1 alebo ťažkých kovov v pôde na hodnoty vyššie ako 2 500 μg . g^–1 sa takéto podmienky pre aeróbne baktérie vo všeobecnosti považujú za inhibičné a/alebo toxické;

•      v blízkosti pivníc, kanálov a ostatných podzemných uzavretých priestorov sa vytvára potenciál na akumuláciu nebezpečných látok. Výnimku môžu tvoriť prípady, keď sa na lokalite inštaluje systém na kontrolu migrácie plynov;

•      zabezpečenie zníženia koncentrácie ropných uhľovodíkov viac ako o 95 % je obyčajne veľmi obťažné. Pri podstatnom znížení organických látok v prostredí (tzv. prahová, limitná alebo hraničná koncentrácia) nemajú baktérie dostatok uhlíka a ich biologická aktivita je nízka. Prahovú koncentráciu je možné zistiť laboratórnymi testami a jej hodnoty by mali byť nižšie ako cieľová koncentrácia redukcie organických látok. Prahové hodnoty sú pre jednotlivé baktérie a látky rôzne. Zníženie koncentrácie ropných uhľovodíkov na hodnoty nižšie ako 0,1 μg . g^–1 vo všeobecnosti nie je možné dosiahnuť iba samotným biologickým odstraňovaním;

•      niektoré interakcie chemických, fyzikálnych a biologických procesov nie sú celkom známe. Táto skutočnosť vyžaduje pred samotnou aplikáciou systému biosparging realizovať laboratórne pokusy a pilotné testy na lokalite, aby bolo možné čo najlepšie reflektovať podmienky na lokalite. Je potrebné zabezpečiť aj optimálne fungovanie systému biosparging počas jeho prevádzky. Tieto okolnosti zvyšujú nároky na odbornosť a cenu.

   Trvanie čistenia a účinnosť

Pri optimálnych podmienkach táto metóda umožňuje dosiahnuť relatívne krátky čas odstraňovania znečistenia (od 6 do 24 mesiacov). Efektivita systému biosparging (obr. 4.2.7) závisí najmä od dvoch faktorov, ktorými sú (US EPA, 1994b):

•      priepustnosť horninového prostredia – podmieňuje intenzitu, pri ktorej kyslík, resp. iné podporné látky sa môžu dodávať k mikroorganizmom degradujúcim uhľovodíky,

•      biodegradabilita ropných látok – ovplyvňuje intenzitu a úroveň degradácie kontaminantu mikroorganizmami.

 

Obr. 4.2.7. Účinnosť systému biosparging v závislosti od priepustnosti horninového prostredia a zloženia znečisťujúcich látok (US EPA, 1994b).

Pozn. Účinnosť systému biosparging bola preukázaná pre všetky uvedené ropné produkty.

 

Ďalšie faktory ovplyvňujúce efektivitu systému biosparging sú (US EPA, 1994b) spojené s charakteristikou lokálnych podmienok (koeficient priepustnosti, štruktúra zeminy a stratifikácia, teplota, pH, hustota mikrobiálnej populácie, koncentrácia živín a rozpusteného železa) a s charakterom kontaminantov (chemická štruktúra, koncentrácia a toxicita, tlak pár, zastúpenie látok v ropných produktoch a bod varu, Henryho konštanta).

Samotný návrh a nastavenie optimálne fungujúceho systému bioaerácie bude závisieť od veľkosti a polohy znečistenia, od hydraulických vlastností zvodnenca, jeho priestorovej heterogenity či rozdielnosti priepustnosti v horizontálnom a vertikálnom smere. V praxi existujú rôzne spôsoby inštalácie systému biosparging a materiály (plyny, živiny, elektrónové akceptory), ktorými je možné vytvárať vhodnejšie podmienky na biodegradáciu konkrétnych kontaminantov (Johnson et al., 2001b; Newell et al., 1997a).

Pri systéme bioaerácie sa môžu použiť vertikálne alebo horizontálne vrty. Orientácia vrtov by mala vychádzať z potrieb a podmienok na lokalite, aby sa vybralo najefektívnejšie riešenie sanácie (US EPA, 1994b).

Príklady z realizovaných prác v USA s cenovými kalkuláciami sú podrobne rozpracované napr. v práci US Department of Defence (2003). Orientačné percentuálne vyjadrenie použitých finančných prostriedkov na jednotlivé položky pri systéme biosparging je zobrazené v tab. 4.2.4.

Tab. 4.2.4. Orientačné percentuálne vyjadrenie použitých finančných prostriedkov na realizáciu systému bioaerácie.

 

Výsledná suma bude závisieť od konkrétnych podmienok na lokalite – rozsahu znečistenia, charakteru kontaminantov, geologických a hydrogeologických pomerov, kombinácie s inými technológiami, charakteru katalyzovania procesov a pod.

V prípade vhodných podmienok (priepustné a homogénne prostredie, ľahšie frakcie ropných uhľovodíkov) sú nároky na inštalovanie technológie a jej prevádzku v porovnaní s intenzitou odstraňovania znečistenia relatívne nízke.

 

© 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