Biologické reaktívne bariéry

   Princíp

Technológie biologických reaktívnych bariér (BRB) využívajú na odstránenie prítomného znečistenia biologické procesy. BRB je definovaná ako zóna in situ (bežne označovaná ako reaktor alebo bioreaktor) tvorená reaktívnym materiálom, ktorý rozkladá alebo imobilizuje kontaminanty prúdiace v prirodzenom režime naprieč touto zónou (US EPA, 1998a). Princíp odstraňovania kontaminácie v BRB vychádza z biologických degradačných procesov organických látok alebo z biochemických reakcií využívaných na transformáciu prítomných anorganických znečisťujúcich látok (Veselá et al., 2003). Výsledkom bioprocesov sú menej nebezpečné až neškodné produkty reakcií, napr. CO₂ alebo voda (napr. Simon a Meggyes, 2000).

   Použiteľnosť

Reaktívne médium rozkladá, sorbuje, vyzráža alebo inak odstraňuje organické látky, kovy, rádionuklidy alebo iné znečisťujúce látky. Bariéry (steny) môžu obsahovať reakčné činidlá na rozklad organických prchavých látok, cheláty na imobilizáciu kovov, živiny a kyslík na podporovanú biodegradáciu alebo iné činidlá (napr. Bakker et al., 2000; Kao et al., 2001; Gibert et al., 2007; Meggyes a Simon, 2000).

Využitie a aplikovateľnosť BRB v praxi je možné rozdeliť napr. v závislosti od aplikovaných biologických procesov (Veselá et al., 2003):

•      anaeróbna degradácia, kde reaktívne médium priepustnej steny obsahuje organický materiál, ktorý stimuluje mikrobiálnu aktivitu a vedie k degradácii síranov alebo dusičnanov. Tento proces môže viesť aj k vyzrážaniu rôznych kovov (napr. Ag, Cd, Co, Cu, Fe, Ni, Pb a Zn);

•      anaeróbna redukcia, kde sa reaktívne médium ovplyvňuje pomocou skupiny baktérií schopných redukovať síru (napr. Desulfovibrio sp. alebo Shewanella sp.). Ich typickou črtou je využívanie síry a jej oxidovaných foriem ako akceptorov elektrónov. Okrem transferu elektrónov z energetického substrátu na sírany sú tieto baktérie schopné redukovať aj rozličné kovy a nekovy, prípadne ich vyzrážať ako sulfidy kovov;

•      aeróbna biodegradácia, pri ktorej sa do reaktívnej steny napríklad aplikujú oxidačné činidlá (O₂) s cieľom podporiť prirodzenú biodegradáciu organickej kontaminácie, napr. BTEX, chlórované uhľovodíky, NEL, PAU (Carey et al., 2002), alebo priamo sa dávkuje vhodný biopreparát spolu s ďalšími zložkami (napr. živiny, surfaktanty) kvôli maximálne možnej miere intenzifikácie biodegradačného procesu (tzv. podporovaná biodegradácia).

Technológiu BRB je možné kombinovať s inými technickými postupmi. Výber jednotlivých postupov vždy závisí od konkrétnej lokality. Vhodnou kombináciou procesov je možné dosiahnuť optimálnu účinnosť dekontaminácie danej lokality. V prípade uplatnenia viacerých sanačných princípov spravidla hovoríme o tzv. technológii multibariér (Till et al., 1998).

   Základná charakteristika

Biodegradácia, resp. biotransformácia môžu prebiehať v aeróbnom aj anaeróbnom prostredí, a to v závislosti od typu chemickej látky. Pred samotnou aplikáciou BRB je nevyhnutné najskôr určiť schopnosť biodegradácie, prípadne biotransformácie znečisťujúcich látok, ktoré sú predmetom záujmu, aké sú najúčinnejšie biologické mechanizmy ich odstraňovania alebo premeny (aeróbne verzus anaeróbne) a ako rýchlo biodegradačný alebo biotransformačný proces prebieha.

Biobariéra pracuje na princípe biofiltra, kde je na vhodnej reaktívnej náplni ukotvený mikrobiálny biofilm. Biofilm je tenká vlhká vrstva pokrývajúca častice reaktívnej náplne, na ktorej prebieha vlastná degradácia znečisťujúcej látky. Na rozdiel od klasickej reaktívnej steny sa znečisťujúce látky v biobariére odstraňujú v dvoch fázach (Veselá in Matejů, ed., 2006):

•      kontaminanty sa pri prechode cez bioreaktívnu stenu najskôr sorbujú na reaktívne médium – tzv. nedeštruktívna fáza; tento proces môže byť vratný, s možnosťou spätného odstránenia kontaminantu, t. j. jeho spätného vyplavenia z reaktívneho média (môže významne ovplyvniť ekonomiku procesu – možnosť regenerácie reaktívnej náplne);

•      následné odbúravanie alebo transformácia pôsobením špecifických mikroorganizmov – tzv. deštruktívna fáza.

BRB sa môžu inštalovať ako kontinuálne steny alebo ako tzv. systém lievik – brána (funnel-and-gate), resp. drén – brána (trench-and-gate) (Bowles, 1997; Carey et al., 2002). Kontinuálne steny (obr. 4.2.10) tvorené priepustnou reaktívnou výplňou sú najjednoduchšou formou BRB. Systém „lievik – brána“ (obr. 4.2.11) má časť tvorenú nepriepustnou podzemnou stenou, ktorá zvádza podzemnú vodu do reaktívnej časti. Použitie tejto konfigurácie podzemnej steny často umožňuje lepšie zachytenie kontaminačného mraku a optimálne umiestnenie reaktívnej časti. Na lokalitách s príliš heterogénnym prúdením podzemnej vody umožňuje tento systém umiestniť reaktívnu bránu v priepustnejšej časti kolektora a tam, kde nie je distribúcia kontaminantu uniformná, umožňuje lepšiu homogenizáciu koncentrácie kontaminantov pred vstupom do reaktívnej brány (Gavaskar et al., 2000). Použitie technológie s viacerými bránami je vhodné tam, kde je potrebné zaistiť požadovaný čas zdržania, predovšetkým na lokalitách, kde je kontaminačný mrak široký, pri vysokej rýchlosti prúdenia a tam, kde je veľkosť reaktívnej brány limitovaná spôsobom inštalácie (napr. kesóny).

 

Obr. 4.2.10. Schéma kontinuálnej bariéry (Carey et al., 2002 – upravené).

 

Obr. 4.2.11. Schéma systému „lievik – brána“ (Carey et al., 2002 – upravené).

 

Reaktívne médium vhodné na použitie ako náplň BRB musí spĺňať podmienku kompatibility s okolitým horninovým prostredím (Veselá et al., 2003). Nemalo by spôsobovať nežiaduce chemické reakcie alebo vytvárať toxické vedľajšie produkty pri reakcii s látkami obsiahnutými v kontaminovanej vode a nemalo by pôsobiť ako zdroj znečistenia. Z ekonomického hľadiska by mal reaktívny materiál udržať svoje požadované vlastnosti dlhý čas a vstupné náklady by mali byť nízke. Reaktívny materiál má mať takú zrnitosť, resp. priepustnosť, aby minimálne obmedzoval prúdenie podzemnej vody. Reaktívne médium musí zároveň vytvárať vhodné prostredie pre mikroorganizmy. Predovšetkým nesmie byť pre mikroorganizmy toxické, inhibovať alebo iným spôsobom ovplyvňovať metabolickú aktivitu mikroorganizmov a zároveň musí umožňovať dostatočné osídlenie povrchu mikroorganizmami a tým vytvárať aktívnu vrstvu biofilmu. Vnútri biobariéry je potrebné neustále udržiavať optimálne podmienky, medzi ktoré patrí predovšetkým vlhkosť, pH, teplota, koncentrácia nutrientov a v prípade aeróbnych bariér aj zabezpečenie dostatočnej koncentrácie kyslíka (Veselá in Matějů – ed., 2006).

Ako reaktívne náplne vhodné na biologické osídlenie sa používajú najmä anorganické nosiče typu aktívneho uhlia, perlitu, zeolitu alebo ďalšie nosiče organického pôvodu ako napr. humínové látky, piliny, kompost, rašelina či drevná štiepka.

Pred samotnou prevádzkovou aplikáciou technológie je optimálne urobiť sériu laboratórnych testov a následne poloprevádzkovú skúšku priamo na danej lokalite, ktoré slúžia na optimalizáciu parametrov BRB. Dôležitou súčasťou pri aplikácii technológie je monitoring účinnosti dekontaminačného procesu. Typickú monitorovaciu sieť BRB tvorí systém niekoľkých vrtov, ktoré slúžia na sledovanie:

•      kvality vody okolitého prostredia,

•      koncentrácie kontaminantov na sanovanej lokalite,

•      prebiehajúcich procesov v bariére a jej účinnosti,

•      prípadného obtekania bariéry a migrácie kontaminantov do okolia.

V závislosti od druhu kontaminantu a spôsobu jeho odstraňovania je potrebné pamätať aj na sledovanie niektorých špecifických parametrov. Napríklad v prípade uplatnenia redukcie kovov v anaeróbnych podmienkach je nevyhnutné sledovať geochemické vlastnosti prostredia, ktorých zmeny môžu viesť k spätnej mobilizácii vyzrážaných kovov. V prípade aeróbnej degradácie organického znečistenia je potrebné monitorovať prítomné bakteriálne kultúry, a najmä nárast biomasy, ktorý môže viesť k zníženiu hydraulickej priepustnosti bariéry (Veselá et al., 2003). Monitorovacie vrty sa môžu súčasne využiť aj ako optimálne a lacné technologické riešenie na dodanie biopreparátu, živín, prípadne ďalších aditív a v prípade aeróbnych stien aj na prívod kyslíka.

Zvláštnou kategóriou technologického usporiadania sú tzv. aeróbne bariéry pozostávajúce z jednej alebo viac línií injektážnych vrtov budovaných naprieč smeru prúdenia podzemných vôd. Týmito vrtmi sa do pásma nasýtenia vtláča atmosférický kyslík ako akceptor elektrónov. V prípade plošnej injektáže sa táto metóda nazýva aj biosparging alebo airsparging (Gavaskar et al., 2000). Týmto spôsobom sa spravidla odstraňujú organické látky. Jedny z prvých bariér založené na technológii aerácie boli postavené napríklad na lokalitách East Garington (Alberta, Kanada) v roku 1995 (Bowles, 1997) a v Alamede (Kalifornia, USA) v roku 1997 (US EPA, 2002a).

   Výhody a limitácie

Hlavnou výhodou použitia BRB sú nízke prevádzkové náklady (prakticky spojené iba s monitoringom) a minimálne obmedzenia využitia sanovaného územia (Veselá et al., 2003).

Aplikácia biologického prvku v technológii priepustných reaktívnych stien, a najmä potreba zaistenia optimálnych podmienok pre mikroorganizmy zvyčajne prináša celý rad problémov spojených s technologickými úpravami konštrukcie steny. Jedným z najväčších problémov v prípade aeróbnej bariéry je zabezpečenie dostatočného množstva kyslíka a udržanie optimálneho pH v celej biobariére. V prípade anaeróbnej BRB je to najmä udržanie vhodnej teploty a pH v celom reaktívnom médiu (anaeróbny proces je pomerne citlivý na zabezpečenie určitých špecifických podmienok, a to najmä na rast metánogénnych baktérií – vyžadujú sa hodnoty pH 6,6 – 7,6 resp. teplota v rozmedzí 32 – 41 °C) a odvod vyprodukovaného bioplynu.

Ďalším problémom v prípade využitia biobariéry môže byť zarastanie steny biomasou (tzv. biofouling), ktorého dôsledkom sa môže znížiť priepustnosť reaktívnej steny. To môže viesť až k nežiaducemu vzdúvaniu hladiny podzemnej vody a k obtekaniu reaktívnej časti steny.

Významnou limitáciou použitia technológie môže byť schopnosť biodegradácie alebo biotransformácie prítomnej znečisťujúcej látky.

   Trvanie sanácie a účinnosť

Čas potrebný na dosiahnutie požadovaných sanačných limitov výrazne závisí od lokálnych podmienok, počiatočnej a požadovanej konečnej koncentrácie relevantných kontaminantov a ich polčasu rozpadu. Na základe týchto skutočností sa potom definujú rozmery bariéry, a najmä čas zdržania potrebný na rozklad prítomného znečistenia. Čas zdržania v zariadeniach sa spravidla pohybuje v rádoch desiatok hodín.

Ekonomické náklady spojené s touto technológiou závisia najmä od miestnych podmienok a použitého typu a veľkosti BRB. Všeobecne najväčšia časť prostriedkov sa vynakladá na prieskum lokality a stavbu zariadenia (až dve tretiny z celkových finančných nákladov). Naopak, vlastné prevádzkové náklady sú veľmi nízke (prakticky spojené len s monitoringom), čo je evidentnou výhodou tejto technológie.

 

© 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