Bioreaktory
Princíp
Bioreaktor je termín, ktorým sa pomenúva inžinierske zariadenie/systém na znižovanie kontaminácie v zemine, sedimente alebo kale za prítomnosti mikroorganizmov. Táto metóda sa označuje aj ako suspenzná biosanácia. Princípom metódy je stimulácia biologickej degradácie výberom stupňa prevzdušnenia, optimálnej teploty pre danú koncentráciu znečistenia a ďalších faktorov. Vyťažená zemina sa po zmiešaní s vodou a predpísanými prímesami umiestni v bioreaktore. Suspenzia sa udržiava v bioreaktore za kontrolovateľných podmienok. Bioreaktory sa bioaugmentujú aktivovaným kalom alebo špeciálnymi zmesovými kultúrami mikroorganizmov (obr. 4.1.25).
Použiteľnosť
Metóda sa používa najmä v jemnozrnných zeminách, v hrubozrnných zeminách s prímesou jemnozrnných zemín, ktoré sa vyznačujú nízkou priepustnosťou, a v kaloch s vysokým stupňom znečistenia, s koncentráciou kontaminantu od tisíc do rádovo stoviek tisíc mg. kg -1. Je určená najmä na čistenie takých zemín, kde sa nedajú použiť metódy in situ, a v prípade požiadavky na vykonanie sanácie v krátkom čase. Používa sa na čistenie kalov, ktoré vznikajú v rôznych technologických procesoch, a na odstránenie niektorých ťažko rozložiteľných znečisťujúcich látok zo zeminy. Technológia je použiteľná najmä pri znečistení organickými znečisťujúcimi látkami (najmä ropnými uhľovodíkmi, organickými rozpúšťadlami, fenolmi, polychlórovanými bifenylmi, herbicídmi a pesticídmi], dioxínmi a rádionuklidmi) (Fuentes, 2002). Výhodou aeróbnych procesov, pri ktorých je terminálnym akceptorom elektrónov kyslík, je niekoľkonásobne vyššia rýchlosť biodegradácie v porovnaní s anaeróbnymi procesmi. Zdrojom kyslíka je výhradne vzduch. Hlavnou nevýhodou je potreba dodávania kyslíka spojená so spotrebou energie. Používanie látok uvoľňujúcich kyslík, prípadne peroxidu vodíka je ekonomicky príliš náročné. Pred použitím metódy sa odporúča vykonať laboratórne overenie účinnosti metódy v daných podmienkach a získanie potrebných údajov na riadenie procesov, t. j. chemické, pedologické, mikrobiologické a ekotoxikologické analýzy. Na základe získaných výsledkov sa zhodnotí biodegradovateľnosť prítomných kontaminantov, stav prítomnej mikroflóry, jej aktivita, obsah živín potrebných na rozvoj mikroflóry, štruktúra materiálu a forma, v ktorej sa v materiáli nachádza kontaminant (voľný, rozpustený, sorbovaný, viazaný), a prítomnosť látok prejavujúcich sa toxicky vo vzťahu k mikroflóre (Dercová, 2009). Na základe týchto údajov sa vykoná analýza cieľových limitov biodegradačných postupov, optimalizuje sa proces sanácie s ohľadom na rýchlosť a cenu, vyhodnotí sa, či biodegradáciou nevznikne sekundárny metabolit, ktorý je nebezpečnejší než pôvodný kontaminant, atď.
Základná charakteristika
Táto metóda patrí medzi biologické metódy riadeného čistenia vyťaženej zeminy, kalov alebo sedimentov a uskutočňuje sa v bioreaktore. Z vyťaženej zeminy sa odstránia frakcie väčšie ako 20 mm (hrubozrnný štrk, kamene a balvany). Zemina sa zmieša s vodou v pomere, ktorý závisí od koncentrácie znečisťujúcich látok, rýchlosti biodegradácie a fyzikálnych vlastností zeminy. Suspenzia obsahuje obyčajne 10 až 30 % pevných častíc z celkovej hmotnosti. Pevné častice zeminy sa udržiavajú v suspenzii v reaktore, kde sa suspenzia premiešava, aby sa dosiahla homogénna zmes a zabezpečil sa transport mikroorganizmov. Takto pripravená zmes sa prevzdušňuje a pridávajú sa do nej prímesi (napr. povrchovo aktívne látky). Obohacuje sa o minerálne živiny a upravuje sa hodnota pH. V procese biosanácie mikroorganizmy atakujú nebezpečný organický odpad jedným z troch spôsobov:
• mineralizujú zlúčeninu priamo – ide o konverziu zlúčeniny na neškodné anorganické molekuly ako napr. oxid uhličitý a soli,
• mineralizujú zlúčeninu len ako kometabolit – mikroorganizmy na rast alebo indukovanú tvorbu enzýmov potrebných na degradáciu cielenej zlúčeniny vyžadujú ďalšie organické zlúčeniny,
• konverziou zlúčeniny na inú zlúčeninu, ktorá však môže byť tiež toxická a odolná proti ďalšej degradácii (Dercová, 2004a).
Po skončení biologického čistenia sa zemina odvodní a zvyšná tekutina sa znovu použije, odstráni alebo ošetrí. Očistená zemina sa využije alebo uloží na skládku.
Obr. 4.1.25. Schéma použitia bioreaktora.
Vysvetlivky: 1 – bioreaktor, 2 – roztok so živinami, 3 – sedimentačné zariadenie, 4 – ošetrený kal, 5 – mixér a aerátor, 6 – plyn ošetrovaný absorpciou uhlíka, spaľovaním alebo biofiltráciou, 7 – znečistená zemina, 8 – tekutina, 9 – pevné častice.
Výhody a limitácie
K hlavným výhodám bioreaktorov patrí (Fuentes et al., 2002):
• metóda je v porovnaní s ostatnými biosanačnými metódami rýchla,
• metóda je aplikovateľná aj v prípade niektorých ťažko odstrániteľných kontaminantov,
• metóda je zvlášť účinná na čistenie znečistených ílov.
Medzi hlavné nevýhody a limitácie využitia bioreaktorov zaraďujeme:
• metóda výrazne závisí od špecifických vlastností zemín a znečisteného územia, t. j. významný je vplyv rozdielnych vstupných podmienok znečistenia,
• veľmi vysoká koncentrácia znečisťujúcich látok môže byť pre mikroorganizmy toxická,
• vysoká energetická náročnosť,
• zvyškové znečistenie môže vyžadovať ďalšiu úpravu alebo uloženie na skládku.
Trvanie čistenia a účinnosť
Čas potrebný na realizáciu metódy je od niekoľkých dní až do niekoľkých mesiacov. Rýchlosť rozkladu v bioreaktore je kontrolovateľná a úspešnosť biosanácie v bioreaktoroch ovplyvňujú nasledujúce faktory: a) pôdna priepustnosť, b) prísun kyslíka, c) koncentrácia a toxicita kontaminantov, koncentrácia a typy živín, d) hodnota pH, e) prítomnosť ďalších organických zlúčenín, f) mikroorganizmy (mobilné, stupeň zriedenia populácie je nízky), g) rezistencia proti ťažkým kovom, h) teplota (Gilcrease et al., 2005).