Obrábanie (landfarming)
Princíp
Obrábanie patrí medzi rozšírené biosanačné metódy. Pojem obrábanie predstavuje proces, pri ktorom sa kontaminovaná pôda rozloží do vrstvy hrubej 0,3 – 1,0 m, pričom sa pridávajú rozličné živiny, plnivá atď. a pôda sa periodicky premiešava. Pri obrábaní sa ropné látky odstraňujú prostredníctvom procesu biodegradácie a volatilizácie (McCarthy et al., 2004). Materiál sa pravidelne kyprí s cieľom zlepšiť aeráciu. Znečisťujúce látky sa degradujú, transformujú a imobilizujú najmä prostredníctvom mikrobiálnych procesov a oxidácie. Pôdne podmienky sa riadia predovšetkým optimalizáciou rýchlosti rozkladu kontaminantu. Vlhkosť, prevzdušnenie a hodnota pH predstavujú rozhodujúce faktory, ktoré sa môžu kontrolovať (FRTR, 2008).
Použiteľnosť
Metóda obrábania je účinná pri znižovaní koncentrácie takmer všetkých zložiek ropných produktov, typicky sa vyskytujúcich napr. v lokalitách s podzemnými zásobníkmi ropy. Ropné produkty obsahujú okolo sto rozličných zložiek, ktoré majú rôzny rozsah prchavosti. Vo všeobecnosti benzín, kerozín a nafta obsahujú látky s dostatočnou prchavosťou, ktoré sú schopné pri obrábaní sa vyparovať. Ľahšie (viac prchavé) ropné produkty (napr. benzín) majú tendenciu na odstránenie pomocou prevzdušňovacieho procesu (kyprenie, orba) a v menšej miere degradujú pri mikrobiálnej respirácii. Stredné frakcie ropy ako nafta alebo kerozín obsahujú menej prchavých zložiek ako benzín, preto biodegradácia týchto ropných produktov je omnoho významnejšia ako ich vyparovanie. Pri ťažších neprchavých ropných produktoch (vykurovacie alebo mazacie oleje) je dominantným mechanizmom odstraňovania biodegradácia. Látky s vysokou molekulárnou hmotnosťou (oleje, nafta, kerozín) sa vyznačujú dlhším časom degradácie ako ľahšie frakcie (US EPA, 1994c).
Základná charakteristika
Technológie, ktoré zahŕňajú biologické odstraňovanie ropných produktov z prostredia kontaminovanej pôdy, sú dnes úspešne zavedené a mnohé sa komerčne používajú vo veľkom meradle. Počas 70. rokov minulého storočia, keď environmentálne riziká spojené s nekontrolovanou likvidáciou boli zrejmé a stanovili sa environmentálne regulácie v Severnej Amerike a Európe (zamerané na minimalizáciu rizika kontaminácie podzemných vôd a ovzdušia), obrábanie získalo svoju popularitu. Táto „low-tech“ biologická metóda čistenia spočíva v riadenej aplikácii a rozložení viac-menej definovaného, organicky bioprístupného odpadu na povrch pôdy a jeho zapracovaní do povrchovej zóny pôdy (Genouw et al. 1994). Jednoduchá schéma obrábania je uvedená na obr. 4.1.24.
Obr. 4.1.24. Jednoduchá schéma obrábania.
Pôda zvyčajne obsahuje veľké množstvo rôznorodých organizmov vrátane baktérií, rias, húb, prvokov a aktinomycét. V dobre odvodnených pôdach, ktoré sú na obrábanie najvhodnejšie, sa vyskytujú predovšetkým aeróbne organizmy. Najpočetnejšia a biochemicky najaktívnejšia skupina z týchto organizmov, najmä pri nízkej hladine kyslíka, sú baktérie. Baktérie vyžadujú zdroje uhlíka na rast buniek a ako zdroj energie na udržanie ich metabolickej funkcie. Na zabezpečenie rastu buniek baktérie požadujú aj dusík a fosfor. Hoci v pôde je prítomné dostatočné množstvo mikroorganizmov, súčasné aplikácie ex situ týkajúce sa ošetrovania pôdy zahŕňajú zmiešavane pôdy s kultivovanými mikroorganizmami alebo zvieracím hnojom (bežne kravský hnoj alebo trus kurčiat). Hnoj poskytuje ďalšie živiny a podporuje rozmnožovanie mikrobiálnej populácie (US EPA, 1994c).
Metabolické procesy, ktoré využívajú baktérie na produkciu energie, vyžadujú terminálny akceptor elektrónov (terminal electron acceptor – TEA) na enzymatickú oxidáciu zdrojov uhlíka na oxid uhličitý. Mikróby sú klasifikované podľa zdrojov uhlíka a TEA, ktoré využívajú pri metabolických procesoch. Baktérie, ktoré využívajú organické látky (napr. ropa a ďalšie prirodzene sa vyskytujúce látky) ako zdroj uhlíka, nazývame heterotrofné. Baktérie, ktoré využívajú anorganické zlúčeniny uhlíka (napr. oxid uhličitý), sú autotrofné. Baktérie, ktoré využívajú kyslík ako terminálny akceptor elektrónov, považujeme za aeróbne, a tie, ktoré využívajú iné zlúčeniny (napr. dusičnany, sulfáty a pod.), za anaeróbne. Baktérie využívajúce viacero zdrojov sú fakultatívne. Pri aplikácii obrábania zameraného na odstraňovanie ropných produktov sú z hľadiska biodegradácie významné aeróbne (resp. fakultatívne), ako aj heterotrofné druhy.
Prchavosť cudzorodých látok určených na ošetrovanie je veľmi významná, pretože prchavé zložky majú tendenciu odparovania najmä pri orbe alebo iných operáciách, a to skôr, ako by mohli byť biodegradované baktériami. V závislosti od národných predpisov pre emisie prchavých organických zlúčenín (VOC) sa môže vyžadovať ich kontrola. Tá zahŕňa zachytávanie výparov predtým, ako sa vypustia do ovzdušia. Výpary potom pred samotným odvedením do atmosféry prechádzajú vhodným ošetrením (US EPA, 1994c). Všetka pôda v mieste aplikácie obrábania sa musí riadne udržiavať, aby sa zabránilo problémom s kontamináciou podzemných vôd, povrchových vôd, ovzdušia, ale aj potravinového reťazca. Povinnými súčasťami prevádzky obrábania je , kontrola prašnosti a výluhov, ako aj adekvátny monitoring životného prostredia (NAVFAC, 2010a).
Hoci sú ropné zložky v pôdach okolo podzemných zásobníkov biodegradovateľné, rozklad látok so zložitou molekulárnou štruktúrou je obťažnejší a trvá dlhšie. Preto látky s molekulárnou hmotnosťou nižšou ako deväť atómov uhlíka (ľahké alifatické a jednoduché aromatické zlúčeniny) sú ľahšie rozložiteľné ako látky s vyššou molekulárnou hmotnosťou (ťažké alifatické zlúčeniny, polyaromatické látky) (US EPA, 1994c). Minerálny olej zvyšuje obsah uhlíka v pôde, a tak sa mení jeho pomer k ostatným prvkom (dusík a fosfor). Preto je potrebné vytvoriť rovnováhu na priaznivú mikrobiálnu degradáciu. V praxi sa využívajú rozdielne pomery C : N : P. Aby sa zabezpečila dostupnosť živín, je potrebné dostatočné hnojenie (Alexander, 1999). Postup ošetrovania spočíva v uložení kontaminovaného materiálu do vrstvy okolo 30 cm, v závislosti od použitého technického zariadenia. Na kyprenie sa používa orba pluhom, resp. rôzne kultivačné zariadenia. V priebehu procesu sa upravuje rozsah hodnôt pH, aby bolo v rozmedzí 6 až 8 (Giasi a Morelli, 2003), ideálny rozsah pôdnej vlhkosti je medzi 40 až 85 % (US EPA, 1994c).
Pre obrábanie je typický vplyv podmienok vonkajšieho prostredia, pričom na odkrytú pôdu pôsobia vplyvy dažďa, snehu, vetra a teploty. Zrážková voda dopadajúca na ošetrovanú plochu spôsobuje okrem zvýšenia pôdnej vlhkosti aj pôdnu eróziu. Počas zvýšených úhrnov zrážok sa môže vlhkosť pôdy zvýšiť na vyššiu úroveň, ako je potrebné na efektívnu činnosť baktérií. Rovnaký problém predstavuje aj sucho (dodanie vlhkosti do pôdy je možné zavlažovaním). Erózia pôdy môže nastať predovšetkým počas veterného obdobia. Veterná erózia sa môže zmierniť orbou do riadkov, ako aj zvlhčovaním (zavlažovaním) ošetrovanej pôdy. Vo veľmi chladnom podnebí sa môžu prijať osobitné opatrenia (uzatvorenie do skleníkovej konštrukcie), alebo sa zavádzajú špeciálne psychrofilné baktérie, ktoré sú schopné činnosti pri nízkej teplote. V teplých oblastiach je možné obrábanie prevádzkovať celoročne (US EPA, 1994c).
Výhody a limitácie
Za výhody obrábania sa všeobecne považujú (Reis et al., 2008):
• relatívne jednoduchý dizajn a implementácia návrhu ošetrovania,
• krátky čas na ošetrenie (za optimálnych podmienok zvyčajne 6 mesiacov až 2 roky),
• pomerne nízke náklady,
• efektivita v prípade organických látok so zdĺhavou biodegradáciou.
Faktory limitujúce použiteľnosť a efektívnosť obrábania (FRTR, 2008):
• vyžaduje sa pomerne veľká plocha,
• podmienky ovplyvňujúce biologickú degradáciu kontaminantov (napr. teplota, dážď) sú z veľkej časti nekontrolované, čo zvyšuje čas na dokončenie sanácie,
• anorganické kontaminanty nie sú biologicky rozložiteľné,
• prchavé znečisťujúce látky (napr. rozpúšťadlá) sa musia predbežne ošetrovať, pretože by sa mohli vyparovať do ovzdušia a spôsobiť tak jeho znečistenie,
• dôležitým faktorom je kontrola prašnosti, a to najmä pri obrábaní a ďalších operáciách pri manipulácii s materiálom,
• musia sa vytvoriť odtokové zberné zariadenia a tie následne monitorovať,
• topografické, erózne, klimatické pomery, ako aj pôdna stratigrafia a priepustnosť pôdy v mieste určenia sa musia hodnotiť s cieľom určiť optimálny návrh systému,
• niektoré odpadové látky sa nemôžu aplikovať na pôdu ošetrovanú obrábaním (napr. niektoré ropné kaly).
Trvanie čistenia a účinnosť
Faktory, ktoré významne ovplyvňujú účinnosť metódy, sú detailnejšie rozobrané v predchádzajúcej časti. Účinnosť vo všeobecnosti závisí od viacerých parametrov – od vlastností pôdy a materiálov, ktoré sa čistia, charakteristiky kontaminantov a vonkajších (klimatických) podmienok (najmä teploty). Typický čas čistenia v prípade zemín sa pohybuje v rozmedzí 6 – 12 mesiacov, pri kaloch 12 – 18 mesiacov. Pokiaľ sú v zeminách ťažko biologicky rozložiteľné znečisťujúce látky, môže sanácia trvať až 3 roky (Matějů et al., 2006).
Vykonávanie biosanácie prostredníctvom obrábania je jednoduché a v porovnaní s inými technológiami spracovania z hľadiska nákladov efektívne (Pearce a Ollerman, 1998). Náklady spojené s dekontamináciou pôd zaťažených ropnými látkami pri použití obrábania sú v priemere nižšie v porovnaní s inými fyzikálnymi metódami (napr. s ventingom) (Marijke a van Vlerken, 1998). V dôsledku nákladov spojených s ťažbou a transportom kontaminovanej pôdy však technológia obrábania in situ predstavuje vo všeobecnosti 40 – 50 % nákladov obrábania ex situ (SCG, 2004).
© 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