Ošetrovanie pevných materiálov po vyťažení na dekontaminačnej ploche
Princíp
Pri biologickom ošetrovaní a čistení zemín/pevných materiálov na dekontaminačnej ploche sa využíva schopnosť mikroorganizmov degradovať alebo transformovať znečisťujúce látky (najmä organické) na menej toxické látky, prípadne na úplne bezpečné produkty rozkladu. Biologické metódy zahŕňajú najmä proces mineralizácie organických látok (rozklad až na CO2 a vodu), transformáciu znečisťujúcich látok na menej toxické formy alebo ich mobilizáciu (fixáciu a akumuláciu). Na degradačné alebo transformačné procesy pri organickom znečistení sa často môže využiť aktivita prítomných mikroorganizmov vo vlastnom znečistenom médiu (autochtónne mikroorganizmy), pričom ich aktivita sa často stimuluje pomocou optimalizácie podmienok v systéme. V niektorých prípadoch sa aplikujú špeciálne druhy alochtónnych mikroorganizmov, ktoré sa do ošetrovaného materiálu vnášajú (Evans a Furlong, 2003).
Použiteľnosť
Postup sa používa najmä na čistenie pevných materiálov kontaminovaných organickými znečisťujúcimi látkami, ako sú ropné uhľovodíky, polycyklické aromatické uhľovodíky (PAU), fenoly, mastné kyseliny, alkoholy a iné. Podobne je možné na dekontaminačnej ploche ošetrovať materiály obsahujúce chlórované rozpúšťadlá a výbušniny (napr. hexahydro-l,3,5-trinitro-1,3,5-triazin, 2,4,6-trinitrotoluén). Pre celkový obsah znečisťujúcich látok v kontaminovanej pôde/pevnom materiáli všeobecne platí, že koncentrácia znečisťujúcej látky v materiáli nesmie pôsobiť inhibične na mikroorganizmy, ktoré sa podieľajú na degradačných procesoch (Matějů et al., 2006). Potrebné informácie poskytujú vhodne navrhnuté laboratórne experimenty, ktoré často predpovedajú efektivitu navrhnutého spôsobu ošetrovania kontaminovanej zeminy/pevného materiálu.
Základná charakteristika
Využívanie biologických metód ako účinnej technológie na čistenie a ošetrovanie kontaminovanej zeminy (pevných materiálov) sa začalo už v 80. rokoch minulého storočia (Klein, 2002). Rozsiahly výskum a vývoj metód spolu s praktickou aplikáciou a verifikovaním účinnosti umožnili rozvoj a samotné rozšírenie použitia biologických metód na čistenie pevných materiálov kontaminovaných najmä organickými znečisťujúcimi látkami. V súčasnosti tieto biologické metódy ex situ ošetrovania pevných materiálov a zemín patria medzi rešpektované, efektívne a zároveň ekonomicky výhodné metódy.
Kontaminované zeminy, ako aj ostatné pevné materiály, zvyčajne obsahujú vysoký podiel rozličných druhov mikroorganizmov (baktérie, huby, aktinomycéty a i.), pričom na degradácii organického znečistenia sa podieľajú najmä baktérie. Biologické ošetrovanie kontaminovaných zemín ex situ sa realizuje tak, aby sa zabezpečili optimálne podmienky na činnosť prítomných mikroorganizmov (autochtónnych aj alochtónnych). Vlastné riadenie procesu musí zabezpečiť optimálne podmienky na nelimitovaný priebeh biologického rozkladu. Zabezpečuje sa to napríklad dodávaním minerálnych živín, reguláciou vlhkosti, zvyšovaním biologickej dostupnosti znečisťujúcich látok, zmenou redoxných podmienok a podobne (Matějů et al., 2006).
Vlastná technológia ošetrovania zemín a pevných materiálov môže prebiehať rôznymi spôsobmi a rôznymi metódami. Všetky spôsoby riešenia sú však založené na princípe nevyhnutného zabezpečenia optimálnych podmienok priebehu biologickej degradácie a odbúravania kontaminácie pre prítomné mikroorganizmy. Kontaminovaný materiál sa ošetruje dvoma spôsobmi:
• staticky, pri ktorom sa hromady kontaminovaných materiálov vlhčia a dotujú roztokmi minerálnych živín a kyslíkom vháňaným vzduchom (statický bioventing),
• dynamicky, keď sa materiál na dekontaminačnej ploche mechanicky prehadzuje a homogenizuje vhodnými mechanizmami za súčasnej úpravy technologických a kvalitatívnych parametrov (úprava pH, zaočkovanie mikroorganizmami, dodávka minerálnych živín, zvlhčovanie, prevzdušňovanie, odľahčovanie celulózovými materiálmi a podobne).
Dynamický spôsob ošetrovania pôd na dekontaminačnej ploche sa všeobecne hodnotí ako vhodnejší, pretože vytvára predpoklady na lepšiu homogenitu ošetrovaných pevných materiálov (Chino et al., 2001). Priebežné mechanické prehadzovanie a premiešavanie spôsobuje na jednej strane prevzdušňovanie ošetrovaného materiálu, čím sa zvyšuje jeho homogenita, na druhej strane sa ľahšie upravujú potrebné technologické parametre. Tento mechanický systém prehadzovania materiálu nevyžaduje budovanie rozvodov a zariadení na čerpanie a vháňanie roztokov živín, vzduchu a vody, môže pracovať s väčšou kapacitou ošetrovanej hromady materiálu a nemá také nároky na zabezpečenú plochu, a teda má nižšie prevádzkové náklady. Na mechanické manipulácie s kontaminovanými pevnými materiálmi je možné využiť dostupnú viacúčelovú mechanizáciu (nakladače, pásové dopravníky, bagre a i.), ktorú môže prevádzkovateľ využívať aj na iné aktivity. Aj to významne znižuje prevádzkové náklady.
Vo väčšine prípadov sa materiály na dekontaminačnej ploche ošetrujú za aeróbnych podmienok a kyslík sa do masy kontaminovaných pevných materiálov dostáva v procese mechanického prevzdušňovania. Pri statickom usporiadaní danej metódy sa vzduch do materiálu vtláča, resp. z neho odoberá pomocou inštalovaného systému vertikálnych a horizontálnych perforovaných rúr (nastavenie systému perforácie závisí od požiadaviek na rýchlosť vháňaného vzduchu). Pri dynamickom spôsobe prebieha prevzdušňovanie pomocou mechanizmov pri prehadzovaní kontaminovaného materiálu. Schéma možného usporiadania systému pri ošetrovaní pevných materiálov ex situ je uvedená na obr. 4.1.21.
Obr. 4.1.21. Schéma možného usporiadania systému pri ošetrovaní pevných materiálov ex situ.
Vysvetlivky: 1 –pórovitý materiál, 2 – nepriepustná membrána, 3 – prevzdušňovací systém, 4 – drenážny kanál, 5 – separátor voda/vzduch, 6 – pumpa, 7 – kompresor, 8 – pumpa, 9 – čistička vôd, 10 – vyčistená voda, 11 – pôda, 12 – zberač vody, 13 –prekrytie, 14 – zavlažovací systém, 15 – zásobník vody, 16 – obslužné zariadenie.
Iná situácia nastáva v prípade, ak typ znečistenia a spôsob ošetrovania kontaminovaných pevných látok vyžaduje anaeróbne podmienky (napríklad dekontaminácia materiálov obsahujúcich perchlóretylén – PCE alebo trinitrotoluén – TNT). V tomto prípade je potrebné ošetrovaný materiál obohatiť o heterotrofný substrát. To zvyčajne predstavuje premiešanie s hnojom alebo kompostom. Súčasne je potrebné realizovať úpravu súvisiacich technologických parametrov (zabezpečenie vhodného obsahu živín, vlhkosti, pH, mikrobiálnych druhov a podobne). Mineralizácia prídavného organického materiálu prítomnými mikroorganizmami spôsobuje spotrebovanie kyslíka v ošetrovanom materiáli a následný dekontaminačný proces prebieha už v anaeróbnom prostredí.
Úprava ošetrovaného pevného materiálu na dekontaminačnej ploche vo forme hromád (základok) sa prispôsobuje navrhnutému spôsobu realizácie dekontaminácie (statická, dynamická) a parametrom vlastnej dekontaminačnej plochy. Výška základok zvyčajne nepresahuje 3 m. V prípade mechanického prehadzovania materiálov je možné pracovať aj s vyššími hromadami, podľa možností dostupnej mechanizácie. Dôležitým parametrom, ktorý limituje vlastnú efektivitu metódy, je dostatočná priepustnosť materiálu a jeho homogenita, v prípade aeróbnej metódy aj dostatočný prísun kyslíka (FRTR, 2008).
Príprava znečistených zemín na biologické ošetrovanie na dekontaminačnej ploche zahŕňa (Matějů et al., 2006):
• prídavok hnojov (kompostov) na zvýšenie počtu prítomných mikrobiálnych druhov a zvyšovanie obsahu živín,
• prídavok inertných, prípadne pomocných materiálov na zlepšenie textúry, pórovitosti a priepustnosti ošetrovanej pôdy/pevného materiálu (napr. celulózové materiály, piliny, slama),
• prídavok chemikálií na úpravu hodnôt pH v dekontaminačnom prostredí.
Dôležitou súčasťou úpravy ošetrovaného materiálu v úvodnej fáze dekontaminácie je mechanické odstránenie veľkých kusov heterogénnych materiálov rôznej povahy (skaly, drevo, plasty, železo). Uvedené veľkorozmerné kusy je možné na dekontaminačnej ploche čiastočne upraviť mletím (drvením) na jemnejšie frakcie a potom použiť v procese dekontaminácie.
Ošetrovanie pôd a pevných materiálov na dekontaminačnej ploche by malo byť riadený proces – to znamená, že by sa mali zaistiť optimálne podmienky na nelimitovaný priebeh biologickej degradácie prítomného cieľového znečistenia. Každý proces biologického ošetrovania ex situ má vlastné technologické charakteristiky, ktoré sú dané vlastnosťami mikroorganizmov využívaných na degradáciu znečisťujúcich látok a spôsobom biologického ošetrovania (Matějů et al., 2006).
Cieľom biologického ošetrovania zemín/pevných materiálov na dekontaminačnej ploche môže byť aj transformácia a imobilizácia znečistenia, ako napríklad imobilizácia pesticídov v pôdach enzymatickými a abiotickými reakciami, pričom vznikajú kovalentné väzby medzi xenobiotikami a prirodzenými humínovými látkami. Dôležitú úlohu tu opäť zohrávajú mikroorganizmy, ktoré napomáhajú biologickej transformácii xenobiotík a následne vznikajú ich reaktívnejšie formy. Vznikajúce komplexné zlúčeniny sú často veľmi stále a nepodliehajú ďalšej mikrobiálnej degradácii, resp. biotransformácii. Často sú odolné proti alkalickej a kyslej hydrolýze, prípadne odolávajú zvýšenej teplote. Týmto spôsobom – imobilizáciou a fixáciou – sa výrazne znižujú riziká spájané s prítomnosťou xenobiotík v ošetrovaných materiáloch. Podobné metódy sú založené na vzniku oxidačných väzieb medzi humínovými kyselinami a antropogénnymi látkami, pričom tieto väzby sa opäť vyznačujú stabilitou (Matějů et al., 2006).
Výhody a limitácie
Vo všeobecnosti ide o ekonomicky výhodnú a účinnú biologickú metódu ošetrovania a čistenia pôd a iných pevných materiálov na dekontaminačnej ploche (stavebné konštrukcie, tehly, betón, stavebný odpad, kaly). Mechanický systém prehadzovania materiálu nevyžaduje budovanie rozvodov a zariadení na čerpanie a vháňanie roztokov živín, vzduchu a vody, môže pracovať s väčšou kapacitou ošetrovanej hromady materiálu a nemá také nároky na zabezpečenú plochu, a teda vyžaduje nižšie prevádzkové náklady (Matějů et al., 2006).
Nevýhody a limitácie ošetrovania pevných materiálov po vyťažení na dekontaminačnej ploche sú nasledovné:
• prítomnosť inhibujúcich faktorov v ošetrovanom kontaminovanom médiu,
• zlá biologická degradovateľnosť a bioprístupnosť kontaminujúcich zložiek,
• následné použitie zemín a pevných materiálov po ich ošetrení závisí od dosiahnutej efektivity čistenia a výslednej koncentrácie cieľovej znečisťujúcej látky vo vyčistenom materiáli (nie vždy je možné za ekonomicky prijateľných podmienok dosiahnuť také zníženie obsahu znečisťujúcich látok v materiáloch, aby bolo možné ich opätovné voľné použitie, prípadne uloženie mimo skládok a dekontaminačných plôch),
• vysoké prevádzkové náklady na vybudovanie zabezpečenej dekontaminačnej plochy,
• vysoké náklady na zemné práce spojené s vyťažením zeminy/pevného materiálu a na dopravu týchto materiálov na miesto dekontaminácie ex situ.
Trvanie čistenia a účinnosť
Potrebný čas na dosiahnutie určitého stupňa biologického vyčistenia zeminy/pevného materiálu vždy závisí od vlastností ošetrovaného materiálu, od fyzikálno-chemických vlastností kontaminovaného prostredia, od vstupnej koncentrácie znečisťujúcich látok a od požadovaného stupňa ošetrenia a vyčistenia. Napríklad zeminy znečistené ľahšími ropnými uhľovodíkmi pri celkovej koncentrácii ropných uhľovodíkov do 3 000 mg . kg–1 je možné biologicky vyčistiť (resp. dosiahnuť zníženie koncentrácie ropných uhľovodíkov na menej ako 7 – 50 mg . kg–1) zhruba za 5 mesiacov. S narastajúcou vstupnou koncentráciou ropných znečisťujúcich látok a ich zvyšujúcou sa molekulovou hmotnosťou sa zvyšuje aj čas čistenia na podobnú koncentračnú hladinu (až na viac ako 2 roky). Predĺženie trvania sanácie (biologického ošetrovania) významne zvyšuje jej prevádzkové náklady (Matějů et al., 2006).
© 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