Sanace zeminy a podzemní vody biodegradací v uspořádání in-situ

In-situ bioremediace může probíhat ve dvou principiálně odlišných uspořádáních - přirozeném a technicky urychleném. O přirozené bioremediaci hovoříme v případě, kdy intenzita činnosti přirozených mikroorganismů je dostatečně velká, aby bylo zabráněno migraci kontaminujících látek z jejich zdroje. V rámci tohoto uspořádání nejsou tedy do kontaminované zeminy přiváděny ani mikroorganismy ani živiny a jedná se tedy o samovolný proces. Technicky urychlené systémy do kontaminovaného prostoru zavádějí a cirkulují akceptory elektronů (jako například kyslík), živiny (jako například dusík) a další substance tak, aby došlo k urychlení růstu mikroorganismů schopných degradovat kontaminující látky .

V rámci technicky urychlené in-situ bioremediace je do kontaminovaného horninového prostředí zaváděn kyslík prostřednictvím vzduchu nebo ve formě peroxidu vodíku a déle jsou do kontaminovaného prostoru přiváděny živiny. Tímto způsobem dochází k urychlení růstu aerobních mikroorganismů schopných degradovat například ropné uhlovodíky. Systém ukázáný na Obr. 8.3.2. představuje pouze jedno z mnoha možných uspořádání - v tomto případě použité pro čištění saturované i nesaturované zóny. Pro dočištění podzemní vody byla instalována stripovací věž a vyčištěná voda je vsakována zpět zeminy. Dalším možným uspořádáním (cíleným pouze na nesaturovanou zónu) je například bioventing (viz kapitola 8.1), v jehož rámci je kyslík do zeminy zaváděn prostřednictvím vakuových čerpadel, zatímco živiny mohou být zasakovány stejně jako na Obr. 8.3.2.

 

Obr. 8.3.2: Bioremediace in-situ

Příprava in situ bioremediace

Obvyklý postup přípravy in-situ bioremediačního projektu spočívá v současné době (nejenom v České republice) pouze ve zjištění zdali mikroorganismy vyskytující se na dané lokalitě nebo na danou lokalitu přivedené vykazují schopnost metabolizovat přítomné kontaminanty v případě, kdy jsou přeneseny do laboratorních podmínek. Tento způsob předprovozního zkoušení je nedostatečný, a to ze dvou důvodů - jednak není možné určit vliv specifických reálných podmínek na mikrobiální aktivitu (mikrobiální organismy přenesené zpravidla do příznivějších laboratorních podmínek se nechovají vždy stejně jako v neporušené zemině) a dále není možné touto cestou určit míru poklesu koncentrace kontaminantů v důsledků jiných, fyzikálně chemických dějů (například vytěkání do okolí). Nezávislí odborníci se většinou shodují v názoru, že rozumná aplikace techniky bioremediace může být provedena na základě tří typů údajů:

1. průkazně zjištěného úbytku kontaminantů, ke kterému dochází v důsledku jiných než bioremediačních procesů

2. průkazných laboratorních zkoušek potvrzujících schopnost mikroorganismů transformovat za předpokládaných místních podmínek dané kontaminanty

3. minimálně jedné poloprovozní zkoušky potvrzující možnost komerční aplikace

První typ výše zmíněného průkazného zjištění ukazujícího ne-biodegradační pokles kontaminantů vychází ze standardního vzorkování podzemní vody a zeminy, které je prováděno po dostatečně dlouhou dobu. Druhý typ průkazného zjišťování vyžaduje přenesení mikroorganismů do laboratoře a simulaci příslušných biotransformačních procesů za kontrolovaných podmínek v laboratorním zařízení. Tato laboratorní studie nemusí být nezbytná v případě, kdy je z minulosti známo, že daný typ mikroorganismů je schopen za předpokládaných reálných podmínek degradovat daný kontaminant. Třetí typ průkazného zjištění - poloprovozní nebo provozní zkouška - může být uskutečněn s pomocí technik, jejichž příklady jsou uvedeny v tabulce. Tento třetí typ průkazu je nejhůře realizovatelný, ale jeho význam je na druhé straně zásadní, neboť představuje spojení mezi laboratorními poznatky a praktickými potřebami.

Tabulka 8.3.1: Techniky umožňující průkazné ověření úspěšnosti (respektive použitelnosti) in-situ bioremediačního procesu v rámci poloprovozní nebo provozní zkoušky

Laboratorní měření prováděná na vzorcích odebraných z kontaminované lokality
Technika	Účel	Měřící metoda
Počet bakterií	Zjistit jestli počet bakterií degradujících kontaminanty v daných podmínkách vzrůstá	Běžná kultivační stanovení celkového počtu mikroorganismů
Rychlosti bakteriální aktivity	Odhadnout potenciální rychlosti, při nichž použité bakterie dokáží degradovat kontaminant	Určení rychlosti úbytku kontaminantu a dalších relevantních parametrů biodegradace v laboratorně udržovaných reálných vzorcích
Bakteriální adaptace	Posoudit jestli bakterie z kontaminované lokality dokáží metabolizovat kontaminant rychleji než před zahájením bioremediace	Studie mikrokosmu před a po zahájení bioremediace nebo s použitím vzorků z bioremediační  zóny a kontaminovaných oblastí mimo bioremediační zónu, analýza změn v genetické výbavě bakterií
Koncentrace anorganického uhlíku	Určit jestli koncentrace anorganického uhlíku ve vzorcích zeminy vzrůstá, což indikuje případnou přeměnu kontaminujících látek na anorganický uhlík	Plynová chromatografie pro určení plynného oxidu uhličitého, analýza anorganického uhlíku pro zjištění  distribuce forem rozpustných ve vodě
Poměr zastoupení izotopů uhlíku	Posoudit jestli anorganický uhlík v daném místě pochází z biodegradace kontaminantů	Měření poměru C13/C12 s pomocí hmotového spektrometru
Koncentrace elektronových akceptorů	Zjistit pokles koncentrace kyslíku nebo jiných elektronových akceptorů v průběhu biodegradace	Standardní analytické postupy z oblasti analýzy vod
Vedlejší produkty anaerobní aktivity	V prostředí zbaveném kyslíku zjistit jestli dochází k akumulaci  vedlejších produktů anaerobního metabolismu, jako například methanu, sulfidů, redukovaných forem kovů a dusíku	Standardní metody chemické analýzy
Tvorba meziproduktů metabolických procesů	Určit přítomnost metabolických  meziproduktů charakteristických pro biodegradaci určitého kontaminantu	Plynová chromatografie, kapalinová chromatografie a hmotnostní spektrometrie
Poměr mezi nedegradovatelnými a  degradovatelnými složkami	Analyzovat jestli poměr mezi nedegradovatelnými a degradovatelnými složkami kontaminantu vzrůstá	Standardní metody analytické chemie
Měření prováděná přímo na kontaminované lokalitě
Technika	Účel	Měřící metoda
Stimulace růstu bakterií  v rámci části kontaminované lokality	Zjistit jestli rychlost úbytku kontaminantu vzrůstá poté co je na části lokality provedeno přidání látek stimulujících růst	Srovnání charakteristik stimulovaného a srovnávacího místa
Měření rychlosti spotřeby elektronového akceptoru	Odhadnout rychlost spotřeby kyslíku nebo jiného elektronového akceptoru nezbytného pro degradaci kontaminantu	Např. použití automatické kyslíkové sondy
Monitorování nebiodegradovatelné stopovací látky	Odlišit úbytek kontaminantu způsobený jinými než bioremediačními postupy	Srovnání rychlosti úbytku kontaminantu v důsledku bioremediačních a jiných dějů
Značkovací kontaminanty	Určení rychlosti úbytku uhlíku obsaženého v organickém kontaminantu	Monitorování modifikovaného kontaminantu obsahujícího izotop C13
Matematické simulace
Technika	Účel	Měřící metoda
Modelování abiotického hmotnostního úbytku kontaminantu	Zjistit jestli abiotické mechanismy (například rozpouštění, transport, vypařování) mohou vysvětlit veškerý úbytek kontaminantu	Použití matematických modelů vystihujících jednotlivé abiotické mechanismy a srovnání takto získaných výsledků se skutečně zjištěným úbytkem kontaminantu
Přímé modelování	Odhadnout rychlost biodegradace	Použití matematických modelů přímo umožňujících získat odhad rychlosti biodegradace daného kontaminantu a srovnání odhadu se skutečně získanými výsledky

Sanace zeminy a podzemní vody biodegradací v uspořádání ex-situ

Ex-situ bioremediace spočívá ve vytěžení kontaminovaného materiálu a v jeho následném zpracování některým z biodegradačních postupů. Při širším náhledu můžeme mezi tyto postupy rovněž zařadit kompostování, řízené biologické ošetření tuhé fáze, zemědělské zpracování (landfarming), biologické ošetření suspenze tuhé fáze a další postupy. Základní nevýhodou tohoto postupu je právě výše zmíněné odtěžení a případně také transport materiálu na místo sanace. Základní výhodou ex-situ uspořádání je potom (obdobně jako například u fyzikálních postupů) možnost provést sanaci za lépe kontrolovatelných podmínek. Ex-situ bioremediace se tedy zpravidla provádí na speciálně upraveném místě, kterým může být například dobře utěsněná a proti průsakům chráněná sanační plocha nebo jiné technické zařízení. Ex-situ bioremediaci ve většině případů předchází předúprava kontaminovaného materiálu, která významným způsobem zvyšuje účinnost procesu. Nejjednodušším způsobem předúpravy bývá mechanické zpracování, které již v začátku sanačního procesu může výrazně snížit objem materiálu pro další zpracování (odstraněním té složky materiálu, která není kontaminací zasažena). Následně po mechanické předúpravě může být provedena předúprava chemická, která spočívá v přidání nebo přimíchání specifických chemických látek do kontaminovaného materiálu. V případě, že kontaminovaná zemina má výrazný podíl jílové složky, je možné její strukturu vylehčit přídavkem organických materiálů, např. pilin, dřevěných štěpků, apod. Zemina je vrstvena do výše max 50-70 cm v případě absence systému aerace nebo do výše 150-200 cm v případě použití systému aerace vrstvy zeminy. Po úpravě zeminy je případně provedena inokulace rozstřikem nebo vmícháním bakteriální suspenze z bioreaktoru. Dodávka kyslíku je zajištěna obracením, přesýpáním, orbou, kypřením či nucenou aerací půdy. V průběhu degradační procesu je udržována optimální vlhkost zeminy a případně provedena redistribuce živin.

Obr. 8.3.3.: Ex-situ bioremediace

Ve vyspělých zemích světa je ex-situ bioremediace poměrně často používaným postupem. Důvodem je zejména skutečnost, že v řadě případů by in-situ systém nevedl v reálném čase k požadovaným výsledkům a je-li tedy potřeba sanovat dostatečně silná zbývá často ex-situ uspořádání jako nejvhodnější varianta. V České republice je dosud používání ex-situ systémů poměrně omezené, a to zejména kvůli relativně nízkým nákladům na skládkování kontaminovaných materiálů, kterým při čistě ekonomickém pohledu nemůže ex-situ postup zpravidla konkurovat.