Technologie rekultywacji gleb
zanieczyszczonych
Metody biologiczne rekultywacji
Rekultywacja gleb
zanieczyszczonych
Technologie rekultywacji gleb
zanieczyszczonych
Metody biologiczne rekultywacji
Rekultywacja gleb
zanieczyszczonych
Biologiczne metody rekultywacji
gleb zanieczyszczonych
Biologiczne metody rekultywacji gleb
zanieczyszczonych opierają się na
aktywności organizmów żywych –
mikroorganizmów glebowych i roślin
wyższych, które mają zdolność do
degradacji,
immobilizacji
lub
akumulacji zanieczyszczeń.
Biologiczne metody rekultywacji
gleb zanieczyszczonych
Rozróżniamy
dwa
główne
rodzaje
biologicznych metod rekultywacji:
• Metody bioremediacyjne
• Metody fitomeliracyjne
Ponadto wyróżnić można kilka innych
metod takich jak bioremediacja w
rizosferze i rizofiltracja.
Biologiczne metody rekultywacji
gleb zanieczyszczonych
Metody
bioremediacyjne
oparte
są
na
aktywności mikroorganizmów. Stosowane są
głównie
do
oczyszczania
gleb
zanieczyszczonych związkami organicznymi.
Metody fitomelioracyjne wykorzystują rośliny
wyższe do degradacji i usuwania z gleb
zanieczyszczeń
organicznych
i
nieorganicznych. Najczęściej stosowanymi
metodami
są
fitostabilizacja
oraz
fitoekstrakcja.
Biologiczne metody rekultywacji
gleb zanieczyszczonych
Bioremediacja w rizosferze opiera się na
podobnych
zasadach
jak
inne
metody
bioremediacyjne.
Określana
jest
niekiedy
również jako rizodegradacja lub bioremediacja
wspomagana. W bioremediacji w rizosferze
procesy remediacyjne zachodzą w w strefie
korzenienia się roślin. Zadaniem roślin jest:
• Wspomaganie
mikroorganizmów
(poprawa
warunków życia mikroorganizmów glebowych)
• Zapobieganie
erozji
oraz
migracji
zanieczyszczeń z oczyszczanego terenu
Biologiczne metody rekultywacji
gleb zanieczyszczonych
Rizofiltracja polega na wykorzystaniu
roślin
mikoryzujacych
do
wychwytywania
zanieczyszczeń.
Stosowana jest głównie do oczyszczania
wód.
Biologiczne metody rekultywacji
gleb zanieczyszczonych
Zalety
metod
biologicznych
to
przede
wszystkim szeroki zakres stosowalności,
wysoka efektywność i niskie koszty.
Ograniczenia
metod
biologicznych
to
stosowalność jedynie do ograniczonego
zakresu
stężeń
substancji
zanieczyszczających (nie mogą przekraczać
poziomu tolerowanego przez rośliny
mikroorganizmy
glebowe),
zależność
efektywności
od
biodostępności
zanieczyszczeń oraz długi czas potrzebny do
osiągnięcia zamierzonego efektu.
Kompostowanie
Kompostowanie jest metodą remediacji
stosowaną ex situ.
Kompostowanie polega na wydobyciu
zanieczyszczonej
gleby
i
zmagazynowaniu
jej
w
pryzmach
kompostowych lub rozmieszczeniu na
większej
powierzchni
celem
przyspieszenia
procesu
degradacji
zanieczyszczeń.
Kompostowanie
Metoda pozwala na usunięcie z gleby
niektórych związków organicznych takich
jak substancje ropopochodne oraz niektóre
związki halogenoorganiczne.
Proces
degradacji
zanieczyszczeń
jest
prowadzony
przez
mikroorganizmy
tlenowe (aerobowe), które mineralizują
związkiorganiczne do prostych związków
nieorganicznych bądź też przeprowadzają
je w formy nieszkodliwe.
Schemat kompostowania
Warstwa izolująca
(beton lub inny
materiał)
Przewody wentylacyjne
Podłoże i przykrycie ze
zrębków drewna
Zbieranie
odcieków
Bela siana
Gleba w
pryźmie
Kompostowanie
Zalety kompostowania:
• Metoda nieskomplikowana i relatywnie
tania.
• Możliwość
całkowitego
usunięcia
niektórych związków.
• Znana i dopracowana technologia .
Kompostowanie
Wady kompostowania:
• Nieefektywna
wobec
niektórych
zanieczyszczeń.
• Nieskuteczna
w
glebach
bardzo
zanieczyszczonych.
• Wymaga dużych powierzchni.
• Długi czas trwania procesu.
• Konieczność zbierania i kontrolowania
odcieków.
• Inwazyjna w stosunku do środowiska
(konieczność przemieszczenia gleby).
• Ograniczone
zastosowanie
do
zanieczyszczeń nieorganicznych
Reaktory i filtry biologiczne
Metoda
filtrów
lub
reaktorów
biologicznych
polega
na
wykorzystaniu do oczyszczania
gleby
aktywności
mikroorganizmów.
Proces
oczyszczania
zachodzi
w
specjalnych
instalacjach
do
których
przenosi
się
glebę
(metoda ex situ).
Reaktory i filtry biologiczne
Gleba jest mieszana z woda i w
formie zawiesiny przenoszona do
komory reakcyjnej.
W komorze reakcyjnej w wyniku
działania wyselekcjonowanych
grup mikroorganizmów następuje
proces oczyszczania w wyniku ich
sorpcji lub przekształcenia.
Reaktory i filtry biologiczne
Przekształcenie związków organicznych
polega na ich całkowitej lub częściowej
degradacji natomiast w przypadku
związków nieorganicznych na ich
wytrąceniu (redukcja lub skompleksowanie
w formie trudno rozpuszczalnych soli).
Proces oczyszczania może być
wielostopniowy i prowadzić do całkowitego
usunięcia zanieczyszczeń.
Po oczyszczeniu i osuszeniu gleba jest
zwracana na miejsce pobrania.
Reaktory i filtry biologiczne
Zalety:
• Wysoka efektywność i stosunkowo
szybka remediacja (najszybsza metoda
biologiczna).
• Zastosowanie do szerokiej gamy
zanieczyszczeń organicznych i
nieorganicznych.
• Gleba oczyszczona ta techniką nie
traci swych właściwości i może być
zwrócona do miejsca pierwotnego
występowania.
Reaktory i filtry biologiczne
Wady:
• Konieczność budowy specjalnych instalacji.
• Stosunkowo duża inwazyjność w stosunku
do środowiska (metoda ex situ!).
• Generowanie dużej ilości odpadów stałych,
półpłynnych i ciekłych).
• Znaczne uzależnienie parametrów
procesowych od właściwości gleby, a co za
tym idzie skomplikowana kontrola
procesu).
• Dość wysokie koszty.
Bioremediacja
Bioremediacja jest metodą in situ oparta
na
aktywności
mikroorganizmów
wykorzystujących związki organiczne
jako
substraty
w
procesach
energetycznych lub przekształcających
je
w
substancje
niezbędne
do
prawidłowego funkcjonowania.
Stosowana jest głównie do oczyszczania
gleb
zanieczyszczonych
związkami
organicznymi, choc podejmowane są
próby jej wykorzystania do oczyszczania
gleb skażonych metalami ciężkimi.
Bioremediacja
W
procesie
bioremediacji
wykorzystywane
być
mogą
mikroorganizmy rodzime oczyszczanej
gleby lub wyspecjalizowane szczepy
mikroorganizmów egzogennych, które
nie
występują
naturalnie
w
oczyszczanej glebie lecz są do niej
wprowadzane w formie specjalnych
preparatów mikrobiologicznych.
Bioremediacja
Preparaty
egzogenicznych
mikroorganizmów stosowane są dla
niektórych
trudno
degradowalnych
zanieczyszczeń organicznych w sytuacji
kiedy do ich rozkładu niezbędne jest
wykształcenie
specjalnych
szlaków
metabolicznych.
Ograniczeniem w przypadku tych metod
jest
konkurencja
ze
strony
mikroorganizmów
rodzimych
oraz
specyficzne wymagania środowiskowe
wprowadzanych mikrobów.
Bioremediacja
W
przypadku
bioremediacji
wykorzystującej
mikroorganizmy
rodzime
podejmuje
się
niekiedy
dodatkowe
działania
inżynierskie,
odpowiednie nawożenie, zwiększenie
uwilgotnienia i natlenienia gleby w celu
podniesienia efektywności procesu.
Szczególnie
ważne
dla
zwiększenia
efektywności procesu jest dostarczenie
składników odżywczych oraz tlenu.
Bioremediacja gleb skażonych
metalami ciężkimi
Stosowane
są
szczepy
mikroorganizmów
charakteryzujące
się
dobrą
zdolnością
namnażania nawet w niekorzystnych warunkach
środowiskowych. Zastosowanie mają również
mieszane
populacje
drobnoustrojów.
Do
mikroorganizmów, dzięki którym możliwe jest
usuwanie metali z terenów skażonych, zalicza się:
- bakterie,
- drożdże,
- promieniowce,
- pleśnie,
- grzyby (bez kapeluszowych),
- glony (bez plechowych).
Bioremediacja gleb skażonych
metalami ciężkimi
Usuwanie
metali
ciężkich
przez
mikroorganizmy
wynika
z
mechanizmów:
• powierzchniowego
wiązania
metali
przez
reaktywne
polimery
i
makrocząsteczki
występujące
w
osłonach komórkowych.
• wewnątrzkomórkowego
wiązania
metali.
Bioremediacja gleb skażonych
metalami ciężkimi
Powierzchniowe wiązanie metali zależy głównie
od składu chemicznego osłon, a w szczególności
od:
- rodzaju i liczebności dostępnych ligandów,
- ich rozmieszczenia przestrzennego,
- powinowactwa chemicznego do metalu.
Tworzenie trwałych kompleksów to jeden z
mechanizmów zewnątrzkomórkowego wiązania
metali. Ujemnie naładowane grupy: karboksylowa
i hydroksylowa oraz posiadająca wolną parę
elektronową grupa aminowa, łatwo tworzą
kompleksy z elektrododatnimi jonami metali.
Bioremediacja gleb skażonych
metalami ciężkimi
Zewnątrzkomórkowe wiązanie metali
ciężkich
Ważną rolę w powierzchniowym wiązaniu
metali pełnią otoczki i warstwy śluzowe.
Większość z nich składa się z polimerów
obojętnych
cukrów,
kwasów
(uronowego, pirogronowego, octowego)
oraz
polipeptydów.
Nadają
one
egzopolimerom
anionowy
charakter
wynikający
z
przewagi
grup
elektroujemnych i pozwala na wiązanie
znacznych ilości kationów metali.
Bioremediacja gleb skażonych
metalami ciężkimi
Wewnątrzkomórkowe wiązanie metali ciężkich
Metale ciężkie są z terenów nimi zanieczyszczonych
usuwane przez mikroorganizmy w wyniku procesów
związanych z metabolizmem komórkowym. Wśród
takich procesów metabolicznych wyróżnić można:
- pozakomórkowe wydzielanie przez mikroorganizmy
substancji
nieorganicznych
lub
organicznych,
reagujących
z
występującymi
w
roztworze
metalami, powodujących zmianę odczynu, w wyniku
czego tworzą się związki o małej rozpuszczalności,
- biotransformację polegającą na biologicznym
utlenianiu lub redukcji metalu w wyniku czego
usuwanie metalu jest skutkiem jego przechodzenia z
form rozpuszczalnych w mniej rozpuszczalne,
- wewnątrzkomórkowe pobieranie i wytrącanie
metali.
Bioremediacja
Zalety metody:
• Metoda prosta w zastosowaniu, nie
wymaga
budowy
skomplikowanych
instalacji.
• Stosunkowo niewielkie koszty
• Metoda
mało
inwazyjna
lub
nieinwazyjna
w
stosunku
do
środowiska.
• Możliwość całkowitego oczyszczenia
gleby z większości zanieczyszczeń
organicznych.
Bioremediacja
Wady i ograniczenia metody:
• Efektywność
procesu
(mierzona
czasem
potrzebnym do oczyszczenia danego gruntu)
uzależniona jest od stężenia zanieczyszczeń w
glebie i ich dostępności.
• Efektywność
metody
uzależniona
jest
od
warunków pogodowych.
• Efektywność procesu zależy od dostępności
biogenów.
• Mniejsza
efektywność
w
przypadku
zanieczyszczeń trudno degradowalnych (PCB,
WWA i związki halogenoorganiczne).
• Konieczność
monitorowania
odcieków
z
oczyszczanego terenu.
Metody fitoremediacji
• Fitostabilizacja
• Fitoekstrakcja
Fitostabilizacja
Fitostabilizacja
wykorzystuje
zdolność
wybranych
gatunków
roślin
do
zatrzymywania zanieczyszczeń.
Proces
zatrzymywania
zanieczyszczeń
zachodzi w drodze:
- adsorpcji zanieczyszczeń na powierzchni
korzeni,
- adsorpcji do wnętrza korzeni,
- wytrącania w strefie korzeniowej.
Fitostabilizacja
Fitostabilizacja zanieczyszczeń następuje
również w wyniku przeciwerozyjnego
oddziaływania korzeni roślin, które wiążą
wierzchnią warstwę gleby zapobiegając
erozji wietrznej i wodnej oraz ługowaniu
zanieczyszczeń i przemieszczaniu ich do
głębszych warstw gleby.
Fitostabilizacja
W procesie fitostabilizacji system korzeniowy
rośliny chroni glebę przed erozją i
ogranicza migrację wody a rozbudowana
część
nadziemna
rośliny
zapobiega
nadmiernej penetracji wód deszczowych.
Rozbudowany system korzeniowy dostarcza
dodatkowych powierzchni na których
zachodzi sorpcja metali. Ponadto niektóre
gatunki
roślin
wytwarzają
warunki
sprzyjające
powstawaniu
trudno
rozpuszczalnych form zanieczyszczeń.
Fitostabilizacja
Przebieg procesu:
Fitostabilizacja polega na wprowadzeniu na
rekultywowany grunt gatunków mających
zdolność wytrącania zanieczyszczeń.
W celu zwiększenia efektywności procesu
przed wprowadzeniem roślinności można
wprowadzić do gleby substancje, które
zwiążą
zanieczyszczenia
w
formach
nierozpuszczalnych, niedostępnych
dla
roślin i nie stwarzających zagrożenia dla
zdrowia ludzi. Proces taki nazywany
chemofitostabilizacją.
Fitostabilizacja
Dodatki glebowe używane w procesie
fitostabilizacji powinny działać szybko i
długotrwałe, zapobiegać przemieszczaniu
zanieczyszczeń w głąb profilu glebowego
i pobieraniu ich przez rośliny poprzez
ograniczenie ich biodostępności.
Ponadto powinny być niedrogie, bezpieczne
w użyciu i nietoksyczne dla roślin,
zwierząt i ludzi.
Fitostabilizacja
Rodzaj dodatku
Stabilizowany
metal
Mechanizm
działania
Związki
fosforanowe
Apatyt,
nawozy
fosforowe, Na
2
HPO
4
,
K
2
HPO
4
Pb
Tworzenie
nierozpuszczalnych
związków fosforanowych
Uwodnione
tlenki żelaza
Odpady
zawierające
tlenki żelaza
As, Cd, Cu,
Ni, Pb, Zn
Sorpcja zanieczyszczeń
na powierzchni tlenków,
współstrącanie
lub
tworzenie
związków
żelaza z metalami
Substancja
organiczna
Gnojowica, komposty,
osady ściekowe, odpady
organiczne
As, Cd, Cu, Pb Sorpcja zanieczyszczeń,
wymiana
jonowa,
wbudowanie w materię
organiczną
Minerały ilaste Naturalne i syntetyczne
glinokrzemiany w tym
zeolity,
odpady
glinokrzemianowe
ze
spalania
odpadów
węglowych.
As, Cd, Cu,
Mn, Ni, Pb, Zn
Sorpcja zanieczyszczeń
oraz wymiana jonowa
Fitostabilizacja
Wybrane gatunki roślin przydatne do stabilizacji niektórych metali.
Metal
Gatunek rośliny
As (do 1250 mg kg
-1
) Topole (Populus sp.)
Cd (do 160 mg kg
-1
) Topole (Populus sp.)
Cr
Gorczyca sarepska (Brassica juncea)
redukuje Cr
6+
do Cr
3+
Cu
Trawy np. mietlica (Agrostis sp.),
kostrzewa czerwona (Festuca rubra)
Pb
Trawy
Zn (do kilkuset mg kg
-1
) Trawy
Fitostabilizacja
Gatunki stosowane do fitostabilizacji powinny
charakteryzować się:
• niewielką akumulacją zanieczyszczeń w
nadziemnej części rośliny.
• tolerancja na warunki lokalne (pH, zasolenie,
warunki wilgotnościowe).
• szybkim wzrostem, silnym systemem korzeniowym
oraz intensywna transpiracją.
• małymi wymaganiami agrotechnicznymi (wskazane
jest stosowanie roślin wieloletnich zdolnych do
samorozsiewania się)
Fitoekstrakcja
Fitoekstrakcja jest metoda rekultywacji
wykorzystującą zdolność roślin do pobierania z
gleby zanieczyszczeń i ich akumulowania w
nadziemnej części rośliny skąd mogą być
usunięte wraz z plonem.
Rozróżniamy;
- fitoekstrakcję ciągłą wykorzystującą rosliny o
wybitnych zdolnościach do akumulowania
pewnych zanieczyszczeń (tzw. hiperakumulatory)
- fitoekstrakcję indukowaną w której stosuje się
doglebowo związki indukujące zwiększone
pobieranie wybranych zanieczyszczeń przez
rośliny nie będące hiperakumulatorami.
Fitoekstrakcja
Zalety fitoekstrakcji:
• Stosunkowo niskie koszty
• Metoda przyjazna dla środowiska
(nieinwazyjna)
• Niewielkie zaangażowanie środków
technicznych
Fitoekstrakcja
Wady fitoekstrakcji:
• Zanieczyszczona biomasa musi być
zebrana i odpowiednio
zagospodarowana.
• Metale obecne w glebie mogą wywolac
efekt fitotoksyczny.
• Możliwość wprowadzenia
zanieczyszczeń do łańcucha
pokarmowego.
Fitoekstrakcja
Postępowanie z zebranym materiałem roślinnym.
Materiał roślinny zawiera znaczne ilości
zanieczyszczeń zatem powinien zostać
ograniczony dostęp dla zwierząt i ludzi do tego
materiału.
Zebrana biomasa powinna zostać wysuszona lub
kompostowana, a następnie złożona na
składowisku odpadów niebezpiecznych.
Ewentualnie można ją spalać lub stosować jako
wsad hutniczy.
Innym rozwiązaniem jest zastosowanie pirolizy.
Fitoekstrakcja
Stosowane gatunki roślin:
Rośliny z rodziny kapustnych
(Brassicaceae) np. gorczyca sarepska,
która produkuje dużą ilość biomasy i
akumuluje ołów, kadm, chrom, nikiel i
miedź.
Topole (Populus sp.) stosowane do
usuwania zanieczyszczeń zawierających
arsen i kadm, zalegających stosunkowo
głęboko pod ziemią.
Fitoekstrakcja
Pożądane cechy roślin wykorzystywanych
do fitoekstrakcji:
• Produkcja dużej ilości biomasy.
• Zdolność do akumulacji w częściach
nadziemnych dużych stężeń metali na
jednostkę biomasy.
• Odporność na podwyższone stężenia
metali w glebie.
• Przystosowanie do lokalnych warunków
klimatycznych.
Fitoekstrakcja
Fitoekstrakcja zachodzi w części korzeniowej.
Stąd
głębokość
korzenienia
się
roślin
wyznacza strefę efektywnej fitoekstrakcji. Da
większości fitoakumulatorów wynosi około 30
cm.
Oczyszczana
gleba
powinna
zapewniać
odpowiednie warunki do wzrostu roślinności i
pobierania przez nie zanieczyszczeń. Niekiedy
wymagane są więc dodatkowe zabiegi takie
jak neutralizacja lub wprowadzenie związków
zwiększających biodostępność zanieczyszczeń.
Fitoekstrakcja
Powodzenie procesu fitoekstrakcji zależy
od możliwości uzyskania dużej biomasy
z oczyszczanego terenu przy zachowaniu
optymalnych warunków. Niekiedy należy
wypośrodkować
zabiegi
pomiędzy
korzyściami płynącymi z uzyskania dużej
biomasy a stężeniem metali z roślinach.
Efekt zależy od rodzaju zanieczyszczenia,
gatunku rośliny oraz czynników takich
jak rodzaj gleby i warunki pogodowe.