2.B Kontaminace horninového prostředí

Vazba na hlavní cíl zadávací dokumentace:

Nové metody dekontaminace horninového prostředí se zvláštním zaměřením na nové typy kontaminantů (pesticidy, a obdobné typy znečišťujících látek)

V oblasti nápravy ekologických zátěží vázaných na horninové prostředí lze v současné době identifikovat minimálně dva důvody, ze kterých vychází potřeba vývoje nových sanačních technologií. Prvním důvodem je zde poměrně malá dokončenost nápravných opatření na velkém počtu sanovaných lokalit, druhým potom existence nových typů kontaminantů, které vstupují i do horninového prostředí. První důvod souvisí se standardní administrací nápravného opatření, kdy pro odstranění rizikového kontaminantu z horninového prostředí bývá ze strany ČIŽP nařizována nejvýše tříletá lhůta. Ta při použití obvyklých technologií téměř nikdy nedostačuje a nápravné opatření bývá obvykle opakováno, často i mnohokrát. Jedním z možných řešení tohoto současného stavu by mohlo být zavedení nových sanačních technologií, případně intenzifikace technologií stávajících. Druhý důvod potom vychází z postupně narůstajícího spektra látek, u kterých je prokázáno negativní působení na lidské zdraví. Dříve nebo později je u každé takové látky nárokován požadavek na její eliminaci ze složek životního prostředí.

Cílem této části projektu je výzkum v oblasti dekontaminačních metod horninového prostředí se zaměřením na nové typy kontaminantů. Problematika dekontaminačních metod je značně široká vzhledem k různorodosti kontaminovaných matric, a hlavně typům polutantů. V případě anorganických polutantů representovaných většinou toxickými kovy jsou stávající použitelné techniky obvykle založeny na stabilizaci, použití chemických extrakčních metod, nebo metod založených na aplikaci elektrického proudu. V případě organických polutantů je situace o poznání komplikovanější díky různorodosti organických látek a jejich chemicko-fyzikálních a toxikologických vlastnostech. Existuje řada v praxi zavedených fyzikálně–chemických postupů pro použití in situ, ex situ i on site, které jsou obvykle založeny na termálních principech, elektrometody, či řada čistě chemických separačních postupů, nebo metod založených na chemické reakci. Obecně lze konstatovat, že řada těchto postupů je velmi účinná a často představuje z hlediska odstranění kontaminantů nejlepší volbu, nicméně často se jedná o velmi nákladné a destruktivní metody s dalšími dopady na životní prostředí. Zejména ekonomická náročnost je často příčinou nerealizace sanačních zásahů. Nicméně jak bylo uvedeno výše, remediačních metod značné množství a i např. v případě tepelných procesů lze rozlišit mezi tepelnou desorpcí, přímým spálením a pyrolýzou. Při tepelné desorpci je půda vystavena teplotám do 600 °C, kdy dochází ke zplynění těkavých organických látek, které jsou dodatečně spalovány. Desorpční komory bývají realizovány jako vyhřívané rotující válce napojené na systém dodatečného spalování. Termální desorpce je metoda vhodná pro těkavější látky (ropné produkty atd.). V případě metody přímého spálení je půda vystavena teplotám 900 °C – 1200 °C za přístupu kyslíku a případně je použit ještě nějaký plyn jako pomocné palivo. Eventuální nežádoucí plynné produkty mohou být odstraněny následným praním plynu podobně jako v tepelných elektrárnách. Při pyrolýze dochází k rozložení organické hmoty pomocí tepla bez přístupu kyslíku, případně za zvýšeného tlaku. Produkty bývají malé množství plynu a kapalin. Převážná část zůstává pevná ve formě „koksu“. Pyrolýza je vhodná pro organický odpad a obvykle je prováděna při teplotách nad 400 °C. Tepelné úpravy kontaminované půdy jsou nejúčinnější a široce použitelnou metodou vhodnou pro všechny typy kontaminovaných půd a pro většinu organických polutantů. Bohužel se jedná také o procesy nejdražší. V každém případě to totiž znamená vytěžení půdy, transport a zpracování v úpravně (spalovně) splňující příslušné parametry. Po opětovném transportu by měla následovat rekultivace, neboť produktem není půda, ale inertní materiál, zbavený veškeré organické hmoty.

Paralelně s uvedenými a řadou dalších fyzikálně chemických metod se již několik dekád studují postupy bioremediační, které principiálně spoléhají na účinku živých organismů, nebo jejich komponent. Bioremediační metody, z nichž mnohé v případě jiných organopolutantů jsou již využívány v praxi, mají několik výhod. Je to například „ekologická šetrnost“ remediačních metod, kdy většinou není potřeba postavit výrobní halu, a produktem by měly být pouze neškodné biogenní látky. Významná je také nesporně nižší cena způsobená nejen použitou technologií, ale rovněž možností provádět remediaci přímo v místě znečištění (in situ, či případně “on–site”). Výhodou je rovněž konečnost řešení, kdy není potřeba již žádná další rekultivace lokality. Bioremediační metody mají však i nevýhody. Patří mezi ně zvláště to, že počet faktorů ovlivňující proces je velký a lze je jen obtížně kontrolovat. Mezi hlavní faktory ovlivňující bioremediaci patří: vlhkost, množství kyslíku, redoxní potenciál, pH, obsah živin a teplota. Za další nevýhody je možno považovat nedostatečné množství informací týkajících se produktů degradace a jejich případné kumulace. Tyto látky bývají obvykle mnohonásobně více rozpustné ve vodě, a tedy obvykle akutně toxičtější než původní látky. Tento fakt je zásadní, neboť by mohlo docházet k nežádoucímu zamoření prostředí. Nehledě k tomu, že tyto produkty jsou látky vesměs “méně obvyklé”, a proto neexistují žádné legislativní normy zabývající se jejich limity. Z těchto důvodů je vhodné sanační proces sledovat pomocí relevantních testů akutní toxicity a genotoxicity. Neméně významným požadavkem je také optimalizace analytických postupů použitých k vyhodnocení výsledků sanace.

Metody bioremediací lze dělit podle několika hledisek. Jedno z nich je, zda se používá určitý mikroorganismus, který je předpěstován a přidán ke vzorku („bioaugmentation“), nebo se využívá stimulace přítomné nespecifické půdní mikroflóry. Výhodou nespecifické mikroflóry (metody: remediace na ploše – „land farming“; remediace v hromadách – „biopile“; provzdušňování – „bioventing“) je její různorodost a přítomnost širokého pole enzymatických aparátů. Tento postup bývá s úspěchem aplikován v případě kontaminace ropnými produkty, oleji, nebo i jednoduchými aromatickými látkami. Pokud se však jedná o látky rekalcitrantní jako jsou polychlorované bifenyly či polycyklické aromatické uhlovodíky, zdá se, že je výhodnější používat organismy vybavené enzymy schopnými rozkládat tyto konkrétní látky. U těchto postupů je nezbytné prozkoumat adaptabilitu přidávaného organismu na původní mikroflóru. Pokud není dotyčný organismus přímo přidáván s živinami, je ve většině případů nutné zajistit jejich dodatečný přísun. Ačkoliv organopolutanty bývají i zdrojem energie a uhlíku, jejich množství pro tento účel bývá malé. To platí zvláště v případě, kdy se degradace odehrává pouze jako sekundární děj. Ve většině případů je rovněž nezbytné zajistit dostatek dusíku a fosforu. Dalším důležitým aspektem půdních technologií je kontrola pH, dostatečná vlhkost, a protože řada organopolutantů je účinně rozkládána pouze aerobně, také dostatečná aerace prostředí. Bioremediační metody obecně však nedosahují takových účinností, jako metody fyzikálně chemické, nicméně skýtají řadu výhod z hlediska ekonomické náročnosti a nedestruktivnímu charakteru procesu, a tedy se často počítají právem mezi tzv. „environmental friendly“ metodám. V praxi nalezli uplatnění spíše vůči snázeji rozložitelným látkám, jako je ropné znečištění, jednoduché aromatické látky, nebo některé specifické polutanty, jako jsou například dokonce i chlorované etheny.

Nicméně obecně se problematika dekontaminačních technologií značně komplikuje se zvyšující se potřebou řešit nově se objevující organické polutanty. Základní charakteristikou klasických persistentních organických polutantů je jejich velmi omezená rozpustnost ve vodě, a tedy vlastnost, která je předurčuje setrvávat preferenčně na jednom místě, které může být následně dekontaminováno. Typickou vlastností nově se objevujících polutantů je jejich schopnost se šířit prostředím daná buď zvýšenou rozpustností ve vodě (farmaka, endokrinní disruptory, pesticidy) nebo způsobem jejich vstupu do prostředí (bromované látky, fluorované telomery). Látky potom způsobují tzv. difúzní znečištění. Navíc jsou s nimi spojená rizika biologických účinků již při nízkých koncentracích nikoliv akutní toxicitou, ale např. narušováním hormonálních signálů (endokrinní disrupce). Jejich nízká koncentrace navíc vede k nefunkčnosti přirozených biologických degradačních mechanismů, neboť jejich množství jsou pod tzv. koncentračním prahem a mohou být spíše rozkládány pouze kometabolicky.

Podstatou tohoto pracovního balíčku v návaznosti na jeden z hlavních cílů programu zahrnující kontaminace horninového prostředí a nové metody dekontaminace horninového prostředí se zvláštním zaměřením na nové typy kontaminantů je studovat, charakterizovat a vyvíjet právě nové postupy pro dekontaminaci prostředí. Této souvislosti budou v rámci jednotlivých činností jednak kriticky zhodnoceny stávající sanační postupy a jednat bude rozvíjena řada inovativních postupů vhodných jak pro stávající, tak pro nově se objevující kontaminanty.