Biotechnologie Environmentální biotechnologie Marek Petřivalský Katedra biochemie PřF UP

Environmentální biotechnologie

Budoucnost environmentálních biotechnologií Srovnání EU x svět Biomasa – teplo Velké vodní elektrárny Městské spalovny Geotermální - elektřina Bioplyn - skládky Malé vodní elektrárny Větrné elektrárny Bioetanol Biomasa Biodiesel Anaerobní rozklad Solární tepelný ohřev Geotermální - teplo X Přílivové elektrárny Solární – elektřina Mořské vlny

Čištení odpadních vod 1) komunální odpadní vody velké objemy 2) průmyslové odpadní vody potravinářský průmysl zemědělské podniky

Proces aktivovaného kalu Systém dvou nádrží aerace usazování Usazené kaly vrácení kalu odstranění kalu více kalu vzduch aerační nádrž růst aerobních mikrobů 2) sedimentační nádrž flokulace mikrobů sedimentace pevných zbytků

Mechanické provzdušnovače Typy aeračních nádrží liší se tvarem způsobem aerace promíchávání kalů Mechanické provzdušnovače Difuzéry přepad porezní neporezní plato provzdušňovač kartáč

Aerace čistým kyslíkem Čistý kyslík 5-násobné zvýšení obsahu kyslíku oproti aeraci vzduchem nutný uzavřený systém Kapalný kyslík Kontrola obsahu kyslíku nutné udržování optimální hladiny O2 pro průběh aktivace

Usazovací nádrže liší se způsobem toku v nádrží způsobem vybíraní kalů Aerační nádrže liší se způsobem toku v nádrží způsobem vybíraní kalů Provzdušňovací nádrž Usazovací nádrž Obdélníkové nádrže Kruhové nádrže

Anaerobní čištění odpadních vod Anaerobní stabilizace kalů Acido + metanogeneze v uzavřených betonových nádržích obsah nádrží se promíchává mechanicky nebo přečerpáváním kalu nebo bioplynu mezofilní metanizace 33 - 35oC termofilní metanizace 50 - 55oC Reaktory kolona s kalovým mrakem (fluidní reaktor) ponořená kolona s plastickou náplní náplňová kolona Potravinářský průmysl 15% odpadních vod, 50% znečištění jako BSK5

Schéma čístírny odpadních vod Výroba vína Odběr kalů Aerace ANAEROBNÍ ČÁST AEROBNÍ ČÁST Recirkulace kalů Vstup Výstup Schéma čístírny odpadních vod A - primární sedimentace B - vyrovnávací nádrž C - anaerobní reaktor D - aerobní reaktor E - finální usazovací nádrž

Velkoobjemové anaerobní reaktory

Vylepšení rozmetadla hnoje Bioplyn Metanogeneze - anaerobní odbourávaní biologické hmoty Prase Chlév, stáj Kráva Teplo, energie Fermentor Hnojiště Vylepšení rozmetadla hnoje Prodej

Schéma zařízení pro výrobu bioplynu vedlejší produkty = kompost, teplo Schéma zařízení pro výrobu bioplynu teplá voda Stáje Zásobník hnoje Zásobník plynu pre-mixer pumpa kapalné hnojivo pevné hnojivo Kompost pračka plynu domácnost Anaerobní fermentor bioplyn reformátor chladící spirály přídavný průmyslový teplotní zdroj Spalovna plynu

Demonstrační výrobna bioplynu Litva

Největší zařízení na výrobu bioplynu na světě (Bottrop (Německo)) objem reaktorů 4 x 15.000 m3, kapacita 3000m3 odpadu/den

Domácí výrobna bioplynu Nicaragua

Biofiltrace likvidace organických znečišťujících látek ve vzduchu velmi efektivní x dosud omezeně využívané 1) Dekontaminace polovina 90. let při čištění čerpaného půdního vzduchu kontaminovaného ropnými a aromatickými uhlovodíky „staré ekologické zátěže“ - vojenské prostory po ruské armádě 2) Průmysl čištění odsávaného vzduchu z lakoven, chemických provozů a podobných zařízení 3) Rekultivace skládek snižování obsahu metanu při odplyňování z rekultivovaných skládek efektivní alternativou spalování čerpaného skládkového plynu

Rekultivace skládek uvolňování acetátu Procesy probíhající na skládce 1) Aerobní hydrolýza organických látek Acidogenní anaerobní hydrolýzou a fermentací aktivitou sírany-redukujících mikroorganismů 3) Acetogenní uvolňování acetátu 4) Methanogenní: acetát, organické kyseliny, vodík a oxid uhličitý jsou methanogenními baktérimi transformovány na methan Oxidace aerobní mikroby pomalu nahrazují anaerobní Methanotrofní bakterie spotřeba methanu především v překryvné vrstvě využití - redukuje produkci methanu jako „skleníkového plynu“ významně se podílejícího na procesu oteplování

metanotrofní organismy Bilance metanu ve skládce odpadu generace metanu uvolnění metanu oxidace metanu CH4 CO2 metanotrofní organismy migrace metanu produkce metanu jámy

Využití bioplynu vznikajícího ve skládce Odběrná jímka Odpad na skládce

Biodegradace Vývoj mikrobiální kultury pro izolaci multienzymového systému Vyhodnocení schopnosti kultury odbourávat příslušné chemické látky Vývoj postupu pro izolaci a imobilizaci enzymů pro dlouhodobé použití Studium interakce enzymů v buňkách nebo volných enzymů a metabolických drah při degradaci organického polutantu

Mikrobiální degradace a analýza Biodegradace Izolovaný enzym Agarové řezy čisté kultury Obnovení čisté kultury Sloučení Přizpůsobení kultury Mikrobiální degradace a analýza Degradační testy s volnými enzymy Imobilizovaný enzym Degradační testy s imobilizovanými enzymy

Bioremediace Vylepšení degradační aktivity Určení degradačních bakterií Degradační bakterie zmnožení Voda, kyslík,živinybiostimulace Polutant

Biodegradace Kometabolická biodegradace TCE v půdě „in situ“ směs peroxidu vodíku a malé množství toluenu injektována do vrtu uvnitř promíchání s vodou pumpovanou z okolní podzemní vody peroxid uvolňuje O2, který „energizuje“ přirozené půdní bakterie, které používají toluen jako substrát dochází k vysoké produkci enzymů odbourávajících trichlorethan

Biodegradace Monitorovací jámy Injekce/extrakce ošetření jámy TCE – kontaminovaná spodní voda Stimulované mikroorganismy Pumpy

METODY BIOREMEDIACE Extrakce vodní parou = vhodné pro těkavé uhlovodíky Air sparging = aerační proces pro zachycení těkavých látek Biosparging je variantou air spargingu se současnou aplikací atestované biotechnologie = vytvořeny podmínky k průběhu biodegradačního procesu "in situ". Slurping Bioslurping- v průběhu odsávání fáze ropných látek dochází k obohacení podzemních vod kyslíkem a tím jsou vytvořeny podmínky pro biodegradaci zbytkového množství ropných látek vázaných v intergranulárním prostoru. Venting = proces in situ aerace Bioventing - směs atestovaného biopreparátu, tenzidů a živin je ve vodném roztoku zasakována prostřednictvím drénů nebo vrtů = minimalizace odtěkávání látek

(extrakce půdních par) Biosparging efektivní in situ technologie s minimálním dopadem na ŽP injekce vzduchu vrty pod úroveň hladiny podzemní vody podpora růstu aerobů odbourávajících rozpuštěné kontaminující látky Systém biospargingu (extrakce půdních par) Kompresor Dmychadlo Čištění par Odvod do atmosféry Proud vzduchu Plynná fáze Adsorbovaná fáze Rozpuštěná fáze Spodní voda

Biosparging zobrazení snížení koncentrace TCE v podzemní vodě u skládky ošetřené biospargingem (zleva – rok 1,2,3 a 4 od zahájení) Rok 1 Rok 4 Rok 6 Rok 8

Bioventing in situ biodegradace poskytnutím vzduchu pro aerobní mikroby dochází i k částečnému odbourání těkavých látek při průchodem vzduchu horninou obsluha dmychadlo emisní kontrola řada bočních průduchů vertikální průduchy

Bioremediace starých ekologických zátěží př. letiště Hradčany

Patrony s aktivním uhlím na výstupu z bioventingu na letišti Hradčany Patrony s aktivním uhlím na výstupu z bioventingu

Procesy zahrnuté ve fytoremediaci

Fytoremediace Rtuť, selen, TCE, PCE + metabolity Odpaření, dýchání Akumulace Těžké kovy, radionuklidy, TCE/PCE metabolity Anorganické látky Těžké kovy, radionuklidy Organické látky TCE, PCE Rhizosféra metabolismus Rtuť, selen, TCE, PCE + metabolity Půda a sedimenty stabilizace Kovy, organické látky, radionuklidy

Fytoremediace Kořeny rostlin ideální podmínky pro baktérie degradující kontaminanující uhlovodíky v povrchové vodě

Fytoremediace bývalé rafinérie BP Amoco ve vodě zjištěná kontaminace rozpuštěnými látkami typu benzen a MTBE topoly byly použity jako hydraulické pumpy pro odsávání podzemní vody a zamezení průsaku do okolního terénu

Sparks Solvent Fuel Site (USA) fytoremediační mokřad vytvořený r. 1998 pro remediaci rozpustných látek

DOE's Portsmouth Gaseous Diffusion Plant (Ohio, USA) V letech 1954- 2001 separace uranových izotopů plynnou difůzí výroba obohaceného uranu pro US Navy hlavní kontaminanty těkavé org. látky, radioizotopy, PCB a PAH bariéra stromů a keřů brání migraci látek do okolí bývalé továrny

Mokřad jako biologický filter (terciární čištění) není schopen čistit surový odpad z živočišné výroby nutnost předstupně (aerační nádrž, aktivované kaly ..) podmínky pro život divokých druhů + public relations

Fytoremediace Mokřad jako čistírna vod (rostlina Canna indica - dosna) Nong Yai Hospital, Chonburi Province Thajsko Mokřadní čistírna vod Anglie

Umělý mokřad pomalý průtok odpadní vody nádrží samospádem osazeno Cyperus papyrus, Arundo donax a podobné mokřadní rostliny zadržení a odbourání organických látek podmínky pro růst mikrobů na výtoku kvalita vody pro použití v domácnosti

Mangrovníkový les Mangrovník vysoká schopnost filtrovat a absorbovat toxické látky ve vodě přečištěná voda může být použita v zemědělství nebo bezpečně vypouštěna do moře

Iowa Army Ammunition Plant Restoration Mokřady vysoká schopnost remediace zbytkové kontaminace explosivy v půdě a povrchové vodě

Iowa Army Ammunition Plant Restoration V r. 1997 odstraněno cca 8000 m3 kontaminované půdy (obsah 2000kg výbušnin) Kontaminované území je přeměnována v mokřadní zónu v r. 1998 osázeno vhodnými rostlinami s vysokou kapacitou fytoremediace

Ekoremediace kombinace fytoremediace a obnovy původního ekosystému vytvoření přirozeného systému rostlin, stabilnějšího než tradiční metody fytoremediace