Biotechnologie Environmentální biotechnologie

Prezentace na téma: "Biotechnologie Environmentální biotechnologie"— Transkript prezentace:

1 Biotechnologie Environmentální biotechnologie
Marek Petřivalský Katedra biochemie PřF UP

2 Environmentální biotechnologie

3 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

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

5 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

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

7 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

8 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

9 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 oC termofilní metanizace oC Reaktory kolona s kalovým mrakem (fluidní reaktor) ponořená kolona s plastickou náplní náplňová kolona Potravinářský průmysl 15% odpadních vod, 50% znečištění jako BSK5

10 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

11 Velkoobjemové anaerobní reaktory

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

13 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

14 Demonstrační výrobna bioplynu
Litva

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

16 Domácí výrobna bioplynu Nicaragua

17 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

18 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

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

20 Využití bioplynu vznikajícího ve skládce
Odběrná jímka Odpad na skládce

21 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

22 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

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

24 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

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

26 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

27 (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

28 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

29 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

30 Bioremediace starých ekologických zátěží
př. letiště Hradčany

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

32 Procesy zahrnuté ve fytoremediaci

33 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

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

35 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

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

37 DOE's Portsmouth Gaseous Diffusion Plant
(Ohio, USA) V letech 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

38 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

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

40 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

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

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

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

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