Odpady jsou často směsí mnoha látek. Biologické pochody využitelné pro jejich úpravu proto zahrnují velkou škálu biochemických reakcí. Neexistuje mikroorganismus nebo skupina mikroorganismů, které by byly univerzálně použitelné pro všechny odpady. Proto je při použití biologické úpravy odpadů třeba zvolit vhodné postupy, abychom dosáhli požadovaných cílů.
Pro použití biologických metod úpravy odpadů je třeba splnit několik základních podmínek. Biochemické reakce jsou řízeny biologickými katalyzátory - enzymy. Aby tedy biologické pochody byly použitelné pro ošetření a úpravu odpadů, je nezbytné, aby mikroorganismy, které se na těchto pochodech podílejí, obsahovaly patřičné enzymy nebo jejich komplexy. Další nezbytnou podmínkou je složení odpadu, kde nemohou být přítomny látky, které jsou toxické pro mikroorganismy nebo inhibují enzymatickou aktivitu. Pokud by se takové látky v odpadech nacházely v koncentracích, které budou negativně působit na biologické pochody, není možné biologickou úpravu aplikovat. Toto bývá jedno z nejčastějších omezení pro využívání biologických metod.
Třetím základním předpokladem pro použití biologických metod je zajištění takových podmínek v prostředí upravovaného odpadu, které mikrobiální činnost umožňují. Zejména je nezbytné dosáhnout pH, obsahu vlhkosti, teploty a koncentrace makrobiotických prvků v rozmezích vhodných pro činnost mikroorganismů.
ZÁKLADEM JE ZNÁT ZÁKONITOSTI
Pro biologickou úpravu odpadů je možné využívat velkou škálu mikroorganismů zahrnující bakterie, kvasinky, plísně a nižší houby. Nejčastěji jsou pro úpravu odpadů využívány bakterie pracující za aerobních podmínek, tedy v přítomnosti kyslíku.
Jediný mikroorganismus nemá dostatečné enzymatické vybavení pro odbourání komplexu nebezpečných látek, obsažených v odpadu. Při aplikaci biologických metod je nezbytná znalost zákonitostí biologického odbourávání. Mohou nastat případy, kdy produkt vzniklý biologickou transformací nějaké látky je pro mikroorganismy toxický a další odbourávání se tak zastaví. Toxicita může být specifická, takže účinek se projevuje jen na jeden mikroorganismus konsorcia (např. není možné biologicky odbourávat současně toluen a chlorbenzen).
Jelikož mikroorganismy nejsou univerzální, je třeba volit takové, které jsou schopné dosáhnout požadovaných cílů. Především musejí být schopny transformovat nebo odbourávat přítomné polutanty. Mikroorganismy je třeba vybírat s ohledem na podmínky v odpadu, který má být upravován (obsah vody, pH, koncentrace a složení polutantů, finální akceptor elektronů, osmotický tlak, koncentrace anorganických solí a pod.). V neposlední řadě je třeba volbu podřídit i systému a technologickému postupu (aerobní či anaerobní podmínky odbourávání, kontinuální či přetržitý provoz). Jedním z nejdůležitějších faktorů je koncentrace polutantu, který použitým mikroorganismům slouží jako substrát. Existují totiž prahové koncentrace substrátu, při jejichž překročení se rychlost biologického rozkladu podstatně snižuje či biodegradace se úplně zastaví.
V LABORATORNÍM MĚŘÍTKU
Biologické úpravy odpadů mohou sledovat několik zcela rozdílných cílů. Nejčastěji je to snížení absolutní koncentrace nebezpečných látek v odpadu na určitý limit. V tomto případě musí mikroorganismy nebezpečné látky rozkládat nebo biotransformovat na neškodné produkty. Tento postup je využitelný pro plynné, kapalné i pevné odpady. Podle vlastností odpadu se liší pouze použité technologie.
V některých případech je cílem imobilizace nebezpečných látek, označovaná někdy jako biosolidifikace. Dosahuje se jí změnou vlastností molekul a následující sorpcí na inertní látky přítomné v odpadu. Sorbenty mohou být záměrně do procesu vnášeny, takže spolupůsobí s biologickou složkou pochodu. Použití biosolidifikace je výhodné především pro úpravu pevných odpadů obsahujících látky obtížně biologicky rozložitelné, např. polyaromatické uhlovodíky.
Pro úpravu kapalných odpadů s obsahem rozpuštěných látek (zejména ionty těžkých kovů) se využívá specifického pochodu - bio-sorpce. Některé bakterie, kvasinky a nižší houby jsou schopné adsorbovat například kovové kationty buď na makromolekulární látky ve stěně buněk nebo transportem do buňky. Kationty se akumulují v biomase v řádově vyšších koncentracích, než se vyskytují v okolním prostředí. Biomasa s nasorbovanými kovy se následně odděluje.
Ke specifickým biologickým pochodům pro úpravu nebezpečných odpadů lze přiřadit např. biosrážení kovů (působením mikroorganismů dochází k tvorbě nerozpustných sloučenin kovů a jejich vydělení z roztoku), adsorpci do exopolymerů produkovaných mikroorganismy, biologickou oxidaci a redukci kovů, biologickou denitrifikaci a pod.
V odborné literatuře lze najít velké množství popisů různých biologických úprav odpadů prováděných v laboratorním nebo poloprovozním měřítku. V praxi je tato metoda používána méně. Hlavním důvodem jsou ekonomické parametry procesů a proveditelnost ve velkém měřítku, citlivost procesů na změny ve složení vstupních látek, nízká účinnost, která má za následek neúměrné zvyšování investičních nákladů (velikost nádrží, velikost dalších zařízení). V praxi se obtížně řeší i kontinuální úprava odpadů, jíž biologický proces není schopen. Biologické úpravy odpadů však i přes uvedené nedostatky a obtíže mají mnoho příznivých technologických vlastností a někdy řeší problémy jinými technickými prostředky neřešitelné.
ODPADY S OBSAHEM ROPNÝCH UHLOVODÍKŮ
Ropné uhlovodíky jsou nejrozšířenějším kontaminantem na světě. Jsou obsaženy v odpadech vznikajících při strojní výrobě, těžbě a zpracování ropy, skladování a distribuci pohonných hmot, výrobě chemikálií apod.
Jejich rozklad může probíhat za aerobních i anaerobních podmínek, v praxi jsou však používány výhradně aerobní procesy. Důvodem je podstatně vyšší rychlost aerobního odbourávání a nejasné metabolické cesty při anaerobním rozkladu nebo spíše anaerobní biotransformaci. Konečným produktem biologické oxidace je oxid uhličitý, voda, a tvoří se mikrobiální biomasa.
Odbourávání může probíhat v tekutém stavu, v suspenzi (slurry-phase), v pevném stavu či v plynném (biofiltrace). V současné době se prakticky využívají všechny uvedené systémy, jejich výběr závisí na vlastnostech odpadu a stavu, ve kterém vzniká.
Suspenzní systémy (společná dekontaminace pevných částic a vody, zastoupení pevných částic není vyšší než 25 % hm.) se používají pro snižování koncentrace ropných látek v odpadních emulzích z odmašťování a úpravy povrchů nebo ve vodách a kalech z myček automobilů. Konečné koncentrace umožňují vypouštění do běžné městské kanalizace.
Mezi pevné a pastovité odpady patří například kaly z mechanických čistíren odpadních vod ve strojírenských závodech, kaly vznikající při zpracování ropy, u nichž obsah ropných látek často přesahuje 100 000 mg na kilogram sušiny. Materiál je biologicky ošetřován po vylehčení lignocelulosovými odpady v pevném stavu a jeho cílem je snížení koncentrace ropných látek pod hodnotu, která umožňuje skládkování. Současně musí být splněny limity pro obsah ropných látek ve výluzích. Po biologickém ošetření jsou rozpustné ropné látky ve vodě z kalů úplně odstraněny, takže koncentrace ve výluhu je velice nízká, často < 0,2 mg/l.
Typickým příkladem plynných odpadů obsahujících uhlovodíky jsou vzdušniny z tiskáren, laminoven, lakoven. Ve všech případech je využívána biofiltrace v různých typech biofiltrů, jíž nemůže ekonomicky konkurovat ani sorpce ve filtrech s aktivním uhlím.
Pro půdní vzduch odsávaný z lokalit kontaminovaných pohonnými hmotami se používá extrakce jako jednoho sanačního kroku. Koncentrace polutantů v odsávaném vzduchu nejsou dostatečné na to, aby mohly být spalovány bez přídavku dalšího energetického zdroje.
Princip biofiltrace je založen na aerobním odbourávání uhlovodíků a dalších látek v biofilmu vytvořeném na pevných částicích náplně biofiltru.
Tento způsob biologické úpravy odpadů je progresivní, stále se rozvíjející technologií. První aplikace provozních biofiltrů byly již v minulém století mezi světovými válkami. Soustavný rozvoj za posledních sedmdesát let přivedl tuto technologii na velmi dobrou úroveň a našla velmi široké uplatnění.
ODPADY S OBSAHEM TĚŽKÝCH KOVŮ
Jeden z nejstarších systémů využívá biologické konsorcium složené z řas, cyanobakterií a vyšších rostlin k odstraňování Pb, Cu, Zn, Hg, Fe, Mn a Ni z vod z dolů na olovo v Homestake Lead Mine v USA. Účinnost odstraňování je více než 99 % hm. Tohoto účinku je dosahováno srážením, sorpcí, biosorpcí apod. Kovy se ukládají v sedimentech a jejich další mobilita je prakticky nulová, stejně jako biologická dostupnost. Dalším průmyslově vy-užívaným postupem je biosorpce do imobilizované biomasy v nárostových bioreaktorech různých typů. Některé postupy slouží k současnému rozkladu kyanidů, thiokyanátů a čpavku a současné biosorpci kovů. Technologie zpracovávají 20 000 a více m3 tekutých odpadů za den.
Srážení sirníků těžkých kovů je principem metody holandské společnosti Budelco B.V. Pracuje v provozním měřítku (s kapacitou 7000 m3 za den ) a jako biologické agens využívá směsnou populaci bakterií redukujících sulfát. Proces je účinný pro odstraňování Cu, Fe, Zn a Cd. Proces je v provozu od roku 1992, účinnost odstraňování kovů více než 95 % hm., účinnost odstraňování sulfátů dosahuje 30 % hm. na vnesené množství. Zvláštním případem biologické úpravy je akumulace do biomasy vyšších rostlin označovaná jako fytoremediace. V současné době nachází uplatnění i v průmyslových aplikacích, avšak pouze při sanaci starých zátěží. Jako proces pro úpravu odpadů (s výjimkou výše uvedeného konsorciálního procesu) však využívána doposud není.
DALŠÍ DRUHY ODPADŮ
Velkým problémem jsou odpadní vody obsahující azobarviva, protože konvenční čistící postupy nemohou azobarviva odstraňovat. Azobarviva jsou typickými xenobiotiky, protože z více než 2000 známých azosloučenin používaných jako barviva je pouze o jedné látce (4,4-dihydroxyazobenzen) známo, že je přírodním produktem. Prvním průmyslovým způsobem biologické úpravy odpadu s azobarvivy je dvoustupňový (1. stupeň anaerobní, 2. stupeň aerobní) proces pro ošetřování 1000 m3 za den.
Metodu pro biologickou úpravu odpadního mycelia z výroby fungicidinu využívá v České republice již sedm let společnost Envisan-gem, a. s. Technologie upravuje odpadní mycelium chemicky a následně jej využívá jako zdroj dusíku při jiných biodegradačních technologiích. Při nich je odpadní mycelium biologicky mineralizováno a organicky vázaný dusík je převeden na amonný, který je velmi dobře využitelný bakteriemi. Tato technologie umožňuje biologickým krokem upravit odpad tak, aby byl využitelný v dalších výrobních procesech.
Velmi častou biologickou úpravou odpadů je eliminace nitrátů z různých druhů průmyslových odpadů, především kapalného charakteru. Denitrifikační reaktory jsou většinou náplňové a biomasa s denitrifikační aktivitou je buď imobilizována v biokatalyzátoru nebo vytváří nárosty na pevných částicích náplně. Konkrétní procesy jsou (nebo byly) používány pro eliminaci nitrátů z gumárenského průmyslu či elektronického průmyslu. Biologickými úpravami je možné zpracovat množství odpadů tak, aby ztratily své nebezpečné vlastnosti nebo mohly být znovu využity. V mnoha případech se biologickou úpravou snižuje obsah organických látek v odpadu, a proto může být tento způsob využíván s cílem omezení ukládání takových odpadů na skládky.
Vít Matějů
Envisan-gem, a. s., Biotechnologická divize
Miroslav Sobotka
Mikrobiologický ústav AVČR
