4.2. Μέθοδοι βιοεξυγίανσης

Η μέθοδοι βιοεξυγίανσης μπορούν να ταξινομηθούν σε πέντε κατηγορίες: in situ, ex situ, βιοαντιδραστήρες, φυσική εξασθένηση και φυτοεξυγίανση. Αυτές οι μέθοδοι επιτυγχάνουν συνήθως έναν από τους εξής σκοπούς: είτε απομακρύνουν τους ρυπαντές από το υπόστρωμα (μέθοδοι απομόλυνσης και καθαρισμού), είτε μειώνουν τον κίνδυνο που απορρέει από τους ρυπαντές, μειώνοντας την έκθεση (μέθοδοι σταθεροποίησης).

4.2.1. Μέθοδοι εξυγίανσης in situ

Αυτές είναι οι τεχνολογίες βιοεξυγίανσης, οι οποίες εφαρμόζονται “επί τόπου”, χωρίς την αφαίρεση της μολυσμένης μάζας από τον αέρα, τα ύδατα ή το έδαφος. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών των μεθόδων παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.1. Οι πιο συχνές μέθοδοι in situ είναι οι εξής:

Βιοαερισμός

Ο βιοαερισμός περιλαμβάνει τη διοχέτευση αέρα και θρεπτικών ουσιών μέσω φρεατίων στο μολυσμένο έδαφος με στόχο την ενθάρρυνση της ανάπτυξης των αυτοχθόνων βακτηρίων. Αν η μόλυνση βρίσκεται βαθιά υπό την επιφάνεια, αυτή η μέθοδος μπορεί να είναι κατάλληλη για τον καθαρισμό του περιβάλλοντος. Κατά τον βιοαερισμό η ροή αέρα έχει χαμηλή ταχύτητα και παρέχεται μόνο αυτή η ποσότητα οξυγόνου, που είναι απαραίτητη για τη βιοεξυγίανση, περιορίζοντας ταυτόχρονα στο ελάχιστο την εξάτμιση και την εκπομπή ρύπων στην ατμόσφαιρα.

Βιοαποδόμηση

Η βιοαποδόμηση πραγματοποιείται με την παροχή οξυγόνου και θρεπτικών ουσιών μέσω διαλυμάτων σε νερό, τα οποία κυκλοφορούν στα μολυσμένα εδάφη ώστε να ενθαρρύνουν τους αυτόχθονους μικροοργανισμούς να αποδομήσουν τους διάφορους οργανικούς ρυπαντές. Αυτή η μέθοδος εφαρμόζεται κυρίως σε μολυσμένα εδάφη και υπόγεια ύδατα.

Βιοδιασπορά

Αυτή η μέθοδος αποτελεί μια από τις τεχνολογίες in situ εξυγίανσης, οι οποίες χρησιμοποιούν τους αυτόχθονους οργανισμούς για την βιοαποδόμηση οργανικών συστατικών σε ορισμένο κορεσμένο έδαφος. Για την αύξηση της βιολογικής δραστηριότητας των αυτοχθόνων μικροοργανισμών, στην κορεσμένη ζώνη διοχετεύονται αέρας και θρεπτικές ουσίες. Η βιοδιασπορά εφαρμόζεται για τον καθαρισμό υπόγειων νερών και εδαφών, μολυσμένων με προϊόντα πετρελαίου. Η εύκολη και η φθηνή εγκατάσταση σημείων παροχής αέρα μικρής διαμέτρου εξασφαλίζει αρκετή ευελιξία κατά τον σχεδιασμό και την κατασκευή του συστήματος.

Βιοαύξηση

Αυτή η μέθοδος βασίζεται στην προσθήκη αυτοχθόνων ή ετεροχθόνων μικροοργανισμών στο μολυσμένο έδαφος. Ιδιαίτερα χρήσιμη σε εδάφη, μολυσμένα με ανόργανες ενώσεις.

Βιοδιέγερση

Η βιοδιέγερση είναι ένα είδος φυσικής εξυγίανσης που μπορεί να αυξήσει την αποδόμηση ενός ρυπαντή μέσω βελτιστοποίησης των συνθηκών – π.χ. με αερισμό, παροχή θρεπτικών ουσιών, ρύθμιση του рН και της θερμοκρασίας. Αυτή η μέθοδος βιοεξυγίανσης θα μπορούσε να θεωρηθεί κατάλληλη για τον καθαρισμό ρύπανσης εδαφών με πετρέλαιο, ενώ απαιτεί αξιολόγηση της φυσικής ικανότητας αποδόμησης της αυτόχθονης μικροπανίδας, καθώς και των παραμέτρων του περιβάλλοντος με σημασία για την κινητική της διαδικασίας in situ.

Πίνακας 4.1. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μεθόδων in situ

4.2.2. Μέθοδοι εξυγίανσης ex situ

Η μέθοδοι εξυγίανσης ex situ είναι μια μορφή, κατά την οποία το μολυσμένο έδαφος (εκσκαφή) και νερό (άντληση) απομακρύνονται από την αρχική τοποθεσία τους και καθαρίζονται στο ίδιο ή σε άλλο χώρο. Οι σημαντικότερες διαδικασίες βιοεξυγίανσης ex situ είναι η αγροκαλλιέργεια σε ελεγχόμενες συνθήκες (landfarming), η επεξεργασία σε σωρούς και η κομποστοποίηση. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών των μεθόδων παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.2.

Αγροκαλλιέργεια σε ελεγχόμενες συνθήκες (landfarming)

Αυτή είναι η πιο εύκολη και αποτελεσματική μέθοδος για εφαρμογή σε μολυσμένα με πετρέλαιο εδάφη. Βασικός στόχος της είναι η διέγερση των φυσικών βιοαποδομητικών οργανισμών και η παρότρυνση της αερόβιας αποδόμησης των ρυπαντών. Η αγροκαλλιέργεια σε ελεγχόμενες συνθήκες έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον ως εναλλακτική μέθοδος αποθήκευσης, γιατί έχει το δυναμικό να μειώσει τις δαπάνες παρακολούθησης και συντήρησης, καθώς και τις αρνητικές επιπτώσεις από τον καθαρισμό. Η εφαρμογή της όμως περιορίζεται στην επεξεργασία των ανώτατων 10–35 cm του εδάφους.

Κομποστοποίηση

Η μέθοδος της κομποστοποίησης αποτελεί διαδικασία αποδόμησης οργανικών αποβλήτων σε θερμοφιλικές συνθήκες (40-65°C) (Shukla et al., 2010). Εφαρμόζεται σε εδάφη και βιολογικά ιζήματα, μολυσμένα με υδρογονάνθρακες πετρελαίου, διαλυτές, χλωροφαινώλες, φυτοφάρμακα, ζιζανιοκτόνα, πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ) και νιτροαρωματικές εκρηκτικές ύλες.

Βιοσωροί

Οι βιοσωροί είναι μέθοδος βιοεξυγίανσης, κατά την οποία η αγροκαλλιέργεια και η κομποστοποίηση εφαρμόζονται ως υβριδικό σύστημα. Αυτή η τεχνολογία, η οποία αποτελεί βελτιωμένη μορφή της αγροκαλλιέργειας σε ελεγχόμενες συνθήκες, απευθύνεται στον περιορισμό της εκπομπής ρυπαντών ως αποτέλεσμα της απόπλυσης ή της εξάτμισης. Εφαρμόζεται για τον καθαρισμό επιφανειακής μόλυνσης με υδρογονάνθρακες πετρελαίου. Οι βιοσωροί θεωρούνται κατάλληλη, οικονομική και με πιο περιορισμένη επέμβαση στο περιβάλλον μέθοδος βιοεξυγίανσης μολυσμένων με πετρέλαιο εδαφών.

Πίνακας 4.2. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μεθόδων ex situ

4.2.3. Βιοαντιδραστήρες

Αποτελούν μεγάλους θαλάμους ζύμωσης για την καλλιέργεια μικροοργανισμών (βακτήρια ή ζυμομύκητες), που χρησιμοποιούνται στην βιοτεχνολογική παραγωγή ουσιών όπως π.χ. φαρμακευτικών προϊόντων. Εφαρμόζονται και στην μετατροπή βλαβερών αποβλήτων σε λιγότερο βλαβερές ουσίες. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για την εξυγίανση εδαφών και υδάτων, μολυσμένων με υδρογονάνθρακες από τη σύσταση των καυσίμων, καθώς και με οργανικές ουσίες. Στους βιοαντιδραστήρες υπάρχουν δυο κλάσματα (στερεό και υγρό). Η βιοεξυγίανση στο υγρό κλάσμα (αιώρημα) είναι σχετικά γρηγορότερη μέθοδος σε σχέση της εκείνης στο στερεό κλάσμα. Στους βιοαντιδραστήρες που λειτουργούν με το υγρό κλάσμα, το μολυσμένο έδαφος αναμειγνύεται με νερό και άλλα υλικά σε μεγάλο θάλαμο μεγάλου όγκου. Αντιθέτως, στους αντιδραστήρες στερεού κλάσματος δεν προστίθεται νερό. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.3.

Πίνακας 4.3. Πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μεθόδων που χρησιμοποιούν βιοαντιδραστήρες.

4.2.4. Φυσική εξασθένηση

Η φυσική εξασθένηση είναι μια διαδικασία, κατά την οποία μειώνεται η μάζα, η τοξικότητα, η κινητικότητα, ο όγκος ή η συγκέντρωση των ρύπων (οργανικών ή ανόργανων) στα εδάφη, τα υπόγεια και τα επιφανειακά ύδατα. Αυτές οι διαδικασίες ταξινομούνται σε φυσικές, χημικές και βιολογικές. Τα φυσικά φαινόμενα είναι προσαγωγή, διασπορά, διάλυση, διάχυση, εξάτμιση και ρόφηση/εκρόφηση. Οι χημικές διαδικασίες είναι са ιοντοεναλλαγή, σχηματισμός συμπλόκων και αβιοτικός μετασχηματισμός. Οι βιολογικές περιλαμβάνουν αερόβια και αναερόβια βιοαποδόμηση και απορρόφηση από φυτά και ζώα. Η φυσική εξασθένηση είναι μια οικονομικά αποτελεσματική μέθοδος βιοεξυγίανσης. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.4.

Για την εφαρμογή της φυσικής εξασθένησης, ο χώρος πρέπει να πληροί ένα ή περισσότερα από τα εξής κριτήρια:

• Πρέπει να βρίσκεται σε περιοχή με χαμηλό ρίσκο για την υγεία του ανθρώπου ή για το περιβάλλον.

• Τα μολυσμένα εδάφη ή υπόγεια ύδατα πρέπει να βρίσκονται σε αρκετή απόσταση από τους δυνητικούς αποδέκτες.

• Πρέπει να υπάρχουν στοιχεία για την πραγματική εξέλιξη φυσικής εξασθένησης στο χώρο.

• Η υψηλή διαπερατότητα επιταχύνει την διάδοση των ρυπαντών, ενώ η χαμηλή διαπερατότητα επιβραδύνει την αποδόμησή τους. Στην ιδανική περίπτωση η φυσική εξασθένηση φέρνει καλύτερα αποτελέσματα σε εδάφη, η διαπερατότητα των οποίων είναι στο διάστημα μεταξύ χαμηλής και υψηλής.

Πίνακας 4.4. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μεθόδου της φυσικής εξασθένησης

4.2.5. Φυτοεξυγίανση

Η φυτοεξυγίανση είναι μέθοδος βιοεξυγίανσης με την χρήση διάφορων φυτών και των συνδεδεμένων με αυτά μικροοργανισμών για την απομάκρυνση, μεταφορά, σταθεροποίηση ή αποδόμηση των ρύπων στα εδάφη, τα ιζήματα, τα υγρά απόβλητα, τα υπόγεια νερά και τον αέρα. Τα φυτά κατέχουν την ικανότητα να εντοπίζουν, αποκλείουν, αποθηκεύουν και υπεραποθηκεύουν ή να μεταβάλλουν τοξικές οργανικές ή ανόργανες ουσίες. Με αυτόν τον τρόπο επηρεάζουν σημαντικά την πορεία των χημικών ουσιών και μπορούν να χρησιμοποιούνται για την αφαίρεση ανεπιθύμητων ενώσεων από την βιόσφαιρα. Η φυτοεξυγίανση προσφέρει μια οικολογική, οικονομική και ουδέτερη ως προς τις εκπομπές άνθρακα προσέγγιση στον καθαρισμό του περιβάλλοντος από τοξικούς ρυπαντές. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.5.

Οι μηχανισμοί φυτοεξυγίανσης περιλαμβάνουν φυτοεξαγωγή, φυτοσταθεροποίηση, φυτοεξάτμιση, φυτοαποδόμηση, φυτοσυσσώρευση, ριζοδιήθηση, βιοαποδόμηση μέσω ριζόσφαιρας και υδραυλικό έλεγχο. Οι μηχανισμοί απεικονίζονται στην Εικόνα 4.1.

Φυτοεξαγωγή

Κατά την φυτοεξαγωγή χρησιμοποιούνται φυτά ή φύκη για την απομάκρυνση ρύπων από εδάφη, ιζήματα και ύδατα. Με αυτό τον μηχανισμό τα φυτά αφαιρούν βαρέα μέταλλα ή ραδιονουκλεΐδια από τα εδάφη μέσω των ριζών τους και τα αποθηκεύουν εκεί ή τα μεταφέρουν στους βλαστούς και τα φύλλα τους. Το φυτό δεν παύει να αφαιρεί ρυπαντές έως την κοπή ή την συγκομιδή του. Αν μετά την συγκομιδή των φυτών δεν παρατηρείται αξιοσημείωτος καθαρισμός του εδάφους, συνήθως επιβάλλεται ο κύκλος της αύξησης και της συγκομιδής των φυτών να επαναληφθεί με μερικές «σοδειές» μέχρι την επίτευξη του απαιτούμενου καθαρισμού της ρύπανσης.

Το βασικό πλεονέκτημα της φυτοεξαγωγής είναι ότι αποτελεί μια οικολογική μέθοδο. Δεν βλάπτει την ποιότητα των εδαφών. Άλλο πλεονέκτημα της φυτοεξαγωγής είναι ότι είναι φθηνότερη σε σχέση με τις υπόλοιπες μεθόδους καθαρισμού. Γιατί η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται από φυτά, αυτή είναι πιο χρονοβόρα σε σχέση με τις άλλες παραδοσιακές μεθόδους καθαρισμού εδαφών.

Φυτοσταθεροποίηση

Με αυτή την μέθοδο τα φυτά ακινητοποιούν τους ρύπους στα εδάφη και τα ύδατα. Οι ρυπαντές απορροφούνται από τις ρίζες και εκκρίνονται στην ριζόσφαιρα. Αυτό δεν επιτρέπει στον ρυπαντή να εισχωρήσει στην τροφική αλυσίδα.

Φυτοεξάτμιση

Με αυτό τον μηχανισμό το νερό που περιέχει οργανικούς ρυπαντές, απορροφάται από τα φυτά και οι ρυπαντές εξατμίζονται στον αέρα μέσω των φύλλων. Κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας ορισμένος ρυπαντής μπορεί να υποστεί μετατροπές κατά την μεταφορά του νερού μέσω του αγωγού ιστού του φυτού από τις ρίζες στα φύλλα, ενώ μετά οι ρυπαντές εξατμίζονται και απελευθερώνονται υπό πτητική μορφή στον γύρω αέρα.

Φυτοαποδόμηση

Κατά την φυτοαποδόμηση οι ρυπαντές (οργανικοί) μεταβάλλονται και αποδομούνται στους ιστούς των φυτών. Η διαδικασία δημιουργεί μικρότερα μόρια, τα οποία μετά μπορούν να χρησιμοποιούνται από το φυτό ως μεταβολίτες κατά την αύξησή του και έτσι ενσωματώνονται στους ιστούς του.

Φυτοσυσσώρευση

Με αυτό τον μηχανισμό οι ρυπαντές απορροφούνται από τα φυτά μέσω των ριζών τους μαζί με άλλες θρεπτικές ουσίες και νερό. Ο ρυπαντής δεν αποδομείται, αλλά συσσωρεύεται στους βλαστούς και τα φύλλα του φυτού.

Ριζοδιήθηση

Η ριζοδιήθηση χρησιμοποιεί τόσο φυτά ξηράς, όσο και υδρόβια φυτά για την απορρόφηση, συγκέντρωση και έκκριση μετάλλων από μολυσμένα ύδατα (επιφανειακά ή υπόγεια).

Βιοαποδόμηση μέσω ριζόσφαιρας (ριζοαποδόμηση)

Κατά την μέθοδο αυτή τα φυτά εκκρίνουν από τις ρίζες τους συνήθεις ουσίες, με τις οποίες παρέχουν θρεπτικές ουσίες στους μικροοργανισμούς του εδάφους. Έτσι βελτιώνεται η βιολογική αποδόμηση από τους μικροοργανισμούς. Π.χ. οι ριζικές εκκρίσεις από τα φυτά αποτελούν πηγές άνθρακα (σάκχαρα, αλκοόλες και οργανικά οξέα) για την μικροπανίδα του εδάφους. Αυτές οι ενώσεις παροτρύνουν την αύξηση και την δραστηριότητα των μικροοργανισμών, ενώ επίσης ενεργούν ως χημειοτακτικά σήματα για τους μικροοργανισμούς.

Υδραυλικός έλεγχος

Με αυτό τον μηχανισμό τα μολυσμένα υπόγεια ύδατα αποκαθίστανται από δένδρα.

Εικόνα 4.1. Μηχανισμοί φυτοεξυγίανσης

Πίνακας 4.5. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μεθόδου φυτοεξυγίανσης