Examensarbete 30 hp
Institutionen för Samhällsteknik
Anaerob nedbrytning av TNT
Ett bioreaktorförsök på Vingåkersverken
Examensarbete vid Mälardalens Högskola
i samarbete med Cesium AB och Nammo Vingåkersverken AB
Utfört av Johan Lindmark Västerås, 20080908
Handledare Emma Nerenheim Examinator Monica Odlare
2
Abstract
A bioslurry reactor was built for the bioremediation of TNT contaminated waste from the demilitarization industry. The field test was conducted at Vingåkersverken in Vingåker, Sweden, to see if results from laboratory studies could be repeated in a full scale reactor. The goal of the project was to optimize the reactor to such a degree that it could be used to handle the waste produced at Vingåkersverken and also that this technique could be applied for remediation of contaminated soils. Unfortunately the samples taken during the full scale field test were destroyed by the shipping company and no analysis was possible. A later attempt by the Biorex research group has also been unsuccessful to reduce the amount of TNT using the bioreactor. How are we going to reach the results from the laboratory studies? The work continues.
3
Förord
Jag skulle vilja tacka alla som hjälpt mig att utföra detta projekt och jag hoppas att mitt arbete har lett till en lite djupare förståelse inom ämnet och fört oss ett steg närmare en fungerande reningsteknik. Alla kretslopp i samhället kan inte och får inte sluta på en deponi.
Förhoppningsvis så kommer denna teknik inte bara att spara pengar utan också naturens resurser så att vi kan närma oss ett hållbart samhälle.
Jag skulle vilja tacka Monica Odlare och Emma Nerenheim för att de gav mig möjligheten att få arbeta inom ett så intressant projekt och för att de har stöttat och hjälpt mig genom hela projektet. Jag skulle även vilja tacka Hans Wallin och Pekka Eriksson som har bidragit med sina stora kunskaper och sin tid för att hjälpa mig i mitt arbete.
4 Innehållsförteckning Enhetsförteckning ... 5 Inledning ... 6 Bakgrund ... 7 BIOREX ... 8 Syfte ... 9 Projektets delmål ... 9 Frågeställningar ... 9 Avgränsning ... 10 Litteraturstudie ... 11
Sprängämnen och deras metaboliters öde i en bioslurry ... 11
Näringsämnen ... 13 TNT ... 15 RDX och HMX ... 17 Mikrobiologisk nedbrytning ... 17 Anaeroba processer ... 19 Rötning ... 19 Denitrifikation ... 19 Bioslurry ... 21
Metod och material ... 22
Kemikalier och material ... 22
Bioslurry reaktorn ... 22 Förhållandena i reaktorn ... 24 Risker ... 25 Resultat ... 26 Optimering ... 28 Ekonomi ... 29 Diskussion ... 30 Slutsatser ... 32 Utvecklingsmöjligheter ... 33 Referenser ... 33 Litteratur ... 33 Internetkällor ... 36 Personliga kontakter ... 37 Bilaga 2. Provtagningsprotokoll ... 40 Bilaga 3. Försöksplan ... 41 Bilaga 4. TS-halt ... 42
Bilaga 5. Beräkningar av teoretiska mängder i reaktorn ... 43
5
Enhetsförteckning
Aerob – En organism eller en process som kräver syre. Anaerob - En organism eller en process som inte kräver syre.
Bioremediation - När bakteriernas nedbrytning optimeras för att bryta ner en eller flera olika sorters föroreningar.
BIOREX - Står för ”Biological Remediation of Explosives” och är ett forskningsprojekt där omhändertagandet av sprängämnen med hjälp av biologiska metoder undersöks.
Bioslurry – är en process där förorenad jord eller slam blandas med vatten och rörs om så att bakterier i blandningen ska kunna bryta ner de skadliga ämnena.
Energetiska material - Material som sönderfaller utan närvaro av luftens syre och andra energirika produkter. Explosiva ämnen och varor tillhör denna grupp av ämnen.
Ex-situ – innebär att de förorenade massorna grävs upp för behandling.
Fakultativt anaerob – mikroorganismer som kan använda sig både av syre och nitrat i sin metabolism.
HMX – High Melting Explosive (octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine)
In-situ – Är ett latinskt ord som betyder ”på plats” och i detta sammanhang betyder det att saneringen sker i marken där föroreningen finns.
Mikroearofil – En organism som för sin tillväxt behöver lite syre, men vars tillväxt förhindras av den normala syrehalten i luften
RDX – Research Department Explosive (hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine) TNT – Trinitrotoluen eller trotyl (2,4,6-trinitrotoluen)
6
Inledning
Människan har under årtionden gjort sig av med avfall och kemikalier och hanterat farliga ämnen helt okontrollerat och utan reglering. Detta har lett till att stora områden idag är förorenade och kan komma att behöva saneras för att skydda naturen och människans hälsa. I och med Rio-konferensen (1992) myntandes uttrycket ”Hållbar utveckling” och det började pratas om det hållbara samhället. Enligt tankarna runt den hållbara utvecklingen så ska alla dagens resurser utnyttjas på bästa sätt och kretsloppstänkandet ska styra användningen av dessa. Deponier är bara ett sätt att skjuta upp problemen till framtiden och är ett oerhört stort slöseri på våra resurser. Deponierna innebär potentiella risker för förorening av grundvattnet och sin omgivning på sikt och är på så sätt ingen slutlig lösning. Deponering är sedan 1 januari 2002 förbjudet för brännbart avfall och förbudet har även från 1 januari 2005 kommit att innefatta organiskt avfall (Lst i Dalarnas län).
Många olika metoder har tagits fram och används idag för att ta hand om markföroreningar av olika slag men stora delar av denna jord hamnar fortfarande på deponier. Biologisk
nedbrytning sker naturligt i marken om förutsättningarna är rätt. Det är markens bakterier som sköter nedbrytningen av de flesta organiska och oorganiska föreningarna och detta kan vi människor utnyttja på olika sätt. Bioremediering är en teknik som bygger på naturliga processer, vilka används för nedbrytning eller behandling av olika föroreningar. Bioremediering är ett försvenskat ord av engelskans bioremediation som betyder att
föroreningarna bryts ner av mikroorganismer, svamp eller gröna växter till en sådan grad att marken kan anses återställd eller att föroreningshalterna är så låga så att de klarar
myndigheternas krav och ligger under de gränsvärden som finns. En typ av bioremediation är när bakteriernas nedbrytning optimeras för att bryta ner en eller flera olika sorters
föroreningar. Optimeringen kan bestå av så enkla medel som att tillsätta vatten och näring till lite mer komplicerade och dyra förfaranden där bakterierna t.ex. hålls i en syrefri miljö, temperaturen styrs o.s.v. Bioremediation har dock fokuserats väldigt mycket på vissa speciella typer av föroreningar som exempelvis petroleum produkter men har stora möjligheter att utvecklas även för att bryta ner andra organiska föreningar. (National Research Council) Föroreningar som exempelvis klorerade lösningsmedel, PCBer, PAHer och många typer av pesticider kan potentiellt brytas ner med någon typ av biologisk reningsmetod. (Vidali, 2001) En sanering med biologiska metoder kan ske på många olika sätt. Föroreningen kan behandlas direkt i marken med olika typer av in-situ metoder, t.ex. bioventilering eller biosparging och liknande uppsättningar som alla går ut på att förbättra förutsättningarna i marken för att mikroorganismerna ska ta hand om föroreningarna. Föroreningarna kan även grävas upp och behandlas ex-situ antingen i anslutning till det förorenade området eller vid annan
behandlingsanläggning. Exempel på metoder som sker ex-situ är kompostering och bioslurrymetoden som ger en bättre kontroll och styrning på föroreningarna och den biologiska nedbrytningen. (Vidali, 2001)
Fördelen med de biologiska metoderna är att de är relativt billiga i jämförelse med andra sanerings- och reningsmetoder. Resultatet och tidsåtgången för de olika metoderna varierar dock väldigt mycket. Det finns flera olika sorters biologiska metoder men några av de enklare typerna är land-farming, kompostering och bioslurrymetoden.
Människan har haft användning av olika mikroorganismer sedan långt tillbaka i tiden. Bland annat så har de används vid tillverkningen av ost, vid bakning och framställning av vin och öl i olika jäsningsprocesser. Allt eftersom vi lärt oss mer om deras egenskaper så har de börjat
7 användas inom olika industrier för framställning av exempelvis mediciner, livsmedel och har kommit att börja användas för rening av processvatten och avloppsvatten. (Gray, 2005)
Aeroba och anaeroba processer för behandling av markföroreningar och slam av olika slag har i dagsläget börjat ta fart men har fortfarande ett väldigt smalt användningsområde. De
biologiska processer som de flesta har hört talas om idag är metoder som kompostering och till viss del även rötning som har börjat användas flitigt inte bara i Sverige utan i hela världen (Edström, JTI). Mer forskning krävs för att hitta nya och innovativa användningsområden och metoder vid vilka bakteriernas förmåga att bryta ner och omvandla olika föreningar kan utnyttjas. Sedan är det även en fråga om att kontrollera bakteriernas nedbrytning och omvandling för att lyckas optimera de olika processerna för att snabbare nå ett godtagbart resultat.
Det här examensarbetet har utförts som en del av forskningsprojektet BIOREX på
Mälardalens Högskola. BIOREX står för ”Biological Remediation of Explosives” och är ett forskningsprojekt som inriktar sig mot att med hjälp av biologiska metoder ta hand om jord, slam och processvatten som är kontaminerat med sprängämnen, exempelvis TNT. Specifikt så ska just detta examensarbete inrikta sig mot att utföra ett pilotförsök där TNT kontaminerat slam bryts ner av mikroorganismer i en bioreaktor. Bioreaktorn har även utformats som en del av projektet för att på bästa sätt kunna fylla dess syfte. Den bioreaktorn som konstruerats för projektet är på ca 2,5 m3 och är utformad för att kunna transporteras och utföra saneringen på plats. Forskning inom området sker runt om i världen med varierande resultat (Funk et al. 1993; Manning et al. 1995; Shen et al. 1998). Att bakterierna kan bryta ner TNT har redan fastställts (BIOREX) men hur ska processen optimeras och se ut för att den ska vara användbar inom industrin? Kommer detta avfall att kunna rengöras till sådan grad att
materialet går att återföra till naturen? Det är bara två av de många frågorna som omger detta forskningsprojekt.
Bakgrund
I slutet av 1800-talet hade de högexplosiva ämnena trinitrotoluene (TNT) och 2,4,6-trinitrophenol (picric acid) syntetiserats. Deras stabilitet och stöttålighet i jämförelse med nitroglycerin gav dessa energetiska material en stor fördel och då kanske speciellt inom vapenindustrin. Vid första världskrigets början var TNT det mest använda sprängämnet inom USA:s försvarmakt och kom under loppet av kriget även att börja användas av många andra länder. Utbredningen och användandet av TNT har därför blivit väldigt stor och på de platser och fabriksområden runt om i världen där sprängämnena har tillverkats och hanterats kan ofta höga halter av TNT uppmätas i jordlagren. (Lewis et al. 2002) Eftersom avfallshanteringen inte alltid varit så bra som idag kan även stora mängder sprängämnen avsiktligt blivit dumpade på områden där dessa material har hanterats. Dessa större ansamlingar/klumpar av TNT som blivit kvar på området förblir oförändrade under lång tid på grund av dess relativt låga upplösningstakt. (Pennington et al. 1995; Thiboutot et al. 1998)
Sanering av områden förorenade med olika typer av sprängämnen ligger i linje med Sveriges miljömål om en giftfri miljö. Eftersom TNT är en stabil och svårnedbrytbar molekyl så är den i kombination med dess toxiska effekter ett miljöhot (Walker och Kaplan, 1992).
Marksanering kan vara nödvändig på de platser där föroreningarna kan leda till skada på människor och djur. Vissa metoder finns redan för att hantera och sanera massor som är förorenade med olika sprängämnen och de vanligaste är jordtvätt och förbränning. Problemet med dessa saneringsmetoder är att slutresultatet innebär att stora mängder av jordmassorna hamnar på en deponi och värdefulla naturresurser går förlorade.
8
BIOREX
Projektet BIOREX startade under 2006. Målet med projektet var från början endast att utreda möjligheterna att bryta ner nitroaromatiska ämnen med hjälp av olika mikroorganismer. Idag har projektet utvecklats och behandlar flera olika miljötekniska applikationer för användning vid bland annat demilitarisering av minor och bomber, samt en ekotoxikologisk fördjupning. Inom BIOREX projektet har ett småskaligt försök utförts i laboratorium för att studera
nedbrytningen av TNT vid syrefria förhållanden. Försöket utfördes i mindre glasbehållare där en blandning bestående av jord, slam och vatten blandades med en framodlad bakteriekultur (odlad från jordens naturliga bakterieflora för att främja de denitrifierande bakterierna) och näringsämnen. Jord och slam blandades först separat för att få en TNT koncentration på 5-15% för att inte bakterierna skulle skadas av de annars toxiska nivåerna av TNT. Den färdiga blandningen rördes sedan om med hjälp av en liten motor vid en hastighet på 100 varv/min som fick gå under hela försökstiden. De prover som togs under försöket visar på att nästan 80% av den ursprungliga mängden TNT hade brutits ner efter bara fyra dagar. Den biologiska aktiviteten hade under denna tid sänkt pH från 7 till ett pH-värde runt 5 och hämmade fortsatt nedbrytning. Med pH höjande åtgärder tros resultatet kunna förbättras ytterligare. (BIOREX) Figur 1 nedan visar hur försöket såg ut.
Figur 1. Nedbrytning av TNT i laboratorium (BIOREX)
Projektet som den här rapporten beskriver är en fortsättning på detta småskaliga försök där en fullskalig bioreaktor ska konstrueras och köras. Den här tekniken är relativt ny och obeprövad men forskning som utförts runt om i världen har gett mycket goda resultat (Funk et al. 1993; Manning et al. 1995; Shen et al. 1998). Projektet sker i samarbete med innovationsföretaget Cesium AB som är med och konstruerar utrustningen och Nammo Vingåkersverken AB som är problemägare. Vingåkerverken har tagit hand om och demonterat gammal ammunition och andra typer av energetiska material i över 35 år och har innan dess, redan från 1967, även tillverkat explosiva produkter av olika slag. Företaget har utvecklat ett flertal processer för snabb demontering av olika typer av ammunition och explosiva produkter och återvinner stora delar av sprängämnena för civilt bruk i exempelvis gruvor och för andra applikationer
9 emot varje år så går även omkring 5000 ton metall till materialåtervinning. (BIOREX) Vid vissa av dessa demonteringsprocesser bildas restprodukter som inte går att återanvända och som måste tas om hand och skickas för behandling. Det är just där denna nya
behandlingsteknik har ett syfte att fylla, att bryta ner de rester av TNT och andra
explosivämnen som blir kvar efter demonteringen av exempelvis minor och på så vis undvika en omständig och dyr reningsprocess utanför fabriksområdet, något som dessutom kräver miljöbelastande transporter.
Syfte
Det övergripande syftet med det här projektet är att vidareutveckla en biologisk teknik för att bryta ner sprängämnen som förekommer i mark, sediment och slam. Projektets skall bidra till att en pålitlig, tidseffektiv och ekonomiskt fördelaktig metod kan tas fram för att bryta ner ämnen som TNT, RDX och HMX. Detta syfte har sedan delats upp i mindre delmål och frågeställningar för att kunna lösas på ett enklare sett.
Projektets delmål
1. Färdigställande av bioreaktorn för preliminära försök. Olika tekniska lösningar ska övervägas när det gäller bortledandet av gaser, möjligheter till att ta prover och tillsätta näringsämnen. Reaktorn ska också förslutas med ett lock och någon ventil så att en anaerob miljö kan upprätthållas i reaktionskärlet. Riskaspekterna runt projektet skall ses över och nödvändiga försiktighetsmått skall tas.
2. Ett fullskaligt försök ska utföras för att se ifall resultaten från försöken i laboratorium går att uppnå även i större skala och appliceras inom industrin. Under försöket ska prover tas av slammet efter ett i förväg bestämt schema och skickas till ett ackrediterat laboratorium för analys.
3. Sedan provsvaren har kommit ska resultaten analyseras och en diskussion skall föras över hur processen kan optimeras. Vid behov och i mån av tid kommer ytterligare försök att göras för att kunna jämföra resultaten efter justeringar har gjorts i försöksförfarandet.
4. Sammanställning av resultatet och slutsatser om saneringsteknikens möjligheter och
begränsningar. Tekniska lösningar ska i detta skede även sökas för en smidigare möjlighet till att fylla och tömma reaktorn under regelbunden drift.
Frågeställningar
Hur ska en bioreaktor vara uppbyggd för att fungera på bästa sätt? Hur kan processen optimeras?
10
Avgränsning
Examensarbetet utförs inom ett forskningsprojekt som kommer att fortgå under en längre tid och därför kommer inte det slutgiltiga resultatet av denna saneringsteknik kunna pressenteras i denna rapport.
Saneringstekniken är möjlig att använda för sanering av både industriavfall och förorenad mark som har förhöjda halter av TNT men det är applikationen mot industriavfall som till största del kommer att behandlas i denna rapport.
Bioreaktorn som konstrueras kan även komma att användas vid sanering av andra föroreningar än TNT i ett senare skede. Inga djupare efterforskningar av dessa alternativ kommer dock att göras inom projektet.
I rapporten kommer förutom TNT även sprängämnen som RDX och HMX att presenteras men endast i begränsad omfattning. Själva försöken är endast inriktat på nedbrytningen av TNT och därför kommer även rapporten att till största delen handla om detta.
Detta projekt är i första hand inriktat mot anaerob nedbrytning och därför kommer ingen detaljerad information omkring aerob behandling av TNT att redovisas i rapporten.
11
Litteraturstudie
Sprängämnen och deras metaboliters öde i en bioslurry
Många lyckade bioslurry försök har utförts på sprängämnen (Funk et al. 1993; Manning et al. 1995; Shen et al. 1998). I dessa studier har ingen TNT kunnat påvisas i materialet efter slutfört försök, men Funk påvisade i sin studie från 1993 att endast 0,5% av den totala
mängden TNT hade mineraliserats totalt. De återstående 99,5% har alltså bara omvandlats till andra typer av föreningar. Vad är det då som händer med dessa föroreningar?
Shen och Guiot m.fl. (1997) har undersökt vad som händer med sprängämnena TNT, RDX och deras metaboliter i en bioslurry under olika förhållanden. Blandningarna hade en TNT och RDX koncentration på 1000 mg/kg och 2000 mg/kg och i slurryn fanns även molekyler av båda typerna som var märkta med den radioaktiva isotopen C-14 som på så vis gör
sprängämnenas omvandling spårbar. Resultaten av dessa studier tyder på att det är en mycket liten del av den totala mängden TNT som blir helt mineraliserad (<2%), detta finns
åskådliggjort i figur 3. Stora delar av föroreningarna binds istället till jordmatrisen och det organiska materialet i någon form (figur 2). Då är frågan ifall resultatet av denna behandling ska sägas vara en lyckad sanering eller om en fortsatt fara för spridning och skadliga effekter finns? Figur 2 visar också på att stora delar av RDX binds till jordmatrisen och det organiska materialet på liknande sätt men att mineraliseringen av detta sprängämne var mycket bättre. Figur 4 visar resultatet av försöken där mineraliseringen av RDX uppgick till runt 60 % av den totala föroreningsmängden. Figur 3 och 4 visar även att en aerobisk fas i slutet på försöket kan förbättrar nedbrytningen och mineraliseringen av TNT och RDX ytterligare. T.A., Lewis (2004) skriver också att ett aerobiskt steg i slutet på den anaeroba behandlingen även får metaboliterna att irreversibelt binda till det organiska materialet i blandningen och detta resultat är han inte ensam om (Drzyzga et al 1999; Rieger och Knackmus, 1995).
Figur 2. Figuren visar mängden av sprängämnen och dess metaboliter som ej var extraherbara under bioslurryförsöken på TNT och RDX. ( , 14C-TNT under aeroba förhållanden; , 14 C-TNT under anaeroba förhållanden; , 14C-RDX under aeroba förhållanden och , 14C-RDX under anaeroba förhållanden.) (Shen et al.1997)
12 Figur 3. En graf över hur TNT mineraliseras i en slurry under anaeroba eller stegvis anaeroba-aeroba förhållanden. ( , Prov innehållande RDX, TNT och jord; , Prov innehållande RDX, TNT, jord och anaerobt slam; , kontrollprov med avdödade mikroorganismer.) (Shen et al.1997)
Figur 4. En graf över hur RDX mineraliseras i en slurry under anaeroba eller stegvis
anaeroba-aeroba förhållanden. ( , Prov innehållande RDX och jord; , prov innehållande RDX, jord och anaerobt slam; , Prov innehållande RDX, TNT och jord; , Prov
innehållande RDX, TNT, jord och anaerobt slam; , kontrollprov med avdödade mikroorganismer.) (Shen et al.1997)
Drzyzga och Bruns-Nagel (1998) m.fl. påvisar i sin forskning, angående TNT och dess metaboliters fastläggning i jordmatrisen, att mellan 41% och ända upp till 72% av det märkta TNT:t fastlades i jordmatrisen i form av olika metaboliter under anaeroba förhållanden. Den största delen fastlades i markens humuslager och till en viss del även i humus- och
13 Även om det bara är en liten del av TNT:t som bryts ner totalt så sker ändå en omvandling av sprängämnena till andra föreningar. Redan i ett tidigt stadium kunde nedbrytningsprodukterna 2-Aminodinitrotoluene (2-ADNT), 4-aminodinitrotoluene (4-ADNT),
2,4-diaminonitrotoluene (2,4-DANT) och 2,6-2,4-diaminonitrotoluene (2,6-DANT) observeras vid anaeroba förhållanden. Vid detta stadium kunde ända upp till 50 % av den initiala TNT koncentrationen ha omvandlats till någon av dessa nedbrytningsprodukter. Mot slutet av försöken så kunde även andra metaboliter identifieras som exempelvis triaminotoluene och p-creosol. (Shen et al. 1997)
De olika nedbrytningsprodukterna av TNT som har fastställts har även de en effekt på människan och miljön. Collie, m.fl. (1995) skriver om förändringen av mutagenicitet hos TNT vid mikrobiell nedbrytning under aeroba förhållanden, att alla intermediärer (2am, 4am, 2,4dNT och 2,6dNT) är mindre mutagena än TNT själv. Inga paralleller kunde dock dras mellan de olika metaboliterna och de mutagena effekterna i detta försök. Tan m.fl. (1992) kom även de fram till slutsatsen att intermedärerna är mindre farliga än själva sprängämnet TNT och kunde även dra slutsatser om de olika metaboliternas mutagenicitet. Liknande undersökningar har även utförts på de övriga av TNT:s metaboliter som är möjliga och endast tetranitroazoxy-derivativen visade sig ha högre mutagenicitet (George et al. 2000). Låg
redoxpotential under försöken innebär dock att bildandet av föreningar som azoxynitrotoluene undviks i stor utsträckning (Haderlein & Schwarzenbach, 1995; Haïdour & Ramos, 1996). Sprängämnet har i de försöken som utförts inom området generellt visat sig ha medel till låg toxicitet på djur som möss, råttor, hundar, ryggradslösa djur och fiskar samt salamandrar och daggmaskar. (Pennington & Brannon, 2002)
Näringsämnen
För att kunna bryta ner TNT behöver bakteriernas behov tillgodoses och en viktig del av detta är att se till att rätt typ av substrat och näringsämnen finns tillgänglig för mikroorganismerna. I ett försök av Harvey och Fredrickson (1997) så undersöktes effekten av att använda sig av tillsatser av olika sorters kolkällor/substrat för bakterierna i en bioslurry. Figur 5 är en graf som åskådliggör resultaten från ett av dessa försök. Grafen visar den initiala halten av TNT i jordprovet och vilka resultat som uppnåtts efter att anaerob nedbrytning har skett vid
användandet av de olika tillsatserna. De tillsatser som provades var enklare typer av kolkällor som potatisstärkelser, Toluen, Melass och en annan lite mer komplex tillsatts som Surfactant Tween 80 (Tw 80). Hot Moisture Oxidation (HMO) var ett försök att sterilisera jordproverna från mikroorganismer i en autoklav som resulterade i att TNT oxiderades på grund av den heta ångan. Med ”No additives” menas att ingen kolkälla har tillförts utan endast
näringsämnen i form av fosfor och kväve har tillförts. Resultatet visar på god nedbrytning av TNT vid de flesta tillsatserna och att de enkla kolkällorna även gav ett lågt värde på
koncentrationen av dess metaboliter. Tween 80 däremot gav väldigt höga halter metaboliter efter nedbrytningen. Figur 6 visar samma tillsatser som figur 5 förutom att nedbrytningen här skett vid mycket låga halter av syre istället för helt syrefritt (microearofilt). Här är det
tillsatsen av melass, potatisstärkelse och Tween 80 som var de bästa kolkällorna och resulterade i de lägsta nivåerna av TNT och dess metaboliter, dock inte det allra lägsta resultatet i försöket. Behandling i autoklaven gav nämligen det bästa resultatet.
14 Figur 5. Koncentration av icke C-14 märkta sprängämnen i jord med de naturliga bakterierna i en anaerob bioslurry flaska. (Harvey & Fredrickson, 1997)
Figur 6. Koncentration av icke C-14 märkta sprängämnen i jord med de naturliga bakterierna i en mikroearofil bioslurry flaska. (Harvey & Fredrickson, 1997)
Något som är mycket intressant med Harvey och Fredrickson (1997) resultat är att de försöken som utfördes efter att mer specialiserade bakterier från områden förorenade med TNT hade tillförts gav det sämsta resultatet. Detta kan bero på att två veckor var för kort tid för de frystorkade bakterierna att komma igång ordentligt enligt forskarna själva. Andra
15 alternativ skulle ju kunna vara en fråga om mängden tillförda bakterier och ifall de fått
chansen att tina ordenligt innan de tillsattes.
Melass är ett bra substrat och kolkälla för mikroorganismers tillväxt och används i stora delar av dagens forskning runt just nedbrytningen av TNT. Boopathy m.fl. (1994) skriver att melass påtagligt ökar nedbrytningstakten av TNT i jämförelse med andra kolkällor som har studerats. Dessa resultat och idéer har tagits tillvara i projektet.
TNT
Trotyl (TNT) är det historiskt sett mest använda sprängämnet. På grund av detta så är också trotyl det sprängämne som oftast återfinns i jordlagren som föroreningar runt militära anläggningar och fabriker. Anledningen till att just detta sprängämne har blivit en sådan framgång är den relativt billiga och enkla framställningen, möjligheten att pressa, smälta och gjuta den i formar eller hylsor och slutligen ämnets stabilitet. TNT är framställt genom att i sekvenser tillsätta en blandning av salpetersyra och svavelsyra till toluen. Detta leder till att toluen plockar upp en serie olika kvävegrupper och slutligen har vi trotyl eller trinitrotoluen som det också heter.( Lewis, 2003) TNT har en svårnedbrytbar struktur på grund av den symetriska placeringen av nitrogrupperna runt den aromatiska ringen (Figur 7). Denna formering innebär att nedbrytningen av TNT med hjälp av enzymet dioxygenase begränsas, ett enzym som ofta är delaktig i nedbrytningen av aromatiska föreningar. (Rieger et al. 1999) Figur 7 visar hur TNT är strukturerad.
Figur 7. Visar TNT:s struktur
Många olika nedbrytningsprodukter av TNT har identifierats. Problemet med dessa är att de flesta fortfarande innehåller en bensenring och olika kombinationer av kväveföreningar och kan därför fortfarande misstänkas ha toxiska och mutagena effekter. Det som sker vid exempelvis anaerob nedbrytning av TNT är att nitrogrupperna reduceras till aminer så att bakterierna i sin tur kan bryta bensenringen. ( Lewis, 2003) När TNT reduceras ombildas en eller flera av de tre kvävegrupperna till aminer och då vanligast till monoaminerna 2ADNT och 4ADNT (Riefler & Smets, 2000), men även diaminer och triaminer till en viss del. Diaminer och triaminer kräver bland annat mer energi för att bildas och hittas därför i mycket lägre koncentrationer i förorenad mark än monoaminer. (Pennington et al. 2001; Achtnich et al. 2000)
Vid låg redoxpotential så leder anaeroba processer till en snabbare och effektivare reducering av ämnen som TNT och bildandet av svårnedbrytbara föreningar som azoxynitrotoluene undviks (Haderlein & Schwarzenbach, 1995; Haïdour & Ramos, 1996). Vid reducerande
16 förhållanden så kan alla tre av TNT:s nitrogrupper reduceras till aminer och bilda
triaminotoluene (TAT). Clostridium och Desulfovibrio är två mikroorganismer som studerats utförligt för deras förmåga att bryta ner just TNT under anaeroba förhållanden enligt Esteve-NúÑez (2001) och han sammanställer mycket av dagens kunskap angående TNT:s
nedbrytningsvägar under bland annat anaeroba förhållanden (Figur 8).
Figur 8. Olika nedbrytningsvägar för TNT under anaeroba förhållanden. (Esteve-NúÑez, 2001)
TNT:s löslighet i vatten är fastställt till 101,5 mg/l vid 25°C (1)(Ro et al.; 1996) och har en log octanol/vatten koefficient fastställd till 1,86 (Gorontzy et al., 1994). Rörligheten hos TNT i marken har under laborativa förhållanden visat sig vara god. Sorptionen till markens
17 partiklar påverkas av pH värdet och koncentrationen av själva föroreningen, där högre
koncentrationer leder till större rörlighet (Comfort et al., 1995; Pennington och Patrick, 1990; Selim et al., 1995). De olika nedbrytningsprodukterna som bildas av TNT i marken gör dock föroreningens rörelsemönster väldigt komplicerad. Vid reducerande förhållanden bildas bland annat aminodinitrotoluen som fastläggs i högre grad än TNT själv gör. Spalding och Fulton (1988) har efter en platsspecifik undersökning kommit till slutsatsen att TNT föroreningen stannar nära ytan och att rörligheten i grundvattenplymen är begränsad.
RDX och HMX
Både RDX och HMX har en sprängverkan som är 1,5 ggr högre än föregångaren TNT. Dessa ämnen tillverkas vid liknande processer och därför är det inte ovanligt att stora mängder HMX återfinns i sprängämnet RDX. RDX har i dagsläget tagit över TNT:s dominerade plats som det mest använda sprängmedlet inom USA:s arme. Men det finns en nackdel med RDX och detta är dess höga smältpunkt som inte tillåter den att pressas eller gjutas i sin rena form. Av denna anledning blandas den ofta med TNT för att bilda komposition B som består till 60% av RDX och 40% av TNT. ( Lewis, 2003) Att flera olika sorters sprängämnen nu används kan leda till en mer komplicerad föroreningsbild om inte avfallshanteringen sköts och om inte alla nödvändiga försiktighetsåtgärder tas för att skydda mot spill och liknande. RDX har en vattenlöslighet på 42,3 mg/l vid 20°C och och HMX har en vattenlöslighet på 5 mg/l vid 25°C (Gorontzy et al., 1994). Vattenlösligheten är alltså mycket lägre för dessa ämnen än för TNT. Trots detta visar ett flertal studier på RDX stora rörlighet i mark (Selim et al., 1995; Selim och Iskandar, 1994;Sheremata et al., 2001) och grundvatten (Spalding och Fulton, 1988) i jämförelse mot TNT.
Mikrobiologisk nedbrytning
Bakterier kan bryta ner de flesta organiska föroreningarna till koldioxid, vatten och andra naturliga strukturer bara förutsättningarna är de rätta. Det finns många olika faktorer som påverkar bakteriernas tillväxt och aktivitet och de viktigaste av dessa är mängden fukt, ph, temperatur, näring och syreförhållanden.
Bakterierna består till stor del av vatten och många reaktioner som bakterierna använder sig av kräver att vatten finns i tillgänglig form. Det är alltså viktigt att bakterierna har tillgång till fukt eller större mängder vatten för att överleva och att populationen skall kunna växa till sig. Det gäller dock att det vattnet som finns i marken är tillgängligt för mikroorganismerna, ifall vattnet exempelvis är för hårt bundet till vissa föreningar, partiklar eller om salthalten i vattnet är för hög kommer inte bakterierna att kunna utnyttja vattnet. (Johansson, 1998)
Temperaturen har stor betydelse för bakteriernas aktivitet. För höga temperaturer kan skada vissa enzymer som krävs för bakteriernas metabolism och på så sätt hindra vidare nedbrytning och tillväxt. Bakteriernas aktivitet ökar ofta med ökad temperatur och därför hamnar ofta den optimala temperaturen strax under just den kritiska punkten vid vilket enzymet skadas och förstörs. (Madigan et al. 2006) Hastigheten vid vilket bakterierna arbetar är ju olika beroende på vilka föreningar som ska brytas ner men bra att veta är att deras aktivitet fördubblas vid en temperaturhöjning på ca 10 oC. Det går heller inte att säga något allmänt om vid vilka
temperaturer som olika bakterier trivs vid eftersom de även kan leva vid temperaturer över 100 oC och vid minusgrader som skulle ta död på de flesta organismer. (Johansson, 1998)
18 pH-värdet inom vilket olika bakterier arbetar som bäst ligger inom intervallet 6-8 (National Research Council). Vid för höga pH värden så är det inte längre effekten på bakterierna som sätter begränsningen utan tillgängligheten till näringsämnen. Vid höga pH-värden försvåras bakteriernas möjlighet att tillgodogöra sig näringsämnen som fosfor och kväve. (Johansson, 1998)
Syremängden som bakterierna vill ha varierar mycket och olika slags nedbrytning sker vid de olika syreförhållandena. Man brukar särskilja aerob, anaerob, fakultativt anaerob och
mikroaerofila bakterier och processer (se enhetsförteckning) beroende på mängden syre som mikroorganismerna behöver eller som den specifika processen kräver. Vid aerob nedbrytning använder mikroorganismerna syre som elektronacceptor i sin metabolism och vid anaerob nedbrytning är det nitrat som fyller den funktionen. En elektronacceptor är en atom eller molekyl som har en tendens att ta upp eller dela elektroner med en elektrondonator. När en elektron har gått över helt till en annan molekyl så är det en redoxprocess (reduktions-/oxidationsprocess) som ägt rum. (Lester, 1999)
De olika försöken som utförts runt nedbrytningen av TNT i bioslurry har utformats på många olika sätt. Men en faktor för den mikrobiella nedbrytningen som ofta kommit i fokus är ifall processen skall vara aerob eller anaerob. Price, Brannon och Hayes (1995 & 1997) skriver i sin forskning att nedbrytningen går snabbare under anaeroba förhållanden än vid aeroba förhållanden men att båda metoderna går att använda till att bryta ner TNT. Många forskare har även provat kombinationer av aerob och anaerob nedbrytning av TNT och tycker att detta är den bästa lösningen (Drzyzga et al 1999; Rieger och Knackmus, 1995; Lewis, 2004). Denna kombination leder till en större mineralisering och en större fixering av de metaboliter som återstår. Ahmad och Hughes (2000) föreslår även de att ett aerobiskt steg skulle förbättra resultatet av nedbrytningen. I deras forskning med mikroorganismen Clostridium har ett aerobt steg visat sig bryta ned aminophenoler och på så vis hjälpa till med mineraliseringen av nitroaromatiska föroreningar. Kunskapen om att ett efterföljande aerobt steg skulle kunna öka på nedbrytningen är något som skulle användas för optimering av denna process efter att preliminära, helt anaeroba, försök har avslutats.
Att bakterierna bryter ner föroreningarna är oftast ingen tillfällighet. De behöver
beståndsdelarna i föroreningarna för sin uppbyggnad och energiförsörjning och är högst nödvändigt för deras överlevnad och reproduktion. Största delen av bakteriernas biomassa består av kol och är därför ett av de viktigaste näringsämnena. Andra viktiga ämnen för deras uppbyggnad är ämnen som fosfor, P, Kväve, N, och svavel, S. Bakterier tar upp kol på olika sätt. Vissa tar upp oorganiskt kol direkt från luftens koldioxid och dessa benämns som
autotrofa bakterier. Andra använder sig av organiska föreningar direkt i marken och benämns då som heterotrofa bakterier. Bakterierna kan även ta upp sin energi på olika sätt, antingen från solljuset (fototrofa) eller genom oxidationsreaktioner (kemotrofa). Kemotrofa bakterier är de som visat störst potential att bryta ner föroreningar av olika slag. (Lester, 1999)
Kometabolism är en process där ett ämne sönderdelas av en tillfällighet och de enzymer som bakterierna producerar för att bryta ner födoämnen till sin egen metabolism även bryter ner ett annat ämne i sin omgivning. Detta drar bakterierna ingen eller liten nytta av men processen går att utnyttja vid nedbrytning av markföroreningar. (National Research Council) Att
nedbrytning av TNT är en kometabolistisk process har påvisats vid flera tillfällen. Osmon och Klausmeier påvisade redan 1972 i sina försök med jästextrakt att ingen nedbrytning skedde i de kontrollbehållarna som inte hade jäst som ett näringssubstrat utan endast innehöll TNT som en möjlig näringskälla. Att ingen nedbrytning sker med endast TNT tyder på att det inte
19 är just sprängämnet som mikroorganismerna försöker bryta ner utan att det är en process som sker vid sidan om deras metabolism. Manning, Kulpa och Boopathy m.fl (1995) kommer fram till samma resultat i sin forskning men de använde succinate som kolkälla istället för jäst. Risken som finns vid en kometabolistisk process är att andra organismer som inte medverkar i den önskade nedbrytningen av TNT kan gynnas av de olika åtgärderna istället för de
mikroorganismerna som näringstillsatserna är avsedda för. Därför har studier även utförts för att hitta rena kulturer av bakterier som kan bryta ner föroreningen. (Lewis, 2003)
Anaeroba processer
Det finns flera processer som kan komma att ske i reaktionskärlet med bland annat produktion av gaser som resultat. Rötning och denitrifikation är möjliga processer som skulle kunna ske inuti bioreaktorn. Nedbrytning av sprängämnen i naturen är oftast väldigt långsam och det är en av orsakerna till att det är så svårt att studera nedbrytningen av dessa i fält. Anaeroba förhållanden har dock visats sig vara mer fördelaktiga för en mineralisering till enkla föreningar som metan och koldioxid än vid aeroba förhållanden. (Pennington & Brannon, 2002)
Rötning
Rötning är benämningen på en jäsningsprocess som sker under helt syrefria förhållanden för framställningen av biogas. Under processen är det tre typer av bakterier som deltar och bryter ner organiskt material. Resultatet av nedbrytningen blir den så kallade biogasen som består av 60 volymprocent metan och 40 volymprocent koldioxid. (nationalencyklopedin) Metangas är en brandfarlig gas som lätt kan antända vid kontakt med en öppen låga. Gasen kan trycka undan luft och leda till kvävning helt utan förvarning. Gasen skall förvaras i väl ventilerade utrymmen som är jordad och därmed fri från statisk elektricitet. (Air liquide, 2005)
Denitrifikation
Denitrifikation är en biologisk process under vilket de oxiderade kväveföreningarna nitrit och nitrat sönderfaller till kvävgas (N2), kväveoxid (NO) och dikväveoxid (N2O). Bakterierna
använder i detta fall syret i föreningarna i sin ämnesomsättning. Den här reduktionsprocessen sker naturligt i syrefattiga miljöer som exempelvis en stillastående vattensamling och kan användas för att minska kväve mängden i mark eller vatten. Processen används bland annat i avloppsreningsverk för att minska mängden kväve i vattnet. (nationalencyklopedin)
Det finns flera olika typer av bakterier som kan delta vid denitrifikationen men de två vanligaste grupperna är Hypomicrobium sp. och Pseudomonas sp. (Håkansson, 1999). Denitrifierande bakterier är oftast kemotrofa vilket innebär att de använder sig av organiskt kol för sin uppbyggnad och energiproduktion (Ingesson, 1996). De denitrifierande bakterierna är fakultativa aerober och överlever därför vid både aeroba och anaeroba förhållanden. De använder i första hand syre till sin andning men övergår vid anaeroba förhållanden till att använda olika kväveföreningar som elektroacceptorer (Carlsson & Hallin, 2000). Syre är en bättre elektronacceptor än nitrat och resultatet av detta blir att denitrifikationen hämmas av höga syrekoncentrationer (Lie, 1996). Därför är det väldigt viktigt att syrehalten förblir låg under processen då den aeroba denitrifikationen endast omvandlar 0,3-3 % av
kväveföreningarna i jämförelse med den anaeroba processen (Ingesson, 1996). Reaktionsförloppet för denitrifikation ser ut så här:
20 NO3- NO2- N2O N2
Forskning har visat att nedbrytningen av TNT under anaeroba (reducerande) förhållanden går snabbare än vid aeroba förhållanden. Under försök vid starkt reducerande förhållanden (Eh = -150 mV) visade det sig att det bara krävdes 1 dag för TNT att brytas ner i jämförelse med 4 dagar vid aeroba förhållanden (Eh = +500 mV). (Price et al. 1995; Price et al. 1997) Vid ett bioslurryförsök så kan redoxpotentialen dock variera mycket bland annat beroende på vilken gas som fyller upp tomrummet i reaktorn och mängden syre i det fasta materialet samt i vattnet. Redoxpotentialen bestäms även av de redoxkänsliga ämnena som finns i slurryn som t.ex. svavel, magnesium, järn samt mängden organiskt material och mikroorganismernas aktivitet. För större kontroll över en anaerobisk nedbrytning så kan kvävgas användas att tvinga undan syret i behållaren och vatten med låg syrehalt kan användas. På detta sätt kan de anaeroba processerna komma igång snabbare.(Myers et al. 1998)
Enligt Ingesson (1996) är en låg syrehalt, neutralt pH, en hög vattentemperatur och god tillgång på nitrat och kol fördelaktiga förhållanden för denitrifikation. Denitrifikationen kan dock ske inom temperaturintervallet 4-25 oC och vid ett pH värde mellan 7-8 enligt Ingelsson, men forskarnas är inte helt eniga i den frågan. Enligt Leonardsson (1992) kan
denitrifikationen exempelvis ske inom temperaturintervallet 2-25 C och vid ett pH värde mellan 6-9 oC.
Vid anaerob denitrifikation krävs det tillsatser av organiskt material som en extra kolkälla. Björlenius (1988) drog slutsatserna från sina försök att denitrifikationshastigheten troligen ökar beroende på kolkällans tillgänglighet, nedbrytbarhet och beroende av storleken på kolkällans molekyler. Ju enklare molekyler desto fortare går processen. Bland de enklare kolkällorna har vi exempelvis alkoholer som metanol och etanol. Stärkelser, socker eller råsirap är exempel på lite mer komplicerade organiska föreningar som fungerar bra som kolkälla. Ättiksyra ger vanligtvis den högsta denitrifikationshastigheten (Carlsson & Hallin) Vid ofullständig denitrifikation kan lustgas bli resultatet. Lustgas är en oxiderande gas vilket innebär att den vid felaktig användning eller i kontakt med andra ämnen kan explodera eller börja brinna. Av den anledningen skall lustgas under tryck användas med försiktig i närheten av brännbara ämnen (speciellt oljor och fetter). Gasen är tyngre än luft och kan därför komma att ansamlas om inte tillräckligt bra ventilering finns. Gasen har en bedövande effekt på människor och kan leda till illamående, yrsel, andningsbesvär, kramper och medvetslöshet vid inandning. (Air liquide) Det gäller därför att vara uppmärksam på dessa tecken så att inga allvarliga hälsorisker uppstår.
Lustgas är en växthusgas som i atmosfären bidrar till växthuseffekten och därmed klimatet här på jorden. Gasen bidrar även till att bryta ner ozonskiktet uppe i stratosfären och bör av dessa anledningar inte släppas ut i atmosfären i större mängder.
21
Bioslurry
Denna metod kan användas för både slam och för förorenade jordar med skillnaden att jorden ofta innehåller större partiklar som måste tas bort innan behandling. För jord innebär detta massorna grävs upp och siktas för att ta bort allt större material med partikelstorlekar över 6 mm. Jorden eller slammet blandas sedan för att få en 10-40% blandning tillsammans med vatten. Slurryn blandas sedan om kontinuerligt för att mikroorganismerna ska få så bra kontakt med föroreningarna som möjligt. I reaktorn så kan förhållandena styras och
kontrolleras på ett lätt sätt. I bioreaktorn så kan antingen aeroba eller anaeroba förhållanden vidhållas för att få den sortens nedbrytning som eftersträvas. Vidare så kan temperatur, pH, mängden syre och mängden näringsämnen kontrolleras och regleras allt eftersom
nedbrytningen sker. Kvävgas används ofta för att bibehålla anaeroba förhållanden i en reaktor då den effektivt tränger bort allt syre. Nackdelen med bioslurrymetoden är att utrustningen kan kosta mer än för många av de andra biologiska metoderna, att siktning av massorna kanske måste utföras innan själva nedbrytningen kan påbörjas och att det krävs mer arbete för att nå resultatet. Fördelarna med denna behandlingsteknik är att den kräver mycket mindre yta, den går snabbare än de andra biologiska metoderna och de producerade gaserna kan på ett enkelt sätt samlas upp om detta skulle vara nödvändigt. Den här behandlingen är i första hand avsedd för ämnen som lätt löses i vatten medan oljor och fetter tar längre tid att bryta ner. (Zappi et al, 1995) Den biologiska nedbrytningen av TNT går snabbare i den kontrollerade miljön i en bioreaktor (bioslurryreaktor) än vid andra biologiska metoder som exempelvis kompostering, land-farming och fytoremediation (Williams et al. 1992)
Till bioslurryn måste en kolkälla tillsättas av något slag i form av exempelvis potatisstärkelse eller melass, en buffertlösning för att hålla pH-värdet uppe (t.ex. en fosfatbuffert) och
nitratkälla av något slag (t.ex. ammonium eller gödsel).( Lewis, 2003) Vid en anaerob process så sker en denitrifikation i reaktorn. Denitrifikationen är i sig en pH-höjande process som kommer att hålla uppe pH värdet tills bakteriernas tillgång till nitrat blir begränsad och andra processer tar över. (Monica Odlare, Mälardalens högskola) Anledningen till att pH-värdet sjunker vid fortsatt anaerob behandling är att fermentationen eller den mikrobiella
metabolismen producerar syror av olika slag. Vid liknande experiment har nämligen lactat och acetat påvisats. (Lewis, 2004)
Beroende på vilken förorening som ska brytas ner så kan förutom markens naturliga inslag av bakterier även andra arter tillsättas. Det kan vara en viss bakterie eller en hel uppsättning av arter som har visat sig klara att ta hand om den specifika föroreningen. Bakterierna kan komma från ett laboratorium och vara speciellt utvalda för detta ändamål eller bara en odling på bakterier som finns naturligt i marken eller på det förorenade området.
När jord från en förorenad plats ska behandlas med bioslurrymetoden så ligger de största kostnaderna i grävningen och siktningen av massorna förutom själva inköpskostnaden av bioreaktorn (Lewis, 2004). De löpande driftkostnaderna är relativt låga och består av arbetskraft, elenergi till motorn och tillsatser av näringsämnen.
22
Metod och material
Kemikalier och material
En fosfatbuffert blandades till från en stamlösning. Fosfatbufferten bestod av 0,078 g KH2PO4
och 0,251 g K2HPO4 per 2 liter buffert. Kemikalierna är av PA-kvalitet (Pro Analysis).
Näringstillsatser gjordes en gång i veckan med 10 liter melass. Melassen är ett näringsmedium som till största delen består av socker som förser bakterierna med en
lättåtkomlig kolkälla. Melassen är inköpt från Granngården i Västerås och används vanligtvis som tillsats i djurfoder.
Bioslurry reaktorn
Bakterieympen som användes i försöket kommer från en branddamm i Lindesberg som är starkt förorenad med TNT och därmed innehåller en sammansättning av mikroorganismer som klarar högre halter av föroreningen. Ympen hämtades den 28 maj och förvarades i frysen fram till försökstillfället (bilaga 2). Sprängämnena som användes i försöket kommer ifrån Nammo Vingåkersverken AB som ligger i Södermanland, strax utanför Katrineholm. Försöket utfördes på restprodukter från verksamheten i form av ett slam. Slammet består till 70-80% av ren TNT och jorden som användes i försöket var vanlig matjord, dvs. en jord med hög halt organiskt material, relativt högt pH-värde och rikt på näringsämnen av olika slag. I slammet kan det även finnas spår av olika typer av färgrester, fetter och vax som har funnits på det krigsmaterialet som demonterats.
En försöksplan (Bilaga 3) sammanställdes innan påbörjat försök för att förenkla uppstarten av reaktorn och alla prover under försöket togs ut enligt tydliga instruktioner (Bilaga 1). Både jord och slam uppmättes efter volym eftersom densitet och fuktmängd inte var känd.
Förhållandet mellan slam och jord var bestämt till 1:7 då den slutliga blandningen skulle ha en TNT halt på maximalt 10% (bilaga 5). Till denna blandning tillsattes vatten för att få en jämn och smidig blandning. Vattnets uppgift i reaktorn är att göra mikroorganismerna och
föroreningarna mer rörliga och på så vis öka chansen för att mikroorganismerna kommer i kontakt med föroreningarna. En bra blandning och omrörning kan på det viset påskynda nedbrytningen av TNT:t. Mängderna av jord, slam och vatten som användes i reaktorn under försöket presenteras i tabell 1. Den totala volymen på blandningen är dock inte den samma som den totala volymen tillsatser utan vattnet fyller porerna i massan och innebär därför ingen större volymökning.
Tabell 1. Reaktorns innehåll.
Volym (l) Procent Jord 560 73,5% slam 81 10,6% Vatten 121 15,9% Totalt 762 100%
Efter att blandningen gjorts i ordning tillsattes ympen och reaktorn startades och fick rotera med en hastighet av 2 varv/min. Att ympen tillsätts när blandningen redan är klar är väldigt viktig, då en för hög TNT halt potentiellt skulle kunna döda alla mikroorganismer. Efter uppstarten skedde provtagningen vid de förutbestämda datumen (bilaga 2) enligt
23 nödvändigt för att bakterierna ska ha tillgång till en tillräckligt stor mängd kol för sin
uppbyggnad och tillväxt. Varje vecka innan dessa tillsatser gjordes så mättes även pH-värdet för att följa utvecklingen i bioreaktorn. Vid för låga pH-värden ( pH under 6) så skulle även en fosfatbuffert tillsättas för att inte nedbrytningen av TNT skulle avta.
Bioreaktorn är i grunden en modifierad komposteringsanläggning som har konstruerats av Cesium AB. Komposteringsanläggningen ser ut som en cylinderformad trumma på 3,2 m3
(bilaga 6) som hålls på plats av en stålkonstruktion och som med hjälp av en elektrisk motor roterar med en hastighet på 2 varv/min. Denna konstruktion har sedan genomgått vissa modifikationer för att möta de krav som ställs på bioreaktorns funktioner.
Bioreaktorn har försetts med ett lock som hålls fast med hjälp av ett antal låsanordningar och försluter rektorn från luftens syre med en tättslutande gummilist, detta för att inte störa den biologiska aktiviteten. Locket är även försedd med en mindre lucka som öppnas med hjälp av en skruvanordning för att prover lätt ska kunna tas medan bioreaktorn är i drift. Av
säkerhetsskäll skall dock motorn som får reaktorn att rotera stängas av under själva provtagningen.
Ett vattenlås som endast tillåter att ett tryck på 0,02 bar kan byggas upp inuti reaktorn har installerats och förhindrar att syre kan tränga in. Det är viktigt att trycket inne i bioreaktorn inte tillåts stiga allt för mycket eftersom materialet som reaktorn är konstruerad av skulle kunna ge med sig och att dyra och tidskrävande tillstånd och kontroller krävs av kärl som ska klara högre tryck (Börje Bergström, Nammo Vingåkersverken). Tidigare hade en backventil på 0,5 bar anslutits till reaktorn men byttes ut p.g.a. kraven på tillstånd. Anledningen till att ett vattenlås/backventil av något slag måste installeras är för att den biologiska processen som ska ske i reaktorn är en anaerob process, d.v.s. en process som sker vid syrefria förhållanden. Eftersom försöket utfördes så sent på året så tillsattes även alkohol till vattenlåset
(spolarvätska) så att det inte riskerade att frysa vid tillfälliga temperaturer under 0 oC. Vattenlåset skulle sedan lätt kunna anslutas till en slang eller liknande för att leda ut gaser från ett dåligt ventilerad utrymme.
Två stycken provtagare har utformats och konstruerats för försöket. Dessa provtagare ska användas för att ta ut prover på 1-2 deciliter ur bioreaktorn på ett enkelt och smidigt sätt. De två provtagarna är utformade för två möjliga eventualiteter eller konsistenser på blandningen. Den ena provtagaren är konstruerad för att ta upp en kladdigare blandning som utnyttjar blandningens egna vidhäftande egenskaper för att få med sig ett prov (figur 9) och den andra provtagaren har konstruerats för en mer lös blandning som måste inkapslas helt för att inte provet ska rinna undan. Efter att båda provtagarna prövats på blandningen så visade det sig att den enklaste av de två provtagarna fungerade bäst, dvs. den som utnyttjade blandningens egna vidhäftande egenskaper.
24 Figur 9. Provtagare
Förhållandena i reaktorn
Reaktorn roterar med en hastighet av 2 varv/min och den blöta blandningen, vars konsistens kan sägas likna en milkshake, rörs om med hjälp ett par skenor på bioreaktorns insida. Dessa skenor drar upp det material som ligger längst ned i botten av den roterande trumman och tar upp den till ytan så att TNT-molekylerna hela tiden får möjlighet att komma i kontakt med de aktiva mikroorganismerna. I reaktorn förbrukas snabbt det tillgängliga syret och nedbrytningen blir anaerob med resultatet att reducerande förhållanden uppnås. Temperaturen i reaktorn varierar med yttertemperaturen men ligger hela tiden lite över omgivningen på grund av mikroorganismernas aktivitet. Tabell 2 visar några av de bakterier som kan tänkas vara verksamma i bioreaktorn. pH-värdet ligger strax under 7 vid start men nedbrytningen kommer så småningom att få pH-värdet att sjunka allt eftersom all tillgänglig nitrat har tagit slut och fermentationen bildar fler syror.
Tabell 2. Mikroorganismer som klarar av att bryta ner och omvandla TNT (Esteve-Nunez et al. 2001).
TNT är ett ämne som är relativt svårnedbrytbart på grund av den stabila aromatiska ringen som ingår i föreningen. Denna typen av mekanisk blandning och de optimerade förhållandena för bakterierna krävs för att föroreningen ska kunna brytas ner inom en rimlig tidsperiod.
25
Risker
Bioreaktorn ställdes upp på Vingåkersverket i byggnaden F23 (figur 10) för de preliminära försöken. Byggnaden förser reaktorn med ett tak och skydd från väder och vind samtidigt som tillräcklig ventilation kan tillgodoses. Byggnadens ena sida stängs endast med hjälp av en gallerförsedd grind som är låst för obehöriga. Försöken begränsas till viss del av
yttertemperaturen när den står på det här sättet men så länge inte temperaturen går under 0 oC så kan försöken utföras utan problem (Monica Odlare, Mälardalens högskola). Placeringen av reaktorn innebär att riskerna för att människor ska komma i kontakt och skadas av de rörliga mekaniska delarna eller de potentiellt giftiga ämnena i reaktorn minskas avsevärt.
Figur 10. Biorektorn står uppställd i byggnad F23 på Vingåkersverken.
Vid anaerob nedbrytning är produktion av metangas en möjlighet. Denna gas är brandfarlig och det får därför inte ske någon rökning i närheten av bioreaktorn. Detta är inget större problem dock, för på Vingåkersverken får rökning endast ske inom speciellt avgränsade området, eftersom explosiva ämnen hanteras dagligen.
Statisk elektricitet är en energi som uppkommer vid förändringar i materialets
laddningstillstånd, d.v.s. att materialet av någon anledning får ett överskott eller underskott av elektroner och därmed får en laddning. Laddningarna kan uppkomma av flera anledningar, men de tre vanligaste är att två material gnids mot varandra, att två materialytor separeras från varandra eller att ett yttre statiskt fält påverkar materialet. (Swedish Electro static AB)
Laddningarna som bildas i materialet kan sedan ”hoppa” över till ett annat material i ett försök att utjämna dess laddning. Detta fenomen går att höra som ett knäppande när vi drar på oss en tröja, som en stöt eller som en liten blixt när vi kommer i kontakt med exempelvis ett trappräcke eller en bildörr.
Det går att undvika denna sortens uppladdning på flera olika sätt. Det går bland annat att lösa genom att jorda materialet, använda sig av en kolfiberborste eller andra material som
avlägsnar laddningar eller en mer aktiv avlägsning med en jonisator som laddar upp luften med olika laddningar för att utjämna de obalanser som uppstår i materialen. Genom att öka
26 luftfuktigheten minskas risken för uppkomsten av statiska laddningar och ifall utrustningen blir helt täckt av vatten försvinner risken helt. (Swedish Electro static AB)
Statisk elektricitet skulle kunna innebära en risk i försöket. Vid en urladdning så hoppar elektronerna likt en blixt till en annan partikel eller föremål för att försöka utjämna denna obalans i laddningstillståndet. Denna urladdning skulle kunna leda till att gaserna i
reaktionskärlet antänds och ska därför undvikas. Trotyl kan inte själv antändas p.g.a. statisk elektricitet (KCEM:s utbildning i Explosivämneskunskap grundkurs 1 och 2) utan kräver mer energi för att en reaktion skall kunna ske. Vid anaeroba processer som denna så bildas dock metangas som skulle kunna antändas vid en sådan urladdning.
Att hälla på vatten är ett effektivt sätt att undvika statisk elektricitet (Swedish Electro static AB) och därför kommer inte detta bli ett större problem inne i bioreaktorn då bioslurryn till stor del kommer att bestå av vatten. Den delen av reaktorn som inte direkt kommer att vara kontakt med vatten skyddas till viss del från uppkomsten av statisk elektricitet av att en hög luftfuktighet erhålls. Dessa ytor bör konstrueras av sådant material som inte ger upphov till denna typ av laddningar. I den reaktor som konstruerades för försöket på Vingåkersverket har det dock visat sig att alla ytor i reaktorn blivit täckt av ett tunt lager av den fuktiga
blandningen men statisk elektricitet skulle möjligen kunna vara ett större problem ifall reaktorn hade utformats på ett annorlunda sätt.
Friktion i reaktionskärlet skulle också kunna vara en möjlig risk för antändning av
sprängämnena i reaktionskärlet. Vid friktion och tryck kan värme alstras som kan leda till antändning. Vattnet i reaktionskärlet kommer dock att kyla dessa kontaktytor och effektivt leda bort och sprida värmen som alstras pga. friktionen.
Vid hanteringen av sprängämnen så är det första människor tänker på risken att det skulle kunna explodera. I reaktorn hålls en TNT halt på maximalt 10 % för att inte de toxiska effekterna av ämnet skall ha för omfattande effekter på bakteriekulturen. Enligt Hans Wallin på KCEM (Kompetens Centrum för Energetiska Material) så kan inte TNT explodera i en blandning där det finns mindre än 20 % av sprängämnet. Vid högre halter av TNT så är även då riskerna mycket små och det skulle krävas stora krafter för att få den stabila massan att explodera.
Resultat
Försöken som utfördes mellan 24 september och 22 oktober 2007 gav aldrig några
analysresultat då proven oturligt nog skadades under transporten till laboratoriet. Lärdomar som kan dras av detta är att aldrig låta ett transportföretag ansvara för leveransen av viktiga prover.
Att den biologiska processen var i full gång under försöken råder det ingen tvivel om då pH-värdet sjönk under försöken och en tryckskillnad kunde påvisas både vid öppnandet av provtagningsluckan och att gasbubblor tog sig genom vattenlåset. pH-värdet mättes
kontinuerligt under försöket för att få en uppfattning om vad som händer i reaktorn och vilka processer som sker. Resultatet av dessa mätningar visas i tabell 2.
27 Tabell 3. pH-värdet i reaktorn
pH-mätningar
Datum 2007-10-02 2007-10-09 2007-10-15 2007-10-23 pH 6,01 6,26 5,65 -
Att ph sjunkit under försöket berodde med största sannolikhet på att all lättillgänglig nitrat i blandningen blivit förbrukad med resultatet att denitrifikationen avstannar. Melass kanske inte lyckas tillföra en tillräckligt stor mängd nitrat till bakteriernas nedbrytning. Denitrifikationen är i sig en pH höjande process och därför kan slutsatsen dras att processen vid den sista mätningen hade avstannat. (Monica Odlare, Mälardalens högskola) För att hålla pH på en acceptabel nivå så kan en buffert tillföras och fler lättillgängliga nitrater i form av exempelvis något slags gödningsmedel.
Vid uppstart så togs ett prov av blandningen för att avgöra förhållandet mellan vatten och fast material i blandningen. Efter att vattnet torkats bort i en ugn så kunde torrhalten bestämmas till 66,07 % och vattenkvoten till 51,37 % (bilaga 4). Om denna blandning var bra eller inte har dock inte kunnat bekräftas p.g.a. avsaknaden av analysresultat.
Ytterligare försök utfördes av Thomas Berggren på Vingåkersverken, efter jag avslutat mitt projekt, med mindre bra resultat. Resultat som knappt visade på någon nedbrytning av TNT:t i slammet. Det finns alltid lärdomar att dra både av lyckade och misslyckade försök. Det som kanske är en av de viktigaste här var att avståndet från högskolan var allt för stor och att försöket kanske inte borde ha övergått direkt till ett fullskaligt försök utan bara skalas upp lite för ytterligare försök i laboratorium. Problemet med ett fullskalligt försök är de stora
volymerna som måste användas och att kostnaderna drar iväg mycket fortare. När inte
Monica, Emma eller jag kunde delta vid försöken så försvinner möjligheten till att ha kontroll över försöken. Det som har förklarats för mig är att blandningen under detta försök var tjockare än tidigare, mer som en trögflytande cement. Mistankar finns om att
mikroorganismerna i ympen kan ha dödats när de tillsattes genom att TNT-halten var för hög i blandningen vid detta tillfälle. PH värdet sjönk också tidigare vid dessa försök utan att någon buffert tillfördes och att nedbrytningen av TNT i slurryn då avstannade. Dessa osäkerheter och problem kanske hade kunnat undvikas om tydligare instruktioner skrivits.
Jag deltog inte i de senare försöken men vill ändå ta den här möjligheten att reflektera över de resultaten som blev med tanke på att mina resultat kanske kunde ha sätt ut på precis samma sätt. Omblandningen av slurryn är något som potentiellt kan ha haft en stor påverkan på resultatet då både för långsam och för snabb omrörning skulle kunna ge en försämrad
nedbrytning. Hur mycket omblandningen skulle ha kunnat påverka resultatet vill jag dock inte spekulera om. Melassen som tillfördes som näringssubstrat har används av ett flertal andra forskare inom samma område (Harvey & Fredrickson, 1997; Boopathy et al. 1994) men doseringen skulle vara möjlig att förändra. Vid tidigare laboratorieförsök inom BIOREX-projektet så användes gödningsmedel för växter som kanske kan visa sig vara bättre än det använda näringsmedlet samt att erfarenheter har samlats in från användningen av just det näringssubstratet.
Att det fanns någon viktig faktor i de småskalliga försöken som förbisetts vid överföringen till stor skala är en möjlighet. Kanske slank mer syre in än vad man trott under de småskaliga försöken eller hade kanske hade solljuset inverkan på slurryn, det finns många faktorer som kan ha påverkat.
28
Optimering
Den praktiska användningen av denna reningsmetod inom industrin beror inte bara på den slutgiltiga reningsgraden utan tidsaspekten är minst lika viktig. För att metoden skall vara intressant så måste tillräckligt stora mängder TNT-avfall kunna behandlas för att täcka industrins generering av avfallet. En högre TNT-koncentration i blandningen skulle kunna innebära en tidseffektivisering av reningsprocessen så länge inte dess toxiska effekter på mikroorganismerna blir allt för stor. Fler försök vid olika koncentrationer krävs här för att kunna jämföra nedbrytningsresultaten vid olika TNT-halter.
Uppstarten av bioreaktorn innebär en lagfas, d.v.s. en fas då mikroorganismernas tillväxt och aktivitet är låg och de försöker anpassa sin metabolism till det nya substratet. De är även vid denna tidpunkt få till antalet och behöver denna tid för att populationen skall kunna växa till sig. (Robertsson, 1994) Genom att köra bioreaktorn kontinuerligt och bara byta ut en viss del av materialet mot nytt TNT-slam så kan tiden för denna fas minskas. Detta begränsas dock av ackumuleringen av metaboliter i blandningen, metaboliternas toxicitet och bakteriernas motståndskraft mot dessa gifter. Förutom själva lagfasen så tar även tömning och fyllning av reaktorn värdefull tid och ekonomiska resurser.
Genom att styra förhållandena i bioreaktorn så kan den biologiska nedbrytningen av TNT gynnas och ett snabbare resultat kan nås. Det första försöket utfördes med en mindre grad av styrning för att fungera som referenspunkt för de förändringar som görs inför ytterligare försöksomgångar. Nedbrytningshastigheten skulle kunna förändras med åtgärder som: förändrad redoxpotential, bättre pH-styrning, ökad temperatur, användning av en annan
bakteriekultur, tillsatsen av en större bakteriekultur vid uppstart (ymp), bättre omrörning o.s.v. Vilka åtgärder som har störst effekt på nedbrytningen av TNT är svårt att säga på grund av att det finns så många olika variabler att ta hänsyn till. Av denna anledning är det också svårt att försöka återskapa och uppnå resultat som andra forskare fått. För denitrifikationsprocessen så ska en temperatur mellan 4-25 oC (Ingelsson, 1996) vidhållas och eftersom bakteriernas aktivitet ökar ju högre temperatur det är så skulle en rumstempererad byggnad vara passande. Leonardsson (1992) skriver att pH-värdet skall ligga mellan 6-9 för att denitrifikationen skall kunna ske och därför måste åtgärder tas innan pH värdet sjunkit under 6. Genom att behålla stora mängder av den behandlade blandningen så kan en stor mängd TNT-nedbrytande bakterier behållas för en fortsatt behandling, detta kan även ske som en kontinuerlig drift precis som Manning, Boopathy och Kulpa (1995). Hur fort och hur ofta blandningen måste röras om är också en svår fråga att svara på utan praktiska försök. Men så länge innehållet i reaktorn blandas ordentligt och att inte de biologiska aktiviteterna störs så kan ekonomin styra detta.
Förutsättningarna för detta projekt var att en bioreaktor för anaerob nedbrytning av TNT skulle konstrueras, men en kombination av båda anaerob och aerob behandling kanske kan ge ett ännu bättre resultat. Ett stegvis förfarande med en längre inledande anaerob del och en avslutande aerob del är något som vissa forskare ser som den bästa lösningen för en biologisk behandling (Drzyzga et al 1999; Rieger och Knackmus, 1995; Lewis, 2004). Under den anaeroba fasen sker den största sönderdelningen av TNT föroreningen och ett aerobt steg kan sedan läggas till som ett polersteg så att en större mineralisering till de enklaste typerna av molekyler kan ske och att återstoden av metaboliterna fixeras till det organiska materialet.
29
Ekonomi
Beroende på ifall det är industriavfall eller markföroreningar som ska behandlas så är det ju olika förberedelser som måste göras innan själva nedbrytningen kan påbörjas. Industriavfallet har i de flesta fall en högre TNT halt och måste av den anledningen blandas ut med annat material för att inte ta död på de mikroorganismer som ska bryta ner föroreningen. Detta kan ske genom att köpa och tillföra antingen inerta material som sand eller organiska material som jord. När det är markföroreningar som ska behandlas så måste dessa grävas upp och siktas för att sortera ut alla större stenar och annat material innan bioreaktorn kan fyllas.
Att tillföra inerta material eller organiska material innebär både för- och nackdelar för processen. Sand är ett passande inert material som skulle kunna användas i reaktorn för att minska koncentrationen TNT och även hjälpa till vid själva omblandningen i reaktorn. Sanden skulle dock innebära ett större slitage på bioreaktorn och att fler näringstillsatser skulle
behöva göras för att mikroorganismernas överlevnad och tillväxt. Jord är ett vanligt substrat för de bakterier som skulle kunna tänkas användas i en bioreaktor och invänjningsfasen (lagfasen) kan därför antas blir kortare än om ett helt artificiellt medium skulle användas. T.A., Lewis (2004) skriver i sin artikel att kostnaden för att sanera ca 3820 m3 (5000 yd3) av förorenad mark har uppskattas till 112 amerikanska dollar per kubikmeter($147 yd3) eller $200-$600 per ton förorenat material. Reningen av jordmassorna kan då göras i konstruerade dammar eller i en mobil bioreaktor. De stora kostnaderna för denna typ av sanering ligger i arbetet med att gräva upp och sikta jordmassorna samt konstruktionen av dammarna och den omkringliggande utrustningen.
De kostnader som uppstår i samband med driften av bioreaktorn ligger till stora delar i personalkostnader. Minskat personalberoende under processen kan därför innebära stora besparingar i reningsprocessen. Många automatiseringar och förändringar är möjliga för att minska detta beroende vid regelbunden drift av reaktorn.
• Att automatiskt dosera melass och buffertlösning är en möjlig lösning som går att åstadkomma med en doserpump eller genom att använda tidsprogrammerade ventiler och tyngdkraften.
• Vattenlåset som har installerats för att ge anaeroba förhållanden i bioreaktorn kräver en viss översyn som den ser ut idag, så att den inte torkar ut. Vattenlåset skulle kunna bytas ut mot en vanlig ventil eller byggas om för att minska denna översyn.
• Under det preliminära försöket så utfördes ett flertal pH-mätningar och flera prov togs som inte är nödvändiga om inte vetenskapliga data skall samlas. Endast ett prov behöver tas ut för att analysera resultatet av saneringen och pH-värdes förändringen behöver inte heller mätas regelbundet utan kan uppskattas från tidigare testomgångar. Genom att minska behovet av avvattning så kan tid och pengar sparas. Bioslurryn bestod under detta försök av ca 16% vatten för att bakterier och TNT-föroreningarna skulle kunna blandas ordentligt och på så vis minska tidsåtgången för behandlingen. Vattnets uppgift i bioreaktorn är just att förenkla omblandningen och behöver inte vara så precis uppmätt. Om en liknande process skulle börja användas regelbundet på Vingåkersverket skulle inte TNT-slammet behöva avvattnas utan skulle direkt kunna pumpas in i reaktorn. Vid pumpning så krävs ingen avvattning av slammet, ingen separat behandling krävs av vattenfasen,
