W naszym centrum badawczo-rozwojowym prowadzimy od początku lipca 2018 roku prace badawcze zmierzające do optymalnego rozwiązania 2 kwestii badawczych:
Problem badawczy 1
Zastosowanie mikrosorbentów naturalnych w procesach rekultywacji jezior
Nasze prace dotyczą opracowania sposobu trwałego usuwania fosforu poza ekosystemy jeziorne z wykorzystaniem naturalnych mikrosorbentów. Istota rozwiązania polegać będzie na wytworzeniu laminatów oraz kaset zawierających sorbent, który umieszczany będzie w toni wodnej, a po związaniu fosforu zostanie z niego usunięty. Dzięki temu uzyskujemy podwójną korzyść: usuwamy fosforany i sorbent poza ekosystem jeziora w momencie uzyskania możliwie wysokiego poziomu sorpcji; zmniejszamy zatem ryzyko ponownego wydzielenia do wody fosforu uprzednio związanego, jak i ewentualnych ubocznych skutków związanych z zaleganiem sorbentu w wodzie i jego ewentualnymi przemianami (np. rozpuszczaniem wskutek zmiany warunków i uwalnianiem niepożądanych substancji). Wykorzystujemy jedynie proste, naturalne substancje mineralne (np. kalcyt), które nawet w wypadku przedostania się do wody, nie wywołują żadnych negatywnych skutków dla ekosystemu.
Obecnie w metodach chemicznej rekultywacji jezior, polegających na dozowaniu do wód preparatów do immobilizacji fosforu, preparaty te aplikowane są do ekosystemów wodnych na trwałe (dozowane do toni wodnej, niekiedy do osadów dennych). Ich aplikacja do zbiorników wodnych umożliwia związanie fosforu w określonych związkach/na sorbentach, ale bez usuwania fosforu poza ekosystem (fosfor pozostaje w ekosystemie jeziornym, w postaci związanej, zależnej od zastosowanej metody inaktywacji).
Pozostawienie w ekosystemie wodnym substancji mogących podlegać określonym przemianom wiąże się z pewnym ryzykiem: wodorotlenek glinu powstały po aplikacji koagulantu glinowego po kilku miesiącach ulegał w jeziorze rozpuszczaniu, podczas gdy glin, podobnie jak i żelazo, negatywnie wpływa na organizmy wodne. Ponadto, wskutek zmiany warunków w toni wodnej/osadach dennych, w szczególności potencjału redox i pH, preparaty stosowane do immobilizacji mogą uwalniać związany wcześniej fosfor (dotyczy to w szczególności wodorotlenków żelaza), które ulegają redukcji przy niskim potencjale redox i jednocześnie mogą wydzielać fosfor w zasadowym pH. Technologia pozwalająca na wprowadzanie sorbentu na nośniku, związanie na nim fosforu i następnie usuwanie sorbentu z fosforem z toni wodnej stanowi potencjalne rozwiązanie powyższych problematycznych kwestii, z uwagi na skończony w czasie okres przebywania sorbentu w toni wodnej.
Planowany sposób trwałego usuwania fosforu z toni wodnej wiąże się z następującymi problemami technologicznymi:
1. Dobór minerałów stanowiących sorbent naturalny.
Minerały te powinny zawierać następujące pierwiastki: żelazo, glin, wapń, magnez, mangan, lantan, ponieważ wykazują się wysokim powinowactwem wobec fosforu.
Zweryfikowaliśmy dotąd skuteczność pewnych minerałów: getyt, kaolinit, montmorylonit, illit, dolomit, kalcyt/aragonit. Ostatecznie ustaliliśmy, iż z uwagi na kombinację dostępności, ceny, skuteczności w sorpcji fosforanów oraz bezpieczeństwa metody, w dalszych badaniach zastosowane zostaną rozdrobnione formy kalcytu.
2. Sposób rozdrobnienia sorbentu.
Ten problem planujemy rozwiązać poprzez rozdrobnienie sorbentu do proszku o wielkości ziarna poniżej 10 μm. Proces rozdrobnienia sorbentów winien być przeprowadzany przy pomocy młynów kulowych. Osiągnięcie takiego poziomu rozdrobnienia optymalizuje powierzchnię właściwą sorbentu, co wpływa bezpośrednio na ilość usuwanego fosforu z toni wodnej (maksymalizacja pojemności sorpcyjnej).
3. Dobór nośnika.
Nośnik sorbentu musi umożliwiać optymalne usuwanie z toni wodnej jonów fosforanowych na drodze adsorpcji i/lub wytrącania i/lub współstrącania, zależnie od warunków panujących w jeziorze. Planujemy także zastosowanie systemu kasetowego, polegającego na tym, że luźny sorbent zostanie ograniczony w przestrzeni laminatem (termoplastyczne tworzywa sztuczne bądź adekwatna włóknina).
Problem badawczy 2
Wykorzystanie mikroorganizmów w procesach rekultywacyjnych.
Wykorzystanie mikroorganizmów w procesach rekultywacyjnych stanowi pewną nowość. Nie polega na biodegradacji związków organicznych, a na wspomaganiu procesu sorpcji. Celem zastosowania mikroorganizmów jest zwiększenie skuteczności oraz dynamiki procesów trwałego usuwania fosforu z ekosystemów jeziornych. W naszych badaniach wykorzystujemy najnowszą wiedzę naukowo-techniczną w zakresie wykorzystania efektu wzmożonej eliminacji biologicznej fosforu (EBPR – Enhanced Biological Phosphorus Removal). Dotychczasowe badania wskazują, że najkorzystniejsze efekty wiążą się z zastosowaniem w procesie rekultywacji zewnątrzkomórkowych substancji polimerowych (EPS). Wynika to z faktu, że EPS składa się głównie z węglowodanów złożonych i białek z licznymi grupami funkcyjnymi naładowanymi ujemnie. Grupy te są w stanie absorbować kationy metali. Takie zaadsorbowane metale stają się lokalnie źródłem ładunku dodatniego i zachodzi wtórna absorpcja fosforanów. Ponadto, dzięki obecności EPS wiązane są metale ciężkie – EPS działa zatem prewencyjnie w toksyczności metali ciężkich, które zaburzają absorpcję fosforu.
Stosowane przez nas mikroorganizmy izolowane są ze środowiska, gdzie naturalnie występują – nie były modyfikowane genetycznie i nie stanowią absolutnie zagrożenia dla środowiska. Co więcej, występują one we wszystkich „zdrowych” ekosystemach, tak więc wszędzie tam gdzie równowaga ekologiczna została zaburzona, ich obecność jest całkowicie wskazana, gdyż produktami ich metabolizmu jest wiele substancji, wytwarzanych co prawda w znikomych stężeniach, ale pełniących rolę molekuł sygnałowych i wpływających przez to korzystnie na mikrobiotę ekosystemów wodnych – jej prawidłowy skład jakościowo ilościowy oraz kierunek przemian metabolicznych.