Bioremediace polycyklických aromatických uhlovodíků přítomných v popelu po spalování biomasy pomocí rostlin a kompostováním

Ing. Zdeněk Košnář

Doctoral thesis

Bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons present in ash derived from biomass combustion using plants and composting

Abstract:

Spalování biomasy se využívá především z důvodu výroby tepla a elektrické energie. Odpadním produktem spalování biomasy je popel, který je považován za cenný zdroj minerálních živin. Popel z biomasy by se mohl využívat v zemědělství. Během nedokonalého spalování biomasy se však mohou vytvářet polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU), které se následně mohou akumulovat ve vznikajících popelech. Vysoký obsah PAU v popelech brání jejich využití v zemědělství, protože PAU mohou být karcinogenní, mutagenní nebo embryotoxické. Bioremediace PAU přítomných v popelech by mohla vést k omezení skládkování popela kontaminovaného PAU a podpoře navrácení živin z popela zpět do půdy. Bioremediace PAU jsou považovány ekonomicky dostupné a šetrné metody k životnímu prostředí, protože se v nich využívá přirozené schopnosti živých organismů biodegradovat PAU. Hlavní cíle této práce byly: 1) sledování obsahu PAU v popelu po spalování biomasy, které byly odebrány z provozoven spalující biomasu k energetickým účelům v České republice, 2) bioremediace PAU v úletovém popelu z biomasy pomocí rostlin po jeho aplikaci do půdy, 3) zjistit vliv organických přídavků na zvýšení účinnosti bioremediace PAU v půdě pomocí rostlin, 4) bioremediace PAU v úletovém popelu z biomasy pomocí kompostování a vermikompostování po jeho aplikaci do směsi organických odpadů. Předložená disertační práce je souborem komentovaných již publikovaných 5 impaktovaných vědeckých prací a jednoho rukopisu připraveného k odeslání do časopisu s impakt faktorem. Obsah PAU v popelech byl značně variabilní. Nejvyšší obsah PAU (až 147 mg/kg sušiny) byl stanoven v úletovém popelu ze slámy při teplotě spalování v rozmezí 500 až 750 °C. Úletové popely dosahovaly významně vyšších obsahů PAU než roštové. Byl zjištěn pozitivní vztah mezi nespáleným organickým uhlíkem a obsahem PAU v popelech. Popely po spalování dřevní hmoty a většina roštových popelů ze slámy by se mohly využívat v zemědělství, jelikož obsahovaly sumu PAU nižší než 20 mg/kg daných legislativou. Snížení obsahu PAU v půdě bez rostlin metodou přirozené atenuace bylo zanedbatelné, protože se obsah PAU původem z popelu, syntetických PAU a PAU v dlouhodobě kontaminované půdě snížil v průměru o 15 %. Fytoremediace PAU pomocí kukuřice seté (Zea mays L.) snížila obsah PAU v půdě obohacené popelem o 29,4 % za 120 dní. Syntetické PAU byly podobně náchylné k odstranění jako PAU původem z popela a obsah PAU v dlouhodobě kontaminované půdě se snížil téměř dvojnásobně než v půdě s popelem. V půdě s rostlinami obohacené o popel s přídavky kompostu nebo vermikompostu se obsah PAU snížil maximálně o 64,9 %. Během mykoremediace syntetických PAU v půdě s kukuřicí po aplikaci substrátu (30-50 mm) s ligninolytickou houbou (Pleurotus ostreatus) se obsah PAU snížil o 36 %. Vlivem aplikace substrátu obsahujícího ligninolytickou houbu (Crucibulum leave) se obsah PAU v dlouhodobě kontaminované půdě s kukuřicí snížil o 58 %. Extrakce PAU z půdy rostlinami byla významně nižší než 1 % z celkového počátečního obsahu PAU v půdě. Rostliny kukuřice by se v praxi mohly používat zejména na podporu odstranění PAU v půdě mikroorganismy. Nadzemní biomasa rostlin nepředstavovala riziko pro životní prostředí, jelikož obsahovala sumu PAU nižší než 0,1 mg/kg daných legislatiovou. Kompostováním se obsah PAU ve směsi organických odpadů snížil v průměru o 82 %, zatímco vermikompostováním jen o 60 % za 240 dní. Získané komposty a vermikomposty po ukončení bioremediace PAU v této práci by se mohly použít jako půdní organická aditiva, protože obsahovaly sumu resid

Abstract:

uálních PAU menší než 2 mg/kg daných legislativou.

Abstract:

Biomass combustion is mainly used for the production of heat and electricity. The biomass ash is a waste product derived from biomass incineration which is considered as a valuable source of mineral nutrients. Due to this the biomass ash could be used in agriculture as a mineral fertilizer and/or soil amendment. Nevertheless, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) can be formed during the incomplete biomass combustion and formed PAHs can be accumulated in resulted biomass ashes. The highly contaminated biomass ashes by PAHs can not be used in agriculture because PAHs could be carcinogenic, mutagenic and/or teratogenic. Bioremediation of PAHs present in biomass ashes could lead to the reduction of ash landfilling and could support the recycling of nutrients in soil. Bioremediation of PAHs is considered as a low cost and environmental friendly strategy because these approaches are based on biological processes of microorganisms which are able to remove the PAHs from environment. Main aims of this work were as follows: 1) to investigate the PAH content in ashes derived from biomass combustion which were collected from biomass combustion plants in Czech republic, 2) to bioremediate the PAH content of biomass fly ash origin in soil using plants, 3) to determine the influence of various organic amendments to enhance the decrease of PAH content in soil, 4) to bioremediate the PAH content of biomass fly ash origin in mixture of organic waste using composting and vermicomposting. This doctoral thesis is set up from 5 articles published in scientific journals with IF and extra with one manuscript ready for the submission to a journal with IF. The PAH content in biomass ashes was significantly variable in this study. The highest PAH content (up to 147 mg/kg dry weight) was observed in fly ash from wheat straw incinerated in a temperature range 500 – 750 °C. The fly ashes contained significantly higher amounts of PAHs than bottom ashes. The positive relationship between the unburned organic carbon and total PAH content in biomass ashes was found. In this study, wood ashes and the most of phytomass bottom ashes could be used in agriculture due to the PAH content lower than 20 mg/kg according to the legislation. The decrease of PAH content in non-planted soil through the natural attenuation was negligible, because the PAHs of ash origin, spiked PAHs and aged PAHs were removed from soil by 15 % in average. Phytoremediation using maize plants (Zea mays L.) removed the PAH content in ash amended soil by 29,4 % after 120 days of experiment. The spiked PAHs were similarly susceptible to be removed from soil as soil PAHs of ash origin and aged PAHs were removed from soil almost in double in comparison to ash or spiked PAHs. The PAH content in planted soil amended with ash and compost or vermicompost was decreased by 64,9 % in maximum. During the mycoremediation of soil with the substrate (30-50 mm) with ligninolytic fungi (Pleurotus ostreatus) the soil content of spiked PAHs was removed by 36 %. Using the substrate with lignolytic fungi (Crucibulum leave) in plant assisted soil the content of aged PAHs in contaminated soil was removed by 58 %. The PAH extraction from soil by plants was significantly lower than 1 % of initial total content of soil PAHs. Maize plants could be used in bioremediation strategies to stimulate the PAH removal from soil by microorganisms involved in PAH biodegradation. The above-ground biomass did not represent any environmental risk due to the total PAH content lower than 0,1 mg/kg according to the legislation. The PAH content in organic waste mixture was decreased by 82 % in average through the composting while the decrease during the vermicomposting was only 60 % after 240 days. In this study, the total sum of residual PAHs in materials after the composting or vermicomposting was lower than 2 mg/kg and according to the legislation the resulted compost or vermicompost could be used as soil organic amendments.

Keywords

PAU, úletový popel, fytoremediace, bioaugmentace, mykoremediace

Keywords

PAHs, fly ash, phytoremediation, bioaugmentation, mycoremediation

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 8. 2018

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Pavel Tlustoš, CSc.
• Reader: Radim Vácha, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Exploitation and Conservation of Natural Resources