Projekt 10001/01

Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Grundwassersanierung durch Kombination der regenerativen Schadstoffadsorption an Adsorberharze mit einer nachgeschalteten biologischen Regeneration

Projektträger

ARGUS Umweltbiotechnologie GmbH
Kitzingstr. 11 - 13
12277 Berlin
Telefon: 030-34650361/62

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In der Abwasser- und Grundwasserreinigung werden zur Elimination von Fremdstoffen häufig Adsorptionsverfahren eingesetzt. Diesem Aufkonzentrierungsschritt folgt die Entsorgung des Adsorbers in Form von Deponierung oder thermischer Reaktivierung. Dies bedeutet entweder nur eine Problemverlagerung oder aber eine energie- und anlagenintensive Nachbehandlung. Dabei führt die Reaktivierung nicht nur zu Verlust an Adsorbens (ca. 30 %), sondern ist auch oftmals nur bei ausreichender Chargenmenge ökonomisch durchführbar. Unter der Voraussetzung, dass die adsorptiv aufgenommenen Schadstoffe biologisch abbaubar sind, ergeben sich durch den Einsatz leicht regenerierbarer synthetischer Adsorberharze neue Perspektiven bei der Behandlung von Abwasser- oder Abluftströmen. Hierbei erfolgt eine biologische Regeneration durch eine zirkulierende Flüssigphase, die sich durch Schadstoffdesorption im Adsorber anreichert und im Bioreaktor durch mikrobielle Degradationsprozesse abgereichert wird. An-tragsgemäß wurden Grundwasserschäden an Tankstellen und Tanklagern bearbeitet, bei denen die mikrobiell abbaubaren organischen Schadstoffe des Vergaserkraftstoffs durch den kombinierten Einsatz der Adsorption an polymere Adsorberharze und der nachgeschalteten biologischen Regeneration vor Ort entsorgt wurden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm ersten Projektabschnitt wurden Untersuchungen zur Auswahl geeigneter Adsorbentien zur Elimination von BTX-Aromaten aus Grundwässern, zur Modellierung der Mischadsorption auf Grundlage experimenteller Laboruntersuchungen und zur modellgestützten Desorption durchgeführt. Parallel wurden zur biologischen Umsetzung geeignete Mikroorganismen aus dem Grundwasser isoliert und angereichert. Nach reaktionskinetischen Untersuchungen sollte ein Festbettbioreaktor mit nachgeschalteter Biomasserückführung entwickelt werden, wobei eine Sauerstoffversorgung ohne Strippverluste überprüft wer-den sollte. Im Rahmen der biologischen Regeneration waren modellgestützte Experimente zur Optimierung vorgesehen, bei denen Volumendurchsatz, apparative Gestaltung der Adsorber, Energiebedarf der Desorption und weiterer Prozessparameter erhalten werden sollten, die die Grundlage zur Auslegung einer technischen Anlage bildeten. Im zweiten Projektabschnitt waren Langzeituntersuchungen zur Adsorption und biologischen Regeneration anhand eines realen kontaminierten Grundwassers vorgesehen.


Ergebnisse und Diskussion

Bei der Aufnahme von Einzelisothermen mit den polymeren Adsorberharzen AP250 und EP63 für die Modellkomponenten Benzol, Toluol und o-Xylol, die als Hauptbestandteile verschiedener Schadensfälle identifiziert wurden, zeigten sich keine wesentlichen Unterschiede. Die Messungen zur Gleichgewichts-beladung ermöglichten die Ermittlung der Parameter für die Langmuir- und die Freundlich-Einzelisothermen und somit eine Modellierung der Adsorption. Bei Untersuchungen mit einem Modellgemisch aus Benzol und Toluol konnte eine größere Adsorptionsfähigkeit für Toluol im Vergleich zu Benzol festgestellt werden. Die ersten Untersuchungen zur Gemischadsorption bestätigten die Ergebnisse der Einzeladsorptionsexperimente. Eine endgültige Entscheidung für AP 250 konnte erst nach Untersuchungen zur Readsorption durchgeführt werden, denn die biologische Regeneration führte bei EP 63 zu verringerter Kapazität, während die Adsorptionskapazität von AP 205 konstant blieb.
Die Temperaturabhängigkeit der Beladungskapazitäten erwies sich als nicht ausreichend, um eine thermische Desorption (Elution mit 80°C heißem Wasser) realisieren zu können. Nachdem alternative Desorptionsmöglichkeiten keine zufriedenstellende Ergebnisse brachten, wurde ein neuartiges biologisches Regenerationsverfahren entwickelt. Dabei handelt es sich um eine direkte Desorption des Adsorbens mit adaptierter Biomasse - bei gleichzeitiger Degradation der Schadstoffe. Mit einer aus einem kontaminier-ten Bereich eines Schadenfalls isolierten und kultivierten Mischkultur konnte eine ausreichende Adsorptionskapazität des Adsorbens reproduzierbar wiederhergestellt werden.
Aufgrund des geänderten Desorptionsverfahrens wurde die Entwicklung des Festbettreaktors nicht vorangetrieben, statt dessen wurde eine Anlage konzipiert, bei der die beiden Verfahrensschritte - Adsorption im Festbett und biologische Regeneration in der Wirbelschicht - nacheinander in derselben Kolonne stattfinden können. Diese Miniplant-Laboranlage wurde zur modellgestützten Untersuchung der Reaktionskinetik eingesetzt, was eine Simulation des Verfahrens ohne den Einsatz einer aufwändigen Technikumsanlage ermöglichte.
Im Mittelpunkt der zweiten Projektphase standen Projektierung, Bau und Automatisierung der Pilotanlage, um die Technikumsergebnisse im Feldversuch bestätigen zu können. Anhand der Ergebnisse der ersten Phase erfolgte die Auslegung der Anlage für 1m³ Grundwasser pro Stunde und einer BTX-Konzentration von 10 mg/l. Um die Grundwasserreinigungsanlage möglichst flexibel einsetzen zu können, wurde sie modular aus folgenden Teilen aufgebaut: Kiesfilter, Bioreaktor, Adsorbereinheit, Schaltschrank.
Die Pilotanlage ist inzwischen in Betrieb. Nach Optimierung der Anlagentechnik und der Bedingungen für die Mikrobiologie konnten die sehr guten Laborergebnisse bestätigt werden. Auch nach mehreren Zyklen (Adsorption und Regeneration) sind im Ablauf der Anlage keine BTX-Aromaten mehr nachweisbar. Für die Zukunft ist die Umsetzung der Anlage an einen weiteren Standort geplant, um die Eignung des Verfahrens auch für andere Schadstoffspektren aufzuzeigen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Verfahren wurde von uns patentiert. Eine kurze Darstellung der ersten Ergebnisse erfolgte im November ´98 im UmweltMagazin in einem Übersichtsartikel zum Titelthema Grundwasserschutz. Weitere kurze Veröffentlichungen zur IFAT ´99 erschienen in einer Sonderausgabe der WLB und im April Heft der UTA. Auf der DECHEMA-Jahrestagung ´99 in Wiesbaden wurden das Verfahren, inkl. erster Ergeb-nisse aus der Pilotphase, im Rahmen eines Vortrages in der Fachsektion Umwelttechnik, vorgestellt. Erweitert um die in der Zwischenzeit gewonnenen Erkenntnisse der Pilotphase wird auf der GVC-Jahrestagung im September ´99 in Bremen ein Poster präsentiert werden.
Die zahlreichen Reaktionen auf die bisherigen Veröffentlichungen bestätigen die Bedeutung dieser Neu-entwicklung


Fazit

Das Projekt hat gezeigt, dass die Adsorption von Schadstoffen am polymeren Adsorberharz AP 250 mit nachgeschalteter biologischer Regeneration ein effektives und kostengünstiges Verfahren zur kontinu-ierlichen Reinigung von BTX-Grundwasserschäden darstellt. Nach Modifikation des Prozesses finden Desorption und biologische Degradation gekoppelt in einem Schritt statt. Die Pilotanlage hat sich inzwi-schen auch im Feldversuch bewährt. Im Anschluss an dieses Forschungsprojekt werden Untersuchungen stehen, die die Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens auch für andere Schadstoffkontaminationen verdeutlichen werden.