Projekt 02203/01

Nutzung von Standardsilageanlagen zur mikrobiellen Bodenreinigung

Projektdurchführung

Bauer + Mourik UmwelttechnikNiederlassung Roßwein
04741 Roßwein

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des praxisorientierten Forschungsprojekts war es, eine ehemalige landwirtschaftliche Silageanlage zu einer modernen nach dem Perkolationsprinzip arbeitenden biologischen Bodensanierungsanlage umzurüsten und so für die Reinigung kontaminierter Böden nutzbar zu machen. Grundidee war die Kombination eines Feststoffreaktors (Silagebecken) mit einem Flüssigreaktor (Sickerwasserbehälter). Die wissenschaftliche Aufgabe bestand in der effektiven Nutzung des Leistungspotentials der adaptierten Bodenmikroorganismen durch die Schaffung optimaler Milieubedingungen im Perkolationssystem.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDem UFZ kam die Aufgabe zu, den wissenschaftlichen Vorlauf zu schaffen. Es wurde eine Pilotanlage mit steuerbarem Luft- und Wasserkreislauf aufgebaut, welche die gleiche Grundstruktur wie die in Hirschfeld errichtete full scale-Anlage besitzt. Ausgehend von der Hypothese, dass periodische aerob-anaerob-Wechsel im Boden den Abbau von Kohlenwasserstoffen beschleunigen, wurden Abbauversu-che unter aeroben und aerob-anaerob-Wechselbedingungen in einem Modellboden durchgeführt, der mit Dieselkraftstoff oder Phenanthren beladen war. Als sich zeigte, dass im Boden die Schadstoffabbaugeschwindigkeit primär von Transportphänomenen und weniger von der mikrobiellen Leistung bestimmt wird, konzentrierten sich die weiteren Untersuchungen auf die Rolle der Bioverfügbarkeit der Schadstoffe im Boden und auf deren Verbesserung durch den gezielten Einsatz von Tensiden. Hierzu erfolgten vergleichende Abbauversuche mit Kohlenwasserstoffen in wässriger Phase sowie in Systemen mit Boden. Anhand von Thermodesorptionsspektren und BET-Messungen wurden die Ursachen der mangelnden Bioverfügbarkeit von Kohlenwasserstoffen aufgeklärt. Drei ausgewählte nichtionogene Tenside wurden physikochemisch und biologisch charakterisiert und im Labor- und pilot scale-Maßstab in verschiedenen Stadien des biologischen Abbauprozesses appliziert. Parallel zu den Grundlagenuntersuchungen wurde durch BMU eine ehemalige Silageanlage in Hirschfeld bei Freiberg zu einem biologischen Bodensanierungszentrum umgebaut. Die im UFZ gesammelten Erfahrungen wurden bei Praxisversuchen in der full scale-Anlage zur Anwendung gebracht.


Ergebnisse und Diskussion

In wässriger Phase konnte ein stimulierender Effekt von zeitweiliger Sauerstofflimitation auf die mikrobielle Aktivität und den Substratumsatz nachgewiesen werden. In Systemen mit Boden führte ein periodi-scher aerob-anaerob-Wechsel verglichen mit rein aerober Prozessführung zu einer verstärkten Mineralisierung der Schadstoffe, aber zu keinem beschleunigten Abbau. Auch bei an sich gut mikrobiell verwertbaren Kohlenwasserstoffen, wie Hexadekan und Phenanthren, wurden bei Abbauversuchen nach 600 h mit beladenen Modellböden (organikfreier Sand) hohe Restschadstoffe festgestellt, die unabhängig von der Anfangskonzentration im Boden waren. Thermodesorptionsanalysen in Verbindung mit BET-Messungen zeigten, dass die Kohlenwasserstoffe nicht nur an der äußeren Partikeloberfläche sorbieren sondern in die Mikroporen der Bodenpartikel eindringen. Die Mikroporosität des Modellbodens war letztendlich für die mangelnde Bioverfügbarkeit der Schadstoffe verantwortlich. Die Zugabe nichtionogener Tenside zu Beginn des biologischen Abbauprozesses war unwirksam, weil die Kohlenwasserstoffe anfänglich ausreichend bioverfügbar waren und das Tensid bei beginnender Stagnation des Schadstoffab-baus bereits mikrobiell abgebaut war. Der Tensideinsatz in der Stagnationsphase führte zu einer kurzzeitigen Beschleunigung des Abbaus. Enthielt der Boden nur noch wenig Kohlenwasserstoffe, wurde ebenfalls keine Verbesserung durch Tensidgaben erzielt. In den Praxisversuchen in der Bodensanierungsanlage Hirschfeld zeigte sich, dass der Temperaturoptimierung während des Schadstoffabbaus eine domi-nierende Rolle zukommt. Demgegenüber brachte der Einsatz von Tensiden in der späten Abbauphase nicht den erwarteten Erfolg. Die Erwärmung des Bodens mit beheiztem Prozesswasser führte nur zu geringen Effekten, weil an der Bodenoberfläche große Wärmeverluste auftraten. Durch eine Kombination von Maßnahmen zur Wärmezuführung (extern über das Prozesswasser bzw. Selbsterwärmung durch Kompostbeimischung) und zur Senkung von Wärmeverlusten (Abdeckung des Bodens mit Holzschnitzeln oder speziellen Folien) konnte die Abbaugeschwindigkeit von Kohlenwasserstoffen bis um den Faktor 3 erhöht werden. Die Bodentemperatur wurde mittels des Belüftungsregimes über den Sauerstoffge-halt der Abluft gesteuert. Nach einer längeren Testphase hat die Praxisanlage im Sommer 1997 den Routinebetrieb aufgenommen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· C. Löser, A. Zehnsdorf, S. Jenz, H. Seidel, U. Stottmeister (1996): Der Einfluss periodischer aerob-anaerob-Wechsel auf den mikrobiellen Kohlenwasserstoffabbau im Boden. In: Neue Techniken der Bodenreinigung. Hamburger Berichte Bd. 10 (R. Stegmann, Hrsg.), Bonn 1996, S.385-396
· C. Löser, H. Seidel, P. Hoffmann, U. Stottmeister (1996): Der Einfluss wechselnder Milieubedingun-gen auf den biologischen Kohlenwasserstoffabbau im Boden - periodischer areob-anaerob-Wechsel und gesteuerter Tensideinsatz. In: Schriftenreihe Biologische Abwasserbehandlung Bd.7, TU Berlin 1996, S. 159-180
· C. Löser, H. Seidel, P. Hoffmann, A. Zehnsdorf, R. Fischer (1997): Microbial remediation of hydrocarbon contaminated soils in percolator systems of pilot and large scale. In: Proceedings of Eco-Informa 97, (K.Alef et al., Hrsg.), Bayreuth 1997, S. 314-319
· C. Löser, H. Seidel, A. Zehnsdorf, U. Stottmeister (1998): Microbial degradation of hydrocarbons in soil during aerobic-anaerobic changes and under purely aerobic conditions. Appl. Microbiol. Biotechnol. (im Druck)
· A. Zehnsdorf, P. Hoffmann, R. Fischer (1998): Untersuchungen zur Steigerung der Effektivität einer mikrobiologischen Bodensanierungsanlage. Altlastenspektrum Bd. 7 (im Druck)
· C. Löser, A. Zehnsdorf, P. Hoffmann, H. Seidel (1998): Leistungssteigerung bei der biologischen Bodenreinigung in Perkolationssystemen. UFZ-Bericht Nr. .../1998 (im Druck)


Fazit

Die Anwendung des Perkolationsprinzips bei der biologischen Bodenreinigung ermöglicht in einfacher Weise über die Steuerung des Prozesswasserkreislaufs und des Belüftungsregimes eine Steigerung des Leistungspotentials der Mikroorganismen. Die Geschwindigkeit des Schadstoffabbaus im Boden wird je-doch primär von der Bioverfügbarkeit der Schadstoffe bestimmt. Der gezielte Einsatz von Tensiden zur Verbesserung der Bioverfügbarkeit in der späten Abbauphase brachte nicht den erwarteten Erfolg. Unter Praxisbedingungen kommt der Temperaturoptimierung während des mikrobiellen Schadstoffabbaus eine dominierende Rolle zu. Hier bieten Perkolationssysteme kostengünstige Möglichkeiten zur Verkürzung des Sanierungsprozesses und zur Senkung der Restschadstoffgehalte.