Projekt 05987/01

OZONID-Verfahren zur Behandlung kontaminierter Böden

Projektdurchführung

Ferdinand Koller und Sohn GmbH & Co. KG
Bruchkampweg 5
29227 Celle

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Sanierung von schadstoffbelasteten Böden stößt häufig aufgrund der Unterschiede in den Bodeneigenschaften, dem Schadstoffspektrum und der geologischen Gegebenheiten auf Schwierigkeiten. Fast jeder Sanierungsfall fordert daher eine individuelle Beurteilung der Sanierungsmöglichkeiten und häufig stehen geeignete, wirtschaftliche Dekontaminationsverfahren und -geräte noch nicht zur Verfügung.
Im Rahmen des Projektes sollen daher ein modulares System und Gerätetechnik entwickelt werden, die effizient auf möglichst unterschiedliche Schadensfälle angewendet werden können. Schwerpunkte liegen dabei auf der Erstbehandlung des kontaminierten Materials durch Ozon. Hierbei soll ein von der Fa. Ferdinand Koller und Sohn entwickelter mobiler Feldozonisator zum Einsatz kommen, mit dem eine Dekontamination verschiedenster Böden direkt vor Ort erfolgen soll.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZu Beginn werden an künstlich kontaminierten Böden die grundsätzlichen Abbaumechanismen des Schadstoffs mittels Ozon untersucht. Weiterhin werden Versuche mit variierenden Parametern, wie z.B. dem Wassergehalt oder der Bodenart, durchgeführt. Untersuchungen mit einer Laboranlage sollen Erkenntnisse über abbaubare Schadstoffmengen und die notwendige Ozonungsdauer liefern sowie eine Optimierung der Prozessparameter ermöglichen. Zum Vergleich des durchmischten Reaktorsystems mit einem durchströmten wird der Schadstoffabbau ebenfalls in einer Feststoffsäule untersucht.
Um die Vorgänge innerhalb des mobilen Feldozonisators besser simulieren zu können, sollen Versuche mit einer Technikumsanlage durchgeführt werden.
Abbauversuche mit real kontaminierten Böden sollen weitere Aufschlüsse über die Effizienz des Verfahrens im realen Anwendungsfall liefern. Als mögliche Schadstoffe sollen diese Böden polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sowie Erdölverunreinigungen enthalten.
Die aus den Versuchen mit der Labor- und der Technikumsanlage gewonnen Ergebnisse sollen auf die Pilotanlage übertragen werden. Weiterhin sollen Probleme beim Betrieb der Pilotanlage erkannt und be-seitigt werden.
Der Abbau des Schadstoffs soll darüber hinaus mit ökotoxikologischen Testverfahren untersucht werden, um genauen Aufschluss über eventuell auftretende toxische Abbauprodukte zu erhalten. Darüber hinaus soll ebenfalls die Möglichkeit der Kombination des Verfahrens mit mikrobiologischen Abbaumethoden beurteilt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die Abbauergebnisse mit luftgetrockneten, künstlich kontaminierten Böden mit Phenanthren als Modellschadstoff zeigten innerhalb kurzer Behandlungszeiträume hohe Abbauraten. Innerhalb einer Stunde Begasung mit Ozon konnten bis zu 87% der Ausgangsschadstoffmenge abgebaut werden. Während der Ozonisierung stiegen der CSB und DOC in den wässrigen Bodenextrakten stark an, was sich durch die Entstehung wasserlöslicher Verbindungen erklärte.
Ein vollständiger Schadstoffabbau konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Die Abbaukurven näherten sich nach 1 h einem Grenzwert an, der bei den durchgeführten Versuchen zwischen 94 und 97% lag und auch durch Steigerung der Behandlungsdauer bis auf 10 h nicht weiter erhöht werden konnte.
Das Auftreten von Restkonzentrationen war unabhängig vom Gehalt an natürlichen organischen Inhaltsstoffen des jeweiligen untersuchten Bodens. Zwar konnte eine deutliche Verlangsamung des Schadstoffabbaus mit ansteigendem Kohlenstoffgehalt gemessen werden, die Restkonzentration des Schadstoffs war allerdings bei den untersuchten Böden nahezu gleich.
Für die Stagnation des Abbaus wurde hingegen das Auftreten von Stofftransporthemmungen erkannt, die ihren Ursprung in der Wechselwirkung des Schadstoffs mit dem Boden haben. Wird der Schadstoff pulverförmig direkt auf den Boden gegeben, wobei der Schadstoff nicht in das Porengefüge des Bodens eindringen kann, steigt die Abbaurate auf 99,9%.
Bei den Versuchen mit der Feststoffsäule trat ein vollständig anderer Reaktionsmechanismus auf. Aufgrund der schlechten Wärmeabfuhr in dem durchströmten Reaktorsystem kam es zu einer Zündung der Reaktion, die mit einem starken Anstieg der gemessenen Kohlendioxidmenge am Reaktorausgang verbunden war. Der Schadstoffabbau betrug hier 99,8%.
Bei den Versuchen mit wasserhaltigen Böden wurde hingegen in beiden Reaktorsystemen ein starker Abfall der Abbaugeschwindigkeit festgestellt. Nennenswerte Schadstoffumsätze wurden erst nach 5h Behandlungsdauer gemessen. Ursache hierfür war die Erhöhung der Transportdauer des Ozons zum Schadstoff. Eine Krustenbildung an den Reaktorwänden erschwerte zudem die Durchmischung.
Mithilfe der ökotoxikologischen Testverfahren wurde der Effekt der Giftung nachgewiesen: Nach einer Behandlungsdauer von 15 min stieg die Ökotoxizität der wässrigen Bodeneluate stark an. Erst durch weitere Ozonisierung ging die toxische Wirkung wieder zurück. Dieser Effekt wurde auf die Entstehung von Diphenaldehyd und Diphenaldehydsäure als Abbauprodukte aus dem Phenanthrenabbau zurückgeführt.
Die Versuche mit drei ausgewählten real kontaminierten Böden zeigten sehr schlechte Abbauergebnisse. Die Ozonisierung der PAK- bzw. mineralölkontaminierten Böden lieferte lediglich Abbauraten zwischen 0 und 30%, wobei der Boden mit der jüngsten Kontamination die besten Ergebnisse lieferte und der Boden, der bereits mikrobiologisch vorbehandelt war, die schlechtesten. Die Ökotoxizität war bei dem ersten Boden hingegen am größten, bei den beiden anderen Böden konnte keine Hemmung nachgewiesen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorträge: Kongress Umwelt Innovativ 26. bis 27. November 1998, Augsburg, Messezentrum; 1. Bioteach Praxiskurs Umwelt(bio)technologie, 19.-20. Oktober 1998, Institut für Technische Chemie, Universität Hannover; Workshop Bioavailability and Biostimulation Strategies, Universität Hamburg Harburg, 25.-26.05.99
Messen: Biotechnika, Internationale Fachmesse für Biotechnologie, 5.10-7.10.1999, Hannover
Posterpräsentationen: DECHEMA-Jahrestagungen98, 16. Jahrestagung der Biotechnologen, 26.-28. Mai 1998, Wiesbaden; DECHEMA-Jahrestagungen99, Fachtreffen Umwelttechnik, 27-29.April 1999, Wiesbaden;
Veröffentlichungen: Müller, T.; Stehr, J.; Gosslar, P.; Scheper, T.: Abbau von Schadstoffen mittels Ozon in einem Pflugscharmischer, Chemie Ingenieur Technik, in Vorbereitung


Fazit

Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse zur Ozonisierung von schadstoffbelasteten Böden in einem Feststoffmischer muss das Verfahren als wirtschaftlich nicht effizient bezeichnet werden. Die Kosten für die Produktion der Reaktoranlage, für die Erzeugung des Ozons und den Antrieb des Mischers erfordern eine kurze Behandlungsdauer von wenigen Stunden, um einen hohen Umsatz zu erzielen und damit die Kosten des Verfahrens niedrig zu gestalten. Während der durchgeführten Forschungsarbeiten konnte innerhalb dieser Zeiträume jedoch kein befriedigender Abbau nachgewiesen werden.