Projekt 14659/01

Innovative Module zur Sanierung schadstoffbelasteter Böden: Ozonierung in Kombination mit mikrobiologischen Verfahren

Projektdurchführung

Leibniz Universität HannoverZentrum Angewandte ChemieInstitut für Technische Chemie
Callinstr. 5
30167 Hannover

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung eines modularen Systems zur Kombinationsbehandlung kontaminierten Bodenmaterials mit chemischer Oxidation durch Ozon und mikrobiologischer Behandlung. Durch Voroxidation verschiedener Schadstoffe (z.B. PAK) sollte eine Verbesserung von Wasserlöslichkeit und Bioverfügbarkeit und damit ein beschleunigter bzw. totaler Schadstoffabbau angestrebt werden. Begleitende ökotoxikologische Untersuchungen sollten Erkenntnisse über hemmende oder toxische Wirkungen der Ozonierungsprodukte auf Mikroorganismen ergeben. Ziel der Untersuchungen waren auch der Aufbau analytischer Methoden zur Bestimmung von
Ozonierungsprodukten sowie grundlegende Ökotoxizitätsuntersuchungen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurden Untersuchungen an verschiedenen künstlich kontaminierten Modellböden und einem real kontaminierten Boden im Labormaßstab durchgeführt. Die Vorozonierung erfolgte sowohl in einem Laborreaktor (500 ml) als auch in einer 20 l-Technikumsanlage. Der folgende mikrobiologische Abbau in Suspensionskultur wurde im 2 l-Maßstab in einem Biostat B Fermentationssystem durchgeführt. Zur Dokumentation des mikrobiologischen Schadstoffabbaus wurden der pH-Wert, CSB und DOC von Bodenextrakten, der Verbrauch anorganischer Nährstoffe sowie der ermittelte Schadstoffgehalt berücksichtigt. Mikrobiologische Aktivitäten wurden mittels Ausplattieren (KBE) und Messung der Dehydrogenaseaktivität bestimmt. Die Analytik der Hauptschadstoffkomponenten (PAK) und deren Ozonierungsprodukte durch Derivatisierung und Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) wurde etabliert. Mit Hilfe der 2D-Fluoreszenzspektroskopie konnten Erkenntnisse über die Bioverfügbarkeit gewonnen werden. Identifi-zierte Ozonierungsprodukte des Phenanthrens dienten als Substrate für Rein- und Mischkulturen, um deren mikrobiologische Abbaubarkeit zu untersuchen. Der Abbau wurde mittels Kapillarelektrophorese do-kumentiert. Aussagen über eine mögliche Toxizität von Ozonierungsprodukten der Schadstoffe wurden durch logarithmische Wachstumstests in Schüttelkolben, Lumineszenztests von Vibriofischeri, Kontakttests mit Baciullus subtilis und Wurzellängentests mit Lepidium sativum ermittelt.


Ergebnisse und Diskussion

Sowohl am untersuchten Modell- als auch realen Schadstoffsystem konnten keine eindeutigen Verbesserungen des Schadstoffabbaus in Suspensionskultur festgestellt werden. Die Ursachen hierfür liegen möglicherweise in toxischen oder inhibierenden Eigenschaften der aus der Ozonierung hervorgegangenen Oxidationsprodukte, was anhand der bisherigen Toxizitätsuntersuchungen gezeigt werden konnte. Zu unterscheiden ist jedoch bei Verwendung einer Reinkultur zwischen den Untersuchungen an Quarzsand unter Ausschluß von Huminstoffen und den Untersuchungen an Bodenmaterial. Möglicherweise werden die Oxidationsprodukte von Huminstoffen gebunden. An Boden lassen sich jedenfalls gleiche oder geringfügig bessere Abbauergebnisse erzielen, wenn der kontaminierte Boden vor dem biologischen Abbau mit Ozon vorbehandelt wurde. Damit vergleichbar sind auch die Abbauergebnisse an real mit PAK kontaminierten Boden mittels einer Mischkultur. Interessanterweise konnte mit Hilfe der 2D-Fluoreszenzspektroskopie eine Erhöhung der Phenanthrenfluoreszenz in offline-Proben der Medienüberstände nachgewiesen werden, wenn der eingesetzte Boden vorher kurzzeitig mit Ozon behandelt wurde. Möglicherweise gehen dadurch verstärkt an Huminstoffe gebundene Phenanthrenmoleküle zu-sammen mit den Huminstoffen in Lösung und erhöhen damit die Bioverfügbarkeit. Die Etablierung einer Routineanalytik zur Begleitung des Abbaus mittels Ozonierung konnte nicht realisiert werden. Wie durch Untersuchungen an Modellsubstanzen festgestellt wurde, erweist sich die Extraktion und Isolierung aus huminstoffreichen Bodenmaterial als äußerst unzureichend. Durch Extraktion von ozoniertem Quarzsand und anschließender Derivatisierung konnten jedoch 8 Substanzen sicher identifiziert und 2 weitere ver-mutet werden. Anhand dünnschichtchromatographischer Untersuchungen konnten sogar bis zu 16 verschiedene Substanzen beobachtet werden. Von den identifizierten Oxidationsprodukten wiesen in Ab-bauversuchen mit Rein- und Mischkulturen nur die höher oxidierten monoaromatischen Substanzen eine gute Abbaubarkeit auf. Die biphenylischen Substanzen wurden dagegen nur langsam oder gar nicht abgebaut. Die Ökotoxizitätstests wiesen z.T. deutliche Wachstumshemmungen bei logarithmischen Wachstumstest in Schüttelkolben als auch bei Lumineszenztests von V. fischeri, Kontakttests mit B. subtilis und Wurzellängentests mit Lepidium sativum auf.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Posterpräsentationen:
Müller, T.; Stehr, J.; Scheper, T. (1998): Das Ozonmobil: Eine neue Lösung zur On-Site-Bodensanierung 1. Weiterbildungs- und Kontaktbörse Bioteach am 17.03.1998 im Leibnizhaus Hannover
Müller, T.; Stehr, J.; Scheper, T. (1998): Untersuchungen zum Abbau polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoffe in Böden durch Ozon 16. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 26.-28.05.1998, Wiesbaden, Deutschland
Stehr, J.; Müller, T.; Scheper, T. (1999): Behandlung kontaminierter Böden durch Ozonierung in Kombination mit mikrobiologischen Methoden 17. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 27.-29.04.1999, Wiesbaden, Deutschland
Stehr, J.; Kamnerdpetch, C.; Müller, T.; Scheper, T. (1999): Chemical preoxidation by ozone for enhancing bioremediation of PAH-contaminated soils BIOTECHNICA 1999, 05.-07.10.1999, Hannover, Deutschland
Stehr, J.; Svensson K.; Müller, T.; Scheper, T. (2000): Biodegradability and ecotoxicological aspects after preoxidation by ozone of PAH-contaminated soils Biotechnology 2000, 04.-08.09.2000, Berlin, Deutschland
Vorträge:
Workshop Bioavailability and Biostimulation Strategies, Universität Hamburg-Harburg, 27.-29.04.1999
Veröffentlichungen:
Müller, T.; Stehr, J.; Gosslar, P.; Scheper, T. (2001): Abbau von Schadstoffen mittels Ozon in einem Pflugscharmischer, Chemie Ingenieur Technik, eingereicht
Stehr, J.; Müller, T.; Scheper, T. (2001): Basic examinations on chemical preoxidation by ozone for enhancing bioremediation of contaminated soils, Applied Microbiology and Biotechnology, in Vorbereitung


Fazit

Ein Feststoffreaktorverfahren zur Behandlung von PAK in Böden durch Ozon beinhaltet verfahrenstechnische Probleme und hohe Kosten. Zudem stellt die Aggregatbildung fester Bodenpartikel besonders bei feuchtem Boden ein bisher ungelöstes Problem dar, welches die Austauschfläche Gas/Feststoff verkleinert. Eine weitere Schwierigkeit bereiten Altlastböden, bei denen PAK in Form von mit Bodenkörnern fest verklebten Teerpartikeln vorliegen. Eine vollständige Oxidation der Schadstoffe ist in diesem Fall gar nicht möglich. Eine Kombination eines mikrobiologischen Mietenverfahrens mit einer Feststoffbehandlung durch Ozon ist daher sowohl weder wirtschaftlich noch verfahrenstechnisch sehr effektiv. Dabei ist es auch ohne Bedeutung, ob erst eine Voroxidation mit Ozon mit anschließendem mikrobiologischen Mietenabbau oder der umgekehrte Verfahrensablauf verfolgt wird. Die aufgezeigten Schwierigkeiten der Toxizität und der verschlechterten Abbaubarkeit der Ozonierungsprodukte bei unvollständigem Oxidationsgrad stellen eine Kombination mit mikrobiologischen Methoden ohnehin in Frage.