Projekt 02203/01

Nutzung von Standardsilageanlagen zur mikrobiellen Bodenreinigung

Projektträger

Bauer + Mourik UmwelttechnikNiederlassung Roßwein
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04741 Ro√üweinZielsetzung und Anlass des Vorhabens Ziel des praxisorientierten Forschungsprojekts war es, eine ehemalige landwirtschaftliche Silageanlage zu einer modernen nach dem Perkolationsprinzip arbeitenden biologischen Bodensanierungsanlage umzur√ľsten und so f√ľr die Reinigung kontaminierter B√∂den nutzbar zu machen. Grundidee war die Kombination eines Feststoffreaktors (Silagebecken) mit einem Fl√ľssigreaktor (Sickerwasserbeh√§lter). 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 durchgef√ľhrt, der mit Dieselkraftstoff oder Phenanthren beladen war. Als sich zeigte, dass im Boden die Schadstoffabbaugeschwindigkeit prim√§r von Transportph√§nomenen und weniger von der mikrobiellen Leistung bestimmt wird, konzentrierten sich die weiteren Untersuchungen auf die Rolle der Bioverf√ľgbarkeit der Schadstoffe im Boden und auf deren Verbesserung durch den gezielten Einsatz von Tensiden. Hierzu erfolgten vergleichende Abbauversuche mit Kohlenwasserstoffen in w√§ssriger Phase sowie in Systemen mit Boden. Anhand von Thermodesorptionsspektren und BET-Messungen wurden die Ursachen der mangelnden Bioverf√ľgbarkeit von Kohlenwasserstoffen aufgekl√§rt. Drei ausgew√§hlte nichtionogene Tenside wurden physikochemisch und biologisch charakterisiert und im Labor- und pilot scale-Ma√üstab 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 w√§ssriger Phase konnte ein stimulierender Effekt von zeitweiliger Sauerstofflimitation auf die mikrobielle Aktivit√§t und den Substratumsatz nachgewiesen werden. In Systemen mit Boden f√ľhrte ein periodi-scher aerob-anaerob-Wechsel verglichen mit rein aerober Prozessf√ľhrung zu einer verst√§rkten 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 Modellb√∂den (organikfreier Sand) hohe Restschadstoffe festgestellt, die unabh√§ngig von der Anfangskonzentration im Boden waren. Thermodesorptionsanalysen in Verbindung mit BET-Messungen zeigten, dass die Kohlenwasserstoffe nicht nur an der √§u√üeren Partikeloberfl√§che sorbieren sondern in die Mikroporen der Bodenpartikel eindringen. Die Mikroporosit√§t des Modellbodens war letztendlich f√ľr die mangelnde Bioverf√ľgbarkeit der Schadstoffe verantwortlich. Die Zugabe nichtionogener Tenside zu Beginn des biologischen Abbauprozesses war unwirksam, weil die Kohlenwasserstoffe anf√§nglich ausreichend bioverf√ľgbar waren und das Tensid bei beginnender Stagnation des Schadstoffab-baus bereits mikrobiell abgebaut war. Der Tensideinsatz in der Stagnationsphase f√ľhrte 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 w√§hrend des Schadstoffabbaus eine domi-nierende Rolle zukommt. Demgegen√ľber brachte der Einsatz von Tensiden in der sp√§ten Abbauphase nicht den erwarteten Erfolg. Die Erw√§rmung des Bodens mit beheiztem Prozesswasser f√ľhrte nur zu geringen Effekten, weil an der Bodenoberfl√§che gro√üe W√§rmeverluste auftraten. Durch eine Kombination von Ma√ünahmen zur W√§rmezuf√ľhrung (extern √ľber das Prozesswasser bzw. Selbsterw√§rmung durch Kompostbeimischung) und zur Senkung von W√§rmeverlusten (Abdeckung des Bodens mit Holzschnitzeln oder speziellen Folien) konnte die Abbaugeschwindigkeit von Kohlenwasserstoffen bis um den Faktor 3 erh√∂ht werden. Die Bodentemperatur wurde mittels des Bel√ľftungsregimes √ľber den Sauerstoffge-halt der Abluft gesteuert. Nach einer l√§ngeren Testphase hat die Praxisanlage im Sommer 1997 den Routinebetrieb aufgenommen. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation ¬∑ C. L√∂ser, 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. L√∂ser, 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. L√∂ser, 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. L√∂ser, 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 Effektivit√§t einer mikrobiologischen Bodensanierungsanlage. Altlastenspektrum Bd. 7 (im Druck) ¬∑ C. L√∂ser, 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 erm√∂glicht in einfacher Weise √ľber die Steuerung des Prozesswasserkreislaufs und des Bel√ľftungsregimes eine Steigerung des Leistungspotentials der Mikroorganismen. Die Geschwindigkeit des Schadstoffabbaus im Boden wird je-doch prim√§r von der Bioverf√ľgbarkeit der Schadstoffe bestimmt. Der gezielte Einsatz von Tensiden zur Verbesserung der Bioverf√ľgbarkeit in der sp√§ten Abbauphase brachte nicht den erwarteten Erfolg. Unter Praxisbedingungen kommt der Temperaturoptimierung w√§hrend des mikrobiellen Schadstoffabbaus eine dominierende Rolle zu. Hier bieten Perkolationssysteme kosteng√ľnstige M√∂glichkeiten zur Verk√ľrzung des Sanierungsprozesses und zur Senkung der Restschadstoffgehalte.

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28.06.1993 - 11.09.2001