Projekt 05684/01

Entwicklung eines Verfahrens zur elektrochemischen Sanierung von kontaminierten Böden

ProjekttrÀger

BGD Boden- und Grundwasserlabor GmbH Dresden
Tiergartenstr. 48
01219 DresdenZielsetzung und Anlass des Vorhabens Ziel ist die Entwicklung eines laborativen Testprogrammes zur optimalen Bewertung und Planung einer In-Situ-Bodensanierung von immobilen organischen Kontaminationen (z.B. Teerkontaminationen in Gas-werksböden) mit Hilfe elektrochemischer Verfahren. Dazu gehört die Schaffung von Entscheidungskriterien, die eine Prognose der Sanierungsaussichten fĂŒr die unterschiedlichsten Standorte und Kontaminationen ermöglichen. Die elektrochemischen Verfahren können damit gezielt (ggf. in Kombination mit anderen Sanierungsmethoden) eingesetzt werden, wodurch sich Kosten in erheblichem Maße einsparen lassen. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUnter Nutzung spezieller, laborativer Mehrkanal-MessplĂ€tze zur Steuerung des Stromregimes wurden gezielt kontaminierte, unterschiedliche Modellböden neben teerkontaminierten Gaswerksböden mit verschiedenen Stromregimes und Zellkonfigurationen zum Zwecke der Optimierung der Einflußparameter untersucht. Es erfolgte eine Variation der verschiedensten Parameter in Dauerversuchen: Gleichstrom - Wechselstrom; StromstĂ€rke; Dauer eines Zyklus (Polarisation/ Pause/Polarisation); Polarisation mit und ohne Pause; Art der zugesetzten Mikroleiter; Zusammen-setzung der Böden (Kornverteilung, Corg-Gehalt); Art und Umfang der Kontamination; mit / ohne Durchströmung; mit / ohne Begasung durch Luftsauerstoff; Zusammensetzung der Lösung, Elektrodenmaterial. Die Laufzeiten der einzelnen Versuche betrugen in der Regel 60 Tage, wobei ein Parallelansatz nach 30 Tagen analysiert wurde. Die quantitative Analyse erfolgte bei Einkomponenten-Kontaminationen mittels Fluoreszenzanalyse, bei den Gaswerksböden mittels GC-MS nach Kaltextraktion mit Cyclohexan; die qualitative Analyse (auf Nebenprodukte) erfolgte in jedem Fall mit GC-MS. Daneben wurden biologische Parameter zur Charakterisierung der Böden untersucht: Gesamtzellzahl und die EnzymaktivitĂ€ten INT (Dehydro-genasenaktivitĂ€t) und FDA (EsterasenaktivitĂ€t). Anhand von Untersuchungen der komplexen LeitfĂ€higkeit (DGFZ e.V.) reiner und Anthracen-kontaminierter Bodenproben soll geprĂŒft werden, inwieweit mit einer komplexen LeitfĂ€higkeitsanalyse die Beurteilung der elektrochemischen Sanierbarkeit eines Standortes möglich ist. Ergebnisse und Diskussion Mit den im Rahmen des Projektes installierten und entwickelten laborativen Versuchsanlagen und Untersuchungsmethoden ist es möglich, einen elektrochemisch induzierten Stoffumsatz immobiler organischer Schadstoffe nachzuweisen bzw. auszuschließen. Es wurde ein Ablaufplan entwickelt, nach dem solche laborativen Voruntersuchungen durchzufĂŒhren sind sowie Empfehlungen zur Probenahme und -transport ausgesprochen. Ein elektrochemisch induzierter Stoffumsatz polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) im Boden zwischen den Elektroden ist an das gleichzeitige Vorliegen von leitfĂ€higen Partikeln (Mikroleiter) und von Redoxsystemen geknĂŒpft. Die prinzipiell notwendigen Mikroleiter sind in unbekannten, natĂŒrlichen Lockergesteinen mittels anerkannter, hochauflösender komplexer elektrischer LeitfĂ€higkeitsmessungen nachweisbar, jedoch nicht quantifizierbar. Die Redoxsysteme, z.B. Fe(II)/Fe(III) oder O2/H2O2, können dem zu behandelnden Bodenbereich auch zugefĂŒhrt werden. Der wahrscheinliche Mechanismus des Stoffumsatzes an der untersuchten Stoffgruppe (PAK) ist der indirekte Umsatz durch reaktive Species, die durch das elektrische Feld an den Mikroleitern gebildet werden. Die hohen Zersetzungsspannungen der untersuchten Gruppe organischer Verbindungen und die in wĂ€ĂŸriger Lösung zu erwartenden hohen Überspannungen lassen dagegen einen direkten Umsatz als ausgeschlossen erscheinen. Am Modellsystem Sand/Graphit unter Zusatz von Eisenionen im strömenden Fluid (dynamische VersuchsfĂŒhrung) konnte gezeigt werden, dass der im Labor zugesetzte Schadstoff (Anthracen als Vertreter der PAK) bei Stromfluss innerhalb von 60 Tagen zu etwa 50 % abgebaut wird. Als Umsatzprodukt des Anthracens konnte mittels GC/MS Anthrachinon nachgewiesen werden. Anthrachinon selbst ist bei Stromfluss nicht stabil und wird weiter umgesetzt. Der diskutierte Mechanismus - elektrochemische Reaktion des Sauerstoffs zu Wasserstoffperoxid, Bildung von OH-Radikalen durch Reaktion mit Eisenionen mit nachfolgender radikalischer Oxidation des Anthracens - konnte durch die Ergebnisse spezieller elektrochemischer Untersuchungen gestĂŒtzt werden. Allerdings musste ein Stagnieren des Umsatzes von Anthracen festgestellt werden. Als Ursache hierfĂŒr kommt die nachgewiesene Teilblockade der MikroleiteroberflĂ€chen infrage. Spezielle elektrochemische Untersuchungen beweisen, dass eine Optimierung des Verfahrens nötig und möglich ist. An Gaswerksböden konnten keine vergleichbaren Ergebnisse erreicht werden, d.h. mit einem elektrochemisch induzierten Umsatz allein ist derzeit eine Sanierung von Teerkontaminationen nicht möglich. Zur Untersuchung des Einflusses des elektrischen Feldes auf Mikroorganismen wurde ein weitestgehend homogenes, unkontaminiertes Flusssediment anstelle des Gaswerksbodens eingesetzt. In zahlreichen SĂ€ulenversuchen konnte weder ein hemmender noch ein fördernder Einfluss der unterschiedlichen elektrischen Felder auf verschiedene EnzymaktivitĂ€ten (Esterasen, Glukosidasen, Aminopeptidasen) sowie auf die Biomasse festgestellt werden. Lediglich extreme pH-Wert-VerĂ€nderungen, z.B. bei Gleichstrom ohne Wechsel der Polarisation, fĂŒhrten zu einer Verminderung der EsterasenaktivitĂ€t. Die Entwicklung eines geeigneten Verfahrens in Kombination mit dem elektrochemisch induzierten Stoffumsatz und eine Übertragung der an den PAK erhaltenen Ergebnisse und Schlussfolgerungen auf andere schwer wasserlösliche organische Verbindungen muss zukĂŒnftigen laborativen Untersuchungen vorbehalten bleiben. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation · Organisation eines Workshops (zusammen mit dem LfUG veranstaltet) Elektrochemie und Sanierung kontaminierter Böden, Grundwasserzentrum Dresden 05.06.98, zwei VortrĂ€ge, Tagungsband im Druck VortrĂ€ge: · Electrochemical Induced Reaction in Soils - A New Approach to the in-situ Remediation of Contaminated Soils?, 48.ISE-Tagung, 31.08.-05.09.97, Paris, Vol. II, 749-750 · Symposium Heavy Metals in the Environment and Electromigration Applied to Soil Remediation, 07.-09.07.99, Technical University of Denmark, Lyngby Poster: Entwicklung eines Verfahrens zur elektrochemischen Sanierung kontaminierter Böden - Untersuchungen zum elektrochemischen Umsatz immobiler organischer Stoffe im Labormaßstab, DBU-Tagung, Dresden, 05.07.99 Fazit Aus den Ergebnissen der Projektbearbeitung kann geschlossen werden, daß das Anlegen eines elektrischen Feldes fĂŒr den beschriebenen Fall einer In-Situ-Sanierung von polyzyklschen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) allein nicht ausreichend ist, um kostengĂŒnstig in vertretbaren ZeitrĂ€umen sanieren zu können. Aussichtsreicher erscheinen in diesem Fall Verfahrenskombinationen, vor allem mit elektrokinetischen, chemischen und/oder biologischen Verfahren.

Übersicht

Telefon

0351/405065-0

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Bundesland

Sachsen

Fördersumme

426.398,00 €

Förderzeitraum

01.11.1995 - 01.03.2000