Entwicklung eines Verfahrens zur elektrochemischen Sanierung von kontaminierten Böden
Projektdurchführung
BGD Boden- und Grundwasserlabor GmbH Dresden
Tiergartenstr. 48
01219 Dresden
Zielsetzung 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 für 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-Messplätze 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; Stromstärke; 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 Enzymaktivitäten INT (Dehydro-genasenaktivität) und FDA (Esterasenaktivität). Anhand von Untersuchungen der komplexen Leitfähigkeit (DGFZ e.V.) reiner und Anthracen-kontaminierter Bodenproben soll geprüft werden, inwieweit mit einer komplexen Leitfähigkeitsanalyse 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 durchzuführen 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 leitfähigen Partikeln (Mikroleiter) und von Redoxsystemen geknüpft. Die prinzipiell notwendigen Mikroleiter sind in unbekannten, natürlichen Lockergesteinen mittels anerkannter, hochauflösender komplexer elektrischer Leitfähigkeitsmessungen nachweisbar, jedoch nicht quantifizierbar. Die Redoxsysteme, z.B. Fe(II)/Fe(III) oder O2/H2O2, können dem zu behandelnden Bodenbereich auch zugeführt 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 wäßriger 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 Versuchsführung) 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 gestützt werden.
Allerdings musste ein Stagnieren des Umsatzes von Anthracen festgestellt werden. Als Ursache hierfür kommt die nachgewiesene Teilblockade der Mikroleiteroberflächen 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 Säulenversuchen konnte weder ein hemmender noch ein fördernder Einfluss der unterschiedlichen elektrischen Felder auf verschiedene Enzymaktivitäten (Esterasen, Glukosidasen, Aminopeptidasen) sowie auf die Biomasse festgestellt werden. Lediglich extreme pH-Wert-Veränderungen, z.B. bei Gleichstrom ohne Wechsel der Polarisation, führten zu einer Verminderung der Esterasenaktivität.
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 zukünftigen laborativen Untersuchungen vorbehalten bleiben.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
· Organisation eines Workshops (zusammen mit dem LfUG veranstaltet) Elektrochemie und Sanierung kontaminierter Böden, Grundwasserzentrum Dresden 05.06.98, zwei Vorträge, Tagungsband im Druck
Vorträge:
· 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 für den beschriebenen Fall einer In-Situ-Sanierung von polyzyklschen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) allein nicht ausreichend ist, um kostengünstig in vertretbaren Zeiträumen sanieren zu können. Aussichtsreicher erscheinen in diesem Fall Verfahrenskombinationen, vor allem mit elektrokinetischen, chemischen und/oder biologischen Verfahren.