DE19502465A1 - Verfahren zur Sanierung von Böden und Bauteilen, die mit polycyclischen aromatischen Kohlewasserstoffen (PAK) kontaminiert sind - Google Patents

Verfahren zur Sanierung von Böden und Bauteilen, die mit polycyclischen aromatischen Kohlewasserstoffen (PAK) kontaminiert sind

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Description

PAK-Kontaminationen liegen in Böden an einer Reihe wichtiger Industriestandorte vor. Insbesondere im Bereich von Gaswerken, teerverarbeitenden Betrieben sowie im gesamten Bereich der Car­ bo-Chemie treten durch PAK verursachte Schäden auf. Als Sanie­ rungsverfahren werden im Moment insbesondere die thermische Be­ handlung, die Verwertung als Ziegelrohstoff und die Bodenwäsche eingesetzt. Alle drei Verfahren haben spezifische Nachteile, die einen flächendeckenden Einsatz limitieren. Insbesondere ho­ he Kosten, ungünstige Ökobilanzierung, Rückstandsprobleme und eingeschränktes Einsatzspektrum sind zu nennen.
Biologische Verfahren besitzen diese Nachteile in der Regel nicht. Insbesondere der Kostenvorteil zeichnet sie gegenüber den o.g. Verfahren aus.
Die Stoffgruppe der PAK hat sich dabei einer biologischen Sa­ nierung bisher entzogen. Lediglich die niederkondensierten Ver­ treter bis Pyren können durch Mikroorganismen abgebaut werden.
Für andere Schadstoffgruppen wurden neben dem klassischen Ver­ fahren der Regenerationsmiete verschieden Optimierungen unter­ sucht. Insbesondere die Zugabe von organischen Zuschlagstoffen hatte hierbei fördernden Einfluß auf die Abbauaktivität. Dies wird für mineralische Kohlenwasserstoffe in der österreichi­ schen Patentschrift AT 395 858 B beschrieben. Laut der deut­ schen Patentschrift DE 38 06 820 C2 eignet sich besonders Müllkompost zu Steigerung der Abbauaktivitäten. Als besonders abbauaktive Mikroorganismen wurden Pilze, Schleimpilze und Streptomyceten erkannt. Verschiedene Patenschriften offenbaren Verfahren zur optimalen Zumischung der Organismen und geben Vorschläge für Zuschlagstoffe (z. B. DE 38 12 364 A1, DE 41 21 800 A1, DE 41 15 351 A1, DE 41 04 624 C1, DE 41 11 121 C2). Ei­ ne Wirksamkeit auf den Abbau von PAK wird mit wenigen Ausnahmen jedoch nicht benannt.
Neben den reinen Abbaureaktionen wurden Humifizierungsreaktio­ nen als besonders wirksame Senke für Bodenkontaminationen er­ kannt. Für die Stoffgruppe der PAK findet sich eine detaillier­ te Übersicht bei Mahro et al. 1993.
PAK-kontaminierte Böden haben im Gegensatz zu Laborversuchen jedoch das spezifische Problem, daß die Kontamination oftmals vornehmlich in sogenannten Teerklumpen und -klümpchen im Durch­ messer von mehreren cm bis ca. 2 mm vorgefunden wird. Ein bio­ logischer Abbau wird hierbei durch die lokale Konzentration der Schadstoffe verhindert.
Im Teerklumpen werden Schadstoffkonzentrationen im hohen Pro­ zentbereich vorgefunden, die Schadstoffe sind durch andere hochmolekulare Teerbestandteile maskiert und die Lebensbedin­ gungen für Mikroorganismen sind aufgrund der hohen Toxizität und Lipophilie des Mikro-Environment äußerst limitiert.
Trotz z. T. beeindruckender Dekontaminierungserfolge im Labor und einzelner Erfolge im Freilandversuch steht somit eine breit wirksame biologische Sanierungsmethode noch aus, die in der La­ ge ist, das gesamte Spektrum der PAK (Naphatlin bis Coronen) zu dekontaminieren.
Durch das hier beschriebene innovative Verfahren gelingt es erstmals, PAK-Kontaminationen von Böden und Bauteilen zuverläs­ sig und mit relativ niedrigem Kostenniveau zu sanieren. Die de­ kontaminierten Böden lassen sich hierbei als Recycling-Böden in der Rekultivierung von Brachflächen einsetzen. Besonders geeig­ net erscheint aufgrund der Produkteigenschaften ein Einsatz im landschaftgärtnerischen Bereich sowie in der Rekultivierung von Braunkohletagebau-Folgelandschaften.
Das Verfahren gliedert sich in eine Siebstufe, eine Zudosierung von Zuschlagstoffen, eine beheizte Zwangsmischung, eine Aufloc­ kerungseinheit und eine Regenerationsmiete.
Das ausgekofferter Bodenmaterial wird nach Klassierung über der Siebstufe von Steinen und größeren Teerklumpen befreit. Die Steinfraktion kann nach analytischer Freigabe als Sekundarroh­ stoff verwertet werden. Größere Teerklumpen können händisch oder über Flottation abgetrennt und entsorgt werden.
Der Siedurchgang wird der Zudosiereinrichtung von Zuschlagstof­ fen zugeführt. Flüssige Zuschlagstoffe können hierbei über Do­ sierpumpen und Düsen oder auf andere Weise, feste Zuschlagstof­ fe über Kastenmischer, Rütteltische, Dosierschnecken oder auf andere geeignete Weise zugeführt werden.
Besondere Beachtung verdient die beheizte Zwangsmischung, vor­ zugsweise durch einen modifizierten Doppelwellenzwangsmischer. Durch die Beheizung der Zwangsmischung auf einem Temperaturbe­ reich von 30-55°C wird ein Aufschmelzen der Teerklümpchen erreicht. Dies ist von entscheidender Bedeutung für den Sanie­ rungserfolg. Die aufgeschmolzenen Klümpchen vermischen sich durch die Anwendung der starken Scherkräfte des Zwangsmischers optimal mit dem Boden und den Zuschlagstoffen. Dadurch wird die Maskierung der Kontaminanten durch hochmolekulare Teerbestand­ teile aufgebrochen. Der unbedingt notwendige Kontakt der Kontaminanten mit der Bodenstruktur, auf der die Mirkoorganis­ men sich befinden oder noch aufwachsen, kann so hergestellt werden. Weiterhin wird eine räumliche Nähe zu den bioaktiven Zuschlagstoffen hergestellt, die den Ablauf von Humifizierungs­ vorgängen bedingt.
Die in der Zwangsmischung beseitigte Krümelstruktur wird in der Auflockerungsapparatur wieder hergestellt. Dies geschieht vor­ zugsweise durch eine stationär eingebaute Fräsvorrichtung. Die weitere Inkubation erfolgt auf einer Regenerationsmiete, in Kontainern, in Drahtpaletten oder auf andere geeignete Weise.
Von Vorteil ist es, über eine bestimmte Zeit während der Inku­ bation Temperaturen zwischen 20-55°C einzustellen. Dies kann durch das Verlegen von regelbaren Heizschlangen in der Miete oder auf andere Weise geschehen. Bei bestimmten der u.g. Zu­ schlagstoffe kommt es infolge hoher mikrobieller Aktivität zur Selbsterhitzung. Auch diese kann ausgenutzt werden. Die Temper­ atur wird hierbei über die Dosierung der Luftzugabe über eine Zwangsbelüftung geregelt.
Nach Erreichen der Sanierungszielwerte wird der sanierte Boden als Recyclingboden in der Rekultivierung verwertet.
Das Verfahren nutzt innovativ Humifizierungsprozesse zur De­ kontamination der PAK-Verbindungen. Die Verbindungen aus der Gruppe der PAK gehören zu den biologisch schwer abbaubaren Ver­ bindungen. Für ähnlich schwer abbaubare Naturprodukte, wie z. B. Lignin, Wachse und Öle, benutzt die Natur vornehmlich den Stoffwechselweg der Humifizierung, um zu einem Abbau zu gelan­ gen. Im Rahmen einer bionischen Betrachtungsweise haben wir diese Reaktionsmechanismen als wirksam zur Dekontamination von PAK identifiziert.
Um die Mechanismen technisch zu verwerten, müssen zu den meist humusarmen kontaminierten Böden organische Substanzen zugegeben werden. Aufgrund unserer Untersuchungen ist es hierbei von ent­ scheidender Bedeutung, daß die Zuschlagstoffe in feindisperser oder besser noch in flüssiger oder gelöster Form zugegeben wer­ den. Nur so ist ein möglichst enger Kontakt mit den Kontaminan­ ten in der Zwangsmischung herstellbar. Der enge Kontakt ist zur Einbringung der PAK in die Humusmatrix von zentraler Bedeutung. Auch hierin unterscheidet sich unser Verfahren grundlegend von anderen Lösungsansätzen, die organisches Material als Nährstoff für Mikroorganismen oder als Strukturmaterial zugeben.
Aufgrund unserer Versuche wurden folgende Zuschlagstoffe als wirksam eingestuft:
Getreideabreinigungsstaub, Getreidemehl oder Haferflocken, vor­ zugsweise Fehlchargen und Interventionsbestände in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%.
Deponie- oder Kompostsickerwasser in Anteilen von 0,1-15 Vol.-%.
Getreidespelzen, gehäckseltes Stroh, vorzugsweise aufgemahlen in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%
Kompost, beispielsweise aus Biomüll, Grünschnitt, Baumrinde in Anteilen von 1-30 Vol.-%.
Sägemehl, Hobelspäne, gemahlene Baumrinde und Holz aus sich zersetzendem Material, aufgeschlämmtes Papier und Papierschläm­ me, Popcorn, Wellpappe und Maisstärkeverpackungsmaterial in An­ teilen von 1-30 Vol.-%.
Tenside, Carbonsäuren (z. B. Stearin-Säure, Laurin-Säure, Ca­ pryl-Säure), Balsamterpentin-Öl, Leinöl-Kobaltfirnis oder des­ sen Grundstoffe in Anteilen von 0,1-15 Vol.-%.
Gerbereiabfälle, insbesondere ger. Mahlgut, Reststoffe der Bierproduktion, z. B. Hopfenextrakt, Kieselgur, Malztreber, La­ gerkellerhefe, Gärkellerhefe in Anteilen von 0,1-20 Vol.-%.
Reststoffe der Zuckerproduktion, z. B. Rübenmelasse, Trocken­ schnitzel, Carbo-Kalk in Anteilen von 0,1-20 Vol.-%.
Molke, Spülmilch, Milch, Butter vorzugsweise als Fehlcharge oder Interventionsbestand in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%.
Apfeltrester, Rapskuchen, "Mehl" aus der Sonnenblumen- und Leinöl-Produktion, gemahlene Raps-, Sonnenblumen- und Getreide­ körner in Anteilen von 1-30 Vol.-%.
Ganzpflanzen, gehäckselt oder gemahlen von landwirtschaftlichen Kulturen in Anteilen von 1-30 Vol.-%
Panseninhalte, Blättermageninhalte, Borsten von Schlachttieren in Anteilen von 0,01-10 Vol.
Mist, Gülle oder Jauche von Geflügel, Schweine, Rinder, Pferde in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%.
Pilzkultursubstrat, Abfälle der Speisepilz- und Pennicillin- Produktion in Anteilen von 0,001-10 Vol.-%.
Die für eine ausreichende Belüftung des Materials in der Inku­ bationsphase notwendige (Krümel-)Struktur der Bodenmaterials wird über eine Fräsvorrichtung sichergestellt. Die Stabilisie­ rung der Struktur kann durch eine zusätzliche vorherige Zugabe von grobem Strukturmaterial gesichert werden.
Die erhöhten Temperaturen in der Inkubationsphase sind geeig­ net, um die Teermatrix in flüssiger Konsistenz zu halten und das Bodenleben anzuregen. In einer zweiten Phase der Regenera­ tion werden die Temperaturen dann bei 10-20°C gehalten, um hu­ mifierenden bodenbürtigen oder zugegebenen Mikroorganismen op­ timale Lebensbedingungen zu geben.
Da kontaminierte Böden von sehr unterschiedlicher Eigenschaft sind, wird das Verfahren einer Entscheidungsmatrix folgend mo­ difiziert. Zuschlagstoffe werden je nach Ausgangskonzentration und PAK-Spektrum in Auswahl, Kombination und Anteilen variiert.
Bei sehr bindigem Material wird grobes Strukturmaterial zugege­ ben. Bei Fehlen von Steinen und/oder großen Teerklumpen wird auf die Siebung verzichtet. Bei Fehlen von kleineren Teerklum­ pen und -klümpchen wird auf die Beheizung der Mischvorrichtung verzichtet. Bei Fehlen einer Teermatrix wird weiterhin auf die Beheizung der Inkubationsphase verzichtet.
Zur Immobilisierung evt. begleitender Schwermetallbelastungen können in der Mischstufe kalkhaltige Materialien, Basaltmehle oder Tuffe beigegeben werden. Weitere häufige Begleitkontamina­ tionen z. B. mit Cyaniden oder BTEX-Aromaten werden im Laufe der Inkubation nach bekannten Abbaureaktionen weitgehend abgebaut.
Mit PAK-kontaminierte Bauteile, z. B. Ziegelmaterial und Beton aus dem Bereich von Fundamenten und Bauwerken können nach Zer­ kleinerung durch mehrmaliges Brechen/Sieben und Rückführung des Siebüberlaufes auf die gleiche o.g. Art behandelt werden. Es empfiehlt sich in diesem Fall, diese Fraktion als Zuschlagstoff den zu sanierenden Bodenchargen zuzugeben.
Unter diesen Bedingungen ist das Verfahren der "Kontrollierten Humifizierung von PAK" als äußerst kostengünstiges Sanierungs­ verfahren für eine breite Palette von Bodenkontaminationen an­ wendbar.

Claims (9)

1. Verfahren zur Sanierung von Böden und Bauteilen, die mit po­ lycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen kontaminiert sind, dadurch charakterisiert, daß das Bodenmaterial auf 25 - 55°C erwärmt wird und bei einer Temperatur in diesem Bereich nach Zumischung von geeigneten Zuschlagstoffen in einem Zwangs­ mischer intensiv homogenisiert wird, dadurch die PAK- enthaltenden Teerklumpen und -klümpchen aufgeschmolzen und mit dem Bodenmaterial homogen vermischt werden, dieser dabei mit den organischen und/oder anorganischen Zuschlagstoffen intensiv vermischt wird und danach nach Auflockerung auf einer Regenera­ tionsmiete, in Kontainersystemen, in Drahtpaletten oder auf an­ dere Weise inkubiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe in feindisperser oder wasserlöslicher Form zuge­ geben werden und dadurch ein unmittelbarer Kontakt mit den Kontaminanten stattfindet und dadurch neben den bekannten Ab­ baureaktionen in hohem Maße Humifizierungsreaktionen der Kontaminanten mit dem organischen Zuschlagstoff stattfinden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei fehlendem Vorliegen von Teerklumpen oder Teerklümpchen auf die Erwärmung verzichtet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlagstoffe folgende Komponenten alleine oder in Kombination untereinander verwendet werden:
Getreideabreinigungsstaub, Getreidemehl oder Haferflocken, vor­ zugsweise Fehlchargen und Interventionsbestände in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%.
Deponie- oder Kompostsickerwasser in Anteilen von 0,1-15 Vol.-%.
Getreidespelzen, gehäckseltes Stroh, vorzugsweise aufgemahlen in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%
Kompost, beispielsweise aus Biomüll, Grünschnitt, Baumrinde in Anteilen von 1-30 Vol.-%.
Sägemehl, Hobelspäne, gemahlene Baumrinde und Holz aus sich zersetzendem Material, aufgeschlämmtes Papier und Papierschläm­ me, Popcorn, Wellpappe und Maisstärkeverpackungsmaterial in An­ teilen von 1-30 Vol.-%.
Tenside, Carbonsäuren (z. B. Stearin-Säure, Laurin-Säure, Ca­ pryl-Säure), Balsamterpentin-Öl, Leinöl-Kobaltfirnis oder des­ sen Grundstoffe in Anteilen von 0,1-15 Vol.-%.
Gerbereiabfälle, insbesondere ger. Mahlgut, Reststoffe der Bierproduktion, z. B. Hopfenextrakt, Kieselgur, Malztreber, La­ gerkellerhefe, Gärkellerhefe in Anteilen von 0,1-20 Vol.-%.
Reststoffe der Zuckerproduktion, z. B. Rübenmelasse, Trocken­ schnitzel, Carbo-Kalk in Anteilen von 0,1-20 Vol.-%.
Molke, Spülmilch, Milch, Butter vorzugsweise als Fehlcharge oder Interventionsbestand in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%.
Apfeltrester, Rapskuchen, "Mehl" aus der Sonnenblumen- und Leinöl-Produktion, gemahlene Raps-, Sonnenblumen- und Getreide­ körner in Anteilen von 1-30 Vol.-%.
Ganzpflanzen, gehäckselt oder gemahlen von landwirtschaftlichen Kulturen in Anteilen von 1-30 Vol.-%.
Panseninhalte, Blättermageninhalte, Borsten von Schlachttieren in Anteilen von 0,01-10 Vol.-%.
Mist, Gülle oder Jauche von Geflügel, Schweine, Rinder, Pferde in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%.
Pilzkultursubstrat, Abfälle der Speisepilz- und Pennicillin- Produktion in Anteilen von 0,001-10 Vol.-%.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlagstoffe folgende Komponenten alleine oder in Kombination untereinander verwendet werden:
Getreideabreinigungsstaub, Getreidemehl oder Haferflocken, vor­ zugsweise Fehlchargen und Interventionsbestände in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%.
Deponie- oder Kompostsickerwasser in Anteilen von 0,1-15 Vol. -%.
Getreidespelzen, gehäckseltes Stroh, vorzugsweise aufgemahlen in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%
Kompost, beispielsweise aus Biomüll, Grünschnitt, Baumrinde in Anteilen von 1-30 Vol.-%.
Sägemehl, Hobelspäne, gemahlene Baumrinde und Holz aus sich zersetzendem Material, aufgeschlämmtes Papier und Papierschläm­ me, Popcorn, Wellpappe und Maisstärkeverpackungsmaterial in An­ teilen von 1-30 Vol.-%.
Tenside, Carbonsäuren (z. B. Stearin-Säure, Laurin-Säure, Ca­ pryl-Säure), Balsamterpentin-Öl, Leinöl-Kobaltfirnis oder des­ sen Grundstoffe in Anteilen von 0,1-15 Vol.-%.
Gerbereiabfälle, insbesondere ger. Mahlgut, Reststoffe der Bierproduktion, z. B. Hopfenextrakt, Kieselgur, Malztreber, La­ gerkellerhefe, Gärkellerhefe in Anteilen von 0,1-20 Vol.-%.
Reststoffe der Zuckerproduktion, z. B. Rübenmelasse, Trocken­ schnitzel, Carbo-Kalk in Anteilen von 0,1-20 Vol.-%.
Molke, Spülmilch, Milch, Butter vorzugsweise als Fehlcharge oder Interventionsbestand in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%.
Apfeltrester, Rapskuchen, "Mehl" aus der Sonnenblumen- und Leinöl-Produktion, gemahlene Raps-, Sonnenblumen- und Getreide­ körner in Anteilen von 1-30 Vol.-%.
Ganzpflanzen, gehäckselt oder gemahlen von landwirtschaftlichen Kulturen in Anteilen von 1-30 Vol.-%
Panseninhalte, Blättermageninhalte, Borsten von Schlachttieren in Anteilen von 0,01-10 Vol.-%.
Mist, Gülle oder Jauche von Geflügel, Schweine, Rinder, Pferde in Anteilen von 0,1-30 Vol.-%.
Pilzkultursubstrat, Abfälle der Speisepilz- und Pennicillin- Produktion in Anteilen von 0,001-10 Vol.-%.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ sätzlich aufgemahlenes Material des Oberbodens von Waldböden in Anteilen von 0,1-10 Vol.-% als Startersubstrat für humifizie­ rende Pilze und Bakterien zugemischt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ sätzlich aufgemahlenes Material des Oberbodens von Waldböden in Anteilen von 0,1-10 Vol.-% als Startersubstrat für humifizie­ rende Pilze und Bakterien zugemischt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ sätzlich grobes Strukturmaterial in Anteilen von 3-30 Vol.-% beigemischt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenmaterial auf der Regenerationsmiete bei Temperaturen von 25-55°C inkubiert wird. Die Inkubationstemperatur kann hier­ bei durch Beheizung, z. B. über Heizleitungen im Bodenmaterial, durch Selbsterhitzung infolge Zugabe leicht metabolisierbarer organischer Substanz oder auf andere Weise eingestellt werden.
DE19502465A 1994-02-01 1995-01-29 Verfahren zur Sanierung von Böden und Bauteilen, die mit polycyclischen aromatischen Kohlewasserstoffen (PAK) kontaminiert sind Withdrawn DE19502465A1 (de)

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