DE19514222A1

DE19514222A1 - Verfahren zur biologischen Bodensanierung

Info

Publication number: DE19514222A1
Application number: DE19514222A
Authority: DE
Inventors: Kurt Prof Dr Kirchner; Barbara Dipl Chem Heitzmann; Hans-Juergen Prof Dr Rehm
Original assignee: Dechema Deutsche Gesellschaft fuer Chemisches Apparatewesen eV
Current assignee: Dechema Deutsche Gesellschaft fuer Chemisches Apparatewesen eV
Priority date: 1995-04-15
Filing date: 1995-04-15
Publication date: 1996-10-17

Description

Der Boden als Hauptgrundlage der menschlichen Ernährung und der terrestrischen Ökosysteme stellt eine nicht vermehrbare Ressource dar. Somit ist dessen Be deutung für eine gesunde Umwelt unbestritten. Im Laufe der Industrialisierung sind durch sorglosen Umgang mit Abfällen und Betriebsstoffen Verunreinigungen in den Boden gelangt, von denen eine Gefährdung für die Umwelt und nicht zu letzt für die menschliche Gesundheit ausgehen.

Zur Reinigung kontaminierter Böden kommen aus heutiger Sicht vor allem vier Verfahren zum Einsatz:

- Biologische Verfahren
- Thermische Verfahren
- Bodenwaschverfahren
- Bodenluftabsaugverfahren.

Den letzten drei Verfahren ist gemein, daß keine vollständige Entfernung der Schadstoffe erfolgt, sondern vielmehr eine örtliche bzw. zeitliche Verlagerung der Problematik auf Luft und Wasser stattfindet. In diesem Zusammenhang gelan gen immer mehr die biotechnologischen Verfahren zur Sanierung in den Vorder grund des Interesses, da hierbei die natürlichen Selbstreinigungskräfte des Bodens bzw. des Grundwassers genutzt werden. Neben den ökologischen Gesichts punkten bieten die biologischen Verfahren im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden auch ökonomische Vorteile.

Bei der biologischen Bodensanierung unterscheidet man prinzipiell zwischen zwei Verfahrensweisen:

- on site/off site- und
- in situ-Verfahren.

Die Behandlungsmethoden unterscheiden sich darin, ob der Boden ausgehoben wird (on site/off site) oder nicht (in situ). Die geologischen und hydrogeologischen Voraussetzungen entscheiden darüber, welches Verfahren zum Einsatz kommt. Als Richtwert kann der Durchlässigkeitsbeiwert für Wasser herangezogen werden: Ist dieser kleiner als 10^-4 m · s^-1, sind die on site/off site- den in situ-Ver fahren vorzuziehen.

Für die spezifische Behandlung eines kontaminierten Bodens, nach dem on site/ off site-Prinzip, finden vor allem drei Verfahrensweisen in der Praxis Anwen dung:

- Mietenverfahren
- Landfarming
- Bioreaktorverfahren.

Nachteil des Mietenverfahrens bzw. des Landfarmings ist die nur unzureichende Behandlung von Böden mit hohem Feinstkornanteil. In Bioreaktoren können hinge gen Böden mit hohem Feinstkornanteil sehr gut gereinigt werden. Durch eine optimale Prozeßführung kann der Schadstoffabbau effizienter erfolgen, so daß eine Verkürzung der Zeit und/oder Fläche resultiert. Ebenfalls kann die Emis sion von Prozeßgasen optimal kontrolliert werden. Nachteile der Bioreaktoren sind der größere technische Aufwand mit höherem Energieverbrauch.

Diesem Nachteil wirkt man in der chemischen Technik im allgemeinen durch eine kontinuierliche Prozeßführung (Fließbetrieb) entgegen. Weitere Vorteile eines kontinuierlichen Verfahrens sind neben der gleichbleibenden Produktqualität vor allem kleinere Reaktorvolumina sowie die Einsparung von Lohnkosten und hygienischere Arbeitsbedingungen.

Somit bieten sich kontinuierliche Verfahren überall dort an, wo in mehr oder minder regelmäßigen Abständen Produkte beispielsweise in der Abluft oder im Abwasser anfallen, die entfernt werden müssen. In der biologischen Abluft- bzw. Abwasserreinigung ist eine kontinuierliche Prozeßführung Stand der Technik. Um die Effizienz eines Verfahrens zu steigern, müssen möglichst hohe Raum/Zeit- Ausbeuten erzielt werden, die mit einer hohen Biomassekonzentration verbunden sind. Eine Möglichkeit dies zu realisieren ist die kontinuierliche Rückführung der ausgetretenen Biomasse in den Reaktor. Ein Beispiel hierfür stellt die Abwasserbehandlung im BIOHOCH Reaktor® (vgl. Müller H. G.: BIOHOCH Reaktor® of Hoechst AG, Rehm, H.-J.; Reed, G. (eds) Biotechnology Vol. 2, VCH Weinheim 1985, 561-569) der Firma Hoechst AG dar. Der BIOHOCH Reaktor® besteht prin zipiell aus einem zylindrischen Tank, in dem sich der Belebtschlamm befindet. Dieser Raum wird oben ringförmig von einem kegelförmigen Nachklärraum umgeben, in dem die Trennung der Mikroorganismen vom Reaktionsgemisch durch Sedimenta tion erfolgt. Der Klärschlamm fließt schließlich vom Nachklärer ohne Pumpen zu 90% in den Belebungstank zurück. Das Verfahren ist daher für die kontinuier liche Reinigung von Böden nur bedingt geeignet, da die Mikroorganismen wieder mit Bodenpartikeln zugeführt werden müssen.

Auch in der biologischen Bodenreinigung sind kontinuierliche Verfahren von Interesse. Ein Beispiel hierfür stellt das LURGI-DECONTERRA®-Verfahren (vgl. Hankel, D.; Rosenstock, F. Biehler, G.: Die Wirkung der Attrition im LURGI- DEC0NTERRA®-Bodenaufbereitungsverfahren; Aufbereit.-Tech. 1992, 33 (5) 257- 266) dar. Bei diesem Verfahren werden die Schadstoffe durch Attrition in einer schließlich hoch belasteten Feinstfraktion angereichert. Für die Behandlung dieser Fraktion bietet sich ein biologisches Verfahren an. Infolge des hohen Feinstkornanteils ist ein Bioreaktorverfahren der Mietentechnologie vorzuzie hen. Üblicherweise wird bei der Bioreaktortechnologie der Reaktor mit dem zu reinigenden Boden samt seiner autochtonen Mikroflora sowie Nährsalzen etc. beschickt. Oftmals wird die autochtone Mikroflora zuvor angereichert und in erhöhter Konzentration dem Boden wieder zugeführt. Da die Feinstfraktion nach dem LURGI-DECONTERRA®-Verfahren keine Mikroorganismen mehr enthält, müßte der Boden zunächst mit Mikroorganismen beimpft werden. Durch Selbstimmobilisierung würden sich die Mikroorganismen bei Bioreaktorverfahren an den Bodenpartikeln adsorbieren und bei einer kontinuierlichen Betriebsweise den Reaktor zusammen mit dem gereinigten Boden verlassen. Auch hier könnte durch Zurückhalten der Biomasse im Reaktor oder erneuter Zufuhr die Raum/Zeit-Ausbeute erhöht werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur biologischen Bodenreini gung zur Verfügung zu stellen, das in einfacher Weise mit hoher Raum/Zeit-Aus beute zur kontinuierlichen Reinigung von Böden geeignet ist und nicht die vor genannten Nachteile hat.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1-8.

Es wurde gefunden, daß Rührkessel für die biologische Bodenreinigung besonders geeignet sind. Diese bieten gerade bei stofftransportlimitierten Prozessen den Vorteil, daß durch geeignete Maßnahmen der Stofftransport einfach erhöht wer den kann.

Normalerweise werden Rührkessel für chargenweisen Betrieb eingesetzt. Jedoch läßt sich auch eine kontinuierlich Zufuhr des Bodens zum Rührkessel realisie ren, wenn der Boden als wäßrige Suspension vorliegt.

Weiterhin müssen die Mikroorganismen dem Rührkessel zugeführt werden. Dies er folgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Mikroorganismen an einem Träger fixiert sind. Die Immobilisierung erfolgt insbesondere an einem Träger, der sich leicht von den Bodenpartikeln trennen läßt. Die Trennung von Boden und Mikro organismen hat den Vorteil, daß das dem Rührkessel entnommene Reaktionsgemisch in eine wäßrige Bodensuspension und in einen mit Mikroorganismen beladenen Träger getrennt werden kann. Die Trennung kann entweder dadurch erfolgen, daß die Trägerpartikel sich in ihrer Größe von den Bodenpartikeln unterscheiden oder dadurch, daß der Träger, bedingt durch unterschiedliche spezifische Ge wichte, eine Abtrennung ermöglichen.

Die Mikroorganismen können adsorptiv am Trägermaterial fixiert werden. Bevor zugt werden sie jedoch durch Zelleinschluß immobilisiert. Als Trägermaterial wird bevorzugt ein Material mit vergrößerter Oberfläche eingesetzt, wie z. B. Calcium-Alginat aber auch poröse Glas- oder Keramikkörper oder Blähton.

Bei der Durchführung des Verfahrens wird der Boden in Form einer wäßrigen Suspension dem Rührkessel zugeführt sowie parallel die an einen Träger fixier ten Mikroorganismen, welche entweder ebenfalls als Suspension oder als feuch tes Granulat vorliegen. Es ist auch möglich, Bodenmaterial und an einen Träger fixierte Mikroorganismen vorab zu suspendieren und diese Suspensionen dem Rühr kessel zuzuführen.

Die Auslegungen des Rührkessels und die zugeführte(n) Suspension(en) müssen so dimensioniert sein, daß eine für den biologischen Abbau ausreichende Verweil zeit im Rührkessel (0,5-3 Tage) gewährleistet ist. Entsprechend der Zufuhr von suspendiertem Boden und immobilisierten Mikroorganismen wird an anderer Stelle des Rührkessels die gleiche Menge an Suspension aus Boden- und Träger material (= Reaktionsgemisch) entnommen, wobei der Boden weitgehend gereinigt ist. Bei kontinuierlicher Fahrweise läßt sich ein Reinigungsgrad von bis zu 98% erzielen.

Das Reaktionsgemisch muß in eine wäßrige Suspension und in einen mit Mikroorga nismen beladenen Träger getrennt werden. Gegebenenfalls muß zusätzlich über schüssige wäßrige Phase abgetrennt werden.

Die Trennungen erfolgen in an sich bekannter Weise, bevorzugt mittels eines Siebes. Aber auch Trennverfahren, bei denen man sich Dichteunterschiede zu nutze macht, sind denkbar.

Anschließend werden die Mikroorganismen dem Rührkessel erneut zugeführt. Han delt es sich bei den Mikroorganismen um substanzspezifische, so bietet dieses Verfahren weiterhin Vorteile. Erstens können somit die Mikroorganismen ent sprechend der Schadstoffe ausgewählt werden. Zweitens können die Mikroorganis men vor der Zugabe zum Rührkessel mittels geeigneter Maßnahmen an die ent sprechenden Schadstoffe adaptiert werden. Somit erfolgt der Abbau der Schad stoffe ohne Verzögerung. Bringt man weiterhin die Mikroorganismen in einer hohen Konzentration (größer als 10⁸ Zellen pro Gramm Träger) ein, so kann abermals die Abbaugeschwindigkeit gesteigert werden. Alle diese Maßnahmen füh ren zu einer überraschend hohen Raum/Zeit-Ausbeute.

Nachstehendes Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Es wurde ein erfindungsgemäß einsetzbarer Biokatalysator dadurch hergestellt, daß man einer sterilen Natrium-Alginat-Lösung Vorkulturzellen (Aureobacter sp.) zusetzte, deren Zelldichte im Immobilisat 2·10⁹ ml^-1 entsprach. Die Konzentration des Natrium-Alginats wurde so gewählt, daß sich nach der Zugabe des Inokulums eine 2%-ige (Gewichtsprozent) Lösung ergab. Durch 15minütiges Rühren auf einem Magnetrührer bei 150 min^-1 konnte eine homogene Verteilung der Mikroorganismen in der Zell/Alginat-Suspension gewährleistet werden. Diese wurde in sterile Kunststoffspritzen aufgezogen und mit Hilfe einer Dosierpumpe in eine sterile 2%-ige (Gewichtsprozent) Calciumchlorid-Lösung über ein Septum eingetropft. Die Zell/Alginat-Tropfen gelierten sofort zu Kugeln mit einem Durchmesser von ca. 2,5 mm. Diese wurden zur vollständigen Aushärtung für 1 h in der Calciumchlorid-Lösung belassen. Danach wurde die Lösung mit Hilfe einer sterilen Pasteuerpipette abgesaugt. Die Gelperlen wurden nach zweimaligem Waschen mit steriler Mineralsalzlösung und nach dem Absaugen der Waschlösung in eine Mineralsalzlösung gegeben. Diese Suspension wurde mit einer 10%-igen wäßrigen Suspension aus kontaminiertem Sand (Korngröße 0,2-0,4 mm) vereint und dem Rührkessel zugeführt.

Der Sand war mit Naphthalin kontaminiert. Die Schadstoffkonzentration be trug bezogen auf das Reaktionsvolumen 150 mg ·^-1, die Anfangszelldichte 2,0 ·108 ml^-1. Die Inkubation erfolgte bei 20°C und 250 min^-1. Nach einer Ver weilzeit von 24 h wurde das Reaktionsgemisch dem Rührkessel entnommen, mittels eines Siebes in eine wäßrige Sandsuspension und in Calcium-Alginat einge schlossene Aureobacter-Zeilen getrennt. Die in Calcium-Alginat eingeschlossene Aureobacter-Zellen wurden dem Rührkesselreaktor erneut zugeführt. Der Schad stoffabbau konnte durch Analyse das Reaktionsgemisches verfolgt werden. Die nachstehende Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf des Naphthalinabbaus. Nach 24 h war alles Naphthalin abgebaut. Bei einer Verweilzeit von 24 h ergab sich somit bei diesem Fall eine Raum/Zeit-Ausbeute von 6,25 g · h^-1 ·m^-3 bezogen auf das Reaktionsvolumen.

Claims

1. Verfahren zur biologischen Bodenreinigung, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigung in einem Rührkessel erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden in Form einer wäßrigen Suspension dem Rührkessel zugeführt wird und die Mikro organismen an einem Träger fixiert sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rührkessel kontinuierlich eine Bodensuspension und die Mikroorganismen zugeführt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Rührkessel entnommene Reaktionsgemisch in eine wäßrige Bodensuspension und einen mit Mikroorganismen beladenen Träger getrennt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung mit tels eines Siebes erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Mikroorganismen beladene Träger in den Rührkessel zurückgeführt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger eingesetzt wird, der mit substanzspezifischen Mikroorganismen be laden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganis mendichte größer als 10⁸ Zellen pro Gramm Träger ist.