DE19616903A1

DE19616903A1 - Verfahren zur mikrobiologischen Bodenreinigung mit gesteuertem Luft- und Wasserkreislauf

Info

Publication number: DE19616903A1
Application number: DE1996116903
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Chem Dr Seidel; Andreas Dipl Ing Zehnsdorf; Christian Dr Ing Loeser; Ulrich Prof Dr Stottmeister
Original assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: DE19616903C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrobiologischen Bodenreinigung mit gesteuertem Luft- und Wasserkreislauf durch intervallweise Belüftung des kontaminierten Bodens und durch intervallweise Zuführung eines wäßrigen Medienstromes unterschiedlicher Stärke, wodurch periodische Wechsel aerob-anaerober Bedingungen erzeugt werden.

Bei der biologischen Bodenreinigung sollen organische Schadstoffe, insbesondere Mineralöle aller Verarbei tungsstufen, möglichst schnell und vollständig zu unschädlichen Produkten abgebaut werden. Eine Anzahl von Bodenreinigungsverfahren versucht diesem Anspruch zu genügen, indem ein Wasser- und Luftkreislauf gesteuert betrieben wird. Beispiel hierfür ist die in DE 39 20 827 beschriebene Regenerationsmiete mit gesteuertem Be lüftungs- und Wasserkreislauf. Das Sickerwasser wird in einem Reaktor aufbereitet, mit Nährstoffen und Mikroor ganismen versetzt, bevor es in den Kreislauf zurückge führt wird. Nach einem ähnlichen Biobeet-Verfahren (Schüßler, H.: Biodetox-Verfahren zur biologischen Reinigung von Böden und Grundwasser. Ehningen, 1987) werden die im Sickerwasser gelösten Schadstoffe in einem Bioreaktor biologisch abgebaut, das gereinigte Wasser wird mit Mikroorganismen und Nährstoffen angereichert und im Kreislauf dem Biobeet wieder zugeführt. Die her kömmliche Prozeßsteuerung bietet kaum Möglichkeiten, das Leistungspotential der Bodenmikroorganismen voll aus zu schöpfen. Ein Nachteil der bekannten Verfahren ist es insbesondere, daß nur ein relativ geringer Teil der Schadstoffe mineralisiert wird, ein erheblicher Teil beim Abbauprozeß entstehender Sekundärprodukte unbekannter Zusammensetzung im Boden verbleibt, und damit die Gefahr der Bildung von toxischen Verbindungen besteht.

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein Verfahren zur mikrobiologischen Bodenreinigung zu entwickeln, mit dem das Leistungspotential der Bodenmikroorganismen besser ausgenutzt werden kann und dadurch ein höherer Anteil an Schadstoffen mineralisiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im kontaminierten Boden durch intervallweise Belüftung und durch intervallweise Zuführung eines wäßrigen Medienstromes unterschiedlicher Stärke periodische Wechsel von aeroben-anaeroben Phasen erzeugt werden, bis die Kontaminationen weitgehend abgebaut sind und ein großer Anteil von Schadstoffen mineralisiert ist.

Das eingesetzte wäßrige Medium enthält die üblichen Nährstoffe für die Bodenmikroorganismen, wie Stickstoff in Form von Ammonium oder Nitrat, Phosphor in Form von Phosphat, Schwefel in Form von Sulfat, Spurenelemente, z. B. Bor, Mangan, Kupfer, Zink und Molybdän in Form von Mineralsalzen, Hilfs- und Zusatzstoffe, z. B. Cosubstrate, Lösungsvermittler oder Detergentien sowie gegebenenfalls zusätzliche Mikroorganismen.

Erfindungsgemäß werden die periodischen aerob-anaerob Wechsel durch Verregnen des wäßrigen Medienstromes über dem zu reinigenden Boden bei gleichzeitiger Belüftung (Aerobphase) und anschließendem Fluten oder Vernässen des zu reinigenden Bodens bei abgeschalteter Belüftung bzw. durch Abschalten des Medienstromes und der Belüftung (Anaerobphase) erreicht.

Die periodischen aerob-anaerob-Wechsel im Boden werden erfindungsgemäß durch Prozeßsteuerung mit konstanter Taktzeit oder ereignisorientiert realisiert.

Prozeßsteuerung mit konstanter Taktzeit bedeutet, daß die Zeitintervalle für die aerobe und die anaerobe Phase jeweils konstant sind. Die Taktzeiten für die inter vallweise Belüftung und Zuführung des wäßrigen Mediums einschließlich der Zeiten für die Übergänge zwischen den aeroben und anaeroben Phasen werden vorgegeben, sie sind abhängig von der Ausgestaltung der Bodenreinigungsanlage, den Bodeneigenschaften, der Art und Konzentration der Schadstoffe und der mikrobiellen Aktivität. Bei mit Kohlenwasserstoffen kontaminierten Böden liegen die Taktzeiten vorzugsweise im Stunden- bis Tages-Bereich.

Bei der ereignisorientierten Prozeßsteuerung sind die Zeitintervalle nur für die aerobe Phase konstant, für die anaerobe Phase sind sie abhängig von der Geschwindigkeit der Auszehrung des Sauerstoffs im Boden. Die anaerobe Phase wird so lange aufrechterhalten, bis der Gelöst- Sauerstoffgehalt im Bodenwasser bzw. der Sauerstoffgehalt in der Bodenluft (nämlich dann, wenn nicht vernäßt wird und die anaerob-Phase nur durch Abschalten der Belüftung erreicht wird) auf einen vorgegebenen Wert im Bereich von 0 bis 30%, vorzugsweise auf < 10%, des Sättigungswertes abgefallen ist. Erforderlichenfalls wird die anaerobe Phase noch eine bestimmte Zeitdauer darüber hinaus aufrechterhalten.

Während der Vernässung des Bodens wird der im Bodenwasser gelöste Sauerstoff durch die im Boden fixierten und die im wäßrigen Medium suspendierten Mikroorganismen unterschiedlich schnell konsumiert. In der Phase des besonders aktiven Schadstoffabbaus wird der Gelöst-Sauer stoff im Bodenwasser schnell ausgezehrt. Bei einer schnellen Sauerstoffzehrung kann die Zeitdauer für die anaerobe Phase auf eine vorgegebene Mindestzeit verlängert werden. Dies erfolgt derart, daß nach Absinken des Gelöst-Sauerstoffgehaltes auf den vorgegebenen Wert, er wird zweckmäßigerweise im Bereich 0 bis 10% des Sät tigungswertes liegen, die anaerobe Phase bis zum Errei chen der vorgegebenen Mindestzeit weiter aufrechterhalten wird, bevor in die aerobe Phase gewechselt wird. Entspre chend kann bei nachlassender oder geringer biologischer Aktivität die Zeitdauer für die anaerobe Betriebsführung auf eine Maximalzeit begrenzt werden. Die ereig nisorientierte Prozeßsteuerung ermöglicht ein hohes Maß an Flexibilität der Prozeßführung in Abhängigkeit vom Sanierungsfortschritt.

Die Messung des Gelöst-Sauerstoffgehaltes erfolgt extern im Ablaufwasser oder indem Bodenwasser in spezielle Meß kammern gefördert wird. In die erfindungsgemäße Prozeßsteuerung können auch meßbare biologische Signale der Zellatmung einbezogen werden, wie Redoxpotentiale (z. B. Cytochrome), P/O-Quotienten (ATP/ADP) oder pH- Gradienten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in einer Bodenreinigungsanlage mit einem Grundfließbild durchgeführt, wie es in Abb. 1 gezeigt ist.

Die Bodenreinigungsanlage besteht aus einem Festbettreaktor und einem Flüssigkeitsreaktor, welche durch einen Flüssigkeitskreislauf und einen Luftkreislauf miteinander verbunden sind.

Im Festbettreaktor, der als Bodenbehandlungsbecken, als Regenerationsmiete oder in einer anderen herkömmlichen Form ausgelegt sein kann, befindet sich der zu reinigende Boden.

Im Flüssigkeitsreaktor befindet sich das wäßrige Medium.

Desweiteren können im Flüssigkeitsreaktor nach an sich bekannten Methoden die für den biologischen Prozeß relevanten physikalischen und chemischen Parameter, wie pH-Wert, pO₂-Wert, Temperatur, Leitfähigkeit, Trübung u. a., gemessen und/oder geregelt und der erforderliche Nährstoffstatus eingestellt sowie erforderlichenfalls Cosubstrate, Detergentien und sonstige Hilfsstoffe sowie zusätzliche Mikroorganismen zudosiert werden.

In Abb. 1 wird nur die pH-Regelung aufgeführt, da diese unmittelbar durch Zugabe von Lauge oder Säure die Stoff ströme beeinflußt.

Die Belüftung des Bodens im Festbettreaktor erfolgt vorzugsweise durch Absaugung der Bodenluft über eine Drainage. Die Bodenluft wird in den Flüssigkeitsreaktor geführt, anschließend einer Abluftreinigung unterzogen und dann an die Umgebung abgegeben. Bei einer verein fachten Verfahrensführung kann die Bodenluft unter Umge hung des Flüssigkeitsreaktors direkt der Abluftreinigung zugeführt werden. Es ist ebenso möglich, den Luftkreislauf zu schließen und die gereinigte Abluft nach Ergänzung des Sauerstoffs in den Festbettreaktor zurück zuführen.

Während der Aerobphase wird der wäßrige Medienstrom über dem zu reinigenden Boden verregnet und gemeinsam mit ei nem Luftstrom, welcher die Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen im Boden sicher stellt, unterhalb des Bo dens abgesaugt und in den Flüssigkeitsreaktor zurückge fördert.

Während der Anaerobphase wird, je nach den bautechnischen Voraussetzungen und in Abhängigkeit von der Wasserdurchlässigkeit des zu reinigenden Bodens, der Festbettreaktor von unten mit dem Medium aus dem Flüssigkeitsreaktor geflutet oder durch intensive Beregnung von oben vernäßt. Gleichzeitig wird die Be lüftung des Bodens abgeschaltet. Alternativ hierzu kann die anaerobe Phase auch durch alleinige Unterbrechung der Belüftung des Bodens in einem bestimmten Zeitintervall realisiert werden. Durch diese Maßnahmen wird im Boden der in der aeroben Phase eingetragene Sauerstoff ver drängt und ausgezehrt.

Während der Anaerobphase wird jedoch weiter Luft durch den Flüssigkeitsreaktor gefördert, um in diesem ständig aerobe Bedingungen zu gewährleisten. Auf diese Weise können im Flüssigkeitsreaktor aus dem Boden ausgewaschene und mit der Luft ausgetragene Schadstoffe sowie gelöste Intermediate unter aeroben Bedingungen über den ganzen Verfahrenszeitraum abgebaut werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die gezielte Prozeßführung eines periodischen Wechsel s der Milieubedingungen im Boden wird die mikrobiologische Rei nigung des Bodens nicht sich selbst überlassen. Erfin dungsgemäß wird der zu reinigende Boden in überwachte Kreisläufe eingebunden, wobei der Abbau der Schadstoffe sowohl im Boden als auch in der Flüssigphase stattfindet. Durch die Erzeugung periodischer aerob-anaerob-Wechsel im Boden wird das Leistungspotential der Mikroorganismen besser ausgenutzt. Zugleich können dem Boden über den wäßrigen Medienkreislauf gesteuert Nährstoffe, Detergentien, Lösungsvermittler, Cosubstrate und ggf. Mi kroorganismen zugeführt werden.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht auch darin, daß durch die periodische Belüftung bzw. Vernässung eine stabile Kanalbildung im Boden, wie sie bei herkömmlichen Verfahren leicht auftritt, vermieden wird. Das er findungsgemäße Verfahren verändert das Porengefüge im Boden und damit auch die Lösungsmöglichkeiten für die Schadstoffe vorteilhaft.

Mit diesem Verfahren gelingt es, durch Modifizierung der anaeroben Phase entsprechend den Bedingungen im zu einigenden Boden, Kontaminationen innerhalb weniger Monate weitgehend abzubauen. Von besonderem Vorteil ist es, daß durch die erfindungsgemäße Erzeugung periodischer aerob-anaerob-Wechsel ein höherer Anteil an Schadstoffen mineralisiert wird.

Anschließend wird die Erfindung an Beispielen näher erläutert, die die Erfindung jedoch nicht beschränken sollen.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1 Erzeugung periodischer aerob-anaerob-Wechsel in kontami nierten Böden durch Prozeßsteuerung mit konstanter Takt zeit

In einer Technikumsanlage wurde der Einfluß von peri odischen aerob-anaerob-Wechseln, die durch Prozeß steuerung mit konstanter Taktzeit erzeugt wurden, sowie vergleichsweise einer rein aeroben Betriebsführung auf den Schadstoffabbau in einem mit Dieselkraftstoff bzw. Phenanthren beladenen biologisch aktiven Boden untersucht. Die Anlage entsprach in ihrer Grundstruktur dem in Abb. 1 dargestellten Schema. Der Festbettreaktor (Volumen 130 l) wurde mit 100 kg Boden befüllt.

Während der aeroben Phasen wurde der Boden mit 60 l eines schwach phosphatgepufferten nährstoffhaltigen Mediums aus einem Rührreaktor (Arbeitsvolumen 20 l) mit einer Flußrate von 12 l/h perkoliert.

Das nährstoffhaltige Medium enthielt:
1,5 g/l NH₄Cl
0,55 g/l KH₂PO₄
0,14 g/l Na₂HPO₄
0,25 g/l MgSO₄·7H₂O
5 ml/l Mineralsalzlösung, die Spurenelemente Fe, B, Co, Zn, Mn, Mo, Ni und Cu enthaltend.

Überschüssiges Medium wurde in einem Pufferbehälter (Volumen 60 l) aufgenommen. Temperatur (30°C) und pH- Wert (7,0) des Prozeßwassers wurden im Rührreaktor gere gelt. Im Bodenwasser wurde der Gelöst-Sauerstoffgehalt extern gemessen. Umgebungsluft (100 l/h) und flüssiges Medium wurden im Gleichstrom durch den Boden und danach durch den Rührreaktor gefördert. Durch diese Betriebswei se war eine ausreichende Sauerstoffversorgung im Boden gewährleistet. Im Luftstrom wurde am Eingang und Ausgang der Anlage die Sauerstoff- und CO₂-Konzentration mit einem Respirometer gemessen.

Während der anaeroben Betriebsphasen wurde die Beregnung und Begasung des Bodens unterbrochen und die Luft aus dem Boden durch Fluten des Festbettreaktors mit Prozeßwasser verdrängt. Prozeßwasser und Luft wurden am Festbett reaktor vorbei weiter durch den Rührreaktor gefördert. Während der anaeroben Phasen wurde der Gelöst-Sauerstoff gehalt im Bodenwasser ausgezehrt und sank bei einer hohen biologischen Aktivität bis auf 0%.

Die Prozeßsteuerung mit konstanter Taktzeit wurde durch einen alternierenden Wechsel von 4 h aerober Phase und 2 h anaerober Phase realisiert. Als Vergleich wurde ein Versuch mit einer rein aeroben Betriebsführung durchgeführt. Die Betriebszeit betrug jeweils 500 h.

In Tab. 1 sind die erzielten Abbau- und Mineralisierungs grade für die untersuchten Schadstoffe zusammengefaßt. In Abb. 2 wird die CO₂-Produktion beim Abbau von Die selkraftstoff im Boden während des periodischen aerob anaerob-Wechsels und bei einer rein aeroben Betriebsführung gezeigt. Die Ergebnisse belegen eindeutig die verbesserte Mineralisierung der Schadstoffe durch das erfindungsgemäße Verfahren.

Tabelle 1

Abbau- und Mineralisierungsgrad von Kohlenwasserstoffen in kontaminierten Böden nach 500 h Betriebszeit

Beispiel 2 Erzeugung periodischer aerob-anaerob-Wechsel in kontami nierten Böden durch ereignisorientierte Prozeßsteuerung

In der in Beispiel 1 beschriebenen Anlage wurde der Einfluß von periodischen aerob-anaerob-Wechseln, die durch ereignisorientierte Prozeßsteuerung erzeugt wurden, sowie vergleichsweise einer rein aeroben Betriebsführung auf den Schadstoffabbau in einem mit Phenanthren bela denen biologisch aktiven Boden untersucht. Die Betriebszeit betrug jeweils 500 h.

Die rein aerobe Phase erfolgte analog Beispiel 1.

Die Steuerung des aerob-anaerob-Wechsels wurde wie folgt vorgenommen: Zu Beginn des Versuches wurde im Festbettreaktor ein Wechsel von 4 h aerober und 2 h anaerober Betriebsführung mit konstanter Taktzeit eingestellt. Nach etwa 24 h Betriebszeit setzte während der Vernässungsphasen die Sauerstoffzehrung ein, nach etwa 50 h Betriebs zeit sank der Gelöst-Sauerstoffgehalt im Bodenwasser bis auf 0% ab. Sank während einer Ver nässungsphase der Gelöst-Sauerstoffgehalt innerhalb 1 h nach Beginn der Vernässung auf < 10%, dann wurde ab dem Zeitpunkt des Unterschreitens von 10% Sauerstoffsätti gung die Vernässung des Bodens weitere 2 h aufrechterhal ten, bevor wieder in die aerobe Phase gewechselt wurde. Nach dem Abklingen der biologischen Aktivität im Boden verlangsamte sich die Sauerstoffzehrung. Die maximale Dauer der Vernässung des Bodens wurde deshalb auf 6 h begrenzt. Anschließend wurde wieder in die aerobe Phase gewechselt. Die Zeitdauer der aeroben Phasen betrug je weils 4 h.

In Tab. 2 sind die erzielten Abbau- und Mineralisierungs grade für Phenanthren aufgeführt. In Abb. 3 wird die CO₂- Produktion während des ereignisgesteuerten aerob-anaerob- Wechsels und einer rein aeroben Betriebsführung dargestellt. Der Vergleich zeigt, daß man durch die von der Sauerstoffzehrung abhängige Prozeßsteuerung eine ver besserte Mineralisierung beim biologischen Abbau von Schadstoffen im Boden erzielen kann.

Tabelle 2

Abbau- und Mineralisierungsgrad von Phenanthren in einem kontaminierten Böden nach 500 h Betriebszeit

Abb. 1 Grundfließbild der Bodenreinigungsanlage
Abb. 2 Verlauf der CO₂-Bildung aus Dieselkraftstoff in einem kontaminierten Boden bei periodischem aerob-anaerob-Wechsel und unter aeroben Bedingungen
Abb. 3 Verlauf der CO₂-Bildung aus Phenanthren in einem kontaminierten Boden bei periodischem aerob-anaerob-Wechsel und unter aeroben Bedingungen

Claims

1. Verfahren zur mikrobiologischen Bodenreinigung mit gesteuertem Luft- und Wasserkreislauf, dadurch gekenn zeichnet, daß im kontaminierten Boden durch intervallweise Belüftung und durch intervallweise Zuführung eines wäßrigen Medienstromes unterschiedlicher Stärke periodische aerob-anaerob Wechsel erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wäßrige Medienstrom aus Wasser, Nährstoffen, Hilfs- oder Zusatzstoffen und gegebenenfalls Mikroorganismen besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen aerob-anaerob Wechsel im Boden durch Verregnen des wäßrigen Medienstromes über dem zu reinigenden Boden bei gleichzeitiger Belüftung und anschließendem Fluten des zu reinigenden Bodens mit dem wäßrigen Medium bei abgeschalteter Belüftung erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen aerob-anaerob Wechsel im Boden durch Verregnen des wäßrigen Medienstromes über dem zu reinigenden Boden bei gleichzeitiger Belüftung und anschließendem Vernässen des zu reinigenden Bodens mit dem wäßrigen Medium bei abgeschalteter Belüftung erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen aerob-anaerob Wechsel im Boden durch Verregnen des wäßrigen Medienstromes über dem zu reinigenden Boden bei gleichzeitiger Belüftung und anschließendem Abschalten der Belüftung und des Medienstromes erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen aerob-anaerob Wechsel im Boden mit konstanten Taktzeiten oder ereignisorientiert erzeugt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei ereignisorientierter Steuerung der periodischen aerob-anaerob Wechsel die Zeitintervalle für die aerobe Phase konstant gehalten werden und die Zeitintervalle für die anaerobe Phase in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Auszehrung des Sauerstoffs im Boden eingestellt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anaerobe Phase so lange aufrechterhalten wird, bis der Gelöst-Sauerstoffgehalt im Bodenwasser auf einen Wert im Bereich von 0 bis 30%, vorzugsweise auf 0 bis 10%, des Sättigungswertes abgefallen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die anaerobe Phase darüber hinaus auf eine vorgegebene Zeit weiter aufrechterhalten wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der kontaminierte Boden sich in einem Festbettreaktor befindet und aus einem Flüssigkeitsreaktor das wäßrige Medium über den Boden zurück zum Flüssigkeitsreaktor geführt wird, wobei die Reaktoren durch einen Flüssigkeitskreislauf und einen Luftkreislauf miteinander verbunden sind und die Belüftung des Bodens intervallweise durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftung des Bodens im Festbettreaktor durch Absaugen der Bodenluft erfolgt, die über den Flüssigkeitsreaktor oder direkt einer Abluftreinigung zugeführt wird, anschließend entweder freigesetzt oder nach Ergänzung des Sauerstoffs in den Festbettreaktor zurückgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Flüssigkeitsreaktor ständig aerobe Bedingungen durch Luftzuführung eingestellt werden.