DE4213019C1 - Verfahren zur mikrobiologischen Dekontamination von mit Schadstoffen belasteten Materialien - Google Patents

Verfahren zur mikrobiologischen Dekontamination von mit Schadstoffen belasteten Materialien

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrobiologischen Dekontamination von mit Schadstoffen belasteten Materialien, insbesondere von durchlässigen Böden, die u. a. mit Polychlor-di- benzodioxinen, Polychlor-dibenzofuranen, polychlorierten Biphenylen, halogenierten Diphenylethern, chlorierten Phenolen und Benzolen sowie mit Hexachlorcyclohexan kontaminiert sein können. Das Verfahren kann zur Sanierung von Böden, beispielsweise von Altstandorten der chemischen Industrie Anwendung finden.
Es ist bekannt, daß die jahrzehntelange industrielle Nutzung von Geländen durch alte Fabrikanlagen zu Boden- und Grundwasserverunreinigungen geführt hat, bedingt durch unkontrollierte Ablagerung von umweltgefährdenden Stoffen oder auch durch Leckagen aus Tank- oder Rohrleitungssystemen.
Speziell in der chemischen Industrie können die zu toxischen Bodenkontaminationen führenden Schadstoffe ein weites Spektrum von Substanzen umfassen.
In Abhängigkeit vom Produktionsprofil der auf den Altstandorten arbeitenden Betriebe wären hier Mineralölkohlenwasserstoffe, aromatische bzw. polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, leichtflüchtige Chlorkohlenwasserstoffe, Phenolverbindungen, Chlorphenole und schwerflüchtige Chlorverbindungen sowie polychlorierte Biphenylen, Dioxine und Furane zu nennen. Bei der überwiegenden Anzahl von Verunreinigungen handelt es sich aber um Mischkontaminationen, d. h. der Boden ist mit einer Vielzahl von chemischen Substanzen in unterschiedlichem Grad belastet.
Schadstoffe können sich in Böden z. B. durch Eluation und Remobilisierung ausbreiten, und zum Teil werden sie im Boden auch angereichert, so daß von diesen Kontaminationen ein hohes Gefährdungspotential ausgeht.
Mit dem Begriff Altlasten werden bekanntlich Altstandorte und Altablagerungen gekennzeichnet, sofern von ihnen Gefährdungen für die Umwelt, insbesondere die menschliche Gesundheit ausgehen oder zu erwarten sind.
In allen Industrieländern stellt die Altlastensanierung eine vorrangig zu lösende Aufgabe dar. Sie soll sicherstellen, daß nach der Sanierung keine Gefahren für Leben und Gesundheit des Menschen sowie keine Gefährdung für die belebte und unbelebte Umwelt in Zusammenhang mit der vorhandenen oder geplanten Nutzung des Standortes ausgehen.
Neben dem Sicherungsbedarf für umweltgefährende Altablagerungen zeichnet sich ein erheblicher Dekontaminationsbedarf für Altstandorte ab. Die Verfahren zur Sanierung von Böden zielen auf die Eliminierung oder Reduzierung umweltgefährdender Stoffe im Untergrund ab.
Es ist bekannt, daß die Sanierung von kontaminierten Böden trotz erheblicher Forschungsanstrengungen im Vergleich zu den hochentwickelten Abwasserreinigungsverfahren noch in den Anfängen steckt.
Bekanntlich kommen zur Bodenreinigung thermische Verfahren, chemisch- physikalische Verfahren, Bodenluftabsaugverfahren sowie biologische Verfahren zur Anwendung.
Prinzipiell ist die Sanierung durch
  • - in-situ-Verfahren (Behandlung des ungesättigten und gesättigten Untergrundes ohne Aushub kontaminierten Materials)
  • - on-site-Verfahren (Behandlung des ausgekofferten Bodenmaterials außerhalb des Untergrundes, jedoch am Standort der Kontamination) und
  • - off-site-Verfahren (Behandlung des ausgekofferten Bodenmaterials in einer zentralen Anlage an einem anderen Standort)
möglich.
Bei den thermischen Verfahren werden die im Boden enthaltenen Schadstoffe durch direkte oder indirekte Einwirkung von Wärmeenergie oxydiert bzw. in die Gasphase überführt und in der thermischen Nachbehandlung zerstört. Die thermischen Verfahren eignen sich insbesondere zur Entsorgung hochkonzentrierter organischer Schadstoffe in Böden, sie führen zu weniger als 1% Restprodukte, die einer besonderen Entsorgung zugeführt werden müssen.
Die zumeist in Drehrohr- oder Wirbelschichtöfen durchgeführten Verbrennungsverfahren erreichen zwar einen hohen Wirkungsgrad, sind aber wegen der aufwendigen und kostspieligen Bodenbewegung und des hohen Energieaufwandes sehr teuer.
Die chemisch-physikalischen Verfahren zur Bodensanierung beinhalten Verfahren zur Schadstoffextraktion mittels Bodenwäsche, sie unterscheiden sich voneinander vor allem durch die gewählten Klassierungs- und Trennverfahren sowie durch unterschiedliche Waschmedien. Hierbei resultieren aber 10 bis 30% hoch belastete Reststoffe, die nur schwer entsorgt werden können.
Bodenluft-Absaugverfahren eignen sich nur zur Sanierung von Böden, die mit leichtflüchtigen organischen Stoffen kontaminiert sind. z. B. mit chlorierten Kohlenwasserstoffen, die in der Vergangenheit im großen Umfang als Lösungsmittel verwendet wurden. Durch Unterdruck wird in-situ die kontaminierte Bodenluft abgesaugt und an Ort und Stelle mittels Aktivkohlefilter gereinigt.
Vielfältige Anwendbarkeit bei der Dekontamination von Böden wird von mikrobiologischen Verfahren erwartet. Sie zielen auf den beschleunigten Abbau organischer Verbindungen durch Aktivierung und Optimierung bereits vorhandener Bakterien sowie durch Zugabe speziell gezüchteter Mikroorganismen ab. Die erwünschten Endprodukte des aeroben Abbaus organischer Substanzen sind Kohlendioxid und Wasser.
Die Kenntnis der Abbauleistungen einzelner natürlicher oder manipulierter Mikroorganismen bedeutet aber keineswegs, daß sie in der Praxis auch in größeren Mengen einsetzbar sind.
Physikalisch-chemische Eigenschaften der Schadstoffe wie Wasserlöslichkeit, Lipophilie oder Flüchtigkeit, ferner die Struktur der Moleküle, die die biologische Angreifbarkeit und das Ausmaß ihres Abbaus bestimmen, sind ebenso von Bedeutung wie bodenspezifische Bedingungen wie Kornzusammensetzung, Homogenität, Porenvolumen und Durchlässigkeit.
Die biologische Behandlung des Bodens erfolgt zumeist in der Weise, daß kontaminierte Böden ausgekoffert und auf einer abgedichteten Fläche zu Mieten aufgesetzt werden. Oft wird der ausgekofferte Boden mit organischer Substanz, z. B. gemahlener Kieferborke Shell BIOREG-Verfahren) oder Stroh vermischt, um den Mikroorganismen günstige Entwicklungsbedingungen zu bieten [Chem.-Ing.-Tech. 59 (1987), Nr. 6, S. 461].
Es ist auch vorgeschlagen worden, den kontaminierten Boden aufzubereiten, indem er mit Beton und/oder Bauschutt, der zuvor auf eine Korngröße 10 mm zerkleinert wurde, vermischt wird (DD-PS 2 91 571).
Obwohl zum biologischen Abbau einer Reihe von Substanzen verschiedene Veröffentlichungen vorliegen, die insbesondere den Mechanismus der mikrobiologischen Konversion zum Gegenstand haben, fehlen bisher Verfahren, die zur großflächigen Sanierung etwa von Altstandorten der chemischen Industrie geeignet wären; einige Problemstoffe gelten zudem als mikrobiologisch nicht abbaubar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur mikrobiologischen Dekontamination von mit Schadstoffen belasteten Materialien, insbesondere von durchlässigen Böden zu entwickeln, das es ermöglicht, großflächige Betriebsgelände zu sanieren, die vorwiegend mit Pestiziden oder Zwischenprodukten der Pflanzenschutz- und Schädlingsmittelproduktion kontaminiert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man zur Dekontamination eine speziell gezüchtete Mikroorganismensuspension verwendet, die mindestens 3 Vertreter folgender Mikroorganismen enthält
DSM 6988
DSM 6989
DSM 6990
DSM 6991
DSM 6992
DSM 6993.
Die zur Dekontamination verwendete Mikroorganismensuspension enthält die einzelnen Mikroorganismen vorzugsweise zu gleichen Anteilen.
Die mikrobiologische Dekontamination durchlässiger Böden erfolgt in der Weise, daß man die im Boden vorhandenen, an die Schadstoffe adaptierten autochthonen Mikroorganismen durch Einstellung geeigneter Milieubedingungen in an sich bekannter Weise aktiviert und über dem zu sanierenden, aufgelockerten Boden die erfindungsgemäße Mikroorganismensuspension versprüht oder in den Boden infiltriert, wobei im Falle des in-situ-Verfahrens bei einer zu bearbeitenden Bodentiefe bis zu 35 cm je Quadratmeter Bodenfläche mindestens 80 g Biomasse (Feststoffgehalt, angegeben als Frischgewicht) und im Falle des on-site- bzw. off-site-Verfahrens mindestens 250 g Biomasse/m³ im entsprechenden Nährmedium eingesetzt werden.
Als Nährmedien zur Anzucht der Mikroorganismensuspension dienen vorwiegend eine modifizierte Kulturlösung nach Meyer (R. Dickscheidt, A. Janke, "Handbuch der mikrobiologischen Laboratoriumstechnik", S. 260, 2. Auflage, Verlag Theodor Steinkopff, Dresden (1969)) und/oder eine modifizierte Glucose-Nährboullion (Arzneibuch der DDR, Leseblattsammlung (1975), Akademie-Verlag). Erfindungsgemäß setzt man dem Nährmedium zur Anzucht der Mikroorganismensuspension bei Verwendung einer üblichen Kohlenstoffquelle und gegebenenfalls unter Zusatz der Hauptkontaminanten des Bodens als zusätzliche Kohlenstoffquelle und Induktor chlorierte Phenoxyverbindungen zu.
Die Modifizierung der Kulturlösung nach Meyer kann entweder durch Zusatz von
300 mg/l Dimethylaminsalz der 2,4-Dichlorphenoxy-essigsäure oder von
160 mg/l Dimethylaminsalz der 2,4-Dichlorphenoxy-essigsäure
250 mg/l in Methanol gelöstes Nitrofen
 50 mg/l Harnstoff und
 50 mg/l Anilin
oder durch Zusatz eines methanolischen Auszuges des kontaminierten Bodens erfolgen,
und die Modifizierung der Glucose-Nährbouillon wird entweder durch Zusatz von
1,2 g/l NH₄Cl
240 mg/l 2,4-Dichlorphenoxy-essigsäure
 60 mg/l 2,4-Dichlor-phenyl-4′-nitrophenylether und
 12 mg/l Harnstoff
oder in der Weise vorgenommen, daß man das darin enthaltene Pepton durch NH₄Cl oder Harnstoff ersetzt und 240 mg/l 2,4-Dichlorphenoxy-essigsäure zusetzt.
Der glatte mikrobielle Abbau der Dioxine, insbesondere des "Seveso"-Giftes 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin, durch die erfindungsgemäße Mikrobenmischpopulation, ist ausgesprochen überraschend. Bekanntlich zählen gerade diese Substanzen in bezug auf ihre biologische Abbaubarkeit zu den Problemstoffen. Sie sind praktisch wasserunlöslich, werden im Boden sehr stark adsorptiv festgelegt und sind aufgrund ihrer Struktur nur schwer angreifbar.
Ein weiterer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Tatsache, daß es möglich wird, auch das β-Hexachlorcyclohexan mikrobiologisch abzubauen. Bekanntlich galt diese Substanz bislang als schwer oder gar nicht abbaubar (J. E. H. Beurskens u. a., Ecotoxicology and Environmental Safety 21, 128-136 (1991)).
Das Verfahren erlaubt es auch, hochgradig kontaminiertes Material, etwa von aufgeschütteten Halden, beispielsweise mit Bauschutt zu mischen und die Dekontaminierung dann in Mieten zu realisieren.
Mit dem Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren zur mikrobiologischen Dekontamination von mit Schadstoffen belasteten Materialien näher erläutert werden; als Beispiel dient die in-situ-Dekontaminierung belasteter, durchlässiger Böden.
1. Anzucht der Mikroorganismen
Die Mikroorganismenmischpopulation wird im Submersverfahren bei 25°C in folgenden modifizierten Standardlösungen angezogen:
Man wägt die angegebenen Mengen folgender Salze ab und füllt im Maßkolben mit destilliertem Wasser auf 1000 ml auf:
Dann werden 10 ml Lösung A, 10 ml Lösung B, 30 ml Lösung C, 10 ml Lösung D und 1 ml Lösung E gemischt, 800 ml destilliertes Wasser zugegeben (Nährlösung nach Meyer) und 15 g Glucose (als wäßrige Lösung) und 5 g Asparagin (als wäßrige Lösung) oder 20 g Pepton zugesetzt.
Zu dieser Standardlösung werden als weitere Zusätze
  • a) 300 mg/l 2,4-Dichlorphenoxy-essigsäure (als Dimethylaminsalz) oder
  • b) 160 mg/l 2,4-Dichlorphenoxy-essigsäure (als Dimethylaminsalz)
    250 mg/l in Methanol gelöster 2,4-Dichlorphenyl-4′- nitrophenylether
     50 mg/l Harnstoff und
     50 mg/l Anilin oder
  • c) 20 ml eines methanolischen Bodenauszuges aus 100 g kontaminierten Boden oder
  • d) 1,2 g/l Ammoniumchlorid
    240 mg/l 2,4-Dichlorphenoxy-essigsäure (als Dimethylaminsalz)
     60 mg/l Anilin und
     60 mg/l in Methanol gelöster 2,4-Dichlorphenyl-4′- nitrophenylether
gegeben.
Eine weitere Möglichkeit der Modifizierung besteht darin, die Mikroorganismen in einer Glucose-Nährbouillon anzuziehen, die je Liter
22,5 g pankreatisches Pepton
 1,0 g Glucose
 2,0 g K₂HPO₄ und
 3,0 g NaCl
enthält und der 240 mg/l 2,4-Dichlorphenoxy-essigsäure zugesetzt werden.
Gegebenenfalls kann der Peptonanteil durch eine entsprechende Menge NH₄Cl bzw. Harnstoff ersetzt werden.
Dabei ist es unerheblich, ob man die Mischkultur als solche kultiviert oder nach der getrennten Anzucht der einzelnen Mikroben die Mischpopulation in entsprechenden Medien herstellt.
2. Charakterisierung der Mikroorganismenmischpopulation
Die erfindungsgemäß verwendete Mikroorganismensuspension enthält vorzugsweise zu gleichen Anteilen mindestens 3 Vertreter folgender Mikroorganismen
DSM 6988
DSM 6989
DSM 6990
DSM 6991
DSM 6992
DSM 6993
die alle bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH in Braunschweig hinterlegt sind.
Dabei handelt es sich um eine Mischpopulation aus Hefen und aeroben sowie fakultativ anaeroben Bakterien.
3. Hauptkontamination des belasteten Bodens
Die Bodenproben wurden auf dem Gelände eines Betriebes genommen, zu dessen wichtigsten Produktionslinien die Herstellung von Pflanzenschutzmitteln zählt. Die Böden sind vor allem mit Polychlor-dibenzodioxinen, Polychlor-dibenzofuranen, halogenierten Diphenylethern, chlorierten Phenolen und Benzolen sowie Hexachlorcyclohexan belastet.
Als durchschnittliche Belastungen wurden folgende Werte ermittelt:
Dibenzodioxine (gesamt)
964 500 mg/kg Boden
Dibenzofurane (gesamt) 251 800 mg/kg Boden
TCDD (Toxizitätsäquivalent nach BGA) 9 823 mg/kg Boden
2,4-Dichlorphenyl-4′-nitrophenylether (Nitrofen) 610 mg/kg Boden
Chlorbenzole @ Tetrachlorbenzole (gesamt) 15,7 mg/kg Boden
Hexachlorbenzol 230 mg/kg Boden
Hexachlorcyclohexan @ α-HCH 5,77 mg/kg Boden
β-HCH 365 mg/kg Boden
γ-HCH 2,7 mg/kg Boden
δ-HCH 2,4 mg/kg Boden
2,4-Dichlorphenol 745 mg/kg Boden
4. Schadstoffabbau nach dem erfindungsgemäßen Verfahren a) Aktivierung der bodenständigen Mikroflora
Nach mikrobieller Analyse des Bodens konnte eine eigene, diphenyletherabbauende Mikroflora nachgewiesen werden, die offensichtlich relativ inaktiv im Boden vorlag.
Die zur Anzucht verwendete Grundnährlösung wurde zur Aktivierung der autochthonen Mikroflora eingesetzt.
350 g Boden wurden mit 40 ml Nährlösung versetzt und im Dunkeln bei Temperaturen von 10-25°C aufgestellt. Nach 3 Wochen erfolgte eine erneute Schadstoffanalyse.
Tabelle I
Schadstoffabbau durch autochthone Mikroben
Durch die Nährlösungszugabe konnte die vor Ort vorhandene Mikroflora zum Abbau der Diphenylether aktiviert werden. Andere Schadstoffe wurden nicht abgebaut, da offenbar keine geeigneten Mikroorganismen im Boden vorhanden waren.
b) Boden, der vor allem mit den unter 3. benannten Schadstoffen kontaminiert war, wurde mit der erfindungsgemäßen Mischpopulation im Gewächshaus behandelt. Hierzu wurden jeweils 350 g Boden mit 40 ml der Mikroorganismensuspension, die 3 g Festsubstanz/100 ml enthielt, versetzt.
Die Versuchsgefäße wurden bei wechselnden Temperaturen (10 bis 25°C) im Dunkeln aufgestellt. Die Oberfläche des Bodens wurde täglich befeuchtet. Nach 4 Wochen erfolgte eine erneute Analyse der Schadstoffe im Vergleich zu einer unbehandelten Kontrolle. Die Abbauraten sind in den Tabellen II bis IV zusammengefaßt.
Tabelle II
Verminderung des Gehaltes von Diphenylethern, Chlorphenolen und Chlorbenzolen durch mikrobiellen Abbau nach einmaliger Behandlung
Tabelle III
Verminderung des Gehaltes an Hexachlorcyclohexan durch mikrobiellen Abbau nach einmaliger Behandlung
Tabelle IV
Verminderung des Gehaltes an Dioxinen und Furanen durch mikrobiellen Abbau nach einmaliger Behandlung
c) Dekontaminierung eines mit Schadstoffen belasteten Standortes (In-situ-Verfahren))
Die gleiche Freifläche, von der Bodenproben für die Gewächshausversuche entnommen wurden, wird in 3 Parzellen zu je 4 m² aufgeteilt, wobei 2 Parzellen mit der erfindungsgemäßen Mikroorganismensuspension einmal behandelt wurden und eine Parzelle unbehandelt blieb. Pro m² wurden 2 Liter der Mischpopulation mit 40 g Festsubstanz/Liter wie folgt ausgebracht: 1 l in 15-20 cm Bodentiefe, 1 l auf die Bodenfläche. Anschließend wurden die Mikroorganismen durch reichliche Wassergabe in den Boden infiltriert. Nach 3 bzw. 8 Wochen erfolgte die erste Probennahme. Die Ergebnisse sind in den Tabellen V und VI zusammengefaßt.
Tabelle V
Schadstoffabbau unter Freilandbedingungen [3 Wochen nach der Behandlung]
Tabelle VI
Mikrobieller Abbau von Dioxinen und Furanen unter Freilandbedingungen [8 Wochen nach der Behandlung]

Claims (6)

1. Verfahren zur mikrobiologischen Dekontamination von mit Schadstoffen belasteten Materialien, insbesondere von durchlässigen Böden, die mit Polychloridbenzodioxinen, Polychlordibenzofuranen, polychlorierten Biphenylen, halogenierten Diphenylethern, chlorierten Phenolen und Benzolen sowie Hexachlorcyclohexan kontaminiert sein können, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dekontamination eine speziell gezüchtete Mikroorganismensuspension verwendet wird, die mindestens 3 Vertreter folgender Mikroorganismen enthält: DSH 6988
DSH 6989
DSH 6990
DSH 6991
DSH 6992
DSH 6993
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dekontamination eine Mikroorganismensuspension verwendet wird, die einzelnen Mikroorganismen zu gleichen Anteilen enthält.
3. Verfahren zur mikrobiologischen Dekontamination durchlässiger Böden, dadurch gekennzeichnet, daß man die im Boden vorhandenen, an die Schadstoffe adaptierten autochthonen Mikroorganismen durch Einstellung geeigneter Milieubedingungen in an sich bekannter Weise aktiviert und über dem zu sanierenden, aufgelockerten Boden die im Anspruch 1 benannte Mikroorganismensuspension versprüht oder in den Boden infiltriert, wobei im Falle des in-situ-Verfahrens je Quadratmeter Bodenfläche mindestens 80 g Biomasse im entsprechenden Nährmedium und im Falle des on-site- bzw. off- site-Verfahrens je Quadratmeter Bodenfläche mindestens 250 g Biomasse im entsprechenden Nährmedium eingesetzt werden.
4. Verfahren zur Anzucht der Mikroorganismensuspension nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Nährmedien vorwiegend eine modifizierte Kulturlösung nach Meyer und/oder eine modifizierte Glucose-Nährbouillon verwendet wird.
5. Verfahren zur Anzucht der Mikroorganismensuspension nach Anspruch 1 und 4 unter Verwendung einer üblichen Kohlenstoffquelle und gegebenenfalls unter Zusatz der Hauptkontaminanten des Bodens, dadurch gekennzeichnet, daß dem Nährmedium als zusätzliche Kohlenstoffquelle und Induktor chlorierte Phenoxyverbindungen zugesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifizierung der Kulturlösung nach Meyer entweder durch Zusatz von 300 mg/l Dimethylaminsalz der 2,4-Dichlorphenoxy- essigsäure
oder von
160 mg/l Dimethylaminsalz der 2,4-Dichlorphenoxy- essigsäure,
250 mg/l in Methanol gelöstes Nitrofen,
 50 mg/l Harnstoff und
 50 mg/l Anilinoder durch Zusatz eines methanolischen Auszuges des kontaminierten Bodens
und die Modifizierung der Glucose-Nährbouillon wird entweder durch Zusatz von1,2 g/l NH₄Cl
240 mg/l 2,4-Dichlorphenoxy-essigsäure
 60 mg/l 2,4-Dichlor-phenyl-4′-nitrophenylether und
 12 mg/l Harnstoffoder in der Weise erfolgt, daß das darin enthaltene Pepton durch NH₄Cl oder Harnstoff ersetzt und 240 mg/l 2,4-Dichlorphenoxy- essigsäure zugesetzt wird.
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