DE4239320A1 - Verfahren zur Steuerung der mikrobiellen Reinigung von kontaminiertem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der mikro­ biellen Reinigung von kontaminierten Material.

Es ist hinreichend bekannt, daß mit Schadstoffen stark bela­ stete Böden auf Fabrikgeländen, Mülldeponien etc. eine große Gefahr für die Umwelt darstellen. Beispielsweise können Schad­ stoffe in das Grundwasser gelangen und so die Trinkwasserver­ sorgung großer Bevölkerungsteile gefährden. Insbesondere die Sanierung von Sondermülldeponien, deren Böden teilweise extrem hohe Schadstoffkonzentrationen aufweisen, stellt ein dringen­ des Problem dar. Oft sind auch größere Geländeabschnitte z. B. mit Kohlenwasserstoff-Verbindungen verunreinigt, so daß groß­ räumige Sanierungsmaßnahmen erforderlich sind.

Auch die Dekontamination von schadstoffhaltigen Klärschlämmen, Sanden, und vergleichbaren Feststoffaggregaten bzw. Rückstän­ den stellt ein zunehmendes Problem dar.

Im "Statusbericht zur Altlastensanierung des Bundesministeriums für Forschung und Technologie vom März 1988, Seite 124 ff" ist ein Verfahren zur biologischen Reinigung von kontaminierten Böden bekannt. Bei diesem Verfahren wird der kontaminierte Bo­ den zu einer im Querschnitt etwa trapezförmigen Miete auf ei­ ner Planschicht aus Kies bzw. Sand aufgehäuft, wobei auf die Planschicht eine Untergrundabdichtung gelegt wird. Die Reini­ gung in derartigen Regenerationsmieten erfolgt mikrobiell, und zwar überwiegend aerob. Aus einer oberhalb der Untergrundab­ dichtung aufgebrachten Drainageschicht kann Sickerwasser abge­ leitet werden. Die Regenerationsmiete ist mit Belüftungs­ schichten mit Drainagerohren durchzogen, die zur Sauerstoff­ versorgung im Inneren der Regenerationsmiete dienen. Die Mi­ kroorganismen werden mit einer Trägersubstanz dem kontaminier­ ten Boden untergemischt, wobei als Trägersubstanz beispiels­ weise getrocknete und gemahlene Kiefernborke verwendet wird. Um der Regenerationsmiete Nährstoffe und gegebenenfalls spe­ zielle Mikroorganismen zuzuführen, wird die Regenerationsmiete von oben berieselt.

Eine Weiterentwicklung dieses Mietenverfahrens ist in der DE-A-39 20 827 beschrieben. Die Weiterentwicklung sieht vor, die Regenerationsmiete nach außen hin im wesentlichen luft­ dicht und flüssigkeitsdicht abzuschließen. Der Innenraum der Regenerationsmiete wird dabei in einen Belüftungskreislauf und einen Bewässerungskreislauf einbezogen. Die Belüftung des In­ nenraums kann dadurch erfolgen, daß Luft bzw. Sauerstoff unter Überdruck in den Innenraum gedrückt wird oder daß Luft aus dem Innenraum abgesaugt wird, so daß in entsprechender Weise über eine Zuführungsleitung Luft bzw. Sauerstoff nachgeführt wird. Über Meß- und Regeleinrichtungen wird zumindest die Feuchtig­ keit und die mikrobielle Aktivität im Innenraum der Regenera­ tionsmiete im wesentlichen konstant gehalten.

Bei allen bekannten Verfahren zur Mietensanierung kommt es häufig zu einer Stagnation des Abbaus oder sogar zu einem völligen Erliegen der Schadstoffelimination. Dies geschieht auch und gerade, wenn die Milieubedingungen innerhalb der Mie­ te konstant gehalten werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung der mikrobiellen Reinigung von kontaminiertem Material zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Stagnation des Schadstoffabbaus über einen längeren Zeitraum vor Erreichen des Reinigungsziels verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das kontaminierte Material zumindest zu Beginn des Reinigungs­ vorgangs mit einem sauerstoffhaltigen Gas begast wird, daß der Schadstoffabbau während des gesamten Reinigungsvorgangs kon­ trolliert und bei einer Stagnation des Schadstoffabbaus vor Erreichen eines vorgegebenen Reinigungsergebnisses geprüft wird, ob Nitrit und Nitrat oder anaerobe Zentren im konta­ minierten Material vorhanden sind, daß bei Vorhandensein von Nitrit und Nitrat mit einer über einem vorgegebenen Wert lie­ genden Konzentration die Begasung des Materials mit dem sau­ erstoffhaltigen Gas eingestellt wird und bei Vorhandensein von anaeroben Zentren ein zu Sauerstoff alternativer Elektronenak­ zeptor in das kontaminierte Material eingebracht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß im wesentlichen zwei Ursachen für eine Stagnation des Schad­ stoffabbaus bei mikrobiellen Reinigungsverfahren verantwort­ lich sind:

Eine Ursache besteht darin, daß die Miete nitrifiziert. Gute Sauerstoffversorgung und Versorgung mit Ammoniumstickstoff bei relativ hohen Temperaturen, also an sich idealen Bedingungen für den aeroben Schadstoffabbau, begünstigt insbesondere bei carbonathaltigen Materialien die Umwandlung des Ammoniumstick­ stoffes in Nitrit und anschließend in Nitrat durch chemolitho­ autotrophe Bakterien. Diese Bakterien verwenden ausschließlich Kohlendioxid, beispielsweise aus dem carbonathaltigen Mate­ rial, als Kohlenstoffquelle. Der Schadstoffabbau kommt zum Er­ liegen, weil sie durch Nitrifikation den schadstoffabbauenden Bakterien die N-Quelle Ammonium entziehen. Dieser Prozeß ist zunächst bei konstanten Milieubedingungen nicht zu verhindern. Er bewirkt gleichzeitig eine unerwünschte Anhäufung von Nitrat in der Miete und im Kreislaufwasser. Dadurch kann im Kreis­ laufwasser eine Nitratkonzentration von über 3 g/l erreicht werden, was ökologisch nicht vertretbar ist.

Die zweite Ursache für eine Stagnation des Schadstoffabbaus ist auf das Vorhandensein von anaeroben Zentren zurückzufüh­ ren. Im aufgeschichteten Material des Mietenkörpers existieren immer anaerobe Zentren, an denen kein oder nur ein stark ver­ langsamter Schadstoffabbau über die normale Sauerstoffatmung stattfindet. Dies ist sogar dann der Fall, wenn im Porengas­ raum der Miete beispielsweise durch eine Reinsauerstoffdo­ sierung eine Sauerstoffanreicherung auf 60 Vol% und mehr er­ folgt.

Um eine Stagnation des Schadstoffabbaus über einen längeren Zeitraum zu verhindern, arbeitet das erfindungsgemäße Ver­ fahren nicht wie die bekannten Verfahren mit konstanten Milieubedingungen für die Mikroorganismen, sondern mit einer aktiven Steuerung der Biozönose in Richtung auf einen mög­ lichst schnellen und vollständigen Schadstoffabbau.

Hat man festgestellt, daß die Stagnation des Schadstoffabbaus darauf zurückzuführen ist, daß eine Nitrifikation stattfindet, so wird erfindungsgemäß auf Denitrifikation umgeschaltet. Liegt die Stagnation des Schadstoffabbaus an dem Vorhandensein von anaeroben Zentren, so wird anstelle von Sauerstoff ein al­ ternativer Elektronenakzeptor eingesetzt.

Hat man festgestellt, daß die Stagnation des Schadstoffabbaus auf das Vorhandensein von Nitrit und Nitrat, also auf die Ni­ trifikation durch chemolithoautotrophe Bakterien zurückzufüh­ ren ist, und hat man daraufhin die Begasung mit dem sauerstoff­ haltigen Gas bereits eingestellt, so wird bei erneuter Stagna­ tion des Schadstoffabbaus zweckmäßigerweise geprüft, ob anae­ robe Zentren im kontaminierten Material vorhanden sind. Ist dies der Fall, so wird ein zu Sauerstoffalternativer Elektro­ nenakzeptor in das kontaminierte Material eingebracht. Sind keine anaeroben Zonen festzustellen, so wird wieder mit der Begasung des kontaminierten Materials mit dem sauerstoffhal­ tigen Gas begonnen.

Tritt eine Stagnation des Schadstoffabbaus ein, obwohl keine wesentlichen Mengen an Nitrit und Nitrat und auch keine anae­ roben Zonen im kontaminierten Material vorhanden sind und ob­ wohl das kontaminierte Material ausreichend mit Sauerstoff versorgt wird, so wird gemäß einer Weiterbildung des Erfin­ dungsgedankens geprüft, ob a) das kontaminierte Bodenmaterial ausreichend mit Nährstoffen versorgt ist, b) die Schadstoffe ausreichend bioverfügbar sind und c) auf die Mikroorganismen toxisch wirkende Substanzen im kontaminierten Material vorhan­ den sind. Im Fall a) werden dem kontaminierten Material feh­ lende Nährstoffe zugeführt, im Fall b) werden Lösungsvermit­ tler, z. B. Tenside, für die Schadstoffe zugegeben und im Fall c) werden Spezialkulturen als Mikroorganismen eingesetzt, die in der Lage sind, die toxischen Substanzen abzubauen.

Ist die Nitrifikation die Ursache für die Stagnation des Schadstoffabbaus, sind also Nitrit und Nitrat in einer über dem vorgegebenen Wert liegenden Konzentration vorhanden, so wird vorzugsweise zusätzlich zur Einstellung der Begasung mit dem sauerstoffhaltigen Gas eine gegebenenfalls durchgeführte Nährstoffversorgung mit Ammoniumstickstoff unterbrochen. Außerdem wird das kontaminierte Material vorteilhafterweise gegen die Atmosphäre luftdicht abgeschlossen und/oder mit ei­ nem Inertgas, insbesondere Stickstoff, gespült. Dadurch wird die Umstellung auf Denitrifikation, die unter Sauerstoffaus­ schluß abläuft, beschleunigt.

Falls anaerobe Zentren für die Stagnation des Schadstoffabbaus verantwortlich sind, so wird, wie bereits erwähnt, ein alter­ nativer Elektronenakzeptor dosiert. Dieser sollte die Eigen­ schaft haben, in relativ hoher Konzentration beispielsweise über das Kreislaufwasser in das kontaminierte Material eintragbar zu sein. Vorzugsweise wird Nitrat als alternativer Elektronenakzeptor verwendet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Peroxid, insbesondere Wasserstoffperoxid oder Kal­ ziumperoxid einzusetzen. Auch die Verwendung von Ozon als Elektronenakzeptor ist möglich.

Zweckmäßigerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei der biologischen Mietensanierung eingesetzt. Dabei wird das konta­ minierte Material mittels einer im Mietenkörper angeordneten Begasungseinrichtung mit dem sauerstoffhaltigen Gas begast und über einen geschlossenen Sickerwasserkreislauf mit Nährsalzen und/oder Nährstoffen versorgt. Die Steuerung der mikrobiellen Reinigung wird vorzugsweise automatisch durchgeführt, wobei als Regelgrößen der Nitrit- und Nitratgehalt, der Ammonium­ stickstoff- und Phosphatgehalt sowie der pH-Wert und die Kon­ zentration der solubilisierten Schadstoffe im Sickerwasser­ kreislauf gemessen werden. Außerdem wird der Sauerstoffgehalt im Porengasraum der Miete bestimmt. Diese Messungen sind für ihre Verwendung als Regelgrößen zu ergänzen durch diskonti­ nuierliche Bestimmungen der Schadstoffkonzentration in der festen Matrix des kontaminierten Materials.

Die Erfindung eignet sich grundsätzlich für die Steuerung der mikrobiellen Reinigung von kontaminierten Materialien, die einem mikrobiellen Abbau zugänglich sind. Besonders geeignet ist das Verfahren zur Steuerung des mikrobiellen Schadstoff­ abbaus in Regenerationsmieten. Dabei können die Regenerations­ mieten mit Luft oder einem mit Sauerstoff angereicherten Gas bzw. reinem Sauerstoff begast werden. Insbesondere der Abbau von Kohlenwasserstoffen in Böden bis auf unbedenkliche Rest­ konzentrationen wird beschleunigt bzw. in den meisten Fällen überhaupt erst ermöglicht. Die Bildung großer Mengen grundwas­ sergefährdenden Nitrats in unkontrollierter Weise wird verhin­ dert. Bei einer automatischen Regelung wird darüberhinaus eine erhebliche Kostensenkung für Betreuung, Wartung und Steuerung der Sanierungsmaßnahme erreicht.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Fließschema eines Regelprogramms zur aktiven Steuerung einer Regenerationsmiete;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Schadstoffabbaus in einer gesteuerten Regenerationsmiete.

In Fig. 1 ist ein typisches Regelprogramm für eine gesteuerte Mietensanierung zur Reinigung von mit Kohlenwasserstoffen ver­ unreinigtem Erdreich stark vereinfacht dargestellt. Initial werden Phosphat, Ammoniumstickstoff und/oder Harnstoff sowie gegebenenfalls Spurenelemente und Cosubstrate über den Sicker­ wasserkreislauf oder die Beregnungsanlage der Regenerations­ miete dosiert. Über das eingebaute Begasungssystem wird Luft oder technisch reiner Sauerstoff eingetragen. Tritt ein Halte­ punkt im Schadstoffabbau ein, so wird zunächst auf Nitrifika­ tion geprüft. Ist dies Ursache für die Stagnation im Abbau, so wird die Luft- bzw. Sauerstoffbegasung eingestellt. Ferner wird die Versorgung mit Ammoniumstickstoff unterbrochen und die gesamte Miete gegebenenfalls durch Spülen mit Stickstoff und Abschluß gegen die Atmosphäre in einen anaeroben Zustand überführt. Die nun einsetzende, unter Sauerstoffausschluß ab­ laufende Denitrifikation wird überwacht. Ergibt sich ein wei­ terer Haltepunkt im Schadstoffabbau, so wird wieder auf aero­ ben Betrieb umgeschaltet, da die initiale Oxidation der Koh­ lenwasserstoffe im allgemeinen nur durch Sauerstoffatmung mit molekularem Sauerstoff als Elektronenakzeptor funktioniert. Dieser Zyklus wird fortgesetzt, bis das Sanierungsziel erreicht ist.

Ist dagegen die Nitrifikation nicht die Ursache für die Sta­ gnation im Schadstoffabbau, so wird auf anaerobe Zentren ge­ prüft. Falls diese verantwortlich sind, muß ein alternativer Elektronenakzeptor dosiert werden, der die Eigenschaft hat, in relativ hoher Konzentration über das Kreislaufwasser in den Mietenkörper eintragbar zu sein. Hier kommt insbesondere Ni­ trat in Frage, möglich sind aber auch Wasserstoffperoxid, Kal­ ziumperoxid oder Ozon. Durch den Einsatz des alternativen Elektronenakzeptors sind dann die niedrigsten möglichen End­ werte der Schadstoffkonzentration zu erreichen.

In Fig. 2 ist die relative Abbaukurve eines Mineralölkohlen­ wasserstoff-Schadensfalls in einer gesteuerten Miete darge­ stellt, die auf ca. 28°C temperiert ist und mit Reinsauerstoff betrieben wird. Auf der vertikalen Achse der Graphik ist die relative Konzentration der Kohlenwasserstoffe im Mietenkörper aufgetragen. Die horizontale Achse gibt die Behandlungszeit in Tagen an.

Der Schadstoffabbau basiert zunächst auf der Sauerstoffatmung der Mikroorganismen. Die relative Kohlenwasserstoffkonzentra­ tion nimmt daher im Bereich 1 kontinuierlich ab. Im Bereich 2 stellt sich eine Stagnation des Kohlenwasserstoffabbaus ein, da eine Nitrifikation des Ammoniumstickstoffs zu Nitrit und Nitrat durch chemolithoautotrophe Bakterien eintritt. Dabei kommt der Schadstoffabbau zum Erliegen, weil diese Bakterien nur Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle verwerten. Erfindungs­ gemäß wird nun im Bereich 3 auf Denitrifikation umgeschaltet. Hierzu wird die Sauerstoffbegasung eingestellt und die Ver­ sorgung mit Ammoniumstickstoff unterbrochen. Außerdem wird die Regenerationsmiete durch Spülen mit Stickstoff und Abschluß gegen die Atmosphäre in anaeroben Zustand überführt. Bei der Denitrifikation werden die Kohlenwasserstoffe verbraucht, so daß die Kohlenwasserstoffkonzentration im Mietenkörper wieder kontinuierlich abnimmt. Ist das im Mietenkörper vorhandene Ni­ trat verbraucht, so kommt die Denitrifikation zum Erliegen. Dies ist im Bereich 4 dargestellt. Nun wird wieder auf aeroben Betrieb umgeschaltet (Bereich 5), da die initiale Oxidation der Kohlenwasserstoffe im allgemeinen nur durch Sauerstoffatmung mit molekularem Sauerstoff als Elektronenakzeptor funktio­ niert. Anschließend nimmt die relative Kohlenwasserstoffkon­ zentration bis auf eine geringe Restkonzentration ab. Das Sanierungsziel ist somit erreicht.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung der mikrobiellen Reinigung von kontaminiertem Material, dadurch gekennzeichnet, daß das kontaminierte Material zumindest zu Beginn des Reinigungs­ vorgangs mit einem sauerstoffhaltigen Gas begast wird, daß der Schadstoffabbau während des gesamten Reinigungsvor­ gangs kontrolliert und bei einer Stagnation des Schad­ stoffabbaus vor Erreichen eines vorgegebenen Reinigungs­ ergebnisses geprüft wird, ob Nitrit und Nitrat oder anae­ robe Zonen im kontaminierten Material vorhanden sind, daß bei Vorhandensein von Nitrit und Nitrat mit einer über ei­ nem vorgegebenen Wert liegenden Konzentration die Begasung des Materials mit dem sauerstoffhaltigen Gas eingestellt wird und bei Vorhandensein von anaeroben Zentren ein zu Sauerstoffalternativer Elektronenakzeptor in das kontami­ nierte Material eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei erneuter Stagnation des Schadstoffabbaus nach Einstellen der Begasung mit dem sauerstoffhaltigen Gas geprüft wird, ob anaerobe Zentren im kontaminierten Material vorhanden sind, daß bei Vorhandensein von anaeroben Zentren ein zu Sauerstoff alternativer Elektronenakzeptor in das kontaminierte Material eingebracht wird und bei nicht Vorhandensein von anaeroben Zonen wieder mit der Begasung des kontaminierten Materials mit dem sauerstoff­ haltigen Gas begonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Stagnation des Schadstoffabbaus bei Abwesen­ heit von Nitrit und Nitrat sowie von anaeroben Zonen im kontaminierten Material und bei ausreichender Sauerstoff­ versorgung des kontaminierten Materials geprüft wird, ob

• a) das kontaminierte Material ausreichend mit Nährstoffen versorgt ist,
• b) die Schadstoffe ausreichend bioverfügbar sind und
• c) auf die Mikroorganismen toxisch wirkende Substanzen im Material vorhanden sind,
• und daß im Fall a), fehlende Nährstoffe dem Material zu­ geführt werden,
• im Fall b) Lösungsvermittler für die Schadstoffe zugegeben werden und
• im Fall c) Spezialkulturen als Mikroorganismen eingesetzt werden, die in der Lage sind, die toxischen Substanzen abzubauen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Vorhandensein von Nitrit und Nitrat mit einer über dem vorgegebenen Wert liegenden Konzentra­ tion zusätzlich zur Einstellung der Begasung mit dem sau­ erstoffhaltigen Gas auch keine Versorgung des kontaminier­ ten Materials mit Ammoniumstickstoff als Nährsalz mehr durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Vorhandensein von Nitrit und Nitrat mit einer über dem vorgegebenen Wert liegenden Konzentra­ tion das kontaminierte Material gegen die Atmosphäre luft­ dicht abgeschlossen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Vorhandensein von Nitrit und Nitrat mit einer über dem vorgegebenen Wert liegenden Konzentra­ tion das kontaminierte Material mit einem Inertgas gespült wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als alternativer Elektronenakzeptor Nitrat verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als alternativer Elektronenakzeptor ein Peroxid, insbesondere Wasserstoffperoxid oder Kalziumper­ oxid, verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als alternativer Elektronenakzeptor Ozon verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das kontaminierte Material in einer Regenerationsmiete behan­ delt wird, die mittels einer im Mietenkörper angeordneten Begasungseinrichtung mit dem sauerstoffhaltigen Gas begast und über einen geschlossenen Sickerwasserkreislauf mit Nährsalzen und/oder Nährstoffen versorgt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerung der mikrobiellen Reinigung automatisch durchgeführt wird, wobei als Regelgrößen der Nitrit- und Nitratgehalt, der Ammoniumstickstoff- und Phosphatgehalt sowie der pH-Wert und die Konzentration der solubilisierten Schadstoffe im Sickerwasserkreislauf und der Sauerstoffgehalt im Porengasraum der Miete kontinuie­ rlich gemessen sowie die Schadstoffkonzentration im kontaminierten Material diskontinuierlich bestimmt werden.