Biochemischer Abbau organischer Substanzen. Abbaubilanzen

 1 Kurzdarstellung
 2 Untersuchungsbeispiele
 2.1   Biologische Sanierung einer PAK-Altlast
 2.2    Mikrobielle Beständigkeit von Dichtwandmassen
 3 Veröffentlichungen
 4 Powerpoint-Präsentation zu Abbauuntersuchungen (813 KB)
 5 Powerpoint-Präsentation zu Natural Attenuation (451 KB)


1    Kurzdarstellung

 

Der Biochemische Abbau organischer Substanzen wurde im  Labor Dr. R. Wienberg unter vier Fragestellungen untersucht:

 

Laborreaktor für bilanzierende Abbauversuche mi Hilfe von Tracern.1. Es ist für die Gefährdungsabschätzung bei Altlasten und kontaminierten Böden erforderlich, Kenntnisse über die Persistenz, d.h. die Langlebigkeit einer Substanz zu erhalten. Für die ökotoxikologische Beurteilung des Verhaltens organischer Schadstoffe im Boden gelten die Hauptkriterien Toxizität, Akkumulierbarkeit, Mobilität und Persistenz. Es ist leicht einsehbar, dass Substanzen, die einerseits zwar toxisch und mobil sind, andererseits schnell in der Umwelt abgebaut werden, ökotoxikologisch in der Regel wenig bedeutsam sind.

 

 

Aufbau einer Sanierungsmiete für ein Weißfäulepilz-Verfahren (WUP, Hamburg)2. Bei der Altlastensanierung wird das Abbaupotential der natürlichen Bodenmikroorganismen oder zugesetzter Organismen gezielt zur Dekontamination organisch verunreinigter Böden eingesetzt. Bei der biologischen Bodensanierung sind sanierungsvorbereitende oder -parallellaufende Untersuchungen erforderlich, um den Abbauerfolg nachzuweisen bzw. um die Verfahren zu optimieren. Dazu wurden vom Labor Dr. R. Wienberg vollständige, stoffspezifische Bilanzierungsversuche durchgeführt. Durch den Einsatz 14C-markierter organischer Substanzen gelingt es, im Labor den Abbau über alle Abbaupfade zu verfolgen und zu etwa 100 % ± 10 % bilanzmäßig zu verfolgen.

 

Innenansicht in Sanierungsmiete mit Einbauten für die wissenschaftlichen Untersuchungen

3. Bei der Altlastensanierung - wie auch in einigen anderen Bereichen des Bauwesens - werden Baustoffe eingesetzt, die organische Zusatzmittel oder Bindemittel- Systeme enthalten. Anders als bei der biologischen Bodensanierung wird hier eine möglichst hohe Dauerbeständigkeit gegen biochemische Angriffe gefordert. Zum Nachweis der Beständigkeit gegen die mikrobielle Aktivität wurden auch hier Langzeit-Bilanzuntersuchungen mit Hilfe aktiver zugesetzter organischer Baustoffbestandteile durchgeführt.

 

 

Kleinreaktor, gefüllt mit PAK-Boden und mit Pilz/Stroh-Substrat4. Bilanzierende Abbauversuche können eingesetzt werden, um Verbleib und Transport von organischen Schadstoffen bei der biologischen Abwasserreinigung zu ermitteln. In diesem Zusammenhang konnten Untersuchungen zum Abbau organischer Substanzen im Müllsickerwasser durchgeführt werden. Dabei wurden die mengenmäßig wichtigsten Inhaltsstoffe bestimmt und ihr Abbau unter Sauerstoffzutritt und Sauerstoffmangel verfolgt. Auch hier erlaubte die Zugabe 14C-markierter Substanzen eine praktisch vollständig aufgehende Bilanz.

Für diese Fragestellungen stand im Labor Dr. R. Wienberg - bei Spezialuntersuchungen auch in Kooperation mit anderen Labors - ein umfangreiches Methodenpaket zur Verfügung. Eine Besonderheit unseres Labors war es, dass wir die Möglichkeit und Genehmigung für den Einsatz radioaktiv markierter Substanzen hatten. Das ermöglichte uns die Durchführund vollständiger Bilanzen bei im Vergleich zur konventionellen organischen Schadstoffanalyse geringen Kosten.

In der folgenden Tabelle sind die einzelnen Bereiche für eine Stoffspezifische Bilanzrechnung für die Untersuchung des biochemischen Abbaus dargestellt.

 

 

Bilanzbereich Untersuchter Bilanz-Teilbereich
Bilanzierung der Substrate Gewinnung der unveränderten Ausgangssubstanz in:
  • Luft 
  • Bodenwasser 
  • Bodenfeststoffe (extrahierbar) 
Gewinnung der Transformationsprodukte (Metaboliten) in: 
  • Luft  
  • Bodenwasser  
  • Bodenfeststoffe (extrahierbar) 
Ermittlung der nicht extrahierbaren feststoffgebundenen Fraktion ("Bound residues") z.B. mit Hilfe von Tracern
Bilanzierung der Mineralisation Erfassung der CO2 und/oder Methanproduktion aus der Ausgangssubstanz

Bestimmung freigesetzter Substituenten wie z.B. Chlorid- oder Bromidionen

 

Zurück
 
 
2    Untersuchungsbeispiele Abbaubilanzen
2.1    Sanierungsbegleitende Untersuchungen bei der biologischen Sanierung einer PAK-Altlast mit Hilfe von Weißfäulepilzen

 

PAK-haltiger Boden und Pilz/Stroh Substrat (WUP Hamburg)Vorhaben: Eine massive Bodenverunreinigung, vorrangig mit PAK, sollte durch Entnahme des belasteten Bodens und off-site biologische Behandlung mit einem Mietenverfahren unter Zugabe von Weißfäulepilzen, Pleurotes ostreatus, saniert werden.

Ziel der Untersuchungen: Die Sanierung gilt als Pilot-Vorhaben. Durch stoffspezifische bilanzierende Untersuchungen des Schadstoffabbaus im Labormaßstab parallel zu größermaßstäblichen Versuchen und zu Untersuchungen an den Sanierungsmieten soll der Sanierungserfolg geprüft und hinsichtlich zukünftiger weiterer Sanierungen bewertet werden.

 

Mietenanlage für die Sanierung eines PAK-SchadenfallesFragestellung: Im einzelnen war zu untersuchen, welcher Anteil der Kontamination durch Ausgasung verloren geht, als Stoffwechselzwischenprodukt vorliegt, fest und nicht extrahierbar im Boden gebunden vorliegt oder schließlich CO2 und Wasser abgebaut wird (vollständige stoffspezifische Bilanz).

Vorgabe: Die Untersuchungen waren Teil eines größer angelegten Verbundvorhabens. Von anderen Teilprojekten werden Untersuchungen an den Versuchsmieten und an größermaßstäblichen Versuchsreaktoren durchgeführt. Erhoben wurden Daten zur Ökotoxizität der unbehandelten und behandelten Böden mit Hilfe von Biotests. Das genotoxische Potential wurde ebenfalls parallel untersucht.

 

Aufbau einer Sanierungsmiete für ein Weißfäulepilz-Verfahren (WUP, Hamburg)Lösung der Aufgabe: Im Labor Dr. R. Wienberg wurde der kontaminierte Boden zusätzlich mit 14C-markierten PAK dotiert. Unter Zugabe von Weißfäulepilzen und Stroh - wie in den Sanierungsmieten - wird der Abbau in einem geschlossenem Reaktorsystem geprüft. Erfasst wird die Ausgasung, das entstehende 14C-CO2, die noch unverändert im Boden vorhandene extrahierbare Ausgangssubstanz bzw. Metaboliten sowie durch Probenverbrennung und Auffangen und Bestimmen des 14C-CO2 der nicht extrahierbar gebundene Anteil. Es besteht die Möglichkeit für eine weitergehende radiochemische Aufschlüsselung der Substanzen in den Extrakten. Eine vollständige Bilanz wird erstellt.

Der Untersuchungsbericht dokumentiert die Abbauerfolge für verschiedene PAK unter verschiedenen für die Sanierung relevanten Bedingungen. Er zeigt erhebliche Abbauerfolge bei den Niederkernigen PAK, jedoch z.T. hohe Persistenz bei höherkernigen wie z.B. dem besonders toxischen Benzo(a)pyren.

Zurück

 

2.2    

 

Beständigkeit von organisch modifizierten Dichtwandmassen für Altlasteneinkapselungen gegen mikrobiellen Angriff

Vorhaben: Zur Sicherung von Altstandorten werden mineralische Dichtwände eingesetzt. Bei den Dichtwandbaustoffen werden zur Regulierung der Rheologie und zur Verbesserung des Schadstoffrückhaltevermögens organische Modifizierungsmittel zugemischt.

Fragestellung: Sind die vorgesehenen Baustoffadditive gegen biochemischen Abbau hinreichend stabil?

Ziel der Untersuchungen: Mit Hilfe stoffspezifischer, vollständiger bilanzierender Abbauversuche soll zunächst geklärt werden, ob die Modifizierungsmittel unter optimalen Abbaubedingungen überhaupt abbaubar sind, und falls ja, ob ein Abbau bei Einbindung in die Baustoffmatrix stattfindet.

Vorgabe: Es werden 2 organische Additive untersucht, davon eine quarternäre Ammoniumverbindung und ein Organosilan. Die Dichtwandmassen-Rezepturen sind vorgegeben.

6 Reaktorlinien für ein Untersuchungsprogramm zur Dauerbeständigkeit von Dynagrout (zementfreie, Organosilan gebundene Dichtwandmasse)Lösung der Aufgabe: Es wurden im Labor Dr. R. Wienberg zylindrische Probekörper aus dem frisch angemischten Dichtwandmaterial unter Zumischung der Additive in 14C-markierter Form hergestellt und zunächst 28 Tage bis zum Erreichen einer genügenden Frühfestigkeit feucht gelagert. Anschließend wurden einige Probenkörper aufgemörsert und mit Kompost vermischt und der Abbau des Modifizierungsmittels in einem Laborreaktor untersucht. Parallel dazu wurden unzerkleinerte Probenkörper (Proben verbleiben in ihren Schalungen, mikrobieller Angriff nur über die offene Stirnfläche) in Reaktoren bei Einbettung in Kompost oder reinem Sand gelagert. Nach halbjähriger Lagerung wurden die Probenzylinder in dünne Scheiben geschnitten und die einzelnen Scheiben auf einen Abbau des Modifizierungsmittels untersucht.

Der Untersuchungsbericht zeigt die biochemische Beständigkeit der Baustoffzusätze. Dabei ergibt sich, dass die Ammoniumverbindung für sich abbaubar ist. Bei den mit ihr behandelten, organophilen Tonen lagern sich diese Moleküle in die Tonzwischenschichten ein, was sie weitgehend vor Abbau schützt. Im hochalkalischen Milieu zementhaltiger Baustoffe findet nur noch sehr geringer Abbau statt. Ebenfalls sehr günstig sind die Ergebnisse bei Organosilanen. Auch unter optimalen Abbaubedingungen ist die Mineralisierung minimal. Auch unter anaeroben Bedingungen findet kein relevanter Abbau statt.

Zurück
 


 
 
3     Veröffentlichungen zum Biochemischen Abbau organischer Substanzen

 
 

Zurück
 
 
Dr. Reinhard Wienberg
Umwelttechnisches Labor