Verfahren und Vorrichtung für die mikrobielle in situ-Entsorgung von kontaminiertem Erdreich
专利汇可以提供Verfahren und Vorrichtung für die mikrobielle in situ-Entsorgung von kontaminiertem Erdreich专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且Eine mikrobielle in-situ Dekontaminierung von mit Xenobiotika verseuchtem Erdreich war bisher nur durch Auftragen von Mikroorganismen, insbesondere zusammen mit biotensiden Schäumen, auf die Oberfläche des zu behandelnden Erdreichs erfolgt. Mit einem solchen Verfahren konnten aber nur die obersten Bodenschichten dekontaminiert werden. Das neue Verfahren sowie die Vorrichtung zu seiner Durchführung sollen es ermöglichen, das mit Xenobiotika kontaminierte Erdreich tiefgreifend, möglichst unter Erhalt der natürlich gewachsenen Bodentextur und angepaßt an großtechnische Erfordernisse zu entsorgen.
Eine an ein Bodenmeliorationsgerät (5) anbringbare Schar (3) ist an ihrer Rückseite mit über Leitungssysteme (8,9) an unterschiedliche Vorratsbehältnisse (6,7) angeschlossenen Düsen (10,11) bestückt, die in diskreten Abständen voneinander angebracht unterschiedlichen Bodentiefenzonen zugeordnet sind. Der von der Schar aufgeschlossene Boden kann in unterschiedlichen Bodentiefenzonen (1,2,17) gleichzeitig jeweils mit anaeroben, aeroben und fakultativ anaeroben Mikroorganismen inokuliert werden.，下面是Verfahren und Vorrichtung für die mikrobielle in situ-Entsorgung von kontaminiertem Erdreich专利的具体信息内容。
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur mikrobiellen in situ-Entsorgung von mit Xenobiotika kontaminiertem Erdreich.
Die Entsorgung erfolgt dabei über die Biodegradation der Xenobiotika. Ein solcher biologischer Abbau von mit Umweltchemikalien belastetem Erdreich findet unter Einsatz von adaptierten Mikroorganismen statt, die entweder aus dem Habitat selektiert wurden, oder Konsortien ausgesuchter Spezies enthalten, mit enzymatisch aufeinander abgestimmten metabolischen Eigenschaften. Der Biodegradations-Vorgang, die Abbaugeschwindigkeit und Abbaustufe sind aber nicht allein von den metabolischen Fähigkeiten der Mikroorganismen abhängig, sondern auch von den physiko-chemischen Prozessvorgängen, wobei die Reaktionskinetik und die metabolische Aktivität der Mikroorganismen gesteuert wird.
Das mit Umweltchemikalien belastete Erdreich kann als Reaktor betrachtet werden, in dem die mikrobiellen Reaktionsschritte unter optimalen Verhältnissen ablaufen müssen. Bereits unter ungestörten, natürlichen Bedingungen findet eine, wenn auch verlangsamte, Biodegradation statt.
In den meisten Fällen reichen die natürlich vorhandenen Mikroorganismen sowohl hinsichtlich ihrer Menge als auch ihres Abbauvermögens selbst unter optimalen Umgebungsbedingungen nicht aus, die Biodegradation in absehbaren Zeiträumen zu bewältigen. Durch gezielte Zuchtwahl und Auslese können jedoch adaptierte Bakterienstämme mit speziellen Eigenschaften gewonnen werden, die auf mit unterschiedlichen Schadstoffen versetzten Nährböden gezüchtet und adaptiert werden.
Unter wesentlicher Abkürzung natürlicher Abbauprozesse können dann solche speziell adaptierten Mikroorganismen bei der Biodegradation der Xenobiotika eingesetzt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den schadstoffbelasteten Boden auszubaggern und dann in einem abgedichteten Becken einer mikrobiologischen Behandlung mit adaptierten Spezies zu unterziehen, unter Zusatz von Nährstoffen und ggf. oberflächenaktiven Substanzen, die den Angriff der Mikroorganismen erleichtern sollen.
So wird in der DE-OS 37 20 833 ein Verfahren beschrieben, in dem das ausgebaggerte, kontaminierte Erdreich mit Flüssigkeit durchsetzt wird und dann adaptierte Mikroorganismen inokuliert werden, wobei geeignete Temperaturverhältnisse und ausreichende Luftzufuhr sichergestellt wurden.
In der DE-OS 38 18 398 wird das ausgebaggerte, kontaminierte Erdreich in zwei kombinierten Behandlungsstufen zunächst einer aeroben Behandlung mit aerob-adaptierten Mikroorganismen und dann einer anaeroben Behandlung mit entsprechend anaerob-adaptierten Mikroorganismen unterzogen. Ggf. können die Behandlungsstufen auch in umgekehrter Reihenfolge ablaufen.
Das ausgebaggerte Erdreich kann im on site-Verfahren und im off site-Verfahren dekontaminiert werden. Beide Verfahren sind aber sehr arbeits- und platzaufwendig und damit umständlich.
Wesentlich einfacher ist das Verfahren gemaß der DE-PS 28 02 012, worin die Mikroorganismen mit geeigneten Nährmitteln zusammen in einem biotensiden Schaum aufgeschäumt und so in situ auf das dekontaminierte Erdreich aufgebracht werden. Dieses Verfahren hat aber den entscheidenen Nachteil, daß dabei nur die obersten Bodenschichten erreicht werden können.
Durch die in der Landwirtschaft Verwendung findenden Bearbeitungsmethoden wird die Textur des Bodens weitestgehend unkontrolliert zerstört. Die den Bodenkapillaren zukommende Kanalisierung der Bodentextur sowie die Porosität des Erdreichs gehen verloren, so daß die Mikroorganismen nur die Nährstoffe in ihrer unmittelbaren Umgebung nutzen können und weiter entfernte Nährstoffe nicht mehr zugänglich sind. Damit verbunden ist eine mangelhafte Benetzung und Befeuchtung sowie eine verminderte Sorption der Nährstoffe. Ein Auftragen von adaptierten Mikroorganismen in Suspension oder Schäumen nur auf die Oberfläche des kontaminierten Erdreichs muß also auf die allerobersten Erdschichten beschränkt bleiben.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen kontaminiertes Erdreich in situ mit vergleichsweise geringem Aufwand tiefgreifend dekontaminiert werden kann, wobei die natürlich gewachsene Bodentextur weitgehend erhalten bleibt und die großtechnischen Erfordernisse für eine dynamische Biodegradation der kontaminierten Böden in weitem Bereich berücksichtigt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt verfahrensmäßig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und in Bezug auf die Vorrichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 21.
Die an einem biologischen Abbau beteiligten Mikroorganismen benötigen eine ausreichende Versorgung mit spezifischen Nährstoffen, wie Phosphor, Stickstoff, Vitamine und Spurenelemente. Von besonderer Wichtigkeit ist jedoch ein ausreichendes Energie-Angebot, wobei aerobe Mikroorganismen den molekularen Sauerstoff als Elektronenakzeptor für ihren Stoffwechsel benötigen. Während solche Organismen auf den Sauerstoff für ihre Lebensfähigkeit angewiesen sind, nehmen Anaerobier andere Energiequellen in Anspruch. Zwar sind die meisten Xenobiotika einem vollständigen Abbau nur von aeroben Mikroorganismen zugänglich, aber anaerobe Mikroorganismen könnten dabei durchaus gewisse Teilfunktionen eines biologischen Abbaues übernehmen, wobei der anaerobe Teilabbau als Vor- oder Nachbehandlungsstufe durchgeführt werden kann.
Nun ist aber bekannt, daß der Sauerstoff-Partial-Druck im Boden mit zunehmender Tiefe relativ stark abnimmt. So herrschen bis zu einer Bodentiefe von ca. 30 cm aerobe Bedingungen, während ab einer Tiefe von 50 cm anaerobe Bedingungen anzutreffen sind. Die dazwischenliegende Bodenschicht zwischen 30 und 50 cm kann als Übergangszone von aerob nach anaerob angesehen werden. In einer definierten Bodentiefe wären also vorzugsweise solche Mikroorganismen einzusetzen, deren Erfordernisse optimal an das dort herrschende Energieangebot, den pH-Wert, die Temperatur, die Feuchtigkeit und nicht zuletzt das Nährstoffangebot, insbesondere in Form des zu entsorgenden Xenobiotikums adaptiert sind.
Zur Inokulation des biologischen Materials in die biologischen Bodenschichten wird erfindungsgemäß das kontaminierte Erdreich mit einer an ihrer Rückseite mit Düsen in diskreten Abständen versehenen Schar eingeschnitten, wobei die Eindringtiefe vorgewählt werden kann. Diese kann bis zu 1 m betragen.
Durch eine leichte Horizontalbewegung der in das Erdreich eingedrungenen und vorzugsweise an einem Meliorationsgerät befestigten Schar wird zwischen deren Rückseite und dem Erdreich ein keilförmiger Spalt geöffnet, in welchem vorzugsweise ein Aerosolstrom von Mikroorganismen in einer Nährlösung und einem schaumartigen Biotensid eingetragen wird. Gemäß den beabstandeten Düsen wird das biologische Material dadurch in unterschiedliche Bodentiefen freigesetzt.
Den Düsen im Bereich der aeroben Bodenzone (bis ca. 30 cm Tiefe) werden dabei Vorratsbehälter mit solchen Mikroorganismen zugeordnet, die optimal an aerobe Umweltbedingungen adaptiert sind. Im Bereich der anaeroben Bodenzonen (unterhalb 50 cm Bodentiefe) werden den entsprechenden Düsen jeweils Vorratsbehältnisse mit anaeroben Mikroorganismen zugeordnet, während in der Übergangszone (30 bis 50 cm Bodentiefe) vorzugweise fakultative Anaerobier zum Einsatz kommen.
Nach der Inokulation des Erdreichs wird die Schar herausgezogen und parallel zu dem inokulierten Erdeinstich, vorzugsweise in einer Entfernung von 5 bis 10 cm ein weiterer Erdschnitt eingebracht. Durch eine erneute leichte Horizontalverschiebung der Schar in Richtung auf den zuvor erzeugten Erdspalt, wird dieser wieder geschlossen, wobei in den tieferen Erdschichten (unterhalb 50 cm) durch das Herauspressen der Luft wieder anaerobe Bedingungen hergestellt werden. Durch erneutes Einbringen des spezifisch auf die Bodentiefe abgestimmten Inokulats und anschließende Wiederholung der vorher beschriebenen Arbeitsgänge kann somit eine ganze Fläche kontaminiertes Erdreich in situ sequentiell bis zu einer Bodentiefe von 1 m optimal mit die Xenobiotika abbauenden Mikroorganismen inokuliert werden. Durch das schichtweise Belüften und das Aufschließen mit keilförmigen Spalten bleibt die natürlich gewachsene Bodentextur im Großen und Ganzen erhalten.
Mit dem Eindringen der Arbeitsschar können gleichzeitig flüssige, pulverförmige und/oder pastöse Stoffe in das Erdreich eingebracht werden. Diese Stoffe können auch in versprühter oder Aerosol-Form im Erdreich fein verteilt werden. Werden die Mikroorganismen mit einem Schaum aus einem Biotensid in das Erdreich eingetragen, dann sammeln sie sich in den interstitiellen Zwischenräumen der Schaummizellen und werden beim Aufplatzen des Schaums äußerst fein verteilt in das Erdreich verteilt, wobei die Biotenside die Sorptionseigenschaften des Bodens positiv beeinflussen und somit auch den Transport der abbauenden Mikroorganismen zu den Wirkungsorten erleichtern. Gleichzeitig kann über die Schaummizellen Sauerstoff als Energie-Donator in die aerobe Bodenzone befördert werden und für die Aktivität der dort inokulierten Aerobenspezies zusätzlich verfügbar gemacht werden.
Die für die Mikroorganismen erforderlichen Nahrlösungen und das biologisch abbaubare Tensid können auch in feiner, aerosolartiger Verteilung dem Erdreich zugeführt werden und somit für optimales Mikroorganismuswachstum obligatorische Bodenparameter, wie z.B. die Feldkapazität, Porosität, Sorption günstiger beeinflussen. Desweiteren kann eine Homogenisierung heterogener Bodenbestandteile oder auch sorbierter chemischer Substanzen erreicht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann gleichzeitig mit dem in die Tiefe eingebrachten Inokulat auch die Oberfläche des kontaminierten Erdreichs mit einer Gesamtdecke von in Schaum eingebetteten Mikroorganismen aufgetragen werden. Die Mikroorganismen werden dann bei der Auflösung des Schaumes allmählich aus den interstitiellen Zwischenräumen der Schaummizellen an das Erdreich abgegeben.
Für eine Inokulation eines kontaminierten Bodens werden solche Mikroorganismen-Spezies verwendet, die so adaptiert sind, daß das kontaminierte Agens optimal metabolisiert werden kann. Einer der am häufigsten vorkommenden Schadstoffe ist Mineralöl. Für dessen Abbau können z.B. folgende Mikroorganismen in Betracht kommen:
Candida parapsilosis
Candida tropicalis
Candida utilis
Aureobasidium pullulans
Myrothecium verrucaria
Cladosporium cladosporiodes
Saccharomyces cerevisiae
Aspergillus sp.
Rhodotorula sp.
Candida lipolytica
Micrococcus colpogenes
Nocardia corallina
Nocardia globerula N.39
Nocardia globerula N.45
Nocardia opaca
Nocardia rubra
Nocardia paraffinae
Als Nährbodenmaterialien kommen dazu folgende Zusammensetzungen zum Einsatz:
Auch andere Nährböden auf Thioglycol-Basis können dafür verwendet werden.
Anstelle der genannten Bakterien können auch Pilze zur Anwendung kommen, z.B.
Aureobasidium pullulans
Myrothecium verrucarin
Cladosporium cladosporioides
Aspergillus sp.K.
In diesem Falle dient besonders mit Glucose angereichertes Agar-agar als Nährboden. Desgleichen können auch noch mineralölabbauende Hefen mit geeigneten Nährbodenmaterialien in den Schaum eingefügt werden, wie sie z.B. oben bereits angeführt sind. Auch für solche Hefen eignen sich insbesondere Nährböden auf Thioglycol-Basis.
Das gleichzeitige Inokulieren dekontaminierten Erdreichs in einem Arbeitsgang ermöglicht es, ohne nennenswerte Störung der natürlichen Bodenmatrix über das Eintragen anaerober Mikroorganismen-Spezies auch noch solche Xenobiotika für einen anschließenden aeroben Aufschluß vorzubereiten, der nach dem bisherigen Stand der Technik nur über on site- oder off site-Verfahren einer biologischen Entsorgung unterzogen werden konnten. Mit der erfindungsgemäßen zweigleisigen mikrobiellen Dekontamination können nämlich über anaerobe Mikroorganismen schwer abbaubare Schadstoffe, wie z.B. polyzyklische Kohlenwasserstoffe und chlorierte Kohlenwasserstoffe durch Dehalogenierung für einen oxydativ gesteuerten Abbau vorbereitet und ihr weiterer Abbau dann in einer nachgeschalteten aeroben Stufe zu Ende geführt werden.
Für den Abbau von aromatischen Bestandteilen von Kohlenwasserstoffen sind insbesondere obligat anaerobe Stämme, z.B. Bacteroides, Clostridien, Bifido-Bakterien und auch fakultativ anaerobe Enterobakterien und Streptokokken in Betracht zu ziehen.
Neben der hydrolytischen Spaltung von Biopolymeren kann durch die Fähigkeit von azetogenen und methanogenen Aerobiern ein weiterer Abbau von Fettsäuren und Aromaten induziert werden. Solche Mikroorganismen können leicht in großen Mengen als aktive Bestandteile des Faulschlamms aus Bioreaktoren, in denen eine anaerobe Schlammfaulung durchgeführt wurde, oder aus der Biomasse einer anaeroben Abwasserreinigungsstufe als aktives Gemisch erhalten werden. Für einen Einsatz als Dekontaminierungsstoffe ist es allerdings vorteilhaft, zunächst die natürlich anfallenden Gemische unter geeigneten Kulturbedingungen mit steigenden Mengen des kontaminierenden Mittels zu selektieren, um so eine optimal angepasste Biomasse zu entwickeln.
Folgende Nährböden und Kulturbedingungen sind dafür geeignet:
Candida parapsilosis
Candida tropicalis
Candida utilis
Aureobasidium pullulans
Myrothecium verrucaria
Cladosporium cladosporiodes
Saccharomyces cerevisiae
Aspergillus sp.
Rhodotorula sp.
Candida lipolytica
Micrococcus colpogenes
Nocardia corallina
Nocardia globerula N.39
Nocardia globerula N.45
Nocardia opaca
Nocardia rubra
Nocardia paraffinae
Die Angaben beziehen sich auf 1 ltr H₂O.
Die Inokulation von dafür geeigneten anaeroben Mikroorganismen erfolgt, wie bereits ausgeführt, am unteren Scharende des Bearbeitungsgeräts in die sauerstoffverarmten Zonen der unteren Erdtasche. Wenn im Falle eines vorbereitenden Abbaues nach geraumer Zeit der anaerobe Abbau zum Stehen gekommen ist, kann es notwendig werden, in einem gesonderten Arbeitsgang eine durchgreifende Zerteilung und Umschichtung des Erdreiches vorzunehmen, so daß die unteren Bodenschichten nach oben zu liegen kommen und so einem aeroben Abbau nach erneuter Inokulation mit Aerobiern zugänglichen werden. Die ursprüngliche Bodentextur wird dabei allerdings weitgehend zerstört. Zur Umschichtung des Erdreichs kann am Meliorationsgerät die Schar in horizontaler, vertikaler und/oder sagittaler Richtung verstellt werden.
Die für die den unterschiedlichen Bodenschichten zugeordneten Düsen jeweils vorgesehenen Vorratsbehältnisse sind über geeignete Förderungseinrichtungen mit diesen verbunden. Die anaeroben Mikroorganismus-Kulturen sind in einer Aufschwemmung von biotechnischem Material mit inerten Trägern luftdicht in einem Behältnis aus elastischem Material, vorzugsweise einem Kunststoff-Sack bevorratet. Der Inhalt wird über eine geeignete Kolbenpumpe dosiert, die taktmäßig durch eine Nockenwelle betätigt wird und entsprechende Mengen zu den Düsen fördert. In einer anderen Ausführungsform wird das anaerobe Material durch eine Schneckenpumpe über ein luftdicht abgeschlossenes Leitungssystem zu der Düse gefördert, wodurch eine biologische Schädigung infolge Zutritts von Luftsauerstoff verhindert werden kann.
Gegebenenfalls kann es erforderlich werden, z.B. bei der Entsorgung von auf Alt-Deponien gelagertem Erdreich, daß die Eindringtiefe der Schar eine definierte Bodentiefe nicht überschreiten darf, um z.B. unterhalb des zu entsorgenden Erdreichs angebrachte Dichtungsfolien nicht zu beschädigen oder gar zu zerstören. Für diesen Fall sind an geeigneter Stelle angebrachte physikalisch wirksame Sensoren vorgesehen, die über eine integrierte Regeleinrichtung die Arbeitstiefe des Bearbeitungsgerätes steuern. Die Sensoren können dabei die entsprechende Regelgröße mittels Ultraschall, Leitfähigkeitsmessung, Laserstrahlung u.a. erfassen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der jeweils gewünschte Zustand der Bodenmatrix, zur Veränderung physikalisch-chemischer und biologischer Verhältnisse mechanisch gesteuert werden. Das biotechnische Bearbeitungsgerät für die Dekontamination von Erdreich kann alle notwendigen Funktionen der Bodenbearbeitung, ebenso wie die biologische Inokulation selektiven Materials und die zusätzliche Applikation von Nährstoffen in einem Arbeitsgang zeitgerecht, in gewählter Dosierung, in vorbestimmter Bodentiefe und auch unter Berücksichtigung unterschiedlicher Lebensverhältnisse der Mikroorganismen ausführen.
Zur Verdeutlichung wird die Erfindung anhand zweier Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: Eine an einem Bodenmeliorationsgerät befestigte Schar mit Düsen für aerobe und anaerobe Bodenschichten.
Fig. 2: Eine in das Erdreich eingeführte Schar mit Düsen für aerobe, anaerobe Bodenschichten und für die dazwischen liegende Übergangszone.
In Fig. 1 ist die an den Bewegungsmechanismus 4 des Meliorationsgeräts 5 angebrachte Schar 3 in den der aeroben Bodenschicht 1 korrelierten Abstandsbereich mit Düsen 10a, b bestückt, die über eine Zuführungsleitung 9 an einen mit aeroben Mikroorganismen bevorrateten Behälter 7 angeschlossen sind. Die Pumpe 14 sorgt für die geeignete Dosierung. Das in die anaerobe Bodenschicht 2 reichende Teil der Schar 3 ist wiederum mit Düsen 11a, b versehen, die über eine luftdicht abgeschlossene Versorgungsleitung 8 an einen Plastiksack 6 angeschlossen ist, der anaerobe Mikroorganismen-Spezies bevorratet. Eine Pumpe 13 sorgt für die geeignete Dosierung.
Über den Bewegungsmechanismus 4 des Bodenmeliorationsgeräts wird mittels einer leichten Horrizontalbewegung die in das Erdreich eingedrungene Schar 3 nach vorn bewegt, so daß an der mit den Düsen versehenen Rückseite der Schar 3 ein Spalt 12 entsteht, in den die Mikroorganismen versprüht werden.
In Fig. 2 sind die den drei Bodentiefenzonen zugeordneten Düsen wiedergegeben. Der aeroben Bodenschicht sind die Düsen 10a, b, die aerobe Mikroorganismen versprühen, zugeordnet, der anaeroben Zone 2 die Düse 11. Die der dazwischen liegenden Übergangszone 17 zugeordneten Düsen 15a, b sind an einen (nicht eingezeichneten) Vorratsbehälter mit fakultativ anaeroben Mikroorganismen angeschlossen.
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