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Biologische Reinigung ölkontaminierter Böden

Organische Schadstoffe im Boden können direkt, aber auch über Grundwasser, Nahrungsmittel und Luft den Menschen gefährden. Traditionelle Sanierungsmethoden haben ungünstige Nebenfolgen oder sichern kontaminiertes Material oft nur vorübergehend – die Probleme werden buchstäblich verlagert. Was können alternative Verfahren wie die Sanierung mit Bakterien leisten?

Spektakuläre Tankerunfälle und ihre Folgen – insbesondere die Verseuchung der Küsten – rütteln die Allgemeinheit auf. Wenn der unterirdische Heizöltank leckt oder bei einem Verkehrsunfall Dieseltreibstoff ausläuft, denken wohl die meisten Beteiligten noch früher oder später an die mögliche Gefährdung des Grundwassers und damit unseres Trinkwasservorrats. Doch wie steht es mit dem Boden selbst? Inwieweit ist er ein schützenswertes Gut? Welche Konzentrationen an Fremdstoffen darin sind tolerierbar? Was muß und kann getan werden, um entstandenen Schaden zu beheben?

In Deutschland, einigen anderen europäischen Ländern sowie den USA existieren heute umfangreiche Vorschriften, Listen und Gesetze, die Antworten auf solche Fragen geben und die den Umgang mit dem Sonderabfall "ölkontaminierter Boden" bis ins Detail regeln.

Dabei rückt heute ein Verfahren immer mehr in den Vordergrund: die biologische Behandlung. Da das Prinzip dieser Reinigungsmethode in der natürlichen Umwandlung der Schadstoffe zu ungefährlichen Produkten besteht, liegen die Vorteile auf der Hand: Die Mikroorganismen (Bild 1) bauen genau das ab, was bioverfügbar und damit potentiell besonders umweltgefährdend ist;der Bo-den kann nach der Reinigung wieder verwendet werden, ohne daß anderweitig zu entsorgende Reststoffe übrigbleiben, und der Einsatz von Fremdenergie ist vergleichsweise gering.

Ich möchte anhand der etwa zehnjährigen Entwicklungsarbeiten in unserem Unternehmen – der heutigen Umweltschutz Nord GmbH – aufzeigen, wie sich in unablässigem Wechselspiel zwischen Forschung und Anwendung diese neue Technologie bis zu ihrem heutigen hohen Standard entwickelt hat und welche Perspektiven sich für die Zukunft ableiten lassen. Dabei beschränke ich mich auf Verfahren, bei denen der Boden ausgehoben werden muß. Dieser Nachteil wird aber durch die weit bessere Kontrollierbarkeit der Prozesse wettgemacht.

Vorbild Pflanzenkläranlage

Bereits im "Handbuch für die praktische Naturwissenschaftliche Arbeit" aus dem Jahre 1924 von G. Korta heißt es über die sogenannten Kohlenwasserstoffbakterien: "Die Vertreter dieser merkwürdigen Gruppe von Mikroorganismen vermögen teils Kohlenwasserstoffe der aliphatischen Reihe (Methan, Hexan, Benzin, Paraffin, Petroleum), teils zyklischeKohlenwasserstoffe (Benzol, Toluol, Xylol) als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle zu verwerten." Es waren also schon seit Anfang dieses Jahrhunderts die grundlegenden Möglichkeiten des biologischen Ölabbaus bekannt, und auch der Umgang mit Erdöl und dessen Produkten gehört durch Automobil und chemische Industrie genauso lange zum industriellen Alltag.

Warum hat man dann erst in den achtziger Jahren das schadstoffvernichtende Potential von Bakterien als eleganten Ansatz zur Behebung von Umweltproblemen erkannt? Zweierlei war dafür ausschlaggebend: Zum einen wurden und werden vielfach bis heute Schadstoffe im Boden gar nicht als Umweltproblem angesehen, solange nicht über Grundwasser, Luft oder direkten Kontakt eine Gefährdung des Menschen besteht; und zum anderen konnte belasteter Boden für wenig Geld auf Deponien abgelagert werden. Diese Möglichkeit existiert an einigen Stellen Deutschlands nach wie vor.

Auch unsere Forschungen setzten nicht beim Boden, sondern beim Wasser an: Die kleine chemische Fabrik Kurt Lissner belieferte die Klöckner-Hütte in Bremen mit Industriereinigern, mit denen man die hergestellten Bleche von Ölen und Fetten säuberte. Dieses Gemisch gelangte nun ins Abwasser und damit in die Weser. Aufkommendes Umweltbewußtsein und die zunehmende Kenntnis der Folgen von Öl in Gewässern veranlaßten Mitte der siebziger Jahre, über andere Möglichkeiten nachzudenken.

Als Alternative zu den herkömmlichen Verfahren wurde eine Pflanzenkläranlage vorgeschlagen und schließlich nach erfolgreichen Labor- und Voruntersuchungen die Pilotanlage installiert. Sie war dann Gegenstand ausführlicher Untersuchungen innerhalb eines von Klöckner durchgeführten Forschungsvorhabens; daran beteiligten sich die Arbeitsgruppe von Thomas Höpner am Institut für Chemie und Biologie des Meeres der Universität Oldenburg sowie die inzwischen aus der chemischen Fabrik Kurt Lissner hervorgegangene Firma Industrie-Abwasser Technik (IAT).

Wie sich zeigte, leben im Wurzelraum spezieller Sumpfpflanzen Bakterien, die Kohlenwasserstoffe des Öls in Kohlendioxid und Wasser zerlegen und so das durchfließende Wasser reinigen können. Damit war der Weg zur Entwicklung einer Technologie bereitet, die heute im Mittelpunkt der Diskussion um die Beseitigung von Altlasten in den industrialisierten Ländern steht. Denn wenn Bakterien imstande sind, im Sediment einer Pflanzenkläranlage die Schadstoffe aus dem Wasser zu eliminieren, dann muß es auch möglich sein, im Boden vorhan-dene Schadstoffe abzubauen – sofern es gelingt, Umgebungsbedingungen zu schaffen, die denen im Wurzelraum einer Pflanzenkläranlage entsprechen.

Es folgte eine lange Phase des Probierens und Experimentierens. Zunächst mußten wir bei IAT die Bedingungen ermitteln, unter denen die Mikroorganismen möglichst effektiv die Schadstoffe abbauen. Dann waren die technischen Voraussetzungen für derartige Bedingungen im großen Maßstab zu schaffen, und zwar so, daß die unerwünschten Stoffe innerhalb überschaubarer Zeiträume bis auf tolerierbare Werte abgebaut wurden und der Aufwand ökonomisch akzeptabel blieb.

Eine Fülle von Problemen war dabei zu klären: Wieviel Öl wird in welchem Zeitraum abgebaut? Welche Restkonzentrationen können erreicht werden? Wie wirken sich unterschiedliche Witterungsbedingungen auf den Abbau aus? Welche Nährstoffverhältnisse sind optimal? Wie kann eine ausreichende Versorgung mit Sauerstoff aufrechterhalten werden? Welche Sicherheitsmaßnahmen müssen ergriffen werden, um eine Ausbreitung der Schadstoffe zu verhindern?

Langwierige Versuchsserien waren nötig, bis konkrete Vorgaben an die technischen Abteilungen weitergegeben werden konnten; denn die mußten nun ihren Teil zum Verfahren beitragen, um die Forderungen der Biologen und Chemiker zu erfüllen. Da wir auf keinerlei Erfahrung zurückgreifen konnten, geschweige denn entsprechende maschinentechnische Ausrüstungen auf dem Markt waren, wurde im eigenen Konstruktionsbüro und in eigener Werkstatt entwickelt und gebaut, bis sich die ersten Bodenmengen probeweise bearbeiten ließen.

Die Bewährungsprobe

Im Jahre 1985 endlich wurden die ersten Großprojekte in Angriff genommen: rund 2300 Tonnen ölkontaminierter Boden auf dem Grundstück einer ehemaligen Umschlagstation der Esso AG in Frankfurt sowie 3400 Tonnen nach einer Leckage auf dem Betriebsgelände der Mobil Oil AG in Wedel. Man kann sich heute kaum noch vorstellen, mit welcher Skepsis Auftraggeber und Behörden diesem ersten Einsatz eines neuen Verfahrens gegenüberstanden. Es hatte die Bezeichnung "Öko-plus Biosystem Erde" von der Firma Umweltschutz Nord erhalten, die inzwischen aus der IAT hervorgegangen war. Um so mehr ist der Mut der Betroffenen anzuerkennen, sich auf Unkonventionelles und bisher nicht in diesem Maßstab Erprobtes einzulassen.

Als erstes wurde der Boden ausge-hoben, intensiv homogenisiert und mit einer entsprechend den Laborvoruntersuchungen zusammengestellten Mischung versetzt: aus organischen Bestandteilen (beispielsweise Baumrinde, Kompost oder Stroh), mineralischen Nährstoffen (Stickstoff, Phosphor, Kalium und Spurenelementen) sowie an die Schadstof- fe bereits angepaßten Mikroorganismen (Bild 2 links). Diese kann man entweder aus Proben des belasteten Bodens isolieren und vermehren oder Kulturen nehmen, die aus anderen Schadensfällen zur Verfügung stehen.

Anschließend wurde der Boden in Mieten von etwa 80 Zentimetern Höhe, drei Metern Breite und etwa 50 Metern Länge über eine Folienabdichtung und Drainage aufgeschüttet. Das daraus in ein Auffangbecken abfließende Wasser verteilte ein Verrieselungssystem wieder auf der Oberfläche der Miete, auf die noch möglichst schnell wachsende und tiefwurzelnde Pflanzen ausgesät wurden. In regelmäßigen Abständen wurden schließlich Boden- und Wasserproben entnommen, um den Schadstoffabbau zu dokumentieren, die Nährstoffbedingungen zu kontrollieren und den Zustand der Mikroorganismen zu überprüfen.

Sowohl bei diesen ersten Fällen wie auch bei nachfolgenden Projekten zeigte sich, daß die Schadstoffe anfangs schnell, dann immer langsamer und schließlich fast gar nicht mehr abgebaut werden – in erster Linie deshalb, weil sich der Boden in den unteren Bereichen der Miete verdichtet und sehr naß wird. Die dadurch mangelhafte Sauerstoffversorgung verlangsamt den Abbau derart, daß oft erst nach zwei bis drei Jahren die Schadstoffkonzentrationen auf die geforderten Werte gesunken sind. Entsprechend negativ wirkten sich bei die- sen offenen, der Witterung ausgesetzten Mieten größere Niederschlagsmengen sowie winterliche Temperaturen aus.

Inzwischen haben wir das Verfahren in einigen Teilen entscheidend umgestellt und wenden es heute fast nur noch als geschlossenes System mit Einhausung in Hallen oder Zeltbauten an – mit dem zusätzlichen Vorteil, daß sich die Abluft gezielt erfassen und reinigen läßt. Ferner bevorzugen wir dynamische Prozeduren, bei denen der Boden in regelmäßigen Abständen erneut aufgenommen, homogenisiert, belüftet und mit Nährlösung befeuchtet wird (Bild 2 rechts). Auf diese Weise sind nun großtechnische Sanierungen in Zeiträumen von sechs bis zwölf Monaten und zu Kosten machbar, die mit etwa 200 DM pro Tonne Boden günstiger ausfallen als weltweit bei den meisten anderen entsprechenden Entsorgungsanlagen (das gilt wiederum nur für Verfahren, bei denen ein Aushub erforderlich ist).

Kriegsfolgen

Nach diesem Verfahren haben wir mittlerweile bei etwa 300 Projekten mineralölkontaminierte Böden behandelt, wobei unterschiedliche Randbedingungen in jedem Falle ein angepaßtes Konzept und Vorgehen erfordern. Häufig etwa muß das Grundwasser abgesenkt und eventuell gereinigt werden, damit man an den Schadensherd herankommt oder eine weitere Ausbreitung verhindern kann.

Unangenehm sind mitunter begleitende Störstoffe anderer Art, wie sie beispielsweise bei der Sanierung eines ehemaligen Raffineriegeländes im Hafen von Bremen auftraten. Die Raffinerie war im Zweiten Weltkrieg heftig bombardiert worden, und so mußte auf einer Fläche von 20000 Quadratmetern die biologische Bodensanierung mit einer Räumung von Kampfmitteln kombiniert werden.

Gänzlich anders ist auch eine Sanierung unter besonderen klimatischen Verhältnissen anzugehen. Als Folge des Golfkrieges sind etwa 4500000 Kubikmeter Wüstenboden mit Rohöl aus den zerstörten Förderanlagen verunreinigt. Gemeinsam mit dem Kuwaiter Institut für Naturwissenschaftliche Forschung erproben wir den Einsatz biologischer Sanierungsverfahren unter Wüstenbedingungen mit Temperaturen über 50 Grad Celsius im Schatten und einem stetig wehenden Wind (Bild 3). Seit Herbst 1992 läuft ein Pilotprojekt mit den ersten tausend Tonnen. Das besondere Problem besteht darin, die starke Verdunstung des Wassers und das damit einhergehende Versalzen des aufgeschütteten Bodens zu verhindern. Poröse Trägermaterialien mit hoher Wasserspeicherkapazität, auf denen Mikroorganismen quasi verankert sind, brachten deutliche Abhilfe.

Ein besonderer Vorteil des biologischen Verfahrens in diesem Fall ist, daß schließlich ein organisch angereicherter Boden zurückbleibt, der in Kuwait und anderen Golfstaaten ein wertvolles Wirtschaftsgut ist. Somit kann die Reinigung des verölten Sandes zur Wiederbegrü-nung des zerstörten Landes beitragen.

Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe

Während die biologische Sanierung mineralölkontaminierter Böden heute bereits anerkannter Standard ist, bleibt sie bei der Verunreinigung mit anderen Stoffgruppen teils noch heftig umstritten. Zwar vermögen Mikroben eine große Zahl von Substanzen nachweislich abzubauen, doch stößt die technische Umsetzung häufig auf Probleme.

Eine oft in Altlasten vorkommende Stoffgruppe sind die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK); vor allem an ehemaligen Standorten von Gaswerken und Kokereien kommen sie regelmäßig als Bestandteile der dort angefallenen Teeröle vor. Aufgrund ihrer hohen Affinität zur organischen Bodenmatrix werden sie so fest daran gebunden, daß sie für Mikroorganismen nicht verfügbar sind; und selbst nachweislich gut abbaubare Stoffe wie Naphthalin werden dann nicht mehr angegriffen. Entscheidend für Erfolg oder Mißerfolg einer biologischen Sanierung ist deshalb nicht die Art der Schadstoffe, sondern die Zusammensetzung des Bodens.

Daß eine erfolgreiche Behandlung möglich ist, zeigt das Beispiel einer Großsanierung in Frankfurt am Main, wo beim Neubau der Bundesbahnzentrale auf dem Gelände eines ehemaligen Ausbesserungswerkes etwa 40000 Tonnen Boden mit PAK-Konzentrationen bis zu 800 Milligramm je Kilogramm entdeckt worden waren. Das sandig-kiesige Material, praktisch ohne sonstige organische Stoffe, ließ sich nach dem Terraferm-Verfahren innerhalb eines Jahres so weit reinigen, daß der Gehalt bei nur noch weniger als 5 Milligramm pro Kilogramm lag.

Bei solchen Schäden ist deshalb unbedingt durch eine gründliche Voruntersuchung die biologische Abbaubarkeit im Labor- und Pilotmaßstab zu klären. Die mittlerweile gesammelten Erfahrungen sowie Methoden zur Prüfung der Bioverfügbarkeit gestatten heute recht zuverlässige Prognosen im Vorfeld einer biologischen Sanierungsmaßnahme.

Chlorkohlenwasserstoffe

Schwierigkeiten anderer Art gibt es bei Schäden mit chlorierten Kohlenwasserstoffen (CKW), die wegen ihrer hohen Flüchtigkeit besondere Maßnahmen des Arbeits- und Emissionsschutzes verlangen. Im Rahmen eines Modellvorhabens des Landes Baden-Württemberg entwickeln wir seit etwa zwei Jahren Verfahren zur integrierten Behandlung von CKW-kontaminiertem Boden und Grundwasser sowie belasteter Luft mit ausschließlich biologischen Methoden (Bild 4). Die Schadstoffe stammen aus einer mit Industriemüll verfüllten ehemaligen Kiesgrube in Eppelheim bei Heidelberg.

Bereits der Aushub des kontaminierten Materials geschieht unter einem geschlossenen Zelt, wobei man die Abluft absaugt und über biologische Filteranlagen reinigt. Nach Klassifizierung und Homogenisierung des Bodens geht dieser in eine geschlossene Fermentationsanlage, in der die Schadstoffe dann unter vollständig kontrollierbaren Bedingungen abgebaut werden.

Umfangreiche Laboruntersuchungen im Vorfeld der großtechnischen Sanierung haben diese Strategie bestimmt: Einige Chlorkohlenwasserstoffe, zum Beispiel Perchlorethylen, werden nur unter Ausschluß von Sauerstoff (anaerob) mikrobiell gespalten, andere hingegen nur in Gegenwart desselben. Außerdem müssen zusätzliche Kohlenstoff- und Energiequellen, sogenannte Co-Substrate, vorhanden sein, die das Wachstum der Bakterien ermöglichen. Daraus ergibt sich eine mehrstufige Prozeßführung mit einer Kombination von anaeroben und aeroben Verfahrensschritten.

Das gleiche Prinzip gilt selbstverständlich auch für die Schadstoffe, die in die Luft abgegeben werden. Doch wie kann man diese unter anaeroben Bedingungen behandeln, wo doch Sauerstoff gerade ein Bestandteil der Luft ist? Die Lösung: Die nur anaerob abbaubaren Stoffe werden in einem Biowäscher ausgewaschen, der Wasserreinigungsanlage zugeführt und dort in nacheinander durchflossenen anaeroben und aeroben Fermentern vollständig vernichtet.

Die bisherigen Ergebnisse haben uns ermutigt, die biologische Reinigung von leichtflüchtigen chlorierten Kohlenwasserstoffen in geschlossenen Reaktionsräumen als Bestandteil unserer Anlagen zur Bodensanierung zu etablieren. Allerdings ist der technische Aufwand, bedingt durch die hohen Sicherheitsanforderungen und die komplexe Prozeßführung, wesentlich höher als bei Mineralölschäden.

Die mikrobielle Bodenreinigung ist bereits zur Biotechnologie mit hohem Standard geworden. Durch weitere Entwicklungen, insbesondere auf dem Gebiet der Feststoff-Fermenter, lassen sich in naher Zukunft Schadstoffgruppen bearbeiten, die man bisher wegen ihrer Giftigkeit oder sonstigen Gefährlichkeit in keinem gewöhnlichen Labor untersuchen konnte. Durch Einrichtung eines Sicherheitslabors für biologische Abbaustudien sind wir inzwischen bei unserer Firma imstande, Verfahren zur Beseitigung von Bodenverunreinigungen mit Dioxinen oder Explosivstoffen wie Trinitrotoluol (TNT) zu entwickeln und technisch zu erproben. Durch enge Verknüpfung biologischer Grundlagenforschung und technischer Entwicklungen wird man künftig das riesige Potential der biologischen Stoffumsätze vermehrt nutzen und immer mehr Substanzgruppen in kontaminiertem Boden mikrobiell unschädlich machen können.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1993, Seite 93
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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