Praxis der mikrobiologischen Bodensanierung

Die derzeit praktizierte Bodenwirtschaft baut in ihrem Basisverständnis auf der scheinbar unbegrenzten Verfügbarkeit fossiler Rohstoff- und Primärenergieträger auf.

Die Bewahrung der Boden und die Förderung der natürlichen “Bodenfruchtbarkeit” ist daher in den Hintergrund getreten. Die Spielregeln der Bodenwirtschaft werden nicht mehr aus dem Gesichtspunkt der generellen Knappheit an ökologisch intakten Böden, sondern eher aus dem Blickwinkel des Grundwasserschutzes definiert.

In einer aufrechterhaltbaren Wirtschaft hingegen sind die Böden ein knappes Gut, da die energie- und materialsparende Wahrnehmung aller sich bietenden natiirlichen Synergismen im Zentrum der Bedarfsdeckungsstrategien des Menschen stehen muß.

Was die Wahl der Methode der Bodensanierung betrifft, so wird im Rahmen eines aufrechterhaltbaren Zivilisationsstiles den energie- und materialsparendsten Techniken der Vorzug zukommen miissen. Dies bedeutet Vorrang fUr die biotechnologische Bodensanierung.

Bodensanierung zur Wiederherstellung intakter Böden ist daher eine zentrale Aufgabe der Zukunftssicherung.

Erhebliche Bemühungen zur Definierung von “Grenzwerten” um praktikable und juristisch gesicherte Werte sind für den Bereich Altlasten bundesweit zu verzeichnen. Gerade die Erfahrungen mit der sogenannten Hollandliste (Angabe von Prüfwerten für die verschiedenen Elemente ohne Bezug zu Nutzung, Bodenstruktur, chemischer Bindung und Löslichkeit der Stoffe) sind sehr unbefriedigend.

Eine Definition der Begriffe mit entsprechender rechtlicher Verbindlichkeit und der unterschiedlichen toxikologischen Bewertung ist bisher erst in Ansätzen gelungen.

Erst die Bewertung über die stoffspezifischen Wirkungspfade erlaubt eine bessere Erfassung der Gefährdung eines anzunehmenden Schutzgutes.

Fur die im Labor gemessenen Werte in Verbindung mit der unbefriedigenden repäsentativen Probenahme brauchen wir dringend einheitliche Maßstäbe. Eine Vielzahl von Vorschlagen zur Vorgehensweise bei der Festsetzung von Werten wird vorgestellt.

Schließlich erfolgt ein Ausblick auf die weitere Entwicklung. Ein Konsens auf fachlicher Ebene scheint zwischen den verschiedenen Fachdisziplinen möglich, wenn es gelingt, “eine Sprache” zu sprechen.

Neben den thermischen Dekontaminationsverfahren stellen die biologischen Sanierungstechniken die einzigen Technologien dar, bei denen es zu einer tatsächlichen Eliminierung der Schadstoffe und nicht zu einer Umlagerung kommt. Die Kenntnis der grundsätzlichen Abbaubarkeit vieler mineralölstämmiger Kohlenwasserstoffe durch Mikroorganismen ist bereits 80 Jahre alt (Söhngen 1913). Die ersten Untersuchungen zur Migration von Mineralölen in Bodensystemen wurden bereits vor über 20 Jahren durchgeführt (Schwüle 1971a,b,c). Die erste biologische in-situ Sanierung wurde Mitte der 70er Jahre beschrieben (Raymond 1974), aber trotzdem muß angesichts der bestehenden Diskrepanzen zwischen durchgeführten Sanierungen und der Veröffentlichung ihrer Resultate konstatiert werden, daß speziell die biologischen in-situ Sanierungstechnologien prinzipiell noch in den Anfängen stecken. Eine wesentliche Voraussetzung zur zukünftigen Nutzung dieser Verfahren ist eine seriöse und interdisziplinäre Herangehensweise an dieses Problem. In letzter Zeit sind die biologischen Verfahren sowohl in der breiten Öffentlichkeit als auch in der Fachwelt aufgrund von negativen Fallbeispielen erheblich in Mißkredit geraten. Im folgenden soll nun versucht werden, einige Gründe für diesen Umstand zu erörtern. Dazu wird kurz auf Vor- und Nachteile von in-situ und ex-situ Sanierungen eingegangen. Auch werden die Voraussetzungen und die notwendigen Voruntersuchungen für biotechnologische Sanierungen erläutert. Anhand eines Fallbeispieles werden schließlich die Schwierigkeiten der Bilanzierung des mikrobiologischen Abbaus speziell bei in-situ Sanierungen und der Versuch einer realistischeren Gefährdungsabschätzung, die von einer Altlast ausgeht, besprochen.

Verunreinigungen von Böden durch organische und anorganische Verbindungen haben sich großteils bereits in den vergangenen Jahrzehnten akkumuliert, erfolgen aber auch heute noch laufend durch unsachgemäße Ablagerung, Ausbringung von Schlämmen, insbesonders auf landwirtschaftlich genutzte Flächen, gasförmige Immissionen, sowie durch Unfälle. Allein in Österreich wurden von den Bundesländern gemäß Altlastensanierungsgesetz 1989 bisher etwa 18.000 Verdachtsflächen gemeldet, wovon etwa 1000 vom Umweltbundesamt bereits in den Verdachtsflächenkataster aufgenommen und 87 bereits zu Altlasten erklärt wurden. Europaweit schätzt man etwa 0,4% der Landfläche als kontaminiert ein (Thome-Kozmienski 1988).

Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) werden dann gebildet, wenn organisches Material, welches Kohlenstoff und Wasserstoff enthält, pyrolytischen Prozessen und unvollständigen Verbrennungen ausgesetzt wird. Wenn das Startmaterial auch Heteroaromate wie Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel enthält, werden zusätzlich Heteroaromate gebildet. Die Vielzahl der bei pyrolytischen Prozessen gebildeten Verbindungen wird am Bei-Produkt der Verkokung, dem Teeröl, deutlich. Neben einer Vielzahl von verschiedenen polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und Heteroaromaten kommt es zur Bildung von phenolischen Verbindungen. Den Anteil der Verbindungen an bei der Vergasung von Steinkohle entstandenem Teeröl zeigt beispielsweise die Tabelle 6.1.

In diesem Beitrag werden Möglichkeiten zur biologischen Sanierung von PAH-belasteten Böden dargestellt und gleichzeitig auch die Grenzen der Ersetzbarkeit standortfremder Organismen aufgezeigt: Das ligninolytische Enzymsystem holzzerstörender Weiß- und Braunfäulepilze weist eine geringe Substratspezifität auf. Es ist bekannt, daß durch diese Enzyme auch PAH’s und andere zyklische Verbindungen angegriffen werden. In vorliegender Arbeit wurden durch ein umfangreiches Screening-Programm Pilze selektioniert, die in der Lage sind, die organische Schadstoffkomponente zu eliminieren. In einem 8 Wochen dauernden Versuch wurde festgestellt, daß der Schadstoffumsatz in einem stark metallhaltigen Boden weniger durch das zugesetzte Pilzmaterial, sondern vielmehr unter optimierten Bedingungen, durch die autochtone Mikroflora erfolgt.

Nicht nur organische Xenobiotika, sondern auch Schwermetalle spielen eine wichtige Rolle bei der Verschmutzung von Wasser und Boden. Die wichtigsten Xenobiotika-Gruppen, geordnet nach ihrer Abbaubarkeit, sind Mineralöl, chlorierte Kohlenwasserstoffe, (chlorierte) Aromaten, polyaromatische Kohlenwasserstoffe, poly chlorierte Biphenyle, Dioxine und Dibenzofurane. Die meisten Xenobiotika sind je nach Konzentration toxisch. Viele Schwermetalle hingegen sind innerhalb eines spezifischen Konzentrationsbereiches lebensnotwendig. Zu geringe Konzentrationen führen zu einer Verminderung der metabolischen Aktivität, da Schwermetalle für die Funktion bestimmter Enzyme notwendig sind. In hohen Konzentrationen dagegen sind Schwermetalle giftig, und teilweise auch krebserregend.

Die mikrobiologische Sanierung kontaminierter Böden ist aus dem Experimentierstadium längst heraus. Als eine echte Alternative bzw. Ergänzung zu den herkömmlichen “harten” Reinigungsverfahren bietet diese “sanfte” Sanierungsmethode überzeugende ökonomische und ökologische Vorteile. Die Einsatzpalette überstreicht mittlerweile einen großen Bereich an Schadstoffen. So können neben den “üblichen” Schäden durch Mineralölkontaminationen auch komplexere Schadstoffe durch eine biologische Behandlung eliminiert werden.

Kontaminierte Böden können mit biologischen Sanierungstechniken kostengünstig gereinigt werden. Preussag Noell Wassertechnik GmbH hat biologische Verfahren zur Dekontamination mit aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen belasteten Böden entwickelt und großtechnisch umgesetzt.

Mit organischen Verbindungen kontaminierte Böden haben heutzutage keinen Seltenheitswert mehr. Nicht sondern auch die Bodenluft. In-situ-Techniken bieten interessante Möglichkeiten zur Sanierung kontaminierter Böden. Ein Großteil der Sanierungskosten erwächst allerdings aus der Behandlung von Grundwasser und Bodenluft. TAUW hat einen kostengünstigen Biofilmreaktor entwickelt, mit dem Bodenluft und Grundwasser simultan gereinigt werden können: BIOPUR®. Die Ergebnisse, die bei der Erprobung des Reaktors in Versuchsanlagen und in der Praxis erzielt wurden, sind vielversprechend: Bei einer hydraulischen Verweilzeit von weniger als 30 Minuten werden BTEX zu über 99% und Mineralöl zu über 95% beseitigt. Mit BIOPUR® ist ein kostengünstiges Festfilm-Verfahren auf dem Markt, das sich ausgezeichnet zum biologischen Abbau xenobiotischer Stoffe in Grundwasser und Bodenluft eignet. Dieser Beitrag gibt eine Übersicht der technischen Möglichkeiten des BIOPUR -Einsatzes und behandelt die in der Praxis gewonnenen Erfahrungen mit dem System sowie die Marktentwicklungen.

Die Anwendung biologischer Bodensanierungstechniken zur Reinigung kontaminierter Böden gilt heute als Stand der Technik. Allein auf dem deutschen Markt werden von über hundert Firmen Leistungen zur biologischen Sanierung angeboten. Die Erfahrung der einzelnen Anbieter ist dabei sehr unterschiedlich. Während einige Unternehmen bisher mehrere 10.000 Tonnen Boden saniert haben, verweisen andere Unternehmen lediglich auf Labor- bzw. Technikumserfahrungen.

Im folgenden Beitrag wird das Bodentechnologische Forschungszentrum Neusiedl (Niederösterreich) vorgestellt. Diese Anlage zur Behandlung von Kohlenwasserstoff (KW)-kontaminierten Materialien weist einen hohen Standard an Emissionsschutz auf und ist speziell auf die Milieusteuerung und die Prozeßdatenerfassung ausgerichtet. Daher ist sie eine wesentliche Grundlage für die Erforschung von Prozessen im Zusammenhang mit dem mikrobiologischen KW-Abbau im industriellen Maßstab.

Die Altec-Alpine Umwelttechnik GmbH in Arnoldstein (A) bringt das von der Firmengruppe “Umweltschutz Nord” entwickelte “Terraferm-Biosystem Erde” zur Anwendung.

Das Unternehmen Freudenthaler & Co. Umwelttechnik in Inzing (A) ist seit 8 Jahren erfolgreich als Sammler und Beseitiger von gefährlichen Abfällen tätig. Im Bereich Abfallbehandlung/Abfallbeseitigung werden unter anderen die Technologien Ultrafiltration, Zentrifugation, Oxidation (von Cyaniden, Nitriten), Reduktion (von Chromaten) und Schwermetallseparation angewendet. Unter dem besonderen Gesichtspunkt der Anwendung möglichst umweltschonender Methoden und der Wiederverwertbarkeit der aufgearbeiteten Stoffe stehen auch die im folgenden beschriebenen mikrobiologischen Verfahren zur Verfügung.

Die Firma ETB beschäftigt sich zusammen mit den Firmen Arjobas und Proterra mit der mikrobiologischen Behandlung von ölkontaminierten Böden. Das Behandlungszentrum in Edt bei Lambach verarbeitet jährlich ca. 10.000 Tonnen. Anhand eines konkreten Behandlungsbeispieles sollen der verfahrenstechnische Ablauf und die mikrobielle Behandlung vorgestellt werden.

Die Herstellung eines ausgeglichenen C-N-P-Verhältnisses ist neben hinreichender Belüftung und Bodenfeuchte eine essentielle Bedingung für das Gelingen einer biologischen Sanierungsmaßnahme. Ein Problemfeld stellt dabei häufig die ausgewogene und zugleich schadstoffnahe Verteilung des Nährstoffes dar. Die Verbreitung des Schadstoffs im Boden vollzieht sich oft nach “chaotischen” Prinzipien, die technisch nur schwer zu simulieren sind. Auch bei Mietenverfahren ist eine wirklich 100%ige Homogenisierung des kontaminierten Bodenmaterials technisch nicht immer zu gewährleisten oder schlicht unwirtschaftlich.

Biologische Sanierungsverfahren werden häufig in Kombination mit anderen Sanierungstechnologien eingesetzt, um den Sanierungsvorgang zu beschleunigen, angestrebte Sanierungsziele zu erreichen oder komplexe Schadensprobleme zu lösen.

Im Zuge der Vorarbeiten für die damals geplante EXPO 95 in Wien mußte 1991 eine Altlast zwischen der UNO-City und der A 22 entlang der neuen Donau abgetragen werden. Auf dem Gelände wurde vornehmlich zwischen 1945 und 1962 Bauschutt aber auch Hausmüll deponiert. 1964 wurde die Deponie für eine internationale Gartenausstellung abgedeckt und bepflanzt. Eine Reihe von Gebäuden wurde errichtet.

Scit 1987 werden von der Fa. INTERGEO (vormals SAKOSTA Austria) auch “insitu” Sanierungsverfahren — vor allem bei Verunreinigungen der ungesättigten Bodenzone oder des Grundwassers mit schwerflüchtigen Kohlenwasserstoff-Verbindungen eingesetzt. Die Sanierungsmaßnahmen konnten durch verfahrenstechnisch optimierte Infiltrationen von sauerstoffangereicherten Wässern in die Bodenzone in relativ kurzer Zeit (in der Regel unter 2 Jahren) abgeschlossen werden.

Aus der Sicht des Umweltbundesamtes stellen biotechnologische Verfahren zur Boden- und Altlastensanierung für bestimmte Anwendungsfälle eine vielversprechende und umweltverträgliche Sanierungstechnologie dar. Probleme existieren derzeit mit der Abschätzung der für Österreich notwendigen Anlagenkapazitäten. Weiterhin erschwert das Fehlen von spezifischen Grenz- und Zielwerten für kontaminierte Böden den Einsatz von Reinigungsverfahren, vor allem biologischer Verfahren, und die Bewertung des Reinigungserfolges der eingesetzten Verfahren. Mögliche negative ökologische Auswirkungen des Einsatzes von ortsfremden (ökosystemfremden) oder gentechnisch veränderten Mikroorganismen im Rahmen einer Sanierung (Bodenreinigung) müssen durch eine Vorabbewertung auf der Grundlage von fachlichen Beurteilungskriterien minimiert werden.