Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Gew\u00e4ssersedimente sind ein bisher ungel\u00f6stes Umwelt- und Kostenproblem. Allein aus den Gew\u00e4ssern Sachsens m\u00fcssen ca. 3,7 Mio. m3 Sedimente ber\u00e4umt werden, diese sind zum gro\u00dfen Teil mit Schwermetallen aus bergbaulichen und industriellen Aktivit\u00e4ten belastet. Gegenw\u00e4rtig werden die ausgebaggerten Sedimente deponiert, da praktikable Sanierungsverfahren fehlen. Die Deponierung ist wegen des weiter bestehenden Gef\u00e4hrdungspotentials keine \u00f6kologisch befriedigende L\u00f6sung.
\nKommen die Sedimente mit Sauerstoff in Kontakt, so gehen die Schwermetalle durch mikrobielle Oxidations- und Versauerungsprozesse in L\u00f6sung. Dieses nat\u00fcrliche Bioleaching, welches unkontrolliert ein Gefahrenpotential f\u00fcr die Umwelt darstellt, soll durch Aktivierung der autochthonen schwefeloxidierenden Bakterien (Thiobacilli) beschleunigt und zur Reinigung der Sedimente genutzt werden. Ziel ist es, ein naturnahes Verfahren zur Sedimentdekontamination unter Nutzung des nat\u00fcrlichen biologischen Solubilisierungspotentials bereitzustellen. Die gereinigten Sedimente sollen in den Stoffkreislauf als Bodensubstrat zur\u00fcckgef\u00fchrt werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Verfahrensentwicklung erfolgte am Beispiel von hochbelasteten Sedimenten der Wei\u00dfen Elster aus dem S\u00fcdraum Leipzig. Aus \u00f6konomischen Gr\u00fcnden soll das Bioleaching der Schwermetalle durch Festbettlaugung nach dem Perkolationsprinzip erfolgen. Das Verfahren erfordert mehrere Proze\u00dfstufen.
\nAls wesentliche Teilaufgaben leiteten sich ab:
\n\u00b7\tKonditionierung der stoffundurchl\u00e4ssigen Baggerschl\u00e4mme, um sie der Festbettlaugung zug\u00e4nglich zu machen.
\n\u00b7\tKontrollierte Stimulierung der mikrobielle Aktivit\u00e4t der laugungsaktiven autochthonen Bakterien w\u00e4hrend des Bioleaching im Festbett.
\n\u00b7\tRevitalisierung der gelaugten Sedimente vor dem Einsatz als Bodensubstrat.
\n\u00b7\tAbtrennung der im Leachat gel\u00f6sten Schwermetalle.
\nDer Schwerpunkt der Untersuchungen im Labor- und Technikumma\u00dfstab lag auf der Erarbeitung und technischen Umsetzung von Ma\u00dfnahmen zur Beschleunigung der Metallsolubilisierung.
\nDas scale-up erfolgte in zwei Pilotanlagen: Die Konditionierung der Schl\u00e4mme wurde in der SECON-Anlage an der Wei\u00dfen Elster bei Leipzig getestet (6 Versuchsbecken je 50 m3 und 2 m H\u00f6he). Die Versuche zur Optimierung der Prozessf\u00fchrung des Bioleaching erfolgten in der BIOLEA-Pilotanlage im Bodenreinigungszentrum Hirschfeld der BMU. Die BIOLEA-Pilotanlage umfasste Perkolatoren (3 Festbettreaktoren mit je 3 m3 und 2 m H\u00f6he) und Technik zur Prozesswasseraufbereitung.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Konditionierung der Sedimente
\nDie Konditionierung anoxischer stoffundurchl\u00e4ssiger Schl\u00e4mme erfolgt durch Vererdung mit Hilfe von Pflanzen. Die Pflanzen ver\u00e4ndern die Eigenschaften der Sedimente in g\u00fcnstiger Weise. Sie entziehen dem Sediment Wasser und transportieren durch ihr Luftleitsystem Sauerstoff in das anoxische Material. Der eingetragene Sauerstoff wirkt als Oxidationsmittel und f\u00f6rdert die Entwicklung der Mikroorganismen. Aus dem anoxischen Schlamm entsteht innerhalb einer Vegetationsperiode ein kr\u00fcmeligerdiges Material, welches gut wasser- und luftdurchl\u00e4ssig ist. Von den getesteten Pflanzen erwies sich Rohrglanzgras (Phalaris arundinacea) als am besten f\u00fcr die Konditionierung geeignet.
\nIn der SECON-Pilotanlage wurde der Einfluss verschiedener Pflanzenarten auf den Vererdungsprozess von ca. 260 m3 Wei\u00dfe-Elster-Schlamm getestet. Die physikalisch-chemischen und strukturellen Ver\u00e4nderungen erfolgten in den bepflanzten Becken schneller und erreichten eine gr\u00f6\u00dfere Tiefe. Der Anteil gr\u00f6\u00dferer Partikel und die Wasserdurchl\u00e4ssigkeit war deutlich erh\u00f6ht. Der Schwermetallentzug durch die Pflanzen war praktisch bedeutungslos.<\/p>\n
Bioleaching
\nDer Bioleachingprozess unterteilt sich in die Solubilisierungsphase und die Waschphase. W\u00e4hrend der Solubilisierung wird dem Sediment zugemischter Schwefel (S\u00b0) mikrobiell zu Schwefels\u00e4ure oxidiert, die die Schwermetalle in L\u00f6sung bringt. Der Grad und die Selektivit\u00e4t der Schwermetallsolubilisierung lassen sich \u00fcber die S\u00b0-Dosis steuern. Die Aktivit\u00e4t der autochthonen schwefeloxidierenden Bakterien (Thiobacilli) wird \u00fcber das Bel\u00fcftungs- und Befeuchtungsregime kontrolliert stimuliert. In der Waschphase werden die solubilisierten Schwermetalle aus dem Sediment gewaschen. Die Schwermetalle gehen je nach Bin-dungszustand und den Laugungsbedingungen unterschiedlich gut in L\u00f6sung. Aus den Wei\u00dfe-Elster-Sedimenten konnten bis zu 80 % des enthaltenen Zn, Cd, Ni, Mn und Co entfernt werden, Cu nimmt eine Mittelstellung ein, wenig l\u00f6slich bis nahezu unl\u00f6slich waren Cr, Pb und As. Das Bioleaching hat gegen\u00fcber einer abiotischen Schwefels\u00e4urelaugung den Vorteil, dass die Versauerung im Festbett schneller und ohne r\u00e4umliche Gradienten verl\u00e4uft.
\nIn der BIOLEA-Pilotanlage war der Laugungsprozess ebenso effektiv wie im Laborma\u00dfstab, und die Ver-sauerung war bereits nach 21 Tagen beendet. Die mikrobiellen Oxidationsprozesse f\u00fchren zu einer starken W\u00e4rmeentwicklung, wodurch die Temperatur im Festbett auf \u00fcber 50 \u00b0C ansteigen kann. Mittels der Prozesswasserzirkulation l\u00e4sst sich die Temperatur auf einen f\u00fcr die laugungsaktiven Bakterien optimalen Wert regeln.<\/p>\n
Prozesswasseraufbereitung
\nDie schwermetallhaltigen schwefelsauren Waschw\u00e4sser k\u00f6nnen durch Alkalisierung mit Ca(OH)2 problemlos gereinigt werden. Die Grenzwerte f\u00fcr Schwermetalle in Abw\u00e4ssern wurden auch im Pilotma\u00dfstab erreicht. Der Anfall an schwermetallhaltigem Abfallschlamm betrug ca. 6 % der Sedimentmasse. In Zusammenarbeit mit der TU Dresden wurden Grundlagen f\u00fcr ein elektrochemisches Verfahren der Pro-zesswasseraufbereitung entwickelt.<\/p>\n
Revitalisierung
\nDie gelaugten Sedimente werden durch Zumischung von Kalk und Kompost revitalisiert. Langzeitversuche zeigten, dass die Eluatkennwerte des revitalisierten Materials unbedenklich sind und keine Hemmung des Pflanzenwachstums erfolgt.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Fischer, R., H. Seidel, D. Rahner, P. Morgenstern, C. L\u00f6ser (2002) Elimination of heavy metals from process waters of the bioleaching process by electrolysis. J. Soils Sediments (eingereicht)
\nL\u00f6ser, C., A. Zehnsdorf, P. Hoffmann, H. Seidel (1999) Conditioning of heavy-metal-polluted river sediments by helophytes. Int. J. Phytoremediation 1, 339-359
\nL\u00f6ser, C., M. Fussy, A. Zehnsdorf, H. Seidel (2000) Revitalisierung mikrobiell gelaugter Sedimente als Teil eines Sanierungsverfahrens zur Behandlung schwermetallbelasteter Gew\u00e4ssersedimente. Freiberger Forschungshefte A 859, 129-146
\nL\u00f6ser, C., H.Seidel, P. Hoffmann, A. Zehnsdorf (2001) Remediation of heavy-metal-contaminated sediments by solid-bed bioleaching. Environ. Geol. 40, 643-650
\nL\u00f6ser, C., A. Zehnsdorf, M. Fussy, P. Morgenstern (2001) M\u00f6glichkeiten zur Kostenreduzierung bei der Entsorgung schwermetallkontaminierter Flusssedimente – ein Fallbeispiel. Altlasten Spektrum 10, 18-27
\nL\u00f6ser, C., A. Zehnsdorf, M. Fussy, H.-J. St\u00e4rk (2002) Conditioning of heavy metal-polluted river sediment by Cannabis sativa L. Int. J. Phytoremediation 4, 27-45
\nL\u00f6ser, C., A. Zehnsdorf, P. Hoffmann, H. Seidel (2002) Ein Verfahren zur Reinigung schwermetallbelasteter Gew\u00e4ssersedimente durch Bioleaching im Festbett. Umweltmagazin 3, 52-53
\nL\u00f6ser, C., A. Zehnsdorf (2002) Conditioning of freshly dredged heavy metal-polluted aquatic sediment with reed canary grass (Phalaris arundinacea L.). Acta Biotechnol. 22, 81-89
\nSeidel, H., R. Wennrich, P. Morgenstern, C. L\u00f6ser (2002) Effektivit\u00e4t der Abtrennung der Schwermetalle und von Sulfat aus Prozessw\u00e4ssern des Bioleaching-Vefahrens durch Alkalisierung. Vom Wasser 99 (im Druck)
\nZehnsdorf, A., C. L\u00f6ser, P. Hoffmann, H. Seidel (2001) Konditionierung schwermetallbelasteter Gew\u00e4ssersedimente mit Pflanzen. Wasser Boden 53, 33-41<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Mit dem Bioleaching-Verfahren wird ein naturnahes umweltschonendes Verfahren bereitgestellt, das schwermetallbelastete Sedimente zu einem verwertbaren Bodensubstrat aufbereitet. Das Verfahren zeichnet sich durch niedrigen Energieeinsatz, die Verwendung umweltvertr\u00e4glicher Zusatzstoffe und den Anfall geringer Mengen an zu deponierenden Reststoffen aus. Andererseits sind nicht alle Sedimente mit dem Verfahren behandelbar. \u00dcber die Anwendbarkeit entscheidet in erster Linie das Spektrum und die Bindungsform der Schwermetalle im Sediment, seine Durchl\u00e4ssigkeit und Pufferkapazit\u00e4t.
\nDie erzielten Ergebnisse zeigen, dass das Verfahrenskonzept auch unter praxisnahen Bedingungen tragf\u00e4hig ist. Studien zur gro\u00dftechnischen Anwendbarkeit und zur Wirtschaftlichkeit des Bioleaching-Verfahrens weisen einen fortgeschrittenen Stand auf dem Weg zur Marktreife aus. Mit der zu erwartenden Ver\u00e4nderung in der Deponierungspraxis r\u00fcckt das Verfahren auch wirtschaftlich in den Bereich einer attraktiven L\u00f6sung. Mit dem Ziel der Umsetzung des Bioleaching-Verfahrens in die Praxis ist im Boden-Reinigungszentrum Hirschfeld ein Gro\u00dfversuch geplant.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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