Biologische Bodensanierung Methodenbuch

Biologische Bodensanierung: Methodenbuch

Herausgegeben von K. Alef

WILEY-VCH

Biologische Bodensanierung Methodenbuch

Herausgegeben von K. Alef

4b

VCH

Weinheim New York Base1 Cambridge Tokyo

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Biologische Bodensanierung

)

VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69451 Weinheim (Bundesrepublik Deutschland). 1994 ~~

Vertrieb: VCH. Postfach 101161, D-69451 Weinheim, Bundesrepublik Deutschland Schweiz: VCH, Postfach, CH-4020 Basel, Schweiz GroBbritannien und Irland: VCH (UK) Ltd., 8 Wellington Court, Cambridge C B l IHZ. England USA und Canada: VCH, 220 East 23rd Street, New York, NY 10010-4606, USA Japan: VCH, Eikow Building, 10-9 Hongo 1-chome. Bunkyo-ku, Tokyo 113. Japan ISBN 3-527-30058-9

Biologische Bodensanierung Methodenbuch

Herausgegeben von K. Alef

4b

VCH

Weinheim New York Base1 Cambridge Tokyo

Dr. Kassem Alef Lehrstuhl fur Okologische Chemie und Geochemie Universitat Bayreuth D-95440 Bayreuth

~

Das vorliegende Werk wurde sorgfaltig erarbeitet. Dennoch iibernehmen Herausgeber und Verlag fur die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlagen sowie fur eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Lektorat: Dr. H . J. Kraus. Christa Schultz Herstellerische Betreuung: Dip].-Wirt.-Ing. (FH) Hans-Jochen Schmitt

Die Dcutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme: Biologische Bodensanierung - ein Methodenbuch I hrsg. von K . Alef - Weinheim ; New York ; Basel ; Cambridge ;Tokyo : VCH. 1994 ISBN 3-527-30058-9 NE: Alef, Kassem [Hrsg]

0 VCH Verlagsgesellschaft mbH. D-69451 Weinheim (Bundesrepublik Deutschland), 1994

Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Alle Rechte. insbesondere die der Ubersetzung in anderc Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form -durch Photokopie. Mi kroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren - reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen. verwendbare Sprache iibertragen oder iibersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme. daS diese von jedermann frei benutzt werden diirfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschiitzte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. All rights reserved (including those of translation into other languages). N o part of this book may be reproduced in any form by photoprinting, microfilm, or any other means - nor transmitted o r translated into a machine language without written permission from the publishers. Registered names. trademarks, etc. used in this book, even when not specifically marked as such. are not to be considered unprotected by law. Satz. Druck und Bindung: Druckhaus ,,Thomas Miintzer" GmbH, D-99947 Bad Iangensalza Printed in the Federal Republic of Germany ~

Vorwort

Der Erfolg der biologischen Bodensanierung in der Praxis hangt entscheidend von der optimalen Durchfuhrung empirischer Methoden ab. Die Beherrschung der Methodologie und das Verstandnis der wissenschaftlichen und rechtlichen Grundlagen sind unentbehrlich, um das Potential der biologischen Bodensanierung ausnutzen und diese Technologie weiterentwickeln zu konnen. Das vorliegende Buch prasentiert ein Gesamtprogramm zur biologischen Bodensanierung, das biotechnologische, bodenmikrobiologische, chemische Labor- und Feldmethoden behandelt . Auch neue Wege wie okotoxikologische Tests und der Einsatz von Pflanzen zur Dekontamination von Boden werden vorgestellt. Erganzend werden Aspekte der Arbeitssicherheit und rechtliche Rahmenbedingungen angesprochen. Ausfuhrliche Methodenbeschreibungen sind, sofern moglich, gegliedert in wissenschaftliche Grundlagen, MeBprinzip, Gerate, Reagenzien, Arbeitsvorschrift , Eichkurve und Berechnung der Ergebnisse, Diskussion und Interpretation von Daten sowie Literaturhinweise. Das Methodenbuch richtet sich an Sanierungs- und Consulting-Unternehmen, Institute fur Umweltanalytik, Behorden, Wissenschaftler und Studenten umwelt-, natur- und ingenieurwissenschaftlicher Disziplinen. Autoren aus Industrie, Wissenschaft und Forschung geben ihre Kenntnisse in diesem Buch weiter und prasentieren den neuesten Stand der Forschung und Technik. An dieser Stelle mochte ich mich bei Herrn Dr. H.-J. Kraus, Frau Ch. Schultz (VCH Verlagsgesellschaft) und Herrn Prof. Dr. 0. Hutzinger (Lehrstuhl fur Okologische Chemie und Geochemie, Universitat Bayreuth) fiir die tatkraftige Unterstutzung dieser Arbeit herzlich bedanken. Herzlicher Dank gilt den Herren Prof. Dr. B.-M. Wilke (Institut fur Landschaftsbau, TU Berlin), Prof. Dr. R. Metz (Institut fur Landwirtschaftlichen Pflanzenbau, Humboldt-Universitat Berlin), Prof. Dr. S. Kluge (Institut fur Pflanzenphysiologie, Universitat Leipzig), Herrn H. Rottler (Okologische Chemie und Geochemie, Universitat Bayreuth) und allen Kollegen, die uns bei der Zusammenstellung behilflich waren und durch konstruktive Diskussionen zu diesem Buch beigetragen haben. Bayreuth, im Juli 1994

K. Alef

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1

Einleitung

......................

1

Sanienmgsziele. Untersuchungsstrategie. Richtlinien und Sicherheitsaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Wiinschenswerte und erreichbare Sanierungsziele . . . . . . 2.1.1 Multifunktionalitat oder Einschrankung der Nutzungsmoglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Nutzungsbezogene Sanierungsziele . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Technische Sanierungsziele . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Untersuchungsstrategie und Projektstruktur . . . . . . . . 2.2.1 Untersuchungsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.1 Vorbereitende Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2 Sanierungsuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2.1 On-site/off-site-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2.2 In-situ-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.3 Technische Vorplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.4 Monitoring und Erfolgskontrolle . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Projektstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Technische Sicherheitsaspekte . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Rechtliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Unfallgeschehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Gefahrdungsermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.1 Beabsichtigter Umgang mit biologischen Agenzien . . . . . . 2.3.3.2 Unbeabsichtigter Umgang mit biologischen Agenzien . . . . 2.3.4 Planung und Arbeitsvorbereitung . . . . . . . . . . . . . 2.3.4.1 Pflichten des Auftraggebers . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4.2 Pflichten des Auftragnehmers . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Baustelleneinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5.1 Zonierung der Baustelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5.2 Schwarz-WeiB-Adage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5.3 Dekontamination von Geraten und Fahrzeugen . . . . . . . 2.3.6 Schutzmahahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6.1 Sanierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6.2 Technische Schutzmahahmen . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6.3 Einhausungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6.4 Organisatorische Schutzmahahmen . . . . . . . . . . . . 2.3.6.5 Personliche Schutzausriistungen . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3 3.1

Mikrobiologische Charakterisierung kontaminierter Boden Probennahme. Vorbereitung und Bodenlagerung . . . .

. .

3 3 3 7 9 11 12 12 14 14 15 17 19 20 23 23 25 26 27 28 29 29 30 31 31 33 35 36 37 37 38 38 40 41 43

. . 44

VIII

3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.5 3.6 3.6.1 3.6.2 3.7 4

4.1 4.1.1 4.1.1.1 4.1.1.2 4.1.1.3 4.1.2 4.1.2.1 4.1.2.2 4.1.2.3 4.1.2.4 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.4 5

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Inhalt

Bestimmung des Bodenwassergehaltes und der Trockensubstanz Bestimmung der maximalen Wasserhaltekapazitat ( WHK... ) . Bestimmung mikrobieller Aktivitat der Bodenproben . . . . Bestimmung der potentiellen Atmungsaktivitaten . . . . . . Weitere Moglichkeiten zur Bestimmung potentieller Aktivitaten Quantifizierung mikrobieller Populationen . . . . . . . . . Quantifizierung von Umweltchemikalien abbauenden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikroorganismen Quantifizierung von Mineraldl abbauenden Mikroorganismen . Quantifizierung von polycyclische Kohlenwasserstoffe (PAK) abbauenden Mikroorganismen . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Biologischer Abbau von organischen Umweltchemikalien. Anreicherung und Isolierung von Umweltchemikalien abbauenden Mikroorganismen . . . . . . . . . . . . Mikrobieller Abbau organischer Umweltchemikalien . . . Abbau von Mineralolkohlenwasserstoffen . . . . . . . Abbau von Aliphaten . . . . . . . . . . . . . . . . Abbau von Alicyclen . . . . . . . . . . . . . . . . Abbau von Aromaten . . . . . . . . . . . . . . . . Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen (CKW) . . . Abbau von halogenierten Aliphaten . . . . . . . . . . Abbau von halogenierten Aromaten . . . . . . . . . Abbau von halogenierten Benzolen und Benzoesauren . . Abbau von chlorierten Phenolen . . . . . . . . . . . Abbau von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abbau von polychlorierten Biphenylen ( P a ) . . . . . . Anreicherung und Isolierung von Umweltchemikalien abbauenden Mikroorganismen . . . . . . . . . . . . Nahrstoffanspriiche aerober Mikroorganismen . . . . . Kulturmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . Isolierungs- und Anreicherungsmethoden . . . . . . . Aliphatische Kohlenwasserstoffe abbauende Mikroorganismen . . . . . . . . . . . . . . .. . m X abbauende Bakterien . . . . . . . . . . . . . Chlorphenole abbauende Mikroorganismen . . . . . . PAK abbauende Bakterien . . . . . . . . . . . . . Isolierung von Pilzen . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

44 45 46 46 49 49 52 52 54 55

. . . . .

57 57 59 60 62 . . 63 . . 67 . . 68 . . 69 . . 70 . . 72

. . 73

. .

75

. . 77

. . 77

. . . .

79 79

. . . . . .

80 83 87 91 96 99

. . . . . . Bestimmung von organischen Kontaminationen im Boden . . 103 Bestimmung von Kohlenwasserstoffen . . . . . . . . . . . 103

Bestimmung von leichtfluchtigen halogenierten und . . . . . . . . . . . aromatischen Kohlenwasserstoffen Bestimmungvon polychlorierten Biphenylen . . . . . . . Summenbestimmung von organisch gebundenen Halogenen . Bestimmung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 108 . 113

.

117 122

Inhalt

IX

.......................

128

5.6

Literatur

6 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.1.1 6.3.1.2 6.3.2 6.3.2.1 6.3.2.2 6.3.2.2.1 6.3.2.2.2 6.3.2.2.3 6.3.2.2.4 6.3.2.2.5 6.3.2.2.6 6.3.2.2.7 6.3.3 6.3.4 6.4

Optimieruag der Abbauparameter im Labor . . . . . . . . 131 Die Fragestellung der Optimierung . . . . . . . . . . . . 131 . . . . . . . . . . . 133 Abbauparameter und Limitierungen Optimierungsprograrnm . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 133 Schnelltests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Respirometrischer Test . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Hemmtests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Boden-Bioreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Technische Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 OptimierungsprozeB . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Nahrsalzbedarf Beliiftung, Sauerstoffeintrag . . . . . . . . . . . . . . . 147 Alternative Elektronenakzeptoren . . . . . . . . . . . . 153 Adsorption, Desorption und Bioverfiigbarkeit . . . . . . . 154 Temperatur und pH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Cosubstrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Spezielle Mikroorganismen . . . . . . . . . . . . . . . 163 Bodensaule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Lysimeter, Testmieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

7

. . . . . . . . . . . . . . 171 Herstellung von Bodeneluaten . . . . . . . . . . . . . . 172 Leuchtbakterientest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Griinalgentest (Hemmungder Zellvermehrung) . . . . . . . 176 Daphnientest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Fischtest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Pflanzenwachstumstest . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Regenwurmtest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8

8 8.1 8.1.1 8.1.1.1 8.1.1.2 8.1.1.3 8.1.2 8.1.2.1 8.1.2.2 8.1.2.3 8.1.2.4 8.1.2.5 8.1.2.6 8.1.2.7 8.1.2.8 8.1.2.9

Okotoxikologische Verfahren

Mikrobiologische Sanierungsverfahren . . . . . . . . . . 187 On/off-site-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 187 Verfahrenstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Landfarming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regenerationsmieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Reaktortechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Sanierungsdurchfiihrung . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Mechanische Aufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Bodenverbesserung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Mikrobielle Population . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Sauerstoffversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 193 Wassergehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nahrstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Verfugbarkeit der Schadstoffe . . . . . . . . . . . . . . 194 Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 194 pH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

X 8.1.3 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.2.1 8.2.2.2 8.2.2.3 8.2.2.4 8.2.2.5 8.2.2.6 8.2.3 8.2.4 8.2.4.1 8.2.4.2 8.2.4.3 8.2.4.4 8.3 8.3.1 8.3.1.1 8.3.1.2 8.3.2 8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.3 8.3.3.1 8.3.3.2 8.3.3.3 8.3.3.4 8.3.4 8.3.4.1 8.3.4.2 8.3.4.3 8.3.4.4 8.3.4.5 8.3.5 8.3.6 8.3.7 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 8.4.6 8.5

Inhalt

Kontrolluntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Der Einsatz von WeiSfaulepilzen bei der on/off-site-Sanierung . 195 Abbaufahigkeit der Pilze . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Substratherstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . 195 Substratvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Autoklavieren des Substrates . . . . . . . . . . . . . . . 196 Partielle Sterilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Xerotherm-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Substratherstellung durch aerobe Fermentation (von nassem Substrat) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Substratherstellung durch semianaerobe Fermentation . . . . 198 Anzucht des Austernpilzes . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Verfahrensbeschreibungen . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Laborversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Klassisches Mietenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 199 Sanierung in ..big bags" . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Dynamisches Mietenverfahren . . . . . . . . . . . . . . 200 In-situ-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Voraussetzungen fur in-situ-Verfahren . . . . . . . . . . . 204 Schadstoffinventar. Mikrobiologie . . . . . . . . . . . . . 204 Geologie und Hydraulik . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Schadstoffelimination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Mikrobiologischer Abbau . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Elektronenakzeptoren (Zuschlagstoffe) . . . . . . . . . . 206 Sauerstoff (OJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Wasserstoffperoxid (H202) . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Nitrate (NO;) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Elektronenakzeptor-Konzentrationen . . . . . . . . . . . 208 In-situ-Sanierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 209 Schadstoffe in Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Kombinierte Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Biox@-S-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 UVB-Verfahren (Unterdruck-Verdampfer-Brunnen) . . . . . 211 Verockerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Sanierungsziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Bioreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Motive fur den Einsatz von Bioreaktoren . . . . . . . . . 215 ProzeDsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Einteilung der Bioreaktorverfahren . . . . . . . . . . . . 216 Trockenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Suspensionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Extraktionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

9

Biologische Sanierung schwermetallkontaminierter Boden mit Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.1

Pflanzenverfiigbarkeit von Schwermetallen im Boden

. 227 . . . . 228

XI

Inhalt

9.6 9.7

Bestimmung des Gesamtgehaltes der Schwermetalle im Boden . 229 Sequentielle Extraktionsverfahren von Schwermetallen 230 im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl geeigneter Pflanzen fur die Bodensanierung . . . . 234 Wachstums- und Schadstoffaufnahmeeigenschaften . . . . . . 234 Verfahren zur Auswahl und Adaption von Pflanzen . . . . . 234 Moglichkeiten der zuchterischen Optimierung ausgewahlter Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Die Erhohung der genetischen Variabilitat . . . . . . . . . 237 Selektion in vitro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Hybridisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Massenvermehrung iiber Gewebekultur . . . . . . . . . . 238 Optimierungsversuche im Gewebekulturlabor . . . . . . . . 239 Ermittlung der Schwermetallaufnahme bei Pflanzen in der Pflanzengewebekultur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Technologie der Bodensanierung . . . . . . . . . . . . . 243 Bodenvorbereitung und Aussaat oder Pflanzung . . . . . . . 243 Dungung und Pflege . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Ernte und Verwertung . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Moglichkeiten der Nutzung nachwachsender Rohstoffe fiir die Dekontaminierung belasteter Boden . . . . . . . . . . 247 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

10

Wiederverwertung biologisch sanierter Boden

10.1 10.1.1 10.1.2 10.1.2.1 10.1.2.2 10.2 10.3 10.4

RekultivierungsmaBnahmen . . . Standortrekultivierung . . . . . Bodenrekultivierung . . . . . . GefaBversuche . . . . . . . . . . Rekultivierung von Flachen . . . Humifizierung . . . . . . . . . . Rechtliche Grundlagen . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . .

9.1.1 9.1.2 9.2 9.2.1 9.2.2 9.3 9.3.1 9.3.1.1 9.3.1.2 9.3.1.3 9.3.2 9.3.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.5

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

.

251 252 252 252 253 253 254 255 258

Anhang

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

259

Register

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

261

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Verzeichnis der Autoren

Dr. K . Alef Lehrstuhl fur Okologische Chemie und Geochemie Universitat Bayreuth D-95440 Bayreuth Kapitel 1, 3, 4.1, 7, 10 Dip1.-Ing. H. Burmeier WCI Umwelttechnik GmbH Buro Hannover HauptstraBe 45a D-30974 Wennigsen Kapitel2 Prof: Dr. W Fritsche Lehrstuhl fur Technische Mikrobiologie Universitat Jena Philosophenweg 12 D-07743 Jena Kapite14.2, 4.3

Dr. W Heckernanns Bur0 Prof. Dr. Hoffmann Heinrich-Held-StraBe 33 D-45133 Essen Kapitel2

Dr. T Held Trischler und Partner GmbH Berliner Allee 6 D-fj4295 Darmstadt Kapite18.3 Dr. S. Kappesser Wayss & Freytag AG Theodor-Heuss-Allee 110 D-60486 Frankfurt am Main Kapitel8.1

Dr. W Muller-Markgraf Linde AG Dr.-Carl-von-Linde-StraSe6-14 D-82049 Hollriegelskreuth Kapitel6

Dr. A . Gerth Bioplanta GmbH Permoser StraBe 15 D-04318 Leipzig Kapitel 9

Dr. G. Rippen Trischler und Partner GmbH Berliner Allee 6 D-64295 Darmstadt Kapitel2

DI: Th. Gunther Lehrstuhl fur Technische Mikrobiologie Universitat Jena Philosophenweg 12 D-07743 Jena Kapite14.2, 4.3

Dip1.-Biol. U.Sack Lehrstuhl fur Technische Mikrobiologie Universitat Jena Philosophenweg 10 D-07743 Jena Kapite14.2, 4.3

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Verzeichnis der Autoren

DK U. Schies Technischer Aufsichtsdienst der Tiefbau-Berufsgenossenschaft Am Knie 6 D-81241 Munchen Kapitel 8.2

Dr. D. Schlosser Lehrstuhl fur Technische Mikrobiologie Universitat Jena Philosophenweg 10 D-07743 Jena Kapitel 4.2, 4.3

DK R . Spa11 Wayss & Freytag AG Riederhof-Stral3e 25 D-60314 Frankfurt am Main Kapitel5 D K R . Winterberg Gesellschaft fur Sanierung von Boden und Gewassern mbH Peter-Henlein-StraSe 2 4 D-27472 Cuxhaven Kapite18.4

1 Einleitung (K. Alef)

Das Thema ,,Bodensanierung" genieat im Hinblick auf die Umweltproblematik das Interesse der Gesellschaft sowie von Industrie und Wissenschaft, da Bodenkontaminationen ein Gefahrdungspotential insbesondere fur die Gesundheit der Menschen darstellen. Die Fahigkeit von Mikroorganismen, naturliche und anthropogene organische Stoffe im Boden abzubauen, hat es ermoglicht, neue Biotechnologien zur Bodensanierung zu erarbeiten. Dabei haben die mikrobiologischen Sanierungsverfahren sich in den letzten Jahren rapide entwickelt und sind inzwischen weltweit als anerkannte Technologie etabliert. In den meisten Fallen haben sie sich als okologisch und okonomisch giinstige Technik erwiesen. Die rasante Entwicklung in den verschiedenen Bereichen der biologischen Sanierung, sei es im Bereich der Bodenmikrobiologie, Biotechnologie, Mikrobiologie, Okotoxikologie oder auch Analytik, hat uns dazu bewogen, erstmalig Labor- und Praxis-Methoden der biologischen Bodensanierung in einem Buch zusammenzustellen. Neben den Methuden zur mikrobiologischen Charakterisierung kontaminierter Boden, wie Aktivitatsbestimmungen, Quantifizierung aerober und fakuitativ anaerober mikrobieller Populationen, werden Methoden zur Anreicherung und Zsolierung von Umweltchemikalien abbauenden Bodenrnikroorganismen vorgestellt. Biologische und biochemische Grundlagen des mikrobiellen Abbaus von organischen Schadstoffen leisten einen Beitrag zum Verstandnis der biologischen Bodensanierung und deren Entwicklungsmoglichkeiten. Ein separates Kapitel umfaBt PraxisMethoden zur chemischen Schadstoffanalyse in kontaminierten und sanierten Boden. Diese Methoden beschreiben Verfahren zur Analyse von Kohlenwasserstoffen (KWs), leichtfluchtigen halogenierten und aromatischen Kohlenwasserstoffen (LHKWs), polycyclischen Kohlenwasserstoffen (PAKs), polychlorierten Biphenylen (PCBs) und organisch gebundenen Halogenen (AOX, EOX, POX). In einem weiterem Kapitel werden okotoxikologische Labormethuden zur Abschatzung des Gefahrdungsputentials kontaminierter und sanierter Boden vorgestellt und deren Bewertung und Aussagekraft diskutiert. Auch die Frage der Bildung von toxischen Metaboliten im Laufe der mikrobiologischen Bodensanierung findet hierbei Beriicksichtigung. Da viele chemische und okotoxikologische Methoden urspriinglich fur die Wasser- und Klarschlammanalyse entwickelt worden sind, wurde im vorliegendem Buch grol3er Wert darauf gelegt, Erfahrungen mit Budenproben vorzustellen. Weitere Schwerpunkte sind biotechnologische Labor-Verfahren zur Optimierung des Abbuus verschiedener organischer Schadstoffe im Boden sowie Optimierung des Einsatzes von adaptierten Mikroorganismen in der Sanierungspraxis. Bei den Technologien der onluff-site-, in-situ-Sanierung, des Einsatzes vun Pilzen, von Pflanzen und Bioreaktoren stand das Ziel im Vordergrund, eine technische Anlei-

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tung zur Durchfuhrung der Sanierung anzubieten, die praxisbezogene Fakten zur Anlagenkonstruktion, Konzentrationsangaben von Niihrstoffen und Randbedingungen beinhaltet. Sanierungs,-iele, technische Sicherheitsrichtlinien, Projektdesign, und Wieclerverrvertung sanierter Boden als weitere unverzichtbare Aspekte zur Anwendung der biologischen Bodensanierung werden vorgestellt. Die Themenvielfalt in diesem Buch 1al3t die enge Bindung zwischen Praxis, Forschung und Wissenschaft erkennen und verdeutlicht die Notwendigkeit der interdisziplinaren Zusammenarbeit, um anstehende Probleme im Bereich der biologischen Bodensanierung bewaltigen zu kiinnen.

2 Sanierungsziele, Untersuchungsstrategie, Richtlinien und Sicherheitsaspekte

2.1 Wunschenswerte und erreichbare Sanierungsziele (G. Rippen)

Nachdem fur einen kontaminierten Standort im Rahmen einer Gefihrdungsabschatzung die Sanierungsbedurftigkeit des Bodens festgestellt wurde, beginnt die Phase der Sanierungsplanung. Im Prinzip konnte man kurzfristig mit der Sanierung beginnen, indem man die bestmogliche Technik anwendet und auf die niedrigstmoglichen Schadstoffkonzentrationen abreichert. Dieser Ansatz wird dann in Frage gestellt, wenn das Erreichen einer sehr niedrigen Endkonzentration rnit erheblich hoheren Kosten verbunden ware (z. B. infolge einer um Monate oder Jahre verlangerten Sanierungsdauer, eines gesteigerten Energieaufwandes oder der Notwendigkeit des Einsatzes weiterer Zuschlagstoffe) oder wenn - wie haufig - grundsatzlich mehrere Sanierungstechniken mit unterschiedlichen erreichbaren Zielkonzentrationen und Kosten zur Verfugung stehen. In diesem zumeist ublichen Fall steht am Beginn der Sanierungsplanung die Diskussion urn die Sanierungsziele.

2.1.1 Multifunktionalitat oder Einschrankung der Nutzungsmoglichkeiten Prinzipiell unterschiedliche Vorgehensweisen konnen zur Festlegung von Sanierungszielen angewandt werden. Weit verbreitet ist die Forderung, nach einer Sanierung musse eine multifunktionale Nutzung des Gelandes wieder moglich sein. Dieser Ansatz orientiert sich an moglichen toxischen und okotoxischen Wirkungen auf Lebewesen uber den Boden-, Wasser- und Luftpfad. Er wird mit der Anwendung der sogenannten ,,Holland-Liste" verfolgt (neueste Fassung vom September 1993, siehe Tab. 2-1 [I]), in der aus okotoxikologischer sowie aus toxikologischer Sicht nichtakzeptable Schadstoffkonzentrationen (Toxizitatswerte, C-Werte) fur Boden festgelegt sind. Unterschiedlichen Gehalten an Ton und organischem Kohlenstoff, die ein unterschiedliches Sorptionsverhalten bedingen, kann im Rahmen dieses Ansatzes durch Umrechnungsfaktoren Rechnung getragen werden; in der Praxis geschieht dies jedoch zumeist nicht, zumindest nicht in Deutschland. Das Vorhandensein oder Fehlen eines konkreten Expositionspfades (,,Kann der Schadstoff Mensch, Tier oder Pflanze uberhaupt erreichen?") bestimmt in den Niederlanden nicht die prinzipielle Sanierungsbedurftigkeit, sondern nur die Prioritat der Sanierung.

I. Metalle Chroni (CI-) Cobalt (Co) Nickel ( N i ) Kupfer (Cu) Zink (Zn) Arsen (As)

Molybd2n ( M o ) Cadmiurn (Cd) Bnrittm ( B a ) Quecksilher ( H g ) Blei ( P h ) 11. Anorganische Verbindungen Cyanide frei Cyanide gehunderi (pH i5 ) ' Cyanide gehunderi (pH 2 5 ) Thiocyanatc

3 80 240 2I0 I YO 720 55 200

12 625 10

530

20 650

30 i (x) 75 75 8(x) 60 300 6 625 0.3 75

SO

1 500 1 500 1500

20

1500

111. Aromatische Verbindungen

Benml Ethylhen7,ol Phenol

I SO 40

Kresole 5 To1uol I30 Xylol 25 Catec hol 20 Resorcinol I0 Hydrochi tion 10 IV. Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) PAK (sin;me v o n 10)' 1 3 Naphthalin Anthracen

Phenanthrcn Fluorant hen Reri7ol a]anthraccri C hry se ti Benzol alpyren Bcnzol ghi lperylcn Ben7ol k Ifltioranthcn Indenol I .X-cd]pyrcn V. Chlorierte Kohlenwasserstoth I .2-Dichlorethan Dichlormcthan Te trx h lorethen Tetrachlornietlian Trichlormcthan Trichlorethen Vinylchlorid Chlorbcnzolc (Summe)' " Moiiochlorbctizol

30

1 so 2000

200 1000

70 1250 600 800 ~

70 5 5 1 0.5 0.05

0.0.5 0.05 0,05 0.05

400 1000 10 30 300

500 0.7 -

I80

Dichlorbenzol Trichlorbenzol Tetrachlorbenzol Pentachlorbenzol Hexachlorhenzol Chlorphenole (Summe)' I' Monochlorphenol Dichlorphenol Trichlorphenol Tetrachlorphenol Pentachlorphenol Chlornaphthalin Polychlorbiphenyle (Summe von 7)' VI. Pflanzenbehandlungsmittel DDT/DDDIDDEh ,,Drine'" HCH-Verbindungen Carbaryl Carbofuran Maneb Atrazin VII. Ubrige Verunreinigungen Cyclohexanon Phthalate (Summe)" Mineraliil"' Pyridin Styrol Tetrahydrofuran Tetrah ydrothi ophe ti

50

~

10 23

~

-

I 0.5

~

10

~

100 30 10 10

~

-

5 10

I

3 6 0.0 1

0,oI

4 4 2 5 2 35 6

0.1 1

0. I 0,1 0. I 150

270 60 5000 1 I 00 0,4

90

15000 5

600 3 300 1

30 ~~~~~~~

~

~~

SBuregrad von 0.01 M CaCI,. Fur die Festlegung von pH 2 5 und pH < 5 gilt das 90-Perzentil der gemessenen Werte. ' PAK (Surnme von 10): Summe von Anthracen, Benzolalanthracen. Benzo[k]fluoranthen. Benzo[a]pyrcn. Chrysen, Phenanthren. Fluoranthen. Indeno[ 1,2,3-cd]pyren, Naphthalin und Benzo[ghi]perylen. ' Chlorbenzole (Summe): Summe aller Chlorbenzole (Mono-, Di-, Tri-, Tetra-, Penta- und Hexachlorbenzol). ' Chlorphenole (Sumrne): Sumrne aller Chlorphenole (Mono-. Di-, Tri-, Tetra- und Pentachlorphenol). ' Polychlorbiphenyle (Surnme von 7): Summe von PCB 28.52, 101, I 18, 138. IS3 und 180. ' DDTIDDDIDDE: Summe von DDT, DDD und DDE. ' ,,Drine": Summe von Aldrin, Dieldrin und Endrin. ' HCH-Verbindungen: Summe von a-HCH, p-HCH, y-HCH und 6-HCH. ' I Phthalate (Summe): Summe aller Phthalate. Mineralol: (mindestens, aber nicht nur) Surnme der verzweigten Alkane. Wenn Gemische gemeint sind (z. B. Benzin oder Heizol), mussen neben den Alkan-Gehalten auch die Gehalte an aromatisehen undhder polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen bestimmt werden. Dieser Summenparameter wird aus praktischen Grunden aufgefuhrt. Eine toxikologische und chemische Differenzierung wird untersucht. I ' Der Sumtnenwert fur polycyclinche Kohlenwasserstoffe, Chlorphenole und Chlorbenzole im BodenISediment gilt fur die Gesamtkonzentration der Verbindungen aus der betrcffendcn Gruppe. Wenn eine Verunreinigung nur eine Substanz aus einer Gruppe betrifft, gilt als Eingreifwert der Wert fur die betreffende Substanz. bei zwei oder mehr Substanzen fur die Summe dieser Stoffe. I

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Unter diesen strengen Kriterien kann es sich ergeben, daB bereits bei der Sanierungsplanung eine multifunkrionelle Nutzung ini AnschluB an die mikrobiologische Sanierung nicht tniiglich zu aein scheint. Allerdings wird die Bioverfiigbarkeit der niiiglicherweiae verbleibenden Schadstoffe nicht ausreichend berucksichtigt: relativ hohe Schadstoffgehalte von immobilen, d. h. nicht auslaugbaren und nicht den Lebewesen verfugbaren Substanzen, insbesondere langkettigen Kohlenwasserstoffen (> C2,1-C15) gewinnen somit unverhKltnismiiJ3ig hohes Cewicht. Dies kann in dcr Praxis dazu fuhren, daR ein alternatives Verfahren. z. B. eine cheniisch-physikalische oder therinische Bodenbehandlung, vorgezogen wird, weil nur so die vorgeschriebenen strengen Sanierungsziele erreicht werden konnen. Die derzeit verfugbaren iikotoxikologischen Tests an Bodensubstrat und an Eluaten (s. Kapitel 7 ) hesitzcn kcine ausreichende AkLeptanz, urn Bedenken. L . B. im Falle ciner Uberschreitung der holliindischen C-Werte, sicher zu zerstreuen (s. z. B. [2]).Im Extremfiill wird eine weitere Nutzung des Bodens ([nit reduzierten Qualitiitsanspruchen) verhindert und seine unniitige Deponierung erzwungen. Dieher Nachteil der Forderung nach Multifunktionalitat, die nach der ,,Reparatur" von Utnweltschiiden nur selten bzw. mit unverhlltnismiilJig hohern Aufwand wieder erreicht wird, iat so gravierend. daf3 in der Praxis oft Abstriche bei den Sanierungsanforderungen gemacht werden. Erleichtert wird eine solche Entscheidung durch eine Bilanzierung der sekundiren UmweltauswirkunFen, die z. B . durch erhohten Energieeinsatz (Kraftstoffe, Elektrizitiit) oder durch vermehrten Rohstoffverbrauch (Stahl, Spulwasser, Aktivkohle, chemische Zuschlagstoffc) [ 3- 5 1 verursacht werden konnen. Ein Vergleich mikrobiologischer Verfahren mit anderen durfte in dieser Hinsicht gunstig ausfallen, obwohl bisher noch keine eigentliche okobilanz erstellt wurde. Konkret bedeutet dies, da13 in der Praxis - uberwiegend aus Kostengrunden -oft auf eine Sanierung bis zu den technisch machbaren Minimalkonzentrationen verzichtet wird; unter Berucksichtigung der Standortgegebenheiten werden hiihere Schadstoffkonzentrationen zugelassen, wobei am sanierten Standort jedoch eine Gefiihrdung des Menschen oder anderer am Standort relevanter Schutzguter ausgeschlossen sein muB. Eine solche Teilsanierung ist ein Schritt in Richtung auf die ebenfalls giingige Praxis einer Sicherung kontaminierter Bereiche unter Kontrolle iniiglicher Ausbreitungspfade, gegebenenfalls ergiinzt durch MaRnahmen zu einer Unterbrechung der Pfade (,,Einkapselung"). Allerdings fuhrt eine alleinige Sicherung unter Umstiinden zu extremen Nutzungseinschriinkungen. oft sogar zu stiidtischen Brachflichen. Um dies zu vermeiden, wird gerade in Ballungsgebieten imrner iifter eine Sanierung kontaminierter Fliichen auch bei hohen zu erwartenden Kosten erwogen und auch durchgefiihrt. Eine Rcihe von Grunden ist dafur ausschlaggebend: eine bereits existierende Nutzung (nachtriigliches Erkennen einer Gefihrdung durch Boden- oder Grundwasserkontaminationen),d. h. Fiille, in denen ein Brachlegen der Fliiche politisch kaum akzeptiert wird - bereits laufende Bauvorhaben (nachtraglich erkannte Entsorgungsprobleme fur den Erdaushub, die ebenfalls weitreichende Konsequenxn bei einern Baustillstand hatten) - klar erkennbare Verursacher mit unabwendbaren Haftungs- und Strafrechtskonsequenzen -

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eine stark begrenzte Verfugbarkeit weiterer nutzbarer Flachen (restriktive Flachenbewirtschaftung) - stadtebauliche Nutzungswunsche (z. B. bereits erstellte Bebauungsplane, von denen nach Moglichkeit nicht abgewichen werden soll) - hohe Grundstuckspreise, die einen Teil der Sanierungskosten wieder ausgleichen konnen. -

Bei Sanierungskosten fur abgrenzbare Schadensfalle mit Tiefen von 4-10 m lassen sich bei 200-500DM je Tonne Boden leicht Sanierungskosten zwischen 1000 und 5000 DM/m’ errechnen. Diese Kosten ubersteigen den zu erwartenden Verkaufswert der Flachen meist erheblich. Deshalb mulj ein Kompromilj zwischen der Bezahlbarkeit und der Beseitigung des Gefahrdungspotentials gefunden werden. Die zur Disposition stehenden geplanten oder realen Immobilienwerte, oft zwei- bis dreistellige Millionenbetrage, rechtfertigen in vielen Fallen auch umfangreichere Planungsaktivitaten, damit die Kosten einer notwendigen Sanierung minimiert werden konnen.

2.1.2 Nutzungsbezogene Sanierungsziele Ziel eines Kompromisses ist es in solchen Fallen nicht mehr, die Schadstoffgehalte der belasteten Flachen auf Hintergrundwerte zu reduzieren, sondern einen solchen Endzustand zu erreichen, dalj keine der angestrebten Nutzungen durch die Belastung in Frage gestellt ist. In Kauf genommen werden mulj unter Umstinden, dalj derzeit nicht beabsichtigte andere Nutzungen spater nicht ohne weiteres moglich sein werden, beispielsweise Eingriffe in groljere Bodentiefen, Nutzung des Grundwassers als Trinkwasser oder landwirtschaftliche bzw. gartenbauliche Aktivitaten. In bestimmten Fallen ist auch eine Versiegelung definierter Bodenbereiche erforderlich; damit besteht dann nur noch ein relativ geringer Unterschied zu Maljnahmcn, dic lediglich der Sicherung einer Altlast dienen. Nicht immer erhalt man jedoch einen aktuellen okologischen Vorteil, wenn man belastete Bereiche zu hohen Kosten saniert, obwohl eine geplante Versiegelung die Ausbreitung der Schadstoffe ausschlieRt. In solchen Fallen ist die Verhaltnismafiigkeit der Maljnahmen zu diskutieren. Als richtungsweisend fur die nutzungsbezogene Beurteilung von Bodenkontaminationen hinsichtlich einer direkten Exposition des Menschen uber orale Aufnahme von Boden oder Inhalation von Stauben konnen die Bodenwerte von EIKMANN und KLOKE dienen [6]. Bisher wurden allerdings nur fur wenige organische Schadstoffe Werte abgeleitet. Die EIKMANN/KLOKE-Werte konnen u. a. auch zur Beurteilung herangezogen werden, ob nicht eine mikrobiologische Sanierung an der Uberschreitung von Schwermetall-Richtwerten scheitert. Zusatzlich mussen auch andere Pfade, z. B. Ausgasung oder Auswaschung in das Grundwasser, beurteilt werden. Den Pfaden zum Menschen kommt die groljte Bedeutung zu. Deshalb mu13 es oberstes Ziel sein, durch geeignete Maljnahmen eine Exposition zu unterbinden, entweder durch bauliche Mafinahmen oder durch Nutzungseinschrankungen. Dies ist auch im Hinblick darauf wichtig, dafi die wissenschaftliche Bewertung der Wirkungen von Schadstoffen standig aktualisiert und fortentwickelt wird.

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pH-Wert Elcktr. Leitfihigkeit

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Metalle -I Arscn S Blci 6 Cndmiuni 7 Chrom gesanit X Ktipfer 0 Nickel I 0 Qticcksilhcr I1 Link Anionen I2 Cy:inide leicht fc\twt/har

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Kohlenwasserstoffe Kohlcnu.~is~ersto~fc ( H I X ) 10.2 Schwetlltichtige lipophilc Stoffc ( H 17) Einhcrnipc n1-oiii:itische Kohlenwasscr~toffe( BTEX) Polycyclische aromati5che < 0.002

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