Der biologische Schadstoffabbau kombiniert mit einer voran geschalteten chemischen Oxidation eröffnet neue Wege für eine beschleunigte Grundwassersanierung. Um beide Verfahren optimal aufeinander abstimmen zu können, soll ein Biomonitoring entwickelt werden, dass auf dem Markt bislang nicht verfügbar ist.
Belastungen durch Aromatische Kohlenwasserstoffe (AKW) bedrohen weltweit unsere Trinkwasserressource Grundwasser. Gleichzeitig ist insbesondere im Bereich hochbelasteter Altlasten mit sehr langen Sanierungszeiten von mehreren Jahrzehnten bis zur vollständigen Auflösung der in den Untergrund geratenen Produkt-Phasen zu rechnen, wenn nicht Verfahren zu ihrer beschleunigten Abreinigung eingesetzt werden.
Am TZW wurde bereits erfolgreich ein Verfahren zur anaeroben Stimulierung des AKW-Abbaus mit Sulfat als Elektronenakzeptor (Enhanced Natural Attenuation = ENA) durch Infiltration in großvolumigen Brunnen entwickelt und umgesetzt (Bild 1). In diesem Projekt soll nun am Modellstandort der sulfatreduzierende Abbau mit einer voran geschalteten In-situ chemischen Oxidation (ISCO) zur forcierten Behandlung des Schadensherdes kombiniert werden. Dazu werden die Kontaminanten im Schadensherd zunächst mit Tensiden mobilisiert (Solubilisierung) und anschließend mit aktivierten Persulfat oxidiert (ISCO). Die Aktivierung erfolgt dabei mit im Untergrund bereits vorhandenem Eisen, das durch Zugabe von Chelatoren für den aktivierten Oxidationsschritt verfügbar bleibt. Nachfolgend werden die anoxidierten AKW mit natürlich im Aquifer vorhandenen sulfatreduzierenden Bakterien abgebaut (ENA) (Bild 2). Dabei entfällt in der Verfahrenskombination die Dosierung von Sulfat zur Stimulation des Abbaus, da Sulfat bereits bei der AKW-Oxidation aus dem Zerfall des Persulfat gebildet wird und in die bioaktive Zone strömt. Auf diese Weise kann die Kosteneffizienz gesteigert werden. Gleichzeitig ermöglicht die Verfahrenskombination einen vielseitigen und gezielten Einsatz z.B. auch auf kaum zugänglichen, bebauten Sanierungsflächen.
Die anaeroben Sulfat-Reduzierer in der nachgeschalteten Zone sind gegenüber Sauerstoff sehr empfindlich. Es muss daher gewährleistet sein, dass in der bioaktiven Zone anaerobe Verhältnisse vorherrschen, damit die anaeroben Bakterien überlebensfähig sind und die anoxidierten Schadstoffe abbauen.
Für eine gezielte Prozesssteuerung ist daher insbesondere die Überwachung des kritischen Übergangsbereiches von der oxidierten in die anaerobe, bioaktive Zone essenziell. Hierzu werden in diesem Projekt am TZW bereits eingesetzte Methoden weiterentwickelt.
So soll mittels Flowzytometrie ein Verfahren zum Lebend-tot-Nachweis auch für anaerobe Mikroorganismen entwickelt werden. Entsprechende Nachweise für aerobe Bakterien sind am TZW bereits entwickelt.
Eine andere am TZW bereits entwickelte Methode ist der Nachweis des funktionellen Gens dsr mittels Polymerase-Ketten-Reaktion (Polymerase-Chain-Reaction = PCR). Das funktionelle Gen dsr kodiert für die Erbgutinformation zur potenziellen Bildung des Enzyms Dissimilatorische Sulfit-Reduktase und stellt ein Schlüsselenzym für den sulfatreduzierenden Abbau dar. Für den Nachweis der sulfatreduzierenden Stoffwechselaktivität bzw. deren mögliche Hemmung / Schädigung, ist aber auch der Nachweis / die Quantifizierung der Boten-RNA (messenger-RNA = mRNA) erforderlich. Die mRNA überträgt den genetischen Code von der DNA und erfolgt nur, wenn das Schlüsselenzym für den sulfatreduzierenden Abbau in den Ribosomen hergestellt wird.
Umfangreiche Batch- und Säulenversuche ergänzen die Entwicklungsphase im Labor und dienen der angepassten Verfahrensentwicklung und Parametrisierung für die Anwendung am AKW-belasteten Modellstandort. Bei erfolgreicher Etablierung ist der Einsatz des Kombinationsverfahrens auch an anderen Standorten grundsätzlich möglich.
Veröffentlichungen
Müller A., Schell H., Stange C., Willmann A., Schmid K.-H., Tiehm A.: Stimulierung des Abbaus von Monoaromaten mit Sulfat.
In: Kursunterlagen zum Seminar 02/2020 „Natural Attenuation (NA) in der Praxis der Altlastenbearbeitung“, Fortbildungsverbund Boden und Altlasten Baden-Württemberg, Karlsruhe 08. Okt. 2020: 4/1-4/27 (2020)
Müller A., Stange C., Tiehm A.: Neue molekularbiologische Methoden zum Nachweis des anaeroben BTEX-Abbaus. In: Kursunterlagen zum Seminar 01/2018 „Natural Attenuation (NA) in der Praxis der Altlastenbearbeitung“, Fortbildungsverbund Boden und Altlasten Baden-Württemberg, Karlsruhe 01. Feb 2018: 4/1-4/13 (2018)
Müller, A.; Tiehm, A.: Natural Attenuation (NA) und Stimulation des Bioabbaus (ENA) in der Praxis der Altlastenbearbeitung
In: Kursunterlagen zum Seminar ALTLASTEN 2024 „Aus Altlasten lernen - von der Altlastensanierung zum vorsorgenden Boden- und Grundwasserschutz“, Arbeitskreis Grundwasserschutz e.V., Industrie- und Handelskammer (IHK), Karlsruhe 19./20. Juni 2024, 8 Seiten (2024)
Salowsky, H.; Schäfer, W.; Schneider, A.-L.; Müller, A.; Dreher, C.; Tiehm, A.: Beneficial effects of dynamic groundwater flow and redox conditions on Natural Attenuation of mono-, poly-, and NSO-heterocyclic hydrocarbons. Journal of Contaminant Hydrology 243: 103883 (2021).
