Biogas_6_2013_66-69_Bodensanierung.pdf

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PRAXIS

BIOGAS JOURNAL | 6_2013

In Gefäßversuchen auf dem ökologischen

Prüffeld der TU Dresden im Tharandter Wald

testet Silke Neu den Anbau verschiedener

Energiepflanzen auf hoch belasteten

Böden.

Das Besondere war vielmehr der Veranstaltungsort.

Denn die Versuchsfelder des Projektes

„RekultA“ befinden sich allesamt

auf schadstoffbelasteten Böden. Der überdurchschnittliche

Gehalt an Blei, Zink, Cadmium

und Arsen in der Freiberger Region

ist ein Erbe des über Jahrhunderte betriebenen

Erzbergbaus und der Hüttenindustrie.

Sanfte Sanierer und

grüne Rohstoffpumpe

Bioenergiepflanzen können mehr als „nur“ Energie erzeugen.

Wissenschaftler haben sie längst auch als sanfte Bodensanierer

und für die Gewinnung gefragter Rohstoffe wie Germanium

entdeckt. Damit entsteht bei der energetischen Verwertung

von Biomasse ein bedeutender Zusatznutzen für Wirtschaft

und Umwelt.

Von Dipl.-Journ. Wolfgang Rudolph

Biopower von belasteten Böden

Nahrungs- und Futtermittel lassen sich hier

nur eingeschränkt produzieren und müssen

vor der Weiterverwendung untersucht werden.

Um für die Zukunft auf den belasteten Feldbereichen

nachhaltig und gewinnbringend wirtschaften

zu können, initiierten betroffene Landwirte

das von der EU geförderte Projekt. „Wir setzen auf

den Anbau von mehrjährigen Energiepflanzen und auf

regionale Stoffkreisläufe“, erläutert Projektmitarbeiterin

Adriana Hotho.

Die geerntete Biomasse wird zum Beispiel in einer Biogasanlage

verarbeitet und die dabei gewonnene Energie

in Form von Strom und Wärme ortsnah über Mikronetze

verteilt. Ziel des Projektes „RekultA“ ist, ertragreiche Kulturen

herauszufinden, die den relativ rauen Erzgebirgswintern

widerstehen. Um Belastungen von den anvisierten

Kreisläufen fernzuhalten, sollen sie zudem in den

oberirdischen Pflanzenteilen möglichst wenig Schwermetalle

aufnehmen. „Als Hoffnungsträger zeigt sich hier

die Durchwachsene Silphie“, zieht die Agraringenieurin

ein Fazit aus den ersten Anbautests.

Da der anfallende Gärdünger weiterhin Schwermetalle

enthält, darf er entsprechend der Bundesbodenschutzverordnung

zwar nur auf derselben oder einer gleich hoch

beziehungsweise höher belasteten Fläche ausgebracht

werden. Dennoch entsteht ein Vorteil: Der sonst vielleicht

brach liegende Acker wird landwirtschaftlich genutzt. Die

erzeugte Biomasse liefert umweltfreundliche Energie.

Und gleichzeitig vermindert die ganzjährige Pflanzenbedeckung

der belasteten Böden die Gefahr, dass Schadstoffe

nach Niederschlägen ins Grundwasser gelangen

oder mit dem Wind fortgetragen werden (Erosion).

Zu einem nicht alltäglichen Feldtag trafen sich

diesen Sommer Landwirte, Pflanzenzüchter

und Wissenschaftler auf einer Ackerfläche

nahe Freiberg im sächsischen Erzgebirge.

Ungewöhnlich waren weniger die vorgestellten

Energiepflanzen wie Durchwachsene Silphie oder

das Riesenweizengras „Szarvasi-1“. Diese Kulturen sind

als Maisalternative mittlerweile bekannt.

Zwei Strategien bei der sanften Sanierung

Belastete Böden gibt es jedoch nicht nur im Erzgebirge,

sondern an vielen Stellen in Europa. Industriebrachen,

Deponien oder Klärschlamm – die Gründe für eine Kontamination

sind vielfältig. Eine gängige Methode für die

Lösung des Problems ist immer noch die „harte Sanierung“.

Der verunreinigte Boden wird dabei zum Beispiel

komplett abgetragen und in Spezialanlagen gereinigt. Ein

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aufwändiges und teures Verfahren, das überdies die Bodenstruktur

zerstört.

Dabei geht es auch wesentlich effizienter. Experten sprechen

von Gentle Remediation Options (GRO), der sanften

Sanierung. Sie basiert auf der Verwendung von Pflanzen

und Bodenzusatzstoffen. Der Weiterentwicklung dieser

kostengünstigen und umweltfreundlichen Technologie

widmet sich gegenwärtig das Projekt „Greenland“, an

dem sich 17 Forschungseinrichtungen in zehn europäischen

Ländern beteiligen. In Langzeitversuchen sollen

die Sanierungseffekte unter verschiedenen Bedingungen

wie Bodeneigenschaften oder Klima getestet und

Handlungsempfehlungen für die Anwendung des auch

als Phytosanierung bezeichneten Verfahrens auf großflächig

schadstoffbelasteten Böden entwickelt werden.

Für den Bereich der Bioenergie ist die sanfte Sanierung

mit Pflanzen spannend, weil während der gesamten Verfahrensdauer

auf den Flächen Biomasse heranwächst.

Im Rahmen des Greenland-Projekts verfolgen die Wissenschaftler

in dieser Hinsicht zwei Strategien: Die Phytostabilisierung

und die Phytoextraktion.

Bei der Phytostabilisierung steht die Bindung der Schadstoffe

im Vordergrund. Bodenbedeckung und intensive

Durchwurzelung sollen den belasteten Boden und die

darin enthaltenen Schadstoffe auf der Fläche fixieren.

Gesucht sind hier Energie- oder auch Futterpflanzen, die

zudem möglichst wenig Schadstoffe einlagern und daher

nach der Ernte eine breite Verwendung ermöglichen.

Unterstützend können Bodenzusätze wirken, die eine

Aufnahme der Schadstoffe durch die Pflanze erschweren

(Immobilisierung). Dies geschieht zum Beispiel,

indem man dem natürlichen Absenken des Boden-pH-

Wertes beim Aufwuchs durch Kalkung entgegenwirkt.

Eine gute Phosphorversorgung wiederum verringerte in

Tests die Aufnahme von Arsen.

Neue Energie am Fuß der alten Esse

Wie das praktisch funktioniert, zeigt Silke Neu in einer

Kurzumtriebsplantage (KUP) bei Freiberg. Sie ist Mitarbeiterin

des sächsischen Landesamtes für Umwelt,

Landwirtschaft und Geologie (LfULG), dem deutschen

Partner beim Greenland-Projekt. Die KUP liegt in Sichtweite

der Halsbrücker Esse. Der mit 140 Metern höchste

Ziegelschornstein Europas blies über Jahrzehnte giftige

Rauchgase der Halsbrücker Schmelzhütte in die Luft.

„Auf dieser schadstoffbelasteten Fläche wurde bereits

drei Mal geerntet und in den letzten beiden Rotationen

ein jährlicher Zuwachs von durchschnittlich über 16 Tonnen

Trockenmasse pro Hektar erzielt“, weist die Diplomgeografin

auf die bereits 2005 im Rahmen vorheriger

Projekte von der LfULG mit verschiedenen Pappel- und

Weidensorten angelegte Plantage. In Verbrennungsanlagen

mit der entsprechenden Filtertechnik für die Abgase

wurden die aus dem Holz gewonnenen Hackschnitzel

ohne negative Folgen für die Umwelt getestet.

„Der Umstand, dass sich die Schadstoffe überwiegend

in den Blättern ablagern, die ja im Herbst abfallen und

FOTOS: CARMEN RUDOLPH

Auf der Kurzumtriebsplantage in der Nähe der Halsbrücker Esse (Hintergrund) wird im Rahmen

des EU-Projektes Greenland die sanfte Sanierung schadstoffbelasteter Flächen mit dem Anbau

von Weiden und Pappeln untersucht.

Im Technikum der GICON GmbH in Cottbus laufen demnächst Versuche zur Schadstoffentfrachtung

während des Prozesses der Biogasproduktion.

verrotten, kann bei der Bestockung mit schnellwachsenden

Baumarten eine Phytostabilisierung des Bodens befördern,

da organische Substanz, also auch der Humus,

Schadstoffe grundsätzlich gut bindet“, erläutert Silke

Neu. Allerdings gebe es ausgeprägte Unterschiede zwischen

den Pflanzensorten sowohl hinsichtlich der Biomasseproduktion

als auch beim Aufnahmepotenzial für

Schwermetalle und Arsen.

So ergaben Analysen, dass die Weidensorte Tora zwar

den kräftigsten Zuwachs hat, dabei aber recht hohe

Schadstoffgehalte im Holz aufweist. Insgesamt zeichne

sich ab, dass Pappeln für eine sanfte Sanierung im Sinne

einer Phytostabilisation besser geeignet sind als Weiden.

Darüber hinaus betreut die Wissenschaftlerin auf dem

ökologischen Prüffeld der TU Dresden im Tharandter

Wald Gefäßversuche mit Energiepflanzen wie Durchwachsene

Silphie, Sonnenblume und dem ungarischen

Energiegras Szarvasi in zum Teil stark kontaminierter

Topferde.

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Prof. Dr. Martin Bertau, Direktor des

Institutes für Technische Chemie an der TU

Bergakademie Freiberg.

Dr. Matthias Fuhrland, Projektmanager des

PhytGerm-Projektes an der TU Bergakademie

Freiberg.

Gefäßversuche im ökologischen Prüffeld der TU Dresden mit

Energiegras in schadstoffbelasteter Topferde.

„Vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussion um die

Verdrängung der Nahrungsmittelproduktion wollen wir

herausfinden, ob alternative Energiepflanzen auf hoch

belasteten Böden gedeihen, welche Bodenzusätze dies

befördern und inwieweit aufgenommene Schadstoffe die

stoffliche und energetische Nutzung des Erntegutes einschränken“,

umreißt Silke Neu das Forschungsziel.

Bodenwäsche mit der „solaren Pumpe“

Wenn aber Pflanzen sich in ihrem Vermögen, Schadstoffe

zu speichern, unterscheiden, liegt es nahe, das

für eine Bodenreinigung zu nutzen. Genau dies ist das

Ziel der Phytoextraktion. Bei dieser zweiten Strategie der

sanften Sanierung läuft sozusagen alles umgekehrt. Hier

konzentriert man sich auf Pflanzen mit hoher Schadstoffaufnahme

und stimuliert diesen Prozess sogar noch mit

Bodenstoffen, die die Pflanzenverfügbarkeit der Spurenelemente

verbessern (Mobilisierung). So ist bekannt,

dass eine erhöhte Sulfatdüngung die Extraktion von Zink

und Blei ankurbelt. Ammoniumnitrat erleichtert der

Pflanze die Aufnahme von Cadmium.

Tatsächlich besitzen einige Pflanzenarten eine besonders

ausgeprägte Fähigkeit, die Sonnenenergie einzusetzen,

um wie eine „solare Pumpe“ Schwermetalle

aus belasteten Böden aufzunehmen und in der oberirdischen

Biomasse zu konzentrieren. Dazu gehören Pilze,

Knoblauch und einige Wildpflanzen. Das Problem: Sie

haben zu wenig Biomasse. Deshalb arbeiten Forscher

daran, ertragreiche Nutzpflanzensorten mit einer „solaren

Pumpe“ auszustatten.

Die Nase vorn haben dabei die Schweizer. Mithilfe von

klassischen Selektionstechniken gelang es Erika Nehnevajova

an der Eidgenössischen Technischen Hochschule

Lausanne, auf einer hoch belasteten ehemaligen

Klärschlammfläche die Sonnenblume „Giant Mutant

14/190/04“ zu züchten. Sie akkumuliert bis zu neunmal

mehr Schwermetalle als eine gewöhnliche Sonnenblume.

Pro Hektar und Jahr ließen sich damit von einer kontaminierten

Fläche nicht nur 26 t Trockenmasse ernten,

sondern beispielsweise auch über 13 kg Zink aus dem

Boden „saugen“.

Experten gehen davon aus, dass mit solchen speziellen

Energiepflanzen je nach Belastung des Areals in ein bis

zwei Jahrzehnten eine vollständige Schadstoffentfrachtung

möglich ist. Interessant wäre dies auch für fruchtbare,

aber nach Hochwasserereignissen oft schwermetallbelastete

Überschwemmungsgebiete.

Schadstoffentfernung beim Biogasprozess

Wohin nun mit den kontaminierten Energiepflanzen?

Diese Frage ist Ausgangspunkt eines Forschungsprojektes

bei der GICON GmbH. Das Unternehmen hat eine

speziell auf die energetische Verwertung strukturreicher

biogener Rest- und Abfallstoffe ausgerichtete Biogastechnologie

entwickelt. Bei dem Verfahren laufen die

mikrobiologischen Abbauprozesse in zwei getrennten

Stufen ab, deren Milieubedingungen unabhängig voneinander

regel- und optimierbar sind.

„Dadurch eignet sich das Verfahren auch sehr gut, um

Schwermetalle in kontaminierten Substraten während

des Biogasprozesses herauszulösen“, informiert Michael

Tietze von Gicon. Gegenwärtig werde zusammen mit der

TU Dresden eine Entfrachtungstechnologie entwickelt.

Dazu gehören großtechnische Versuche zur Schwermetalllösung

und -abtrennung im Technikum des Unternehmens

in Cottbus. Für diese Tests sucht Gicon Landwirte,

die etwa 40 Tonnen Silage von schwermetallbelasteten

Flächen bereitstellen können. Ansprechpartner ist

Michael Tietze, Tel. 01 51/53 833 252,

E-Mail: m.tietze@gicon.de

Germanium aus Gärprodukten gewinnen

An der Technischen Universität Bergakademie Freiberg

geht man noch einen Schritt weiter. „Wenn die Metalle

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Im Laborfermenter wird im Rahmen des Forschungsprojektes PhytoGerm ein

Aufschluss der Pflanzenproben wie beim Biogasprozess simuliert und anschließend

geprüft, wie viel Germanium sich aus den vergorenen Substraten gewinnen

lässt. Im Bild: Projektmitglied Norbert Schreiter.

Pflanzenproben von schwermetallbelasteten Flussläufen und alten Bergbauhalden

werden im Rahmen des Projektes Phytogerm als mögliche Rohstofflieferanten

für Germanium geprüft.

nun schon einmal mit großem Aufwand von der Pflanze

akkumuliert wurden, sollte man sie nicht als Schadstoff,

sondern als Rohstoff betrachten“, sagt Dr. Matthias Fuhrland.

Zusammen mit Prof. Dr. Hermann Heilmeier managt

er das Projekt PhytoGerm. Der Name ist Programm.

Denn die Freiberger Wissenschaftler wollen mit dem als

Phytomining bezeichneten Verfahren zunächst das Element

Germanium aus der Biomasse gewinnen.

Und dafür gibt es eine Reihe guter Gründe. Ohne das

silberglänzende Halbmetall gäbe es weder Nachtsichtgeräte

noch Wärmebildkameras, die künftig in der Fahrzeugindustrie

als Sensoren zur Personenerkennung

massenhaft Anwendung finden sollen. Unentbehrlich ist

Germaniumdioxid auch bei der Herstellung von Glasfasern.

Und Computerhersteller hoffen auf Silizium-Germanium-Chips,

die wesentlich weniger Strom verbrauchen

als Mikrochips aus reinem Silizium.

Das Element steht nach Expertenmeinung weit oben auf

der Liste der Rohstoffe, die in nächster Zeit wachsende

Bedeutung erlangen. Auf dem Markt kostet Germanium

aktuell 1.800 US-Dollar pro Kilogramm. Tendenz steigend.

Wohl auch deshalb fördert das Bundesministerium

für Bildung und Forschung das PhytoGerm-Projekt

mit 1,2 Millionen Euro.

Ein weiterer Grund resultiert aus der Art des Vorkommens.

Germanium ist quasi überall und nirgends, ähnlich

wie Silizium, auf der ganzen Welt etwa gleichmäßig

verbreitet, aber in viel niedrigerer Konzentration. Der

durchschnittliche Gehalt in der Erdkruste liegt bei 1,5

Gramm je Tonne. Eine wirtschaftliche bergmännische

Gewinnung dieses Rohstoffs ist daher nicht möglich. Nur

in den USA, Russland und China wird Germanium als

Nebenprodukt der Zinkerzaufbereitung gewonnen.

Extrahiert werden soll das Germanium aus dem Gärprodukt

von Biogasanlagen. „Die durch Substrataufbereitung

und Gärprozess aufgeschlossene Biomasse eignet

sich dafür besonders gut. Denn im Gegensatz zur Verbrennung

bleiben bei diesem kalten Prozess alle anorganischen

Spurenelemente enthalten und entschwinden

nicht als flüchtige Metallverbindungen durch den

Schornstein“, erläutert Prof. Dr. Martin Bertau, Direktor

des Institutes für Technische Chemie an der Bergakademie.

Phytomining beeinträchtige nicht die energetische Verwertung

der Substrate. Der Gärrückstand werde lediglich

vor dem Ausbringen auf dem Acker durch ein zusätzliches

Aggregat geleitet. Durch Zugabe von Kochsalz und

einem verfahrenstechnischen Trick erfolgt das Herauslösen

in Form von Germaniumchlorid, dem klassischen

Vorprodukt für die Germaniumgewinnung. „Von einem

Hektar mit entsprechend geeigneten Energiepflanzen

könnten Betreiber von Biogasanlagen, gemessen am

derzeitigen Marktpreis, Germanium im Wert von etwa

3.000 Euro zusätzlich erwirtschaften“, prognostiziert Dr.

Matthias Fuhrland.

Aber auch volkswirtschaftlich wäre der Gewinn beachtlich:

Mit der Nutzung von nur 1 Prozent der in Deutschland

geernteten Biomasse und einem durchschnittlichen

Gehalt von 100 ppm im Erntegut wären nach Berechnungen

der Freiberger Wissenschaftler jährlich schon

150 Tonnen Germanium zu erschließen. Zum Vergleich:

2009 wurden weltweit nur 140 Tonnen produziert.

Autor

Dipl.-Journ. Wolfgang Rudolph

Rudolph-Reportagen – Landwirtschaft, Umwelt,

Erneuerbare Energien

Kirchweg 10 · 04651Bad Lausick

Tel. 03 43 45/26 90 40

E-Mail: info@rudolph-reportagen.de

www.rudolph-reportagen.de

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