Das Potenzial des biologischen LCKW-Abbaus - Sensatec Berlin

FORSCHUNG & ENTWICKLUNGEs gilt: c = c 0× e -λ × tmit c…Konzentration zum Zeitpunkt t; c0…Konzentration zu Beginn; λ…Abbaurate;t…ZeitFür TCE wurde eine mittlere Abbaurate von0,025 d -1 und für c-DCE von 0,012 d -1 ermittelt.Da der Abbau von c-DCE im vorliegendenFall der geschwindigkeitsbestimmendeSchritt ist, kann diese Abbaurate als repräsentativfür den gesamten LCKW-Abbauangesehen werden. Es findet sich eine überraschendgute Übereinstimmung mit [6],wo eine Abbaurate von 0,018 d -1 (LCKW-Summe) bei deutlich geringeren Ausgangsbelastungenvon 0,25 mg/l ermittelt wurde.Anaerober Stoffwechsel,Redoxpotential und Abbauder LCKWObligate und strikt anaerobe Bakterien verwendeneine organische Substanz (oderKohlendioxid) als Kohlenstoffquelle für dasWachstum, während die Energie für denStoffwechsel und die Synthese der Biomassedurch gekoppelte Redoxreaktionen geliefertwird (siehe auch Bild 8). Die Energiewird durch die Übertragung des gebildetenWasserstoffs, genau genommen von Reduktionsäquivalenten(H + + e - ), von den jeweiligenElektronendonatoren auf einen Elektronenakzeptorerhalten. Als Elektronenakzeptorenwerden, abhängig vom Redoxpotential,Nitrat, Mangan, Eisen, Sulfat,Fumarat, Kohlendioxid bzw. Carbonat benutzt.Dieser Prozess wird als anaerobe Atmungbezeichnet. Die anaeroben Atmungenwerden nach den Elektronenakzeptorenbenannt, wie z.B. Nitratatmung oderSulfatatmung.LCKW werden im Zuge der anaerobenAtmung reduktiv dechloriert, wobei die Dechlorierungauf zwei Prozessen beruhenkann: cometabolische Dechlorierung respiratorische DechlorierungBei der cometabolischen Dechlorierungwerden eher zufällig, in Nebenreaktionen,Reduktionsäquivalente übertragen. Bei derrespiratorischen Dechlorierung hingegenwerden die LCKW als alternative terminaleElektronenakzeptoren verwendet, d.h. dieÜbertragung von Reduktionsäquivalentenliefert einen Energiegewinn für die Mikroorganismen,die Dechlorierungsraten sinddementsprechend höher [8, 9]. Der Prozessder respiratorischen Dechlorierung ist alsoeine Form der anaeroben Atmung und wirddeshalb auch als Dehalorespiration bezeichnet.Das Redoxpotential und der biologischeAbbau stehen in engem Zusammenhang: Indem Maße, in dem Elektronenakzeptorenund Nährstoffe verbraucht werden, sinktparallel dazu das Redoxpotential. Generellwird zunächst den Reaktionen der Vorzuggegeben, bei denen mehr Energie frei wird.Der Abbauprozess von LCKW steht also inBild 9: zu erwartenderDOC in Abhängigkeitvom erzieltenInjektionsradiusBild 10: Entwicklungder DOC-Gehalte imInjektionsbereich desTestfeldes (Gesamtheitaller Messungen)und Regression miteinem Abbau ersterOrdnung sowieAngabe einerSchwankungsbreitetheoretischer DOC [mg/l]DOC [mg/l]4.0003.5003.0002.5002.0001.5001.000700600500400300200100500000 1 2 3 4 5 6 7ROI [m]TF1 InjektionsbereichKonkurrenz zu anderen, im Grundwasserund Boden typischen Redoxprozessen. Tabelle1 gibt einen Überblick über wichtigeim Untergrund ablaufende Redoxreaktionenund die dazugehörigen Redoxpotenzialeund freien Gibbs´schen Energien.Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, dass dieReduktion von Nitrat und Mangan einenhöheren Energiegewinn für die Mikroorganismenliefert. Dementsprechend wird derin den anaeroben Stoffwechselprozessengebildete Wasserstoff bevorzugt auf dieseVerbindungen übertragen. Dadurch ist begründet,warum die Dechlorierung bei [13]und [14] u.a. erst bei hinreichend negativemRedoxpotential beobachtet wird. DesWeiteren wird ersichtlich, dass der Schrittder Umsetzung von c-DCE zu VC den thermodynamischungünstigsten Prozess beider Dechlorierung darstellt. Dass in LCKW-Fahnen an kontaminierten Standorten häufigc-DCE als Hauptkomponente auftritt[15], muss demzufolge nicht zwangsweisebedeuten, dass c-DCE nicht abgebaut wirdoder die dafür erforderlichen Mikroorganismennicht vorhanden sind. Eine Ursachekann auch sein, dass die Produktion von c-DCE thermodynamisch begründet schnellerabläuft als seine weitere Reduktion.Nach [6] ist ein vollständiger Abbau derLCKW nur nach erfolgter Sulfatreduktion zuerwarten. Die freien Gibbs´schen Energiender Sulfatreduktion und der Reduktion derLCKW liegen jedoch dicht beieinander. InLaborversuchen wurde von [16] gefunden,dass die Dechlorierung von PCE zu c-DCEund VC sowie die Sulfatreduktion bei ausreichendemWasserstoffangebot gleichzeitigablaufen können. In [17] wird von einerSulfatkonzentration von 5 mM (entsprechend480 mg/l) ausgegangen, bis zu derdie Dechlorierung nicht gehemmt wird. EineHemmung der Dechlorierung durch Sulfatan sich ist daher sehr unwahrscheinlich.Wahrscheinlich ist, dass sich beide Redoxprozessenicht ausschließen, dass jedochder verfügbare Wasserstoffanteil für die Dechlorierungin Anwesenheit von Sulfat geringerwird und damit den biologischen Abbauder LCKW verlangsamt [16].Im Unterschied zu Laborversuchen mitwässriger Phase kann es in realen Grundwasserleiternzur Ausbildung von Biofilmenkommen. Diese begünstigen die Ausbildungvon Mikrozonen, in denen ein vomübrigen Grundwasserleiter abweichendesRedoxmilieu herrschen kann. Neben einemdominierenden Redoxprozess sind je nachRandbedingungen weitere Redoxprozessemöglich, zu denen auch biologische Abbauprozessewie die Dechlorierung gehörenkönnen.Injektionsradiusc = 1.100e -0,030*t0 20 40 60 80 100 120 140 160TageEine wichtige Größe bei der Planung vonIn-situ-Maßnahmen ist der Injektionsradius(Radius of Influence, ROI) der verwendetenInjektionstechnik zur Einbringung derSanierungshilfsstoffe. Für die eingebrachteMelasse kann der erzielte ROI über denDOC ermittelt werden: Unter der Annahmeder Injektion in einem Zylinder kann beibekanntem Porenvolumen, bekannter In-TerraTech 1-2/2007 TT 5