Sanierung kontaminierter Böden durch biologische Verfahren (G-SIG: 12010484)

Durch mikrobiologische Stoffwechselvorgänge einschließlich extrazellulärer enzymatischer Umwandlungen können organische Schadstoffe unter optimierten Laborbedingungen ab- oder umgebaut werden. Art und Umfang des Metabolismus und der Zeitverlauf dieser Prozesse sind sehr unterschiedlich. Die im Labor erreichbaren Leistungen der Mikroorganismen lassen sich in der Regel unter natürlichen Standortbedingungen nicht erzielen, da weder die Schadstoffe in einer „optimalen" Zusammensetzung, Dosierung und Verteilung vorliegen, noch die Mikroorganismen im Boden optimale Bedingungen für ihre Wachstums- und Stoffwechselaktivitäten vorfinden.

Eine gesicherte Unbedenklichkeit organischer Schadstoffe kann erst durch ihre vollständige Mineralisierung erreicht werden. Durch gezielte Optimierung der Standortbedingungen (Luft-Wasser-Verhältnis, Nährstoffangebot, pH-Wert, Temperatur) läßt sich die Abbauleistung vielfach erhöhen. Dies gilt insbesondere für Mineralöl, seine Bestandteile und Derivate. Kurzkettige n-Alkane werden relativ schnell, Verbindungen mit Kettenlängen C10 —C19 und Iso-Alkane dagegen langsam abgebaut. Die höheren Alkane, C20-C40, sind dem mikrobiellen Abbau nur schwer zugänglich.

Monozyklische Aromate können abgebaut werden. Der Abbau polycyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) ist ab vierkernigen Verbindungen sehr schwierig.

Halogenierte aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe werden je nach dem Grad der Halogenierung und der Stellung der Halogenatome im Molekül meist langsam oder nur teilweise abgebaut. Auch polychlorierte Biphenyle (PCB) sind im Boden teilweise abbaubar. Dagegen sind für hochkondensierte PAK, polychlorierte Dioxine und Furane (PCDD/F) gegenwärtig keine biologischen Dekontaminationsverfahren bekannt.

Bei Elementen, z. B. Schwermetallen, findet naturgemäß kein Abbau statt, ihre mikrobiell bewirkte Komplexierung ist jedoch möglich.

Eine Zusammenstellung von Schadstoffklassen, für die eine biologische Abbaubarkeit gegeben, bedingt gegeben und nicht gegeben ist, enthält die Tabelle 1.

Tabelle 1: Abbaubarkeit altlastenrelevanter Schadstoffklassen (BRYNIOK, 1991)

• abbaubar Mineralölkohlenwasserstoffe Aromaten (z. B. Benzol, Toluol, Xylol) Phenole Leichtflüchtige CKW PAK Chlorbenzole Chlorphenole einige Iscktizide Cyanide Nitroaromaten
• bedingt abbaubar langkettige Alkane verzweigte Alkane Alkene Cycloalkane höher kondensierte PAK PCB einiige Cyania
• nicht abbaubar Schwermetalle Polymere Radioisotope PAK PCDF PCDD komplexierte Polynitroaromaten

Die großtechnisch eingesetzten biologischen Sanierungsverfahren lassen sich grundsätzlich unterteilen in — Mietenverfahren, — Reaktorverfahren, — „in situ"-Verfahren.

Mietenverfahren und Reaktorverfahren sind sowohl „on site" als auch „off site" einsetzbar, „off site" jedoch nur, sofern der Transport des Bodenmaterials hygienisch und wirtschaftlich mit vertretbarem Aufwand möglich ist.

Inzwischen wird eine große Zahl von Verfahren zur biologischen Bodensanierung kommerziell angeboten. In Anlage 1 ist ein Verzeichnis von insgesamt 75 Verfahrensanbietern beigefügt, das allerdings keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt.

Von den im Rahmen des BMFT-FuE-Vorhabens „Technologieregister zur Sanierung von Altlasten" erfaßten 28 biologischen Sanierungsverfahren (Stand Dezember 1990) waren — 17 „on site" -/ „off site"-Mietenverfahren, — 10 „in situ"-Verfahren, und — 1 „off site"-Reaktorverfahren.

Detailliertere Informationen wird die Neuauflage des „UBA-Wegweisers für Altlasten und Bodensanierung — eine Information über Planer, Firmen und Gutachter", enthalten, die für Anfang 1992 geplant ist.

In der Praxis ist ein Trend zur Errichtung von Bodensanierungszentren erkennbar, in denen kontaminierte Böden „off site" unter Anwendung einer oder mehrerer Verfahrenstechniken behandelt werden.

Aus Anlage 2, in der eine Zusammenstellung von realisierten oder geplanten Bodenreinigungszentren enthalten ist, geht hervor, daß in der Bundesrepublik Deutschland bereits sechs Zentren zur biologischen „off site"-Behandlung betrieben werden. In diesen Anlagen kommen Mietenverfahren zum Einsatz.

Die der Bundesregierung bekannten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung der in der Antwort auf die Frage 2 angeführten Verfahren. Die Optimierung betrifft die Leistungssteigerung der Mikroorganismen, Schaffung günstiger Nährstoff- und Standortbedingungen für die Mikroflora, Verbesserung der biologischen Verfügbarkeit der Schadstoffe, Monitoring des Sanierungsverlaufs, Verfahrensbestimmung für eine gegebenenfalls erforderliche Nachbehandlung des sanierten Bodens und Bewertung des Sanierungserfolgs.

Von den Projektträgerschaften des Bundesministeriums für Forschung und Technologie werden derzeit elf FuE-Vorhaben auf dem Gebiet der mikrobiologischen Bodensanierung gefördert. Davon liegen neun Projekte in der Zuständigkeit des Projektträgers Abfallwirtschaft und Altlastensanierung beim Umweltbundesamt und zwei Projekte in der Zuständigkeit des Projektträgers Wassertechnologie beim Kernforschungszentrum Karlsruhe.

Weitere ca. zwanzig Projekte sind zur Förderung beantragt.

Bei den z. Z. geförderten elf Vorhaben ist die Weiterentwicklung von Mietenverfahren bei drei Projekten und die Weiterentwicklung von „in situ"-Verfahren bei acht Projekten Gegenstand der Förderung.

Darüber hinaus wird Forschungsförderung auf dem Gebiet der biologischen Bodensanierung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (u. a. durch den Sonderforschungsbereich Altlasten an der Universität Hamburg-Harburg), von den Ländern und von privaten Unternehmen betrieben.

Die Untersuchungsgegenstände im Rahmen von Verfahrensentwicklungen bzw. -weiterentwicklungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: — Identifizierung und Überwindung limitierender Bedingungen im Systemkomplex Kontamination/Boden/Mikroorganismen, — Verbesserung der Bioverfügbarkeit von Stoffen, — Eintrag/Etablierung von spezifisch wirksamen einschließlich speziell gezüchteter Mirkoorganismen, — Erprobung des Abbaus weiterer biologisch grundsätzlich metabolisierbarer Schadstoffe, insbesondere aus Rüstungsaltlasten und Altlasten der chemischen Industrie, — Vergleichsuntersuchungen zur Übertragung von Laborversuchsergebnissen auf die Praxis, - Erweiterung der Risiko- und Gefährdungsabschätzung durch biologische Tests und Analyse von Langzeitwirkungen, — Standardisierung von Screeningversuchen, — Standardisierung der Verfahrens- und Erfolgskontrolle, — Entwicklung von Verfahren zur Stoffbilanzierung, — Bestimmung erreichbarer Restkonzentrationen und deren ökologische und toxikologische Bewertung, — Messung, Behandlung und Kontrolle der gasförmigen und ggf. flüssigen Emissionen, — Nachbehandlung sanierter Böden, — Wiederverwendung biologisch sanierter Böden, — Weiterentwicklung der „in situ"- und Mietenverfahren sowie von Reaktoren und Reaktorverfahren.

Wichtige dabei auftretende Fragestellungen werden im Rahmen von Forschungsvorhaben des Bundesministeriums für Forschung und Technologie bearbeitet. Zu nennen sind: Biologische Umwandlung, Entgiftung und Abbau dioxinartiger Verbindungen Hieran arbeiten: Universität Hamburg, Technische Universität Hamburg-Harburg, Universität Bielefeld, Gesellschaft für Biotechnologische Forschung Braunschweig, Universität Greifswald, Fa. Natex (Hamburg). Es werden dabei die Bakterienstämme Pseudomonas und Streptomyzeten sowie Hefe und Weißfäulnis-Pilze eingesetzt. Enzymatische Halogenierung und Dehalogenierung Hieran arbeiten: Universität Hohenheim, Fraunhofer-Gesellschaft-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (Stuttgart), Fa. Boehringer (Mannheim), Fa. Deutsche Solvay (Rheinberg). Es werden dabei die Bakterienstämme Pseudomonas und Streptomyzeten eingesetzt. Verbesserung des mikrobiellen Abbaus und der Lumineszens-Analytik von Erdölprodukten im Boden Hieran arbeiten: TU Braunschweig, Fa. Biodetox (Ahnsen), Umweltschutz Nord (Ganderkesee), Fa. Spectoscopy Instruments (Cilching). Es werden dabei verschiedene Bakterienstämme eingesetzt. Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen zum mikrobiellen Abbau von Bodenkontaminationen durch Dieselkraftstoff, Mineralöl Hieran arbeitet die Fa. Maschinen- und Anlagenbau Grimma (Leipzig). Es ist das Ziel der Arbeiten, ggf. auch bisher nicht bekannte abbaufähige Organismen aufzufinden. Thermophile Mikroorganismen für die Bodensanierung Hieran arbeitet das Institut für Biotechnologie (Leipzig). Es wird dabei der Bakterienstamm Bacillus eingesetzt. Technische Untersuchungen zur Bodensanierung („in situ", „on site") im Labor- und Technikumsmaßstab Hieran arbeitet die Fa. Forschungszentrum Biotechnologie Berlin. Angaben zu den dabei verwendeten Organismen liegen nicht vor. Biologische Schadstoffeliminierung aus Böden durch Rhizosphären Mikroben Hieran arbeitet die Friedrich-Schiller-Universität Jena. Es werden dabei der Bakterienstamm Rhizosphären und Mykorrhiza-Pilze eingesetzt.

Außer den hier genannten sind auf dem Gebiet der mikrobiologischen Bodensanierung zahlreiche weitere wissenschaftliche Einrichtungen und Unternehmen tätig.

Im Rahmen seines Förderkonzeptes Biotechnologie 2000 beabsichtigt das Bundesministerium für Forschung und Technologie in Kürze die Einrichtung eines Programmschwerpunkts Umweltbiotechnologie. Damit soll die Entwicklung neuer biologischer Verfahren zur Umweltentlastung (einschließlich Verfahren zur Verwertung von Reststoffen und zur Vermeidung von Schadstoffanfall), insbesondere zur Reinigung von Abwasser, Abluft und Böden verstärkt werden.

Eine vollständige Übersicht über die Bakterien, Hefen und Pilze, die bei den Verfahrensentwicklungen zur biologischen Bodensanierung eingesetzt werden, liegt nicht vor. Besondere Bedeutung haben die Kohlenwasserstoffe abbauenden Mikroorganismen.

Insbesondere folgende Gattungen sind zu nennen:

• Bakterien: Achromobacter, Acinetobacter, Actinomyces, Aeromonas, Alcaligenes, Arthrobacter, Azotobacter, Bacillus, Bacterium, Brevibacterium, Caulobacter, Chromobacterium, Clostridium, Corynebacterium, Cytophaga, Desulfovibrio, Erwinia, Flavobacterium, Hyphomicrobium, Leptothrix, Methanobacterium, Methanomonas, Methylococcus, Micrococcus, Microcystis, Micromonospora, Mycobacterium, Nocardia, Proteus, Pseudobacterium, Pseudomonas, Sardina, Serratia, Sphaerotilus, Spirillum, Streptomyces, Thibacillus, Vibrio, Xanthomonas
• Hefen und Pilze: Absidia, Acremonium, Aspergillus, Beauvaria, Botrytis, Candida, Cephalosporium, Chaetomium, Chloridium, Chrysosporium, Cladiosporium, Claviceps, Cochliobolus, Collectrichum, Cryptococcus, Cunningharnella, Cylindrocarpen, Debaryomyres, Dematium, Endomyces, Epicoccum, Geotrichum, Gliocladium, Graphium, Hansenula, Helicostylum, Helminthosporium, Humicola, Monilia, Pseudomonas

Bisherige in- und ausländische Erfahrungen zeigen, daß biologische Sanierungsmaßnahmen im Bodenbereich am wirksamsten sind, wenn die standorteigene Mikroflora z. B. durch Bereitstellung von Nährstoffen (Nitrat, Phosphat) oder einen Elektronenakzeptor (Sauerstoff, Wasserstoffperoxid) stimuliert wird. Vorkulturen zur Aufkonzentrierung der Bakterienpopulationen von verunreinigten Standorten haben sich bewährt. Extern hergestellte Präparate brachten im Vergleich dazu in der Regel keine befriedigenden Ergebnisse.

Von den Projektträgerschaften des Bundesministeriums für Forschung und Technologie wurden seit 1985 sechzehn Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zur mikrobiologischen Bodensanierung mit einem Mittelvolumen von insgesamt 20 845 804 DM gefördert. Informationen dazu enthält Tabelle 2.

Weiter ist noch das Projekt „Entwicklung eines Verfahrens zur „in situ"- Reinigung von mit polycyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen kontaminierten Sandböden bei der Fa. Herbst Ingenieurgesellschaft (Berlin) zu nennen. (Laufzeit 1986 bis 1989, Fördermittel: 762 126 DM.)

Tabelle 2: Geförderte Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zur mikrobiologischen Bodensanierung

• Nr. geförderte Institutionen Laufzeit Verfahren in-situ-on-site/ off-site Förderbetrag 1. Stadt Hamburg 1985 bis 1988 x 804 450 2. IWL (Köln) 1986 bis 1987 x 58 200 3. Probiotec 1986 bis 1988 x 331 785 4. Inst. f. Umweltanalytik und Biotechnologie 1986 bis 1988 x x 438 470 5. TU Hamburg 1986 bis 1992 x x 1 064 174 6. TU Braunschweig 1987 bis 1989 x 1 933 000 7. TU Göttingen 1987 bis 1991 x 1 030 505 8. Ruhrkohle Öl und Gas GmbH 1988 bis 1993 x 817 373 9. Biodetox 1988 bis 1991 x x 647 000 10. DMT 1988 bis 1993 x 4 811 958 11. HDI 1988 bis 1992 x 1 253 103 12. Land Hessen 1989 bis 1992 x x 2 492 042 13. Degussa AG 1989 bis 1991 x 487 300 14. UNI Karlsruhe 1990 bis 1993 x 2 945 210 15. TU Braunschweig 1990 bis 1991 x 959 920 16. Bauer-Spezial Tiefbau 1990 bis 1993 x 771 314 20 845 804

Die Abschlußberichte der FuE-Vorhaben sind von den Projektträgerschaften des Bundesministeriums für Forschung und Technologie erhältlich. Sie sind bzw. werden gespeichert und sind online verfügbar bei der Technische Informationsbibliothek (TIB) Abteilung Deutsche Forschungsberichte Welfengarten 1 b 3000 Hannover 1.

Die Ergebnisse werden außerdem i. d. R. von den Autoren in einschlägigen Fachzeitschriften veröffentlicht.

Soweit es die Sanierung PAK-belasteter Böden betrifft, ist noch auf die folgenden beiden Untersuchungsvorhaben hinzuweisen, die durch das Land Nordrhein-Westfalen gefördert wurden: — Mikrobiologische Bodenreinigung an der Feuer- und Rettungswache, Florianweg, Eschweiler (PAK-Abbau in einem Reaktor), — Vergleichende Feldversuche zur mikrobiologischen Sanierung PAK-belasteter Böden in Solingen Ohligs.

Es ist eines der Ziele gentechnischer Forschung, Mikroorganismen mit spezifischen Abbaufähigkeiten herzustellen. In der wissenschaftlichen Literatur sind Berichte über Erfolge beim Schadstoffabbau durch gentechnisch veränderte Mikroorganismen unter Laborbedingungen veröffentlicht worden.

Bevor ein Einsatz dieser Mikroorganismen und Verfahren für Sanierungszwecke in Frage kommt, sind jedoch erhebliche Schwierigkeiten zu überwinden. Die entwickelten Laborstämme sind bisher in der Regel unter natürlichen Bedingungen nicht hinreichend überlebens- und vermehrungsfähig. Es ist nachzuweisen, daß die erwünschten Abbauleistungen auch unter Umweltbedingungen stattfinden und nachteilige Auswirkungen der Freisetzung nicht zu besorgen sind.

Laborexperimente mit gentechnisch veränderten Organismen werden auch in der Bundesrepublik Deutschland durchgeführt; z. B. im Rahmen des o. g. Projekts zum Abbau von Dioxin-Verbindungen. Die Experimente müssen unter Einhaltung der Vorschriften des Gentechnikgesetzes durchgeführt werden.

Tabelle 3 enthält eine Aufstellung konkreter Sanierungsvorhaben, bei denen auch Bundesmittel eingesetzt wurden und werden.

Über die Rechts- und Organisationsformen der Zusammenarbeit der wissenschaftlichen Einrichtungen und Firmen, die die Verfahren entwickeln bzw. entwickelt haben, und den Beh��rden und Unternehmen, die die Sanierungsmaßnahmen durchführen, liegen der Bundesregierung im einzelnen keine Informationen vor. Die fachliche Zusammenarbeit ist in der Regel zwangsläufig eng. Bei den in Tabelle 3 genannten Sanierungen wurden keine gentechnisch veränderten Mikroorganismen eingesetzt.

Tabelle 3: Fördervorhaben des Bundes mit mikrobiologischen Verfahren bei konkreten Sanierungen

• Nr. Zuwendungsempf. Titel Region Laufzeit Verfahren 1 Stadt Hamburg 1) Verbundvorhaben Georgswerder: Neue Hamburg 1985 bis 1988 Reaktor Verfahren und Methoden zur Sanierung Altlasten — TV 2 Behandlungssystem für die Stauflüssigkeit 2 HDT in situ-Sanierung eines KW-Schadens NRW/Münster 1988 bis 1992 in situ-Ozonisierung 3 UNI Karlsruhe in situ-Sanierung KW-belasteter Böden BW/Karlsruhe 1990 bis 1993 in situ-Verfahren 4 TU Braunschweig Verfahrensentwicklung zur biol. Nach- Niedersachsen 1990 bis 1991 in situeinigung, in-situ eines lösemittelkonta- Verfahren minierten Bodens im Anschluß an eine zweijährige Sanierungsphase mit 90 %iger Schadstoffverringerung 5 Stadt München Modellhafte Sanierung des ehem. Gas- Bayern/ 1990 bis 1994 on site-Mietenwerksgeländes: Dachauer Str. München verfahren 6 Stadt Saarbrücken Modellhafte Sanierung des Burbacher Saarland 1990 bis 1994 on site-Mieten- Hüttengeländes verfahren (Pilotvers. ) 7 Stadt Bochum 2) Modellhafte integrierte Mehrkomponen- NRW/Bochum 1990 bis 1994 z. Z.Verfahrenstensanierung großflächiger Indust rie- auswahl: Tenbrachen denz: on site- Böden Mietenverf. 8 ARGE Boden- Modellhafte mikrobiologische NRW/Münster 1990 bis 1994 off site-Mietensanierungsanlage Behandlungsanlage zur Dekontaminie- verf. in zentraler, Münster rung PCB-belasteter Altlastenböden stationärer Anlage 1) BMFT-Vorhaben 2) BMU-Investitionsvorhaben

Ziel eines mikrobiellen Schadstoffabbaus ist eine möglichst vollständige Mineralisierung zu einfachen anorganischen Verbindungen. Durch die chemische Komplexität der bei Bodenkontaminationen vorkommenden Schadstoffe sowie durch die mit den Standortbedingungen variierenden Umweltfaktoren und Zusammensetzung der Mikroflora können jedoch auch Produkte entstehen, die von der autochthonen Mikroflora nicht weiter abgebaut werden können (sogenannte „dead end''-Produkte). Art und Menge dieser Produkte hängen von den genannten Faktoren ab und lassen sich somit nicht im einzelnen auflisten. Unter ungünstigen Bedingungen können diese Produkte im Boden verbleiben, ins Grundwasser ausgewaschen werden oder, soweit es leichtflüchtige Stoffe sind, aus dem Substrat ausgasen. Erfolgt die biologische Bodensanierung in geschlossenen Anlagen, können die anfallende Abluft und die Abwässer erfaßt und einer Behandlung zugeführt werden.

Die Abnahme einer Schadstoffkonzentration in Böden kann einen Sanierungserfolg vortäuschen, wenn die bei Anwendung bestimmter Verfahren auftretenden Metabolite ihrerseits umweltschädlich sind.

Aus diesem Grund ist es ein vorrangiges Ziel der derzeit laufenden Forschungsvorhaben, die chemische Natur der Zwischen- und Abbauprodukte sowie ihre spezifischen Eigenschaften und Verhaltensweisen zu untersuchen und während des Prozesses der Sanierung nachzuweisen. Diese Kenntnisse sind erforderlich, um den Sanierungserfolg zu kontrollieren.

Sofern die Durchführung einer biologischen Sanierungsmaßnahme im Rahmen der Zulassung einer Abfallentsorgungsanlage gemäß § 7 AbfG erfolgt, ist bei der hierfür erforderlichen Planfeststellung eine Umweltverträglichkeitsprüfung gemäß § 7 Abs. 1 Satz 2 AbfG durchzuführen. Dabei werden die von der Anlage ausgehenden Umweltauswirkungen umfassend ermittelt, beschrieben und bewertet.

Die Entscheidung, ob ein Planfeststellungsverfahren gemäß § 7 Abs. 1 AbfG durchzuführen ist oder ob gemäß § 7 Abs. 2 AbfG eine Plangenehmigung erteilt werden kann, obliegt im Einzelfall der zuständigen Landesbehörde. Der Bundesregierung ist nicht bekannt, ob im Zusammenhang mit der biologischen Sanierung kontaminierter Böden eine Umweltverträglichkeitsprüfung durchgeführt wurde.