Bioremediation

Datenblätter - NBSOIL - Klimaresilienz, Bodenregeneration, Kohlenstoffkreislauf und Treibhausgase

Phytoreinigung Bodenreinigung Dekontamination Mikrobiologie Mykoremediation Algen Pilze Bakterien

Der Bioremediationsprozess

Bioremediation ist ein Verfahren, bei dem lebende Organismen wie Bakterien, Pilze oder Pflanzen (Phytoremediation) eingesetzt werden, um verschmutzte Böden, Gewässer oder Luft zu entgiften. Diese Organismen bauen Schadstoffe ab, neutralisieren sie oder wandeln sie in weniger giftige oder umweltschädliche Verbindungen um.

Warum Böden entgiften?

Mit der rasanten Entwicklung der Weltwirtschaft führen Übernutzung und Ausbeutung natürlicher Ressourcen zur ständigen Freisetzung von Schwermetallen in die Umwelt, insbesondere durch Aktivitäten wie Bergbau und die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Diese Metalle sind giftig für die Umwelt und die Gesundheit von Ökosystemen, Tieren und Menschen. Nach Schätzungen der Europäischen Kommission sind 2,8 Millionen europäische Standorte potenziell kontaminiert. .

Hauptschadstoffe

Kohlenwasserstoffe und Metalle (sowie Halbmetalle) sind die beiden wichtigsten Schadstoffgruppen, die Böden und Grundwasser in Frankreich beeinträchtigen.

Kohlenwasserstoffe

Sie kontaminieren 61 % der Böden und 64 % des Grundwassers an den in der „Basol“-Datenbank aufgeführten kontaminierten Standorten. Insgesamt sind verschiedene Kohlenwasserstoffgruppen (Mineralien, chlorierte Kohlenwasserstoffe, PAK (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe)) an 65 % der gesamten Boden- und Grundwasserverschmutzung beteiligt.

Metalle und Halbmetalle

Sie verschmutzen 48 % der Böden und 44 % des Grundwassers an belasteten Standorten und machen fast 25 % der in Böden und Gewässern vorkommenden Schadstoffe aus. Blei, Chrom und Kupfer sind die am häufigsten nachgewiesenen Metalle. Blei kommt in 17 % der Böden und 9 % des Grundwassers vor. Chrom und Kupfer kommen in 14 % der Böden und 7 % des Grundwassers vor. .

Wo befinden sich die belasteten Standorte?

• 

  Grenzwertüberschreitungen für Schwermetalle in Klärschlamm (grün)

• 

  Grenzwertüberschreitungen für Cadmium, Kupfer, Quecksilber und Zink (rot)

• 

  Pesticide residues in number of substances found (dark red: >10; red: 6 to 10; yellow: 2 to 5;: 1; white: 0)

Interaktive Karten aus demselben Bericht sind hier verfügbar.

Traditionelle Methoden

Bodensanierung kann wie folgt erfolgen:

• Aushub: Kontaminierter Boden wird ausgehoben (abgetragen) und zu spezialisierten Behandlungszentren transportiert.
• Eindämmung: Schadstoffe werden im Boden isoliert oder immobilisiert, um ihre Ausbreitung zu verhindern (feste Matrix, undurchlässige Schicht). Wird eingesetzt, wenn ein Aushub nicht möglich ist.
• Thermische Behandlung:
  • Verbrennung: Der Boden wird auf sehr hohe Temperaturen erhitzt, um organische Verbindungen zu zersetzen.
  • Thermische Desorption: Flüchtige Schadstoffe werden erhitzt, um zu verdampfen, und anschließend aufgefangen.
• Bodenwäsche: Der Boden wird mit Wasser, Lösungsmitteln oder chemischen Lösungen gewaschen, um die Schadstoffe zu extrahieren. Feine Partikel oder lösliche Schadstoffe werden durch Rühren oder Zentrifugieren abgetrennt. Das Abwasser wird anschließend separat behandelt.
• Chemische Extraktion oder Stabilisierung: Verwendung chemischer Reagenzien, um Schadstoffe zu lösen oder umzuwandeln und sie aus dem Boden zu extrahieren oder sie weniger mobil/giftig zu machen.

Die Hälfte des verschmutzten Bodens wird ausgegraben oder an speziellen Standorten gelagert (Ausgrabung: 29 %; Lagerung: 19 %), aber 25 % dieses Bodens werden biologisch behandelt.

Bioremediation

Es gibt verschiedene Arten der Bioremediation.

Mikroorganismen stimulieren oder hinzufügen?

Biostimulation (oder intrinsische Bioremediation)

Sie besteht darin, die Aktivität der einheimischen Mikroflora einer bestimmten Umgebung zu steigern, indem der Mangel an einem grundlegenden Element für den biologischen Abbau eines Kohlenwasserstoffs durch die Zufuhr von Nährstoffen und/oder Elektronenakzeptoren (Sauerstoff, Nitrat, Sulfat) ausgeglichen wird. Beispiele hierfür sind:

• Wasserlösliche Mineraldünger für die Landwirtschaft oder den Gartenbau, bestehend aus Stickstoff und Phosphor,
• Feste Medien mit langsamer Freisetzung: N und P kombiniert mit einem festen Kohlenstoffelement,
• Flüssige oleophile Medien, die entwickelt wurden, um eine Nährstoffversorgung so nah wie möglich an der bakteriellen Aktivität (an der Wasser-Kohlenwasserstoff-Grenzfläche) zu gewährleisten.

Bioaugmentation

Sie besteht aus der Zugabe von exogenen Mikroorganismen in eine Umgebung, die durch das Fehlen oder Fehlen von Bakterien-Hydrohydroklasten gekennzeichnet ist. Die Bioaugmentation erfolgt in der Regel durch Aufsprühen eines rehydratisierten Lyophilisats.

Verschiedene Bioremediationstechniken

Biopiles oder Biopiles

Prinzip eines Biopiles, BRGM, 2023

Es handelt sich um eine Ex-situ-Behandlungstechnik, die die Aktivität aerober oder fakultativ aerober Mikroorganismen stimuliert, die für den biologischen Abbau von Schadstoffen im Boden verantwortlich sind. Kontaminierte Böden werden im Wesentlichen ausgehoben und zu Haufen (Biopiles) aufgeschüttet, die typischerweise 0,91 bis 3,05 m hoch und relativ begrenzt in Breite und Länge sind. Der Biobrennstoffhaufen muss so konzipiert und betrieben werden, dass optimale Temperatur-, Feuchtigkeits-, Belüftungs- und Nährstoffbedingungen herrschen, um den biologischen Abbau der Schadstoffe zu fördern. Der biologische Abbau erfolgt in der Regel durch einheimische Mikroorganismen, manchmal kann jedoch die Zugabe spezifischer Mikroorganismen erforderlich sein. Die Zugabe von Strukturmitteln wie Holzspänen und Zusätzen kann erforderlich sein, um die Luftzirkulation in der Biobrennstoffzelle zu verbessern und den biologischen Abbau zu fördern..

Bioreaktoren

Funktionsweise eines Bioreaktors, BRGM, 2023

Bei dieser Technik wird verunreinigter Boden mit Wasser und verschiedenen Zusätzen vermischt, um die Bodenpartikel im Wasser zu suspendieren und ein Schlammgemisch zu bilden. Der entstehende Schlamm wird in Bioreaktoren biologisch behandelt und anschließend entwässert.. Ziel ist es, die Kontaktfläche zwischen Schadstoffen und den für ihren biologischen Abbau verantwortlichen Mikroorganismen in einer kontrollierten Umgebung zu vergrößern. .

Natürliche Schadstoffminderung

Die natürliche Schadstoffminderung ist keine Sanierungsmaßnahme im eigentlichen Sinne, sondern eine Maßnahme zur Schadstoffbewirtschaftung. Sie erfolgt ohne direkte menschliche Eingriffe (mit Ausnahme der Überwachung) und zielt darauf ab, Masse, Toxizität, Mobilität, Volumen oder Konzentration von Schadstoffen zu reduzieren. Überwachungsgeräte, hauptsächlich Piezometer, ermöglichen die Überwachung einer Reihe von Parametern: Schadstoffkonzentrationen, Konzentrationen gelöster Gase, Elektronenakzeptorkonzentrationen, TOC-Konzentrationen, Bakterienzahlen, physikochemischen Parametern und dem Rebound-Effekt. .

Prinzip des Bioventings, BRGM, 2023

Bioventilation

Bioventing beinhaltet die Stimulierung einheimischer Mikroorganismen durch Zugabe eines Gases (meist Luft), um organische Schadstoffe (meist Erdölkohlenwasserstoffe) im ungesättigten Boden abzubauen. Luft wird meist in die ungesättigte Zone (vadose Zone) eingespeist, kann aber an manchen Standorten auch aus der ungesättigten Zone abgesaugt werden. Die häufigste Anwendung von Bioventing ist die Zufuhr von Luft, um die Sauerstoffkonzentration auf über 5 % zu erhöhen und so den biologischen Abbau von Kohlenwasserstoffverunreinigungen zu fördern..

Prinzip des Biosparging, BRGM, 2023

Biosparging

Biosparging fördert den biologischen Abbau durch die Erhöhung des gelösten Sauerstoffgehalts durch Injektionsbohrungen im Boden oder Wasser. Die zugeführte Luft ermöglicht in erster Linie das Wachstum der aeroben mikrobiellen Population, erleichtert aber auch den Kontakt zwischen Luft, Wasser und Grundwasserleiter, was die Desorption von Schadstoffen fördert. Biosparging wird oft mit Sparging verwechselt. Biosparging wird eingesetzt, wenn der biologische Abbau größer ist als die Verflüchtigung. .

Landfarming-Prinzip, BRGM, 2023

Landfarming

Das Prinzip besteht darin, verunreinigte Böden in einer dünnen Schicht (30 cm) und auf großen Flächen auszubreiten, wodurch eine Wechselwirkung zwischen der verunreinigten Matrix und der Atmosphäre ermöglicht wird. Ziel ist die Förderung der Belüftung und damit des aeroben Abbaus. Die Bodenbearbeitung ermöglicht eine regelmäßige Belüftung. Der biologische Abbau kann durch die Zugabe von Nährstoffzusätzen gefördert werden. Kontaminierte Böden müssen auf undurchlässigen Untergründen (Asphalt, Geomembran oder seltener Beton) ausgebracht werden, um eine Verschmutzung von Boden und Grundwasser zu vermeiden.

Kompostierungsprinzip, BRGM, 2023

Kompostierung

Bei der Kompostierung wird ausgehobener Boden mit organischen Zusätzen (Kompost) vermischt und in regelmäßigen Abständen trapezförmig aufgehäuft (auch Mieten genannt), um den biologischen Abbau zu fördern. Die organische Substanz kann tierischen oder pflanzlichen Ursprungs sein. Kompost wirkt biostimulierend (Versorgung mit Nährstoffen, Kohlenstoff, Stickstoff usw.), bioaugmentierend (Versorgung mit Bakterien) und belüftet (Versorgung mit Strukturbildnern und porösen Elementen). .

Zusammenfassung

Quelle: SelecDEPOL

In-situ-Techniken	Gezielte Schadstoffe
Bioventilation	Schwere TPH (Tetrahydropyran) Leichte TPH Schwerflüchtige organische Verbindungen (SVOCs) Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) Flüchtige organische halogenierte Verbindungen (OHVs)
Biosparging	Schwere TPH Leichte TPH SCOV Schwerflüchtige organische halogenierte Verbindungen (SVOCs) VOCs OHVs
Ex-situ-Techniken	Gezielte Schadstoffe
Biopiles oder Biopiles	Schwere TPH Leichte TPH SCOV SCOHV Sprengstoffe und pyrotechnische Verbindungen VOCs PAK (Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) Pestizide/Herbizide PCB (Polychlorierte Biphenyle) COHV
Bioreaktoren	Schwere TPH Leichte TPH SCOV SCOHV Sprengstoffe und pyrotechnische Verbindungen VOC PAK Metalle/Halbmetalle Pestizide/Herbizide PCB COHV
Kompostierung	Schwere TPH Leichte TPH SCOV SCOHV Sprengstoffe und pyrotechnische Verbindungen VOC PAK Pestizide/Herbizide PCB COHV
Landwirtschaft	Schwere TPH Leichte TPH SCOV Sprengstoffe und pyrotechnische Verbindungen VOC PAK Pestizide/Herbizide PCB COHV
Landwirtschaft	Schwere TPH Leichte TPH SCOV Sprengstoffe und pyrotechnische Verbindungen VOC PAK Pestizide/Herbizide

Praktische Anwendung

• Strandreinigung nach der Ölpest der Exxon Valdez: In Alaska verunreinigte eine Ölpest die Küste mit etwa 41 Millionen Litern Rohöl. Wissenschaftler fügten Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor hinzu (Biostimulation), um die Bildung von in der Umwelt natürlich vorkommenden Bakterien zu stimulieren, die Kohlenwasserstoffe abbauen können. Der biologische Abbau polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) war signifikant und sank jährlich um 13 % bis 70 %. .
• „Mykoremediation von Pestiziden in landwirtschaftlichen Böden“: Projekte in Belgien und anderswo haben gezeigt, dass das Myzel von Pilzen wie Austernpilzen polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Pestizide mithilfe von Enzymen wie Laccasen und Peroxidasen abbauen kann. Diese Prozesse wandeln giftige Moleküle in harmlose Verbindungen um und reduzieren die Umweltverschmutzung in Pilotversuchen um bis zu 90 %.

Nutzen und Risiken

Nutzen

• Ökologische Lösung:
  • Nutzt Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), Pflanzen oder deren Enzyme, um Schadstoffe in ungiftige Verbindungen umzuwandeln oder abzubauen, wodurch der Einsatz aggressiver Chemikalien vermieden wird.
  • Minimiert die Auswirkungen auf das umgebende Ökosystem im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wie Verbrennung oder Deponierung.
• Relativ niedrige Kosten:
  • Bioremediationsverfahren sind oft kostengünstiger als mechanische oder chemische Methoden, insbesondere bei großflächigen oder komplexen organischen Verschmutzungen (Kohlenwasserstoffe, Lösungsmittel).
• Verbessert die Bodengesundheit:
  • Bestimmte Ansätze, wie z. B. die Zugabe organischer Stoffe zur Stimulierung von Mikroorganismen, können die Bodenqualität und ihre Fähigkeit, Wasser und Nährstoffe zu speichern, verbessern. * Flexibilität und Spezifität:
  • Anpassbar an verschiedene Schadstoffarten: Kohlenwasserstoffe, Schwermetalle, Pestizide, Lösungsmittel usw. Darüber hinaus ermöglichen Techniken wie Phytoremediation oder Mycoremediation die Behandlung spezifischer Umgebungen.
• Höhere soziale Akzeptanz als thermische und chemische Lösungen.

Einschränkungen und Risiken

• Lange Zeit:
  • Biologische Prozesse können langsam sein und mehrere Monate oder sogar Jahre benötigen, um signifikante Ergebnisse zu erzielen, was im Notfall problematisch sein kann.
• Beschränkung auf biologisch abbaubare Schadstoffe:
  • Einige Schadstoffe, wie Schwermetalle oder hochstabile Chemikalien (persistente Pestizide, PCB), können nicht abgebaut, sondern nur immobilisiert oder teilweise umgewandelt werden. * Abhängigkeit von den Umweltbedingungen:
  • Die Wirksamkeit der Bioremediation hängt stark von den örtlichen Bedingungen ab: Temperatur, pH-Wert, Nährstoffverfügbarkeit und Sauerstoffgehalt. Sind die Bedingungen nicht optimal, kann der Prozess unwirksam sein.
• Risiko der Bioakkumulation:
  • Bei der Phytosanierung können Pflanzen Schwermetalle anreichern, was eine Behandlung kontaminierter Pflanzen (Verbrennung oder sichere Lagerung) erforderlich macht.
• Risiko der Verbreitung von Mikroorganismen:
  • Bioaugmentationstechniken, die spezifische Mikroorganismen einbringen, können zu ökologischen Ungleichgewichten oder unerwarteten Auswirkungen auf die lokale Biodiversität führen.
• Schadstoffresistenz:
  • Einige komplexe oder gemischte Schadstoffe (z. B. schwere Kohlenwasserstoffe in Kombination mit Metallen) erfordern möglicherweise kombinierte Ansätze, was die Komplexität und die Kosten erhöht. Vorlage:Anhänge zum Verfahren

<Referenzen />