3 Material und Methoden
5.1 Betrachtungen zur Wahl der Versuchsmethodik
5 Diskussion
Untersuchung des PAK-Abbaus und des Rotteverlaufes bei konstanter Temperatur, der Variation von Stickstoffgehalt, pH-Wert und dem Zusatz von Kosubstrat. Durch die Messung der CO2-Konzentration in der Abluft und des Volumenstromes der Belüftung war die Berechnung der die Beurteilung der mikrobiellen Aktivität ermöglichenden spezifischen CO2-Bildungsrate möglich. Dieser Versuchsaufbau gestattete die Abbauunter-suchungen bei konstanten Temperaturen, wodurch allerdings mögliche Effekte unterdrückt wurden, die auf der sich aus dem natürlichen Temperaturverlauf ergebenden Sukzession der Mikroorganismen in realen Rotten beruhen.
In den Versuchen, welche in den in den Abschnitten 3.7.1 und 3.7.3 beschriebenen Versuchsanlagen durchgeführt wurden, wurde keine bestimmte Rottetemperatur vorge-geben. Die Temperatur im Rottesubstrat stieg, wie im natürlichem System, infolge der mikrobiellen Tätigkeit an und verringerte sich, wenn die Wärmeabgabe durch die Belüftung bzw. über die Oberfläche größer war als die Wärmeproduktion durch die Mikro-organismen. Dabei hatten jedoch die im Abschnitt 3.7.1 beschriebenen DEWAR-Gefäße den Nachteil, dass das Verhältnis zwischen Wärmeabgabe über die Oberfläche und Wärme-abgabe durch die Belüftung größer war als in natürlichen Systemen. Die daraus resultierende Diskrepanz zur realen Rotte konnte bei dem Versuchsreaktor mit der Mög-lichkeit zur Steuerung der Umgebungstemperatur (Abschnitt 3.7.3) umgangen werden.
Durch die in Abhängigkeit der Temperatur des Rottesubstrates eingestellte Temperatur des Wassers im Doppelmantel des Reaktors war die Steuerung der Wärmeabgabe der Rotte über die Oberfläche möglich, so dass sich dieses Versuchssystem als Ausschnitt aus dem Kern einer Kompostmiete interpretieren lässt.
Tab. 19: Beispiele verschiedener belüfteter Reaktoren
Quelle Größe Untersuchungsgegenstand HOGAN et al. (1989) 15 l Kompostierung von Biomüll
KÖRNER (1991) 4 l mikrobielle Holzmodifikation durch Braunfäulepilze ZEDDEL (1993) 0,7 l Abbau von PAK und PCB durch Weißfäulepilze ESCHENBACH (1995) 1 l PAK-Abbau im Boden
JÄGER (1997) 4…10 l Kompostierung von Biomüll
ULBRICHT, vorliegende Arbeit 0,75 l Einfluss von Milieufaktoren auf den Schadstoffabbau und Rotteverlauf
ULBRICHT, vorliegende Arbeit 14 l Einfluss der Belüftung auf den PAK-Abbau und den Humifizierungsprozess
ULBRICHT, vorliegende Arbeit 23,5 l Beeinflussung des PAK-Abbaus durch Perkolation mit Prozessflüssigkeit und Variation der Belüftung
ULBRICHT, vorliegende Arbeit 0,03 l Matrixeinfluss der Holzbestandteile auf den Schadstoffabbau
Durch die Messung des Sauerstoff- und Kohlendioxidgehaltes in der Zu- und Abluft ist die Berechnung der O2-Verbrauchsrate bzw. der CO2-Bildungsrate möglich. Von vielen Autoren wird nur die O2- bzw. CO2-Konzentration im Inneren der Rotte angegeben. Aus diesem Wert lässt sich auf eine mögliche Beeinträchtigung der mikrobiellen Aktivität durch eventuelle Sauerstofflimitation schließen (vergl. Abb. 13, Seite 32), ein Aussage zur mikrobiellen Aktivität lässt dieser Wert aber ohne Kenntnis des Belüftungsregimes jedoch nicht zu.
Die Versuche zur Untersuchung des Matrixeinflusses der Holzbestandteile auf den Schad-stoffabbau konnten, da nur sehr wenig isoliertes, möglichst natives, Lignin zur Verfügung stand, nur im sehr kleinem Maßstab durchgeführt werden. Aus diesem Grund war auch bei diesen Untersuchungen nur die Erfassung der Kinetik des Schadstoffabbaus und am Ende des Versuches die Bestimmung der Aktivität ligninolytischer Enzyme möglich.
Im gemeinsam mit der Fa. BAUER & MOURIK UMWELTTECHNIK (Deutschland) durchge-führtem large scale-Versuch zur Kompostierung von PAK-belastetem Altholz hatten die Kompostmieten die Abmessungen 4 m Breite · 6 m Länge · 2 m Höhe. Aus der gewerb-lichen Kompostierung von Grünschnitt- und Bioabfällen sind größere Mieten, besonders in der Länge üblich. Die oben genannte Größe lässt aber durchaus praxisnahe Unter-suchungen zu und reiht sich in aus der Literatur bekannte Versuchsgrößen ein (Tab. 20).
Tab. 20: Beispiele zur Versuchsgröße verschiedener Kompostierungsversuche mit Kompostmieten Quelle Größe1 Untersuchungsgegenstand BECKMANN (1990)
3,8 · 12 · 1,8 12 · 20 · 1,8
(1,2…1,8) · 10 · (1…1,2)
Sukzession der Bodenfauna und ihre Beziehung zu Rotteparametern bei verschieden Kompostierungsverfahren MICHEL et al. (1996) 4 · (12…15) · (1,2…1,5)
Radius (3,5…4,3) · 3 Einfluss der Umsetzhäufigkeit, des
Laub/Gras-Verhältnisses und der Mietenform FERNANDES und SARTAJ (1997) (2,9…0,5) · (3,4…1) · 1,2 Einfluss der Belüftung auf die
Rottege-schwindigkeit ULBRICHT, vorliegende Arbeit 4 · 6 · 2
Vergleich der Kompostierung von PAK-beladenem Altholz mit der Kompostierung von Grünschnitt- und Bioabfall
1) Breite · Länge · Höhe (in Meter)
Während bei den Versuchen im Labor- und Technikumsmaßstab zur Probenahme die Versuchsgefäße vollständig entleert wurden und nach dem gründlichen Durchmischen des Rottesubstrates eine repräsentative Probe gewonnen werden konnte, vergrößern sich mit zunehmender Versuchsgröße auch die aus der Inhomogenität des Rottesubstrates resultierenden Schwankungen in der Messung verschiedener Rotteparameter bzw. des Schadstoffgehaltes. Weiterhin gestaltet sich die Probenahme an einer Kompostmiete schwieriger als die Probenahme aus Boden, da etablierte Probenahmewerkzeuge, wie z. B.
Probebohrer, sich nicht für die Probenahme aus einer aus geschreddertem Holz bestehenden Miete eignen. BECKMANN (1990) löste das Problem der Probenahme dadurch, indem er zu Versuchsbeginn mit Rottesubstrat gefüllte Netzbeutel in das Zentrum der Miete einbrachte, die dann zu den Probenahmeterminen aus der Miete gezogen wurden.
Bei dem durchgeführten Praxisversuch erfolgte die Probenahme dadurch, dass an verschiedenen Stellen der Miete Löcher gegraben wurden und aus diesen Löchern Material entnommen wurde. Dieses Material wurde gründlich durchmischt und ein Teil davon wurde für die weiteren Analysen genutzt.
Zur Extraktion der PAK aus dem Holz wurden verschiedene Methoden angewendet. Sie erfolgte mit einer modifizierten Soxhlet-Apparatur, mit bzw. ohne anschließenden alkalischen Aufschluss, und mit beschleunigter Lösungsmittelextraktion (ASE).
In den Untersuchungen von LÖSER et al. (1999) wurde gezeigt, dass bei artifiziell konta-miniertem Holz durch Soxhlet-Extraktion eine Wiederfindung der PAK von über 98 % erreicht wird. Dieses Ergebnis wurde bei einigen ausgewählten Proben bestätigt, so dass bei den Versuchen zur Optimierung der Milieubedingungen für den PAK-Abbau und bei den Untersuchungen zum PAK-Abbau mit isolierten Holzbestandteilen auf einen alkalischen Aufschluss der mit Lösungsmittel extrahierten Proben verzichtet wurde.
Bei den Untersuchungen zum Einfluss der Belüftung auf den PAK-Abbau und den Humi-fizierungsprozess wurde real mit PAK kontaminiertes Altholz eingesetzt. Dieses wurde nach der Extraktion mit Lösungsmittel einem alkalischen Aufschluss unterzogen. Der An-teil der im alkalischem Aufschluss gefundenen EPA-PAK betrug zu Versuchsbeginn 25,4 %. Bei einem Abbau der EPA-PAK in 97 Tagen von 81,4…88,7 % verschob sich der Anteil der im alkalischen Aufschluss gefundenen EPA-PAK von 25,4 % auf 66,3…72,8 %.
In verschiedenen Arbeiten zur Untersuchung des PAK-Abbaus im Boden wurde gezeigt, dass die PAK teilweise an die Huminstoffmatrix im Boden gebunden bzw. sorbiert werden.
Als Bindungsmechanismen werden dabei die Wirkung von van der Waals Kräften, Wasserstoffbrückenbindungen, Ionenbeziehungen, kovalente Bindungen bzw. die Bildung von Ladungsübertragungskomplexen angesehen [HAIDER et al., 1992; SCHEUNERT et al., 1992; MAHRO und KÄSTNER, 1993]. Eine andere Form der Bindung von Xenobiotika an die Huminstoffmatrix besteht darin, dass sie von den Makromolekühlen der Humin-stoffmatrix umschlossen werden, ohne eine chemische Bindung mit ihnen einzugehen [HAIDER et al., 1992; SCHEUNERT et al., 1992]. Dafür spricht, dass bei Proben, welche bei hoher Temperatur und hohem Druck mit beschleunigter Lösungsmittelextraktion (ASE) extrahiert wurden, keine signifikanten PAK-Mengen durch einen alkalischen Aufschluss extrahiert werden konnten. Es kann also in diesen Fällen davon ausgegangen werden, dass durch die bei der ASE herrschenden Bedingungen Strukturen, welche PAK-Moleküle in einer Art Molekularsieb oder Kammer einschlossen, soweit aufgeweitet wurden, das die PAK mit dem organischen Lösungsmittel extrahiert werden konnten.
5.2 Optimale Milieubedingungen für den Schadstoffabbau