6. EINFÜHRUNG IN DIE VERFAHRENSTECHNIK BIOTECHNOLOGISCHER
6.2.3 Bioreaktoren
Mikro-organismen nur unter geeigneten Randbedingungen Schadstoffe mineralisieren. Der Ein-satz von sogenannten Hochleistungsbakterien und gefriergetrockneten Mikroorganismen, die in der Lage sein sollen, Schadstoffe bei allen Bedingungen restlos abzubauen, muß demnach sehr kritisch beurteilt werden.
Auch für die Mietentechnik gilt daß kontaminierte Böden mit hohem Feinkornanteil Sanie-rungserfolge kaum erwarten lassen.
Bei langen Behandlungszeiträumen (> 6 Monaten) ist die Regenerationsmiete durch An-sammlung feinkörniger Materialien am Fuß der Miete „dicht„. Dieser Effekt tritt v.a. bei Re-generationsmieten auf, die nur aus kontaminiertem Material bestehen und keine lagigen Un-terteilungen haben. Danach muß die Miete aufgerissen und neu aufgebaut werden, was er-höhte Kosten und eine Verlängerung der Sanierungsdauer zur Folge hat.
Danach wird das kontaminierte Bodenmaterial-Mikroorganismen-Gemisch dem Bioreaktor zugeführt. Der Abbau der Schadstoffe wird dadurch gefördert, daß Sauerstoff, Wasser, Nähr-stoffe, Temperatur etc. Optimal dosiert und kontinuierlich überwacht bzw. Gesteuert werden können, so daß quasi optimale Lebensbedingungen für die Mikroorganismen geschaffen wer-den können.
Für den schnellen Abbau der Schadstoffe ist weiterhin die permanente Durchmischung des kontaminierten Materials mit den zugeführten Substanzen von Bedeutung, damit die Ausbil-dung eines Schadstoff-Nährstoff-Sauerstoffgradienten innerhalb des Bioreaktors verhindert werden kann.
Eine gezielte Emissionskontrolle der ausgasenden Abbauprodukte ist möglich.
Nach erfolgter Behandlung kann der gereinigte Boden der Wiederverwendung zugeführt wer-den (s. Abb. 6.2-3).
Abb. 6.2-3: Schematische Darstellung der mikrobiologischen Behandlung von kontaminiertem Bodenmaterial in Bioreaktoren
6.2.3.2 Technische Variationsmöglichkeiten
Aufbau der Bioreaktoren Form der Bioreaktoren
Es werden sehr unterschiedliche Modelltypen von Bioreaktoren im Bereich der mikrobiologi-schen Bodensanierung derzeit entwickelt und erprobt. Sie bestehen aus verschiedenen techni-schen Einheiten. Das eigentliche Reaktorgefäß kann innenliegende zentrale Homogenisie-rungseinheiten bzw. Mischvorrichtungen, Transportschnecken sowie Schneid- und Misch-blätter aufweisen. Seitlich angebrachte Inspektionsöffnungen dienen der Probenentnahme bzw. -kontrolle während der Behandlung des kontaminierten Materials. Des weiteren sind Vorrichtungen zur Einstellung der Behandlungsparameter wie Sauerstoff, Wasser, Tempera-tur, pH-Wert etc. An zugänglichen Stellen des Bioreaktors angebracht. Einige Bioreaktortypen können zur Stabilisierung der Temperaturverhältnisse im Inneren wärmeisoliert sein.
Horizontale Bioreaktoren
Horizontale Bioreaktoren können eine Länge bis zu 45 m mit einem Fassungsvermögen von etwa 240 m3 aufweisen. Diese Reaktoren sind dann als stationäre Reaktoren im Einsatz. Mo-bile Einheiten sind wesentlich kleiner mit Längen von etwa 5-6 m und einem Fassungsvermö-gen von ca. 10 m3. Eine technische Variation sind Reaktoren bei denen kein vollständiger Abbau angestrebt wird sondern das behandelte Material anschließend einer Nachrotte unter-zogen wird, bevor es der Wiederverwertung zugeführt werden kann.
Vertikale Bioreaktoren
Vertikale Bioreaktoren besitzen zur Homogenisierung des Materials eine innenliegende Rühr-schnecke für den vertikalen Transport des Materials. Äußerlich ähneln sie den aus dem Hochbau bekannten Misch- oder Betonsilos. Über gekapselte Förder- und Verteilerelemente erfolgt die Einbringung des kontaminierten Materials. Über- ober bzw. unterhalb der Reakto-ren liegende Meßfühler und Sonden sind die Prozeßparameter Temperatur, pH-Wert, Sauer-stoff sowie der Wassergehalt des zu behandelnden Materials steuerbar.
Vertikale Bioreaktoren können eine Menge von bis zu 40 t aufnehmen. Je nach Volumen des kontaminierten Materials können mehrere Bioreaktoren zu einer Dekontaminationseinheit zusammengeschlossen werden. Hierbei besteht dann die Möglichkeit, unterschiedlich konta-miniertes Material parallel zu reinigen.
Der Flächenbedarf beträgt je nach zusammengestellter Anzahl der Bioreaktoren zwischen 20 - 100 m2 für einen einzelnen Bioreaktor und ca. 750 m2 für ein Gruppe von 10 Bioreaktoren.
Bauzeit zur Erstellung der Anlage
Für einen Neubau einer Bioreaktoranlage muß mit einer Dauer zwischen 6-9 Monaten ge-rechnet werden. Die Verfügbarkeit einer stationären Bioreaktoranlage richtet sich nach der Auftragslage des Anbieters.
Verfahrenstechnik
Durchmischung
Die horizontalen Bioreaktoren weisen Unterschiede in der Durchmischungsart auf. Man un-terscheidet
• statische Bioreaktoren, d.h. unbewegliche Reaktoren, die innenliegende rotierende Mischvorrichtungen aufweisen und
• dynamische Bioreaktoren, die um ihre Längsachse rotieren, wobei die innenliegen-den fest montierten Mischvorrichtungen das Material gegenläufig zur rotiereninnenliegen-den Wandung bewegen.
Die Mischvorrichtungen können prinzipiell vertikal, geneigt oder horizontal angeordnet sein.
Aus der unterschiedlichen Anordnung resultieren demzufolge auch Unterschiede hinsichtlich des Homogenisierungsgrades und der Homogenisierungsgeschwindigkeit.
Bei den vertikalen Bioreaktoren sind bislang nur statische Entwicklungen bekannt. Für die innenliegende vertikale Durchmischung ist dabei ein ausreichend hoher Wassergehalt erfor-derlich.
Prozeßwasser
Je nach verwendetem Wassergehalt differenziert man die Bioreaktoren in
• Trockensubstanzreaktoren, die mit einem kontinuierlichen Wassergehalt zwischen 12%-17% betrieben werden sowie
• Feuchtreaktoren, die einen Wassergehalt zwischen 20%-40% des kontaminierten Materials gewährleisten
Der Wassergehalt des kontaminierten Materials ist für die weitere Dosierung des Prozeßwas-sers ausschlaggebend. Höhere Wassergehalte verbessern die Zugänglichkeit der Schadstoffe für die Mikroorganismen, schaffen aber Probleme in der anschließenden Abwasserbehand-lung. Anfallendes Abwasser wird aufgefangen, gereinigt und i.d.R. als Prozeßwasser im Kreislauf geführt; überschüssiges Abwasser wird aus dem Prozeß ausgeschleust.
Belüftung
Innerhalb des Bioreaktors kann sowohl ein aerober als auch ein anaerober Abbau über die Prozeßparameter eingestellt werden. Dabei wird über Speziallanzen und Meßfühler der Sauer-stoffgehalt gezielt gesteuert.
Komponentenzumischung
Der Abbau der Schadstoffe durch Mikroorganismen in einem Bioreaktor wird gesteuert durch die Zugabe von:
• Nährstoffen
Je nach Verfahrensanbieter werden die Nährstoffe in Wasser gelöst und über eine in einen Prozeßkreislauf integrierte Bewässerungsanlage bzw. Berieselungsanlage oder aber trocken durch mechanisches Mischen in den Reaktor eingebracht. Grundsätzlich unterscheidet sich die Zugabe der Nährstoffe bei den Bioreaktoren nicht wesentlich von den Regenerationsmieten.
Jedoch kann aufgrund der besseren Dosierungsvorrichtungen und der besseren Durch-mischung in den Reaktoren die Nährstoffversorgung besser gesteuert werden.
• Trägersubstanzen
Als Trägersubstanzen für die Mikroorganismen kommen unterschiedliche Materialien in Fra-ge. Es können Kiefernborke, Baumrinde, Stroh, Torf oder ähnliches Material im Verhält-nis von z.B. 10-20% zum kontaminierten Material nach vorausgegangenen Optimierungsver-suchen zugemischt werden. Ob derartige Trägermaterialien in Reaktoren zum Einsatz kom-men, ist im Gegensatz zu den Regenerationsmieten einzelfallabhängig. Meist kann auf die Zugabe verzichtet werden.
• Oberflächenaktive Substanzen
Die Zugabe von oberflächenaktiven Substanzen wird unterschiedlich gehandhabt. Da die Ho-mogenisierung und Zugabe im Reaktor besser gesteuert werden kann, können die oberflä-chenaktiven Substanzen über eine Bewässerungs- bzw. Berieselungsanlage oder durch me-chanisches Einmischen zugegeben werden. Die Menge und das Verhältnis richten sich nach den Laborbefunden bzw. Nach Optimierungsversuchen.
• Mikroorganismen Es werden entweder
• autochthone, schadstoffadaptierte Mikroorganismen
• oder
• allochthone, speziell gezüchtete aber nicht genetisch veränderte Mikroorganismen dazugegeben.
Emissionen
Die bei der Behandlung anfallenden Emissionen werden im Reaktor vollständig erfaßt und über Filter bzw. Reinigungsaggregate geleitet. Anschließend kann die gereinigte Luft dann in die Atmosphäre entlassen werden oder aber als Prozeßluft dem Reaktor zugegeben werden.
Infrastruktur
Alle auf dem Markt angebotenen Verfahren benötigen eine Stromversorgung während des Betriebs. Generell ist der Strombedarf reaktorabhängig bzw. Kann je nach Einsatz und Größe der Steuerungsaggregate variieren. Der Wasserverbrauch richtet sich danach, wie eine Pro-zeßwasserführung bzw. Berieselung eingesetzt wird. Der Bedarf ist unterschiedlich und reak-torabhängig.
Da der Infrastrukturbedarf bei Bioreaktoren durch verfahrenstechnisch sehr aufwendige Einheiten am ausgeprägtesten ist, werden Bioreaktoren bisher überwiegend im stationären off-site Betrieb eingesetzt.
Genehmigungsrechtliche Erfordernisse
Es ist immer im Einzelfall zu prüfen, inwieweit Genehmigungen nach
• Abfallgesetz (AbfG)
• Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG)
• Wasserhaushaltsgesetz (WHG)
• sonstige Gesetze die u.U. einzelne Bau- und Anlagenteile betreffen für den Betrieb von Bioreaktoren vorliegen müssen.
Bei stationären Bioreaktoren ist eine abfallrechtliche Genehmigung nach § 7 Abs. 1 AbfG (Planfeststellung) oder § 7 Abs. 2 AbfG (vereinfachtes Genehmigungsverfahren) i.d.R. not-wendig.
Wirtschaftliche Aspekte Durchsatz
Der Durchsatz ist von der Größe des verwendeten Bioreaktors und von den Schadstoffen ab-hängig.
Dauer der Sanierung
Die Dauer der Sanierung ist von der Größe des verwendeten Bioreaktors, der Menge des bela-steten Bodens und von den Schadstoffen abhängig.
Kosten
Da die mikrobiologische Bodensanierung mit Bioreaktoren sich noch im Entwicklungsstadi-um befindet, sind zu den Kosten bisher kaEntwicklungsstadi-um verläßliche Daten verfügbar. Es muß aber in etwa mit Kosten ab etwa 400,- DM/t Boden gerechnet werden. Je nach Bodenzusammenset-zung und Schadstoffart können die Kosten bis zu 900,-DM/t Boden ansteigen. In jedem Fall ist sorgfältig zu prüfen, welche kostenbestimmende Faktoren eingerechnet werden müssen.
6.2.3.3 Bewertung des Verfahrens
Vorteile
Der Einsatz von Bioreaktoren für die Altlastensanierung befindet sich noch im Entwicklungs-bzw. Erprobungsstadium. Demzufolge liegen erst wenige Erfahrungsberichte vor, die jedoch tendenziell eine erfolgversprechende Variante der biologischen Altlastensanierung aufzei-gen. Im Vergleich Landfarming und Regenerationsmieten steht mit den Bioreaktorverfahren im allgemeinen ein definiertes, abgeschlossenes und kontrollierbares technisches Verfah-ren für die biologische Sanierung zur Verfügung. Da der einzubringende Boden kein homo-genes Substrat ist, sondern für einen optimierten biologischen Abbau, mechanisch behandelt werden muß, umfaßt der Anwendungsbereich der Bioreaktoren nicht nur grobkörnige Mate-rialien, sondern kann auch gezielt für feinkörnigeres Bodenmaterial eingesetzt werden.
Bioreaktoren bieten, im Gegensatz zu den andern Verfahren den Vorteil, daß auf die Prozeß-steuerung und die Prozeßoptimierung je nach Bedarf gezielt und schnell eingewirkt wer-den kann. D.h. alle verfahrenstechnischen Parameter wie z.B. Sauerstoffgehalt, Temperatur, pH-Wert, Nährsalzzugabe, Dosierung von Mikroorganismen können kontinuierlich überwacht und bei Bedarf kurzfristig gesteuert werden.
Durch die Anwendung vertikaler Biorekatoren kann auch der Flächenbedarf reduziert werden, was sich auf die Sanierungskosten positiv auswirken könnte.
Weiterhin besteht der Vorteil gegenüber den anderen Verfahren durch einen u.U. parallelen Einsatz mehrerer z.B. vertikaler Bioreaktoren die Sanierungsdauer gezielt zu verkür-zen. Denn dadurch können spezielle mikrobiologische Voraussetzungen für den Abbau ein-zelner Schadstoffe aus einem bestimmten Schadstoffspektrum geschaffen werden oder unter-schiedlich stark kontaminierte Materialien gleichzeitig behandelt werden. Diese Vorgehens-weise läßt Verkürzungen der Sanierungsdauer auch eine Kostenersparnis erwarten.
Weiterhin ist aufzuführen daß Emissionen erfaßt werden können, und die Reinigung und Bilanzierung vollständig und kontrolliert durchführbar sind.
Nachteile
Bei Trockenreaktoren kann sich der geringe Wassergehalt u.U. negativ auf die biologi-schen Abbauprozesse auswirken. Hier kann es zu zeitlichen Verzögerungen der Abbauge-schwindigkeit kommen.
Nachteilig bei Feuchtreaktoren ist der Anfall von nicht unerheblichen Mengen an Pro-zeßwässern, die hohe Schadstoffkonzentrationen aufweisen können. Die Reinigung der Wäs-ser erfordert einen zusätzlichen hohen technologischen Aufwand.
Die Handhabung der verbleibenden Wassermenge in dem gereinigten Bodenmaterial bereitet zur Zeit noch technische Schwierigkeiten. Das aufgeschlämmte Material kann i.d.R. nur durch Nachtrocknen entwässert werden, was sehr energieaufwendig ist und sich kostensteigernd auswirkt.
Nachteilig ist weiterhin, daß der Homogenisierungsvorgang im Reaktor derzeit noch ent-wicklungsbedürftig ist. Da die Homogenisierungs- bzw. Mischvorrichtungen vertikal geneigt oder horizontal angeordnet sein können, resultiert aus der unterschiedlichen Anordnung ein unterschiedlicher Homogenisierungsgrad bzw. Eine unterschiedliche Homogenisierungsge-schwindigkeit.
Vertikale Bioreaktoren implizieren den vertikalen Transport des kontaminierten Materials, der sich z.Zt. noch negativ auf den angestrebten Homogenisierungsgrad auswirkt.
Bei Systemen mit vorausgehender mechanischer Aufbereitung und einer anschließenden Nachrotte in Beeten, sind Emissionen zu unterbinden, denn da das der Nachrotte zuge-führte Material noch kontaminiert ist, können die leichtflüchtigen Bestandteile u.U. in die Atmosphäre ausgasen.
Bei der Beaufschlagung der kontaminierten Materials mit Zuschlagstoffen oder mit Biomüll muß der Sanierungserfolg grundsätzlich hinterfragt werden. Es ist kritisch anzu-merken, daß hier eine Verdünnung der Schadstoffkonzentration stattfindet, die u.U. einen großen biologischen Abbau vortäuscht.
Einige Verfahrensanbieter pressen Mikroorganismen über eine Druckschleuse in das konta-minierte Material ein, um den direkten Kontakt der Mikroorganismen zum kontakonta-minierten
Material zu erreichen. Inwieweit diese Maßnahme tatsächlich ein schnelleres und gleichmäßi-ges Heranführen der Mikroorganismen an die Schadstoffe ermöglicht, ist zweifelhaft.
Bezüglich der Vor- und Nachteile der Zugabe allochthoner Mikroorganismen wird auf das Kap. 7 verwiesen.