1989 wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ein Sonderforschungsbereich
(SFB) "Reinigung kontaminierter Böden" eingerichtet. Im Rahmen dieses
SFB erforschen 16 Teilprojekte der TU Hamburg-Harburg (Sprecherhochschule) und der
Universität Hamburg die Grundlagen für Verfahren zur Sanierung kontaminierter
Böden.
Der SFB wurde in den ersten beiden Phasen für den Zeitraum vom 01.01.1989 bis
zum 31.12.1994 gefördert. Die dritte Förderungsperiode wird am 31.12.1997
enden.
In der Bundesrepublik gibt es eine große Anzahl kontaminierter Standorte. Es handelt
sich dabei z.B. um Industriestandorte, auf denen Produktionsrückstände vergraben
oder unsachgemäß gelagert wurden (z.B. ehemalige Gaswerke, Kokereien,
Chemiefabriken). Daneben sind vielerorts Untergrundverunreinigungen durch Leckagen in
Transportleitungen oder Tanks (Altraffinerien, Flughäfen) entstanden.
Beeinträchtigungen der Bodennutzung bis zum Bewirtschaftungsverbot und
Grundwasserverunreinigungen sind häufig die Folge.
Die Bundesregierung hat den Bodenschutz im März 1985 zu einer dringenden
Aufgabe erklärt. Die Altlastensanierung sieht sich nach der Phase der
Schadenserfassung und Schadensbeurteilung zunehmend mit konkreten
Sanierungsmaßnahmen konfrontiert. Die Problematik der kontaminierten Böden
hat sich durch die Wiedervereinigung deutlich verstärkt. So gibt es in den neuen
Bundesländern eine Vielzahl von Flächen, deren Gefährdungspotential in
bezug auf Art, Konzentration und möglichen Synergieeffekten als besonders hoch
einzuschätzen ist. Neben dem Schwerpunkt Bitterfeld, der sowohl mit organischen als
auch mit anorganischen Schadstoffen belastet ist, gibt es Gebiete in Sachsen-Anhalt, die
besonders hohe Schwermetallbelastungen aufweisen. In den alten Bundesländern hat
sich trotz einer großen Zahl von Sanierungsprojekten die Anzahl der zu sanierenden
Standorte nur unwesentlich verändert, da neue Altlastenflächen als
sanierungsbedürftig eingestuft werden mußten.
Im wesentlichen bieten sich vier Alternativen bei der Behandlung kontaminierter
Böden an:
In der aktuellen Sanierungspraxis werden vor allem mechanische, thermische und
biologische Verfahren angewandt. Der Stand der Technik ist dabei durch eine Vielzahl
konkurrierender Verfahren gekennzeichnet, die im wesentlichen auf empirischer Grundlage
entwickelt wurden. Aufgrund fehlender Grenzwerte sowie unterschiedlichen analytischen
Aufwandes fällt die Beurteilung der Reinigungsleistung der Verfahren schwer.
Es ist die Absicht des SFB, die wissenschaftlichen Grundlagen für die
verschiedenen Verfahren zu erarbeiten, um diese zu optimieren und eine
zweckmäßige Auswahl von Verfahrensschritten und Apparaten für die
verschiedenen Anwendungsfälle zu ermöglichen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf
den biologischen und deren Kombination mit chemisch-physikalischen Verfahren.
Der technische Bodenschutz entwickelt sich zu einer selbständigen
wissenschaftlichen Disziplin, in der mit Hilfe der Kenntnisse und Erfahrungen verschiedener
Fachdisziplinen Problemlösungen gefunden werden können. Durch die integrierte
Zusammenarbeit innerhalb des Sonderforschungsbereiches von Bauingenieuren,
Verfahrenstechnikern, Chemikern, Mikrobiologen, Bodenkundlern, Geologen sowie
Umweltplanern soll dieses neue Arbeitsgebiet erschlossen werden.
Um die Ziele, die sich der SFB gestellt hat, zu erreichen, sind neben der Untersuchung,
Entwicklung und Optimierung von Reinigungsverfahren vor allem die analytischen und
meßtechnischen Verfahren zu optimieren, welche die schnelle und umfassende
Beschreibung von Prozessen ermöglichen. Wichtig sind in diesem Zusammenhang auch
die Untersuchungen zur Definition von Reinigungszielen. Um diese zu erreichen, sind u.a.
Schadstoffbilanzen zu erstellen, ökotoxikologische Grenzwerte zu erarbeiten und die
Schadstoffverfügbarkeit für Organismen zu quantifizieren. Darüber hinaus
sollen ökologisch/planerische Bewertungskriterien für Sanierungsverfahren
entwickelt werden.
Um grundlegende Zusammenhänge erkennen zu können, wurde zunächst
mit künstlich Ölverunreinigten ausgewählten Bodentypen gearbeitet. Dieses
Vorgehen bot sich an, da die Vielfalt der Bodenstrukturen und der Kontaminationen keine
universell anwendbaren Behandlungsrezepte zuläßt. Die Entwicklung
methodischer Ansätze in der Bodenreinigung ist auf diese Weise möglich. In der
zweiten Phase wurden vermehrt andere künstlich und "natürlich"
verunreinigte Böden untersucht, wobei die PAK im Vordergrund standen.
Bei der Entwicklung neuer bzw. modifizierter Verfahren zur Bodenreinigung sollen
biologische Methoden eine zentrale Stellung einnehmen. Der Boden wird entweder direkt in
Bioreaktoren behandelt oder nach einer chemischphysikalischen Vorbehandlung biologischen
Abbauprozessen ausgesetzt.
Als chemisch-physikalisches Verfahren wird überkritisches Wasser eingesetzt, um
hochmolekulare, biologisch nicht oder nur schwer abbaubare Stoffe soweit zu spalten,
daß in einer nachgeschalteten biologischen Behandlung ein rascher und
vollständiger Abbau möglich wird. Da dieses Verfahren vor allem bei
hochkonzentrierten Kontaminationen sinnvoll erscheint, werden diese stark verunreinigten
Bodenfraktionen zuvor mit mechanischen Aufbereitungsmethoden abgetrennt. Für
Feinststoffe wird die Anwendung von Flotationsverfahren untersucht.
Bei all diesen Projekten geht es primär um die Aufklärung und Beschreibung
der Mechanismen, die zu einem Reinigungsergebnis führen bzw. dieses
einschränken. Von Interesse sind insbesondere folgende Mechanismen:
Die Untersuchung der biologischen Bodenreinigungsprozesse erfordert eine Beurteilung
der Leistungsfähigkeit der Mikroflora. Dazu sind Maßnahmen zur
Verstärkung der vorhandenen biologischen Abbauprozesse sowie mikrobiologisches
Screening in Verbindung mit Techniken der Stammentwicklung erforderlich.
Die verfahrenstechnischen und bewertungsorientierten Untersuchungen erfolgen in
Kooperation mit den naturwissenschaftlichen Projekten zur Bodenchemie und Bodenphysik
sowie der chemischen Analytik. Die Projekte bewerten die Ergebnisse und erarbeiten
Entscheidungskriterien für die Planung und Durchführung der hier eingesetzten
Techniken.
Im Laufe des fast sechsjährigen Bestehens des Sonderforschungsbereiches haben sich
neue Arbeitsschwerpunkte ergeben. Insgesamt gesehen entwickeln sich sowohl die
Teilprojekte als auch der gesamte SFB hin zu stärkerem Praxisbezug. Dieser
erfolgt zum einen verfahrenstechnisch durch scaling-up, zum anderen durch die geplante
interdisziplinäre Arbeit am Beispiel der realen, gemischt kontaminierten Altlast
Lübeck-Herrenwyk. Hierbei handelt es sich um eine ehemalige Metallhütte,
um die sich weitere Verarbeitungsbetriebe, wie z.B. eine Kokerei, gruppiert haben;
darüber hinaus wurden Produktionsrückstände direkt auf der Fläche
abgelagert. Neben Schwermetallkontaminationen sind organische Verunreinigungen von Boden
und Grundwasser mit Mineralölen, chlorierten Kohlenwasserstoffen, PAK und Cyaniden
anzutreffen. Eine Kooperation mit den zuständigen Einrichtungen (Land, Stadt,
Ingenieurbüros) ist bereits vereinbart.
Zum ersten Mal sind im SFB Untersuchungen zur Reinigung von
schwermetallbelasteten Böden vorgesehen (TP A5 und A8). Untersucht werden
soll die Anwendbarkeit einer mechanischen Vorkonzentration der schwermetallhaltigen
Fraktion durch Korngrößenklassierung und Partikelflotation. Anschließend
sollen die Schwermetalle durch ein neues, ökologisch verträgliches Verfahren,
bestehend aus Extraktion mit organischen Säuren sowie Elektrolyse und
Schaumtrennung aus dem Boden entfernt und zurückgewonnen werden.
Die Fragestellung des Verhaltens sowie der Wiederverwertung von behandelten
Böden, der bereits bei der vorhergehenden Begutachtung große Bedeutung
beigemessen wurde, ist bisher ausschließlich durch die Weiterentwicklung biologischer
Testverfahren bearbeitet worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen weisen auf die
Möglichkeiten und Grenzen dieser Verfahren hin. Deshalb sollen letztere in der
laufenden Antragsphase um chemisch/physikalische Behandlungsschritte erweitert
werden. Hierdurch wird diese Thematik zu einem Schwerpunktthema innerhalb des SFB. Eine
chemischphysikalische Behandlung vor einer biologischen ist bereits
Industrieabwasserbehandlung bekannt und stellt im Vergleich zu ihrer Alternative, einer
thermische Behandlung, eine energiesparende und damit zukunftsweisende Verfahrensweise
dar.
Als neues, vielversprechendes Verfahren im Rahmen des SFB ist die biologische
Behandlung von organischen Kontaminationen unter extrem thermophilen
Bedingungen (>= 65°C) anzusehen (TP B6).
Neben der Bearbeitung der geschilderten neuen Arbeitsrichtungen besteht die
Notwendigkeit, bereits bestehende Fragestellungen vertiefend zu behandeln, um auf den
bereits vorliegenden Zwischenergebnissen aufbauend zufriedenstellende, abschliessende
Aussagen treffen zu können. Ein Schwerpunkt besteht dabei in der Aufklärung
der Strukturen sowie des Verhaltens von nicht bioverfügbaren und damit nicht
abbaubaren Substanzen, den "bound residues".
Die bewährte Struktur des SFB wurde im wesentlichen nicht verändert. Die neuen Teilprojekte wurden in die vorhandene Struktur des SFB integriert.
Es wurde zunächst mit einer geringen Zahl ausgewählter Bodentypen
gearbeitet, deren Horizonte sich vor allem in der Korngrößenverteilung, im
Anteil an organischer Substanz sowie im Gehalt an pedogenen Eisenoxiden
unterscheiden. Im einzelnen lassen sich die verschiedenen Bodenproben wie folgt
charakterisieren:
Die Verwendung eines Modellöles als Bodenkontamination bot sich an, weil
Ölkontaminationen einen in der Praxis häufig anzutreffenden Fall
darstellen. Die biologische Abbaubarkeit der wichtigsten Hauptkomponenten ist
gewährleistet, so daß Grundlagen für Reinigungsverfahren entwickelt
werden können. Andererseits enthalten Öle Minor-Komponenten, welche
schwer oder gar nicht (nach dem aktuellen Kenntnisstand) abgebaut werden, wodurch
eine chemisch-physikalische Vorbehandlung bzw. die Anzucht von Spezialisten in
biologischen Verfahren erforderlich wird.
Typische Bodenbelastungen liegen zwischen 0,5 und 1,5 Gew.-% Mineralöl. Der
Sonderforschungsbereich arbeitet deshalb zunächst mit 1%-igen Dieselkraftstoff-
und Schmierölkontaminationen.
Als Modellöl dient einerseits ein realer Dieselkraftstoff, ein Schmieröl und
andererseits ein synthetisches Gemisch von 8 ausgewählten
Ölkomponenten, welche die wichtigsten Ölinhaltsstoffe proportional
repräsentieren. Letzteres Gemisch bietet Vorteile bei der detaillierten
Beobachtung des Einzelstoffabbaues und der analytischen Erfassung der
Abbauprodukte.
Für einige Projekte ist die Untersuchung der problematischen Spurenstoffe im
Öl von besonderem Interesse, so daß diese verstärkt mit
Schmieröl arbeiten werden.
Real kontaminierte Böden wurden bereits zu Beginn der Forschungsarbeiten von
den Projekten eingesetzt, deren Forschungsinhalte die Untersuchung der
Inhomogenitäten des Bodenaufbaus und das Aufbrechen von Bindungen
zwischen den Schadstoffen und den Bodenpartikeln sind (Mechanische Verfahren).
Für die Untersuchung der Adaption der Mikroflora in kontaminierten Standorten
ist ebenfalls die Verwendung real kontaminierten Bodens notwendig. In der laufenden
Antragsphase wird verstärkt mit PAK und z.T. chlorierten Kohlenwasserstoffen
(CKW) als Bodenkontaminationen gearbeitet. Aber auch Schwermetallkontaminationen
wurden in das Untersuchungsprogramm mit aufgenommen.
In der 2. Bewilligungsphase sind eine Vielzahl von Ergebnissen erzielt worden, die im
folgenden Bericht beschrieben werden. Drei Bereiche sind besonders
hervorzuheben:
Dieses sind wesentliche Themenkomplexe, die interdisziplinär bearbeitet worden
sind. Die Ergebnisse dieser und anderer im SFB 188 behandelten Fragestellungen
haben z.T. einen direkten Bezug zur Praxis. So sind Testverfahren entwickelt
worden, die vor bzw. nach jedem praktischen Sanierungsfall angewandt werden
sollten. Die positive Auswirkung der Zugabe von schadstoffarmem Biokompost hat
ebenfalls eine hohe Praxisrelevanz. Ähnliches gilt auch für die Entwicklung
von Expertensystemen.
Diese Beispiele verdeutlichen die überaus positive Entwicklung des SFB 188 in
der zweiten Antragsphase, diese soll in der dritten fortgesetzt werden.
Die Projektbereiche A und B bilden den Kern des Sonderforschungsbereiches. Hier
werden die Grundlagen für die verschiedenen Reinigungsverfahren
erarbeitet.
Im Projektbereich A werden Forschungsvorhaben zusammengefaßt, die
sich mit konkreten Verfahrensschritten zur Sanierung stark kontaminierter Böden
befassen. In den beantragten Forschungsprojekten sollen mechanische,
physikochemische, biologische und biotechnische Grundlagen bearbeitet werden, die
langfristig zu effektiven und kostengünstigen Verfahren für die Reinigung
hochbelasteter Böden führen sollen. Gegenüber den beiden ersten
Antragsphasen wird der Untersuchungsbereich hinsichtlich der bearbeiteten
Böden, der Kontaminationen und der konkreten Verfahrensschritte erweitert. Die
Teilprojekte des Projektbereiches A werden in vielfältiger Weise wie bisher mit
den anderen Projektbereichen kooperieren. Dies gilt in erster Linie für die
meßtechnisch orientierten Arbeitsgruppen, da erst durch eine angepaßte
Analytik die bearbeiteten Verfahrensschritte beurteilt und die erreichten Ergebnisse
quantifiziert werden können. Aber auch die Arbeitsgruppen, die sich mit den
Eigenschaften der Böden vor und nach der Behandlung befassen, werden
ständig in die Projektbearbeitung eingeschaltet sein.
Die in der zweiten Antragsphase durchgeführten Untersuchungen zur direkten
biologischen Bodenreinigung sowie zur Analytik der Ausgangskontaminanten und der
während der biologischen Behandlung entstehenden Metaboliten werden auf
komplexere Systeme mehrere nebeneinander vorliegende Schadstoffklassen, reale
Mischkontaminationen ausgedehnt. Als ein wesentlicher Arbeitsschwerpunkt sollen
die Wechselwirkungen im HumusSchadstoffKomplex näher aufgeklärt
werden. Hier stehen die Wirkungsweise der häufig zur biologischen Reinigung
zugeschlagenen Kompostmaterialien sowie die Mechanismen des während der
Humifizierungsprozesse erfolgenden Schadstoffeinbaus im Vordergrund. Insbesondere
werden wichtige Erkenntnisse aus im SFB 188 fortan durchgeführten
kernresonanzspektroskopischen Untersuchungen erwartet. In dem neuen Teilprojekt
B6 werden erstmals thermophile Mikroorganismen auf ihre Fähigkeit zum Abbau
organischer Schadstoffe hin charakterisiert. Im folgenden sind die Vorhaben der
einzelnen Teilprojekte kurz dargestellt. Wie bereits in den vorherigen Antragsphasen
ergänzen sich die in Projektbereich B geplanten Arbeiten in vielen
Aspekten mit denen der in den Bereichen A, C und D angesiedelten Teilprojekte. So
werden u.a. Prozeßabwässer und schadstoffangereicherte Fraktionen der
verfahrenstechnischen Arbeitsbereiche in Projekten des Bereichs B weiterbehandelt
und in einer umfassenden Kooperation der analytischen Teilprojekte synergistische
und antagonistische Wechselwirkungen nebeneinander vorliegender Schadstoffklassen
beschrieben. Weiterhin kommt eine große Bedeutung der gemeinsamen
Strukturaufklärung der Bindungsverhältnisse im System Humus-Schadstoff
zu. Hier stehen nähere Untersuchungen zur Wirkungsweise der
Kompostmaterialien (B3), Experimente mit 13C- und 14C-markierten Verbindungen (B1,
D6) sowie dazu notwendige Messungen mittels Hochauflösungs- (D5) und
Festkörper-NMR (B4) im Blickpunkt. Diese Gemeinschaftsvorhaben sollen nur
als exemplarische Darstellung dienen, die weiteren geplanten Kooperationen sind in
den Einzelanträgen der Teilprojekte aufgeführt.
Die Teilprojekte des Bereiches C verfolgen das Ziel, Entscheidungskriterien für
Verfahren zu entwerfen, Ergebnisse der Verfahren zu bewerten und
Möglichkeiten und Grenzen der Bodenreinigungsverfahren abzuleiten.
Arbeitsschwerpunkte im Teilprojekt C1 sind die Untersuchung der ökologischen
Wirkung von Kontaminationen auf Bodenorganismen, um daraus standardisierte
Bewertungen für die Praxis abzuleiten, im Teilprojekt C3 das Verhalten dieser
Substanzen und ihrer Abbauprodukte in tieferliegenden Bodenschichten und im
Teilprojekt C6 die Abwägung von Sanierungszielen und techniken innerhalb
regionalplanerischer und städtebaulicher Konzepte.
Die Forschungsschwerpunkte der Teilprojekte D4, D5 und D6 sind vorwiegend
organischanalytisch orientiert, während in D7 die Bearbeitung bodenkundlicher
Probleme im Vordergrund steht. Unabhängig davon, daß die im Bereich D
zusammengefaßten Vorhaben die mit der Verfahrensentwicklung befaßten
Untersuchungen aus den Bereichen A - C begleiten und mit den entsprechenden
Teilprojekten eng kooperieren, liefern sie eigenständige Beiträge zur
Methodenentwicklung und zur Charakterisierung sanierungsrelevanter Leitparameter.
Während in D4 schnelle, zuverlässige Analysenverfahren zur Erfassung
organischer Substanzen entwickelt werden, stehen in D5 mikroanalytische
Ansätze und die Strukturaufklärung unbekannter Substanzen
(Kontaminanten und Metabolite) im Mittelpunkt. In D6 wird die besonders wichtige
Thematik der Festlegung von Schadstoffen in der Humusmatrix (bound residue
Problematik) bearbeitet. Im Bereich der Analytik ist D6 mit D5 verzahnt; im Hinblick
auf die Frage nach der Remobilisierung von Schadstoffen ergeben sich enge
Beziehungen zu D7, wo die Untersuchung dieser Thematik im Vordergrund steht.
Ferner bearbeitet D5 die elektrochemische Dehalogenierung chlorierter aromatischer
Verbindungen und strebt in Kooperation mit A1 Verfahrensreife an.
Die intensive Kooperation der projektdurchführenden Wissenschaftler hatte
schon in der ersten Bewilligungsphase einen hohen Stellenwert. Diese
Zusammenarbeit wurde aufgrund folgender Instrumente besonders
gefördert:
Die Arbeitsgruppen sind die Keimzellen für die intensive Zusammenarbeit
zwischen den einzelnen Teilprojekten; jeder Wissenschaftler war in mindestens einer
Arbeitsgruppe vertreten (die meisten in mehreren), so daß häufiger Kontakt
im 2-3-Monatsrhythmus stattfand. Die Ergebnisse dieser Gruppenarbeit sind
dokumentiert und somit nachvollziehbar. Durch die intensiven Diskussionen ergaben
sich dann die oben genannten Teilprojektkooperationen. Informationsaustausch und
Auseinandersetzung mit Forschungsergebnissen erfolgte auch auf den
Plenarsitzungen, an denen die Projektleiter und -bearbeiter gemeinsam teilnahmen.
Darüber hinaus wurden die jeweils eigenen Forschungsergebnisse auch
außerhalb des SFB diskutiert. Diese Diskussionen fanden sowohl im Rahmen der
Freitagseminare als auch in größerem Rahmen auf nationalen und
internationalen Tagungen statt. Neben der Kooperation innerhalb des SFB haben
Teilprojekte auch mit Instituten außerhalb des SFB zusammengearbeitet. Als
eine solche Kooperation ist das Graduiertenkolleg Biotechnologie zu nennen,
in dem es auch um die Entsorgung von Bioprodukten mit Zellen oder Enzymen in
Bioreaktoren geht.