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Biologische Bodensanierung Methodenbuch

Herausgegeben von K. Alef

VCH 4b Weinheim New York Base1 Cambridge Tokyo

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Biologische Bodensanierung

) VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69451 Weinheim (Bundesrepublik Deutschland). 1994 ~~

Vertrieb: VCH. Postfach 101161, D-69451 Weinheim, Bundesrepublik Deutschland Schweiz: VCH, Postfach, CH-4020 Basel, Schweiz GroBbritannien und Irland: VCH (UK) Ltd., 8 Wellington Court,

USA und Canada: VCH, 220 East 23rd Street, New York, NY 10010-4606, USA Japan: VCH, Eikow Building, 10-9 Hongo 1-chome. Bunkyo-ku, Tokyo 113. Japan

Cambridge CBl IHZ. England

ISBN 3-527-30058-9

Biologische Bodensanierung Methodenbuch

Herausgegeben von K. Alef

VCH 4b Weinheim New York Base1 Cambridge Tokyo

Dr. Kassem Alef Lehrstuhl fur Okologische Chemie und Geochemie Universitat Bayreuth D-95440 Bayreuth

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Das vorliegende Werk wurde sorgfaltig erarbeitet. Dennoch iibernehmen Herausgeber und Verlag fur die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlagen sowie fur eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Lektorat: Dr. H . J. Kraus. Christa Schultz Herstellerische Betreuung: Dip].-Wirt.-Ing. (FH) Hans-Jochen Schmitt

Die Dcutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme: Biologische Bodensanierung - ein Methodenbuch I hrsg. von K . Alef - Weinheim ; New York ; Basel ; Cambridge ;Tokyo : VCH. 1994

NE: Alef, Kassem [Hrsg] ISBN 3-527-30058-9

0 VCH Verlagsgesellschaft mbH. D-69451 Weinheim (Bundesrepublik Deutschland), 1994

Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

Alle Rechte. insbesondere die der Ubersetzung in anderc Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form -durch Photokopie. Mi kroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren - reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverar- beitungsmaschinen. verwendbare Sprache iibertragen oder iibersetzt werden. Die Wiedergabe von Waren- bezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme. daS diese von jedermann frei benutzt werden diirfen. Vielmehr kann es sich auch dann um ein- getragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschiitzte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be repro- duced in any form ~ by photoprinting, microfilm, or any other means - nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publishers. Registered names. trademarks, etc. used in this book, even when not specifically marked as such. are not to be considered unprotected by law. Satz. Druck und Bindung: Druckhaus ,,Thomas Miintzer" GmbH, D-99947 Bad Iangensalza Printed in the Federal Republic of Germany

Vorwort

Der Erfolg der biologischen Bodensanierung in der Praxis hangt entscheidend von der optimalen Durchfuhrung empirischer Methoden ab. Die Beherrschung der Methodologie und das Verstandnis der wissenschaftlichen und rechtlichen Grundlagen sind unentbehrlich, um das Potential der biologischen Bodensanie- rung ausnutzen und diese Technologie weiterentwickeln zu konnen.

Das vorliegende Buch prasentiert ein Gesamtprogramm zur biologischen Bodensanierung, das biotechnologische, bodenmikrobiologische, chemische Labor- und Feldmethoden behandelt . Auch neue Wege wie okotoxikologische Tests und der Einsatz von Pflanzen zur Dekontamination von Boden werden vorgestellt. Erganzend werden Aspekte der Arbeitssicherheit und rechtliche Rahmenbedingungen angesprochen.

Ausfuhrliche Methodenbeschreibungen sind, sofern moglich, gegliedert in wissenschaftliche Grundlagen, MeBprinzip, Gerate, Reagenzien, Arbeitsvor- schrift , Eichkurve und Berechnung der Ergebnisse, Diskussion und Interpreta- tion von Daten sowie Literaturhinweise. Das Methodenbuch richtet sich an Sanierungs- und Consulting-Unternehmen, Institute fur Umweltanalytik, Behorden, Wissenschaftler und Studenten umwelt-, natur- und ingenieurwissen- schaftlicher Disziplinen.

Autoren aus Industrie, Wissenschaft und Forschung geben ihre Kenntnisse in diesem Buch weiter und prasentieren den neuesten Stand der Forschung und Technik.

An dieser Stelle mochte ich mich bei Herrn Dr. H.-J. Kraus, Frau Ch. Schultz (VCH Verlagsgesellschaft) und Herrn Prof. Dr. 0. Hutzinger (Lehrstuhl fur Okologische Chemie und Geochemie, Universitat Bayreuth) fiir die tatkraf- tige Unterstutzung dieser Arbeit herzlich bedanken.

Herzlicher Dank gilt den Herren Prof. Dr. B.-M. Wilke (Institut fur Land- schaftsbau, TU Berlin), Prof. Dr. R. Metz (Institut fur Landwirtschaftlichen Pflanzenbau, Humboldt-Universitat Berlin), Prof. Dr. S. Kluge (Institut fur Pflanzenphysiologie, Universitat Leipzig), Herrn H. Rottler (Okologische Chemie und Geochemie, Universitat Bayreuth) und allen Kollegen, die uns bei der Zusammenstellung behilflich waren und durch konstruktive Diskussionen zu diesem Buch beigetragen haben.

Bayreuth, im Juli 1994 K. Alef


1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sicherheitsaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Wiinschenswerte und erreichbare Sanierungsziele . . . . . .

Nutzungsmoglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Nutzungsbezogene Sanierungsziele . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Technische Sanierungsziele . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Untersuchungsstrategie und Projektstruktur . . . . . . . . 2.2.1 Untersuchungsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.1 Vorbereitende Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2 Sanierungsuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2.1 On-site/off-site-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2.2 In-situ-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.3 Technische Vorplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.4 Monitoring und Erfolgskontrolle . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Projektstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Technische Sicherheitsaspekte . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Rechtliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Unfallgeschehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Gefahrdungsermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . .

Beabsichtigter Umgang mit biologischen Agenzien . . . . . . 2.3.4 Planung und Arbeitsvorbereitung . . . . . . . . . . . . . 2.3.4.1 Pflichten des Auftraggebers . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4.2 Pflichten des Auftragnehmers . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Baustelleneinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5.1 Zonierung der Baustelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5.2 Schwarz-WeiB-Adage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5.3 Dekontamination von Geraten und Fahrzeugen . . . . . . . 2.3.6 Schutzmahahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6.1 Sanierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6.2 Technische Schutzmahahmen . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6.3 Einhausungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6.4 Organisatorische Schutzmahahmen . . . . . . . . . . . . 2.3.6.5 Personliche Schutzausriistungen . . . . . . . . . . . . . .

2 Sanienmgsziele. Untersuchungsstrategie. Richtlinien und

2.1.1 Multifunktionalitat oder Einschrankung der

2.3.3.1 2.3.3.2 Unbeabsichtigter Umgang mit biologischen Agenzien . . . .

2.4 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Mikrobiologische Charakterisierung kontaminierter Boden . . 3.1 Probennahme. Vorbereitung und Bodenlagerung . . . . . .

1

3 3

3 7 9

11 12 12 14 14 15 17 19 20 23 23 25 26 27 28 29 29 30 31 31 33 35 36 37 37 38 38 40 41

43 44

VIII Inhalt

3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.5 3.6

3.6.1 3.6.2

3.7

4

4.1 4.1.1 4.1.1.1 4.1.1.2 4.1.1.3 4.1.2 4.1.2.1 4.1.2.2 4.1.2.3 4.1.2.4 4.1.3

4.1.4 4.2

4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1

4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.4

5

5.1 5.2

5.3 5.4 5.5

Bestimmung des Bodenwassergehaltes und der Trockensubstanz Bestimmung der maximalen Wasserhaltekapazitat ( WHK... ) . Bestimmung mikrobieller Aktivitat der Bodenproben . . . . Bestimmung der potentiellen Atmungsaktivitaten . . . . . . Weitere Moglichkeiten zur Bestimmung potentieller Aktivitaten Quantifizierung mikrobieller Populationen . . . . . . . . . Quantifizierung von Umweltchemikalien abbauenden Mikroorganismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quantifizierung von Mineraldl abbauenden Mikroorganismen . Quantifizierung von polycyclische Kohlenwasserstoffe (PAK) abbauenden Mikroorganismen . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Biologischer Abbau von organischen Umweltchemikalien. Anreicherung und Isolierung von Umweltchemikalien abbauenden Mikroorganismen . . . . . . . . . . . . . . Mikrobieller Abbau organischer Umweltchemikalien . Abbau von Mineralolkohlenwasserstoffen . . . . . Abbau von Aliphaten . . . . . . . . . . . . . . Abbau von Alicyclen . . . . . . . . . . . . . . Abbau von Aromaten . . . . . . . . . . . . . . Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen (CKW) . Abbau von halogenierten Aliphaten . . . . . . . .

Abbau von halogenierten Benzolen und Benzoesauren Abbau von chlorierten Phenolen . . . . . . . . . Abbau von polycyclischen aromatischen Kohlenwasser-

Anreicherung und Isolierung von Umweltchemikalien abbauenden Mikroorganismen . . . . . . . . . . Nahrstoffanspriiche aerober Mikroorganismen . . . Kulturmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . Isolierungs- und Anreicherungsmethoden . . . . . Aliphatische Kohlenwasserstoffe abbauende Mikroorganismen . . . . . . . . . . . . . . . m X abbauende Bakterien . . . . . . . . . . . Chlorphenole abbauende Mikroorganismen . . . . PAK abbauende Bakterien . . . . . . . . . . . Isolierung von Pilzen . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Abbau von halogenierten Aromaten . . . . . . .

stoffen (PAK) . . . . . . . . . . . . . . . . . Abbau von polychlorierten Biphenylen ( P a ) . . . .

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. . . .

Bestimmung von organischen Kontaminationen im Boden . . Bestimmung von Kohlenwasserstoffen . . . . . . . . . . . Bestimmung von leichtfluchtigen halogenierten und aromatischen Kohlenwasserstoffen . . . . . . . . . . . . Bestimmungvon polychlorierten Biphenylen . . . . . . . . Summenbestimmung von organisch gebundenen Halogenen . . Bestimmung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasser- stoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44 45 46 46 49 49

52 52

54 55

57 57 59 60 62 63 67 68 69 70 72

73 75

77 77 79 79

80 83 87 91 96 99

103 103

108 113 117

122

Inhalt IX

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Literatur 128

6 Optimieruag der Abbauparameter im Labor . . . . . . . . 131 6.1 Die Fragestellung der Optimierung . . . . . . . . . . . . 131 6.2 Abbauparameter und Limitierungen . . . . . . . . . . . 133 6.3 Optimierungsprograrnm . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.3.1 Schnelltests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.3.1.1 Respirometrischer Test . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.3.1.2 Hemmtests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 6.3.2 Boden-Bioreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.3.2.1 Technische Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.3.2.2 OptimierungsprozeB . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.3.2.2.1 Nahrsalzbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.3.2.2.2 Beliiftung, Sauerstoffeintrag . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.3.2.2.3 Alternative Elektronenakzeptoren . . . . . . . . . . . . 153 6.3.2.2.4 Adsorption, Desorption und Bioverfiigbarkeit . . . . . . . 154 6.3.2.2.5 Temperatur und pH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.3.2.2.6 Cosubstrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 6.3.2.2.7 Spezielle Mikroorganismen . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.3.3 Bodensaule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6.3.4 Lysimeter, Testmieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 6.4 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

7

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8

8

8.1 8.1.1 8.1.1.1 8.1.1.2 8.1.1.3 8.1.2 8.1.2.1 8.1.2.2 8.1.2.3 8.1.2.4 8.1.2.5 8.1.2.6 8.1.2.7 8.1.2.8 8.1.2.9

Okotoxikologische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . 171 Herstellung von Bodeneluaten . . . . . . . . . . . . . . 172 Leuchtbakterientest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Griinalgentest (Hemmungder Zellvermehrung) . . . . . . . 176 Daphnientest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Fischtest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Pflanzenwachstumstest . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Regenwurmtest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Mikrobiologische Sanierungsverfahren . . . . . . . . . . 187 On/off-site-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Verfahrenstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Landfarming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Regenerationsmieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Reaktortechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Sanierungsdurchfiihrung . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Mechanische Aufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Bodenverbesserung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Mikrobielle Population . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Sauerstoffversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Wassergehal t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Nahrstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Verfugbarkeit der Schadstoffe . . . . . . . . . . . . . . 194 Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 pH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

X Inhalt

8.1.3 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.2.1 8.2.2.2 8.2.2.3 8.2.2.4 8.2.2.5

8.2.2.6 8.2.3 8.2.4 8.2.4.1 8.2.4.2 8.2.4.3 8.2.4.4 8.3 8.3.1 8.3.1.1 8.3.1.2 8.3.2 8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.3 8.3.3.1 8.3.3.2 8.3.3.3 8.3.3.4 8.3.4 8.3.4.1 8.3.4.2 8.3.4.3 8.3.4.4 8.3.4.5 8.3.5 8.3.6 8.3.7 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 8.4.6 8.5

9

9.1

Kontrolluntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

Abbaufahigkeit der Pilze . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Substratherstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . 195 Substratvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Autoklavieren des Substrates . . . . . . . . . . . . . . . 196 Partielle Sterilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Xerotherm-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Substratherstellung durch aerobe Fermentation (von nassem Substrat) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Substratherstellung durch semianaerobe Fermentation . . . . 198 Anzucht des Austernpilzes . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Verfahrensbeschreibungen . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Laborversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Klassisches Mietenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 199 Sanierung in ..big bags" . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Dynamisches Mietenverfahren . . . . . . . . . . . . . . 200 In-situ-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Voraussetzungen fur in-situ-Verfahren . . . . . . . . . . . 204 Schadstoffinventar. Mikrobiologie . . . . . . . . . . . . . 204 Geologie und Hydraulik . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Schadstoffelimination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Mikrobiologischer Abbau . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Elektronenakzeptoren (Zuschlagstoffe) . . . . . . . . . . 206 Sauerstoff (OJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Wasserstoffperoxid (H202) . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Nitrate (NO;) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Elektronenakzeptor-Konzentrationen . . . . . . . . . . . 208 In-situ-Sanierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 209 Schadstoffe in Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Kombinierte Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Biox@-S-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 UVB-Verfahren (Unterdruck-Verdampfer-Brunnen) . . . . . 211 Verockerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Sanierungsziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Bioreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Motive fur den Einsatz von Bioreaktoren . . . . . . . . . 215 ProzeDsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Einteilung der Bioreaktorverfahren . . . . . . . . . . . . 216 Trockenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Suspensionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Extraktionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

Der Einsatz von WeiSfaulepilzen bei der on/off-site-Sanierung . 195

Biologische Sanierung schwermetallkontaminierter Boden mit Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Pflanzenverfiigbarkeit von Schwermetallen im Boden . . . . 228

Inhalt XI

9.1.1 9.1.2

9.2 9.2.1 9.2.2 9.3

9.3.1 9.3.1.1 9.3.1.2 9.3.1.3 9.3.2 9.3.3

9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.5

9.6 9.7

Bestimmung des Gesamtgehaltes der Schwermetalle im Boden . 229 Sequentielle Extraktionsverfahren von Schwermetallen im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Auswahl geeigneter Pflanzen fur die Bodensanierung . . . . 234 Wachstums- und Schadstoffaufnahmeeigenschaften . . . . . . 234 Verfahren zur Auswahl und Adaption von Pflanzen . . . . . 234

Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Die Erhohung der genetischen Variabilitat . . . . . . . . . 237 Selektion in vitro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Hybridisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Massenvermehrung iiber Gewebekultur . . . . . . . . . . 238 Optimierungsversuche im Gewebekulturlabor . . . . . . . . 239

Pflanzengewebekultur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Technologie der Bodensanierung . . . . . . . . . . . . . 243 Bodenvorbereitung und Aussaat oder Pflanzung . . . . . . . 243 Dungung und Pflege . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Ernte und Verwertung . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

die Dekontaminierung belasteter Boden . . . . . . . . . . 247 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

Moglichkeiten der zuchterischen Optimierung ausgewahlter

Ermittlung der Schwermetallaufnahme bei Pflanzen in der

Moglichkeiten der Nutzung nachwachsender Rohstoffe fiir

10 Wiederverwertung biologisch sanierter Boden . . . . . . . 251 10.1 RekultivierungsmaBnahmen . . . . . . . . . . . . . . . 252 10.1.1 Standortrekultivierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 10.1.2 Bodenrekultivierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 10.1.2.1 GefaBversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.1.2.2 Rekultivierung von Flachen . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.2 Humifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 10.3 Rechtliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.4 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261


Verzeichnis der Autoren

Dr. K . Alef Lehrstuhl fur Okologische Chemie und Geochemie Universitat Bayreuth D-95440 Bayreuth Kapitel 1, 3, 4.1, 7, 10

Dip1.-Ing. H. Burmeier WCI Umwelttechnik GmbH Buro Hannover HauptstraBe 45a D-30974 Wennigsen Kapitel2

Prof: Dr. W Fritsche Lehrstuhl fur Technische Mikrobiologie Universitat Jena Philosophenweg 12 D-07743 Jena Kapite14.2, 4.3

Dr. A . Gerth Bioplanta GmbH Permoser StraBe 15 D-04318 Leipzig Kapitel 9

DI: Th. Gunther Lehrstuhl fur Technische Mi krobiologie Universitat Jena Philosophenweg 12 D-07743 Jena Kapite14.2, 4.3

Dr. W Heckernanns Bur0 Prof. Dr. Hoffmann Heinrich-Held-StraBe 33 D-45133 Essen Kapitel2

Dr. T Held Trischler und Partner GmbH Berliner Allee 6 D-fj4295 Darmstadt Kapite18.3

Dr. S. Kappesser Wayss & Freytag AG Theodor-Heuss-Allee 110 D-60486 Frankfurt am Main Kapitel8.1

Dr. W Muller- Markgraf Linde AG Dr.-Carl-von-Linde-StraSe 6-14 D-82049 Hollriegelskreuth Kapitel6

Dr. G. Rippen Trischler und Partner GmbH Berliner Allee 6 D-64295 Darmstadt Kapitel2

Dip1.-Biol. U. Sack Lehrstuhl fur Technische Mi krobiologie Universitat Jena Philosophenweg 10 D-07743 Jena Kapite14.2, 4.3

XTV Verzeichnis der Autoren

DK U. Schies Technischer Aufsichtsdienst der Tiefbau-Berufsgenossenschaft Am Knie 6 D-81241 Munchen Kapitel 8 .2

Dr. D. Schlosser Lehrstuhl fur Technische Mikrobiologie Universitat Jena Philosophenweg 10 D-07743 Jena Kapitel 4.2, 4.3

DK R. Spa11 Wayss & Freytag AG Riederhof-Stral3e 25 D-60314 Frankfurt am Main Kapitel5

DK R . Winterberg Gesellschaft fur Sanierung von Boden und Gewassern mbH Peter-Henlein-StraSe 2 4 D-27472 Cuxhaven Kapite18.4

1 Einleitung (K. Alef)

Das Thema ,,Bodensanierung" genieat im Hinblick auf die Umweltproblematik das Interesse der Gesellschaft sowie von Industrie und Wissenschaft, da Bodenkontamina- tionen ein Gefahrdungspotential insbesondere fur die Gesundheit der Menschen dar- stellen.

Die Fahigkeit von Mikroorganismen, naturliche und anthropogene organische Stoffe im Boden abzubauen, hat es ermoglicht, neue Biotechnologien zur Bodensanierung zu erarbeiten. Dabei haben die mikrobiologischen Sanierungsverfahren sich in den letzten Jahren rapide entwickelt und sind inzwischen weltweit als anerkannte Technologie etabliert. In den meisten Fallen haben sie sich als okologisch und okonomisch giinstige Technik erwiesen.

Die rasante Entwicklung in den verschiedenen Bereichen der biologischen Sanierung, sei es im Bereich der Bodenmikrobiologie, Biotechnologie, Mikrobiologie, Okotoxiko- logie oder auch Analytik, hat uns dazu bewogen, erstmalig Labor- und Praxis-Methoden der biologischen Bodensanierung in einem Buch zusammenzustellen. Neben den Me- thuden zur mikrobiologischen Charakterisierung kontaminierter Boden, wie Aktivitats- bestimmungen, Quantifizierung aerober und fakuitativ anaerober mikrobieller Popula- tionen, werden Methoden zur Anreicherung und Zsolierung von Umweltchemikalien abbauenden Bodenrnikroorganismen vorgestellt.

Biologische und biochemische Grundlagen des mikrobiellen Abbaus von organischen Schadstoffen leisten einen Beitrag zum Verstandnis der biologischen Bodensa- nierung und deren Entwicklungsmoglichkeiten. Ein separates Kapitel umfaBt Praxis- Methoden zur chemischen Schadstoffanalyse in kontaminierten und sanierten Boden. Diese Methoden beschreiben Verfahren zur Analyse von Kohlenwasserstoffen (KWs), leichtfluchtigen halogenierten und aromatischen Kohlenwasserstoffen (LHKWs), polycyclischen Kohlenwasserstoffen (PAKs), polychlorierten Biphenylen (PCBs) und organisch gebundenen Halogenen (AOX, EOX, POX).

In einem weiterem Kapitel werden okotoxikologische Labormethuden zur Abschat- zung des Gefahrdungsputentials kontaminierter und sanierter Boden vorgestellt und deren Bewertung und Aussagekraft diskutiert. Auch die Frage der Bildung von toxischen Metaboliten im Laufe der mikrobiologischen Bodensanierung findet hierbei Beriicksichtigung. Da viele chemische und okotoxikologische Methoden urspriinglich fur die Wasser- und Klarschlammanalyse entwickelt worden sind, wurde im vorliegen- dem Buch grol3er Wert darauf gelegt, Erfahrungen mit Budenproben vorzustellen.

Weitere Schwerpunkte sind biotechnologische Labor-Verfahren zur Optimierung des Abbuus verschiedener organischer Schadstoffe im Boden sowie Optimierung des Ein- satzes von adaptierten Mikroorganismen in der Sanierungspraxis.

Bei den Technologien der onluff-site-, in-situ-Sanierung, des Einsatzes vun Pilzen, von Pflanzen und Bioreaktoren stand das Ziel im Vordergrund, eine technische Anlei-

2 E i ~ l l d U f l g

tung zur Durchfuhrung der Sanierung anzubieten, die praxisbezogene Fakten zur Anlagenkonstruktion, Konzentrationsangaben von Niihrstoffen und Randbedingungen beinhaltet. Sanierungs,-iele, technische Sicherheitsrichtlinien, Projektdesign, und Wie- clerverrvertung sanierter Boden als weitere unverzichtbare Aspekte zur Anwendung der biologischen Bodensanierung werden vorgestellt. Die Themenvielfalt in diesem Buch 1al3t die enge Bindung zwischen Praxis, Forschung und Wissenschaft erkennen und verdeutlicht die Notwendigkeit der interdisziplinaren Zusammenarbeit, um anstehende Probleme im Bereich der biologischen Bodensanierung bewaltigen zu kiinnen.

2 Sanierungsziele, Untersuchungsstrategie, Richtlinien und Sicherheitsaspekte

2.1 Wunschenswerte und erreichbare Sanierungsziele (G. Rippen)

Nachdem fur einen kontaminierten Standort im Rahmen einer Gefihrdungsabschatzung die Sanierungsbedurftigkeit des Bodens festgestellt wurde, beginnt die Phase der Sanierungsplanung. Im Prinzip konnte man kurzfristig mit der Sanierung beginnen, indem man die bestmogliche Technik anwendet und auf die niedrigstmoglichen Schad- stoffkonzentrationen abreichert. Dieser Ansatz wird dann in Frage gestellt, wenn das Erreichen einer sehr niedrigen Endkonzentration rnit erheblich hoheren Kosten verbun- den ware (z. B. infolge einer um Monate oder Jahre verlangerten Sanierungsdauer, eines gesteigerten Energieaufwandes oder der Notwendigkeit des Einsatzes weiterer Zu- schlagstoffe) oder wenn - wie haufig - grundsatzlich mehrere Sanierungstechniken mit unterschiedlichen erreichbaren Zielkonzentrationen und Kosten zur Verfugung stehen. In diesem zumeist ublichen Fall steht am Beginn der Sanierungsplanung die Diskussion urn die Sanierungsziele.

2.1.1 Multifunktionalitat oder Einschrankung der Nutzungsmoglichkeiten

Prinzipiell unterschiedliche Vorgehensweisen konnen zur Festlegung von Sanierungs- zielen angewandt werden. Weit verbreitet ist die Forderung, nach einer Sanierung musse eine multifunktionale Nutzung des Gelandes wieder moglich sein. Dieser Ansatz orientiert sich an moglichen toxischen und okotoxischen Wirkungen auf Lebewesen uber den Boden-, Wasser- und Luftpfad. Er wird mit der Anwendung der sogenannten ,,Holland-Liste" verfolgt (neueste Fassung vom September 1993, siehe Tab. 2-1 [ I ] ) , in der aus okotoxikologischer sowie aus toxikologischer Sicht nichtakzeptable Schad- stoffkonzentrationen (Toxizitatswerte, C-Werte) fur Boden festgelegt sind.

Unterschiedlichen Gehalten an Ton und organischem Kohlenstoff, die ein unter- schiedliches Sorptionsverhalten bedingen, kann im Rahmen dieses Ansatzes durch Umrechnungsfaktoren Rechnung getragen werden; in der Praxis geschieht dies jedoch zumeist nicht, zumindest nicht in Deutschland. Das Vorhandensein oder Fehlen eines konkreten Expositionspfades (,,Kann der Schadstoff Mensch, Tier oder Pflanze uber- haupt erreichen?") bestimmt in den Niederlanden nicht die prinzipielle Sanierungs- bedurftigkeit, sondern nur die Prioritat der Sanierung.

I. Metalle Chroni (CI-) 3 80 Cobalt (Co) 240 Nickel ( N i ) 2 I 0 Kupfer (Cu) I YO Zink (Zn) 720 Arsen (As) 55 Molybd2n ( M o ) 200 Cadmiurn (Cd) 12 Bnrittm (Ba) 625 Quecksilher ( H g ) 10 Blei (Ph) 530 11. Anorganische Verbindungen Cyanide frei 20 Cyanide gehunderi (pH i 5 ) ' Cyanide gehunderi (pH 2 5 ) Thiocyanatc 20

650 SO

111. Aromatische Verbindungen Benml I

Phenol 40 Kresole 5 To1 uol I30

Catec hol 20 Resorcinol I0

IV. Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)

Ethylhen7,ol SO

Xylol 25

Hydrochi tion 10

PAK (sin;me von 1 0 ) ' 1 3

Naphthalin Anthracen Phenanthrcn Fluorant hen Reri7ol a]anthraccri C hry se ti Benzol alpyren Bcnzol ghi lperylcn Ben7ol k Ifltioranthcn Indenol I .X-cd]pyrcn V. Chlorierte Kohlenwasserstoth I .2-Dichlorethan Dichlormcthan Te trx h lore then Tetrachlornietlian Trichlormcthan Trichlorethen Vinylchlorid Chlorbcnzolc (Summe)' " Moiiochlorbctizol

30

75 75

60 300

6 625

0.3 75

1 500 1 500 1500 1500

i (x)

8(x)

30 1 so

2000 200

1000 70

1250 600 800

~

70 5 5 1 0.5 0.05 0.0.5 0.05 0,05 0.05

400 1000

10 30

300 500

0.7 -

I80

Dichlorbenzol Trichlorbenzol Tetrachlorbenzol Pentachlorbenzol Hexachlorhenzol Chlorphenole (Summe)' I'

Monochlorphenol Dichlorphenol Trichlorphenol Tetrachlorphenol Pentachlorphenol Chlornaphthalin Polychlorbiphenyle (Summe von 7)' VI. Pflanzenbehandlungsmittel DDT/DDDIDDEh , , Drine'" HCH-Verbindungen Carbaryl Carbofuran Maneb Atrazin VII. Ubrige Verunreinigungen Cyclohexanon Phthalate (Summe)" Mineraliil"' Pyridin Styrol Tetrahydrofuran Tetrah ydrothi ophe ti

~

~

-

-

~

10 -

-

~

-

5 10

I

4 4 2 5 2

35 6

270 60

5000 1

I 00 0,4

90

50 10 2 3 I 0.5

~

100 3 0 10 10 3 6 0.0 1

0,o I 0.1 1 0. I 0,1 0. I

150

15000 5

600 3

300 1

30 ~~~~~~~ ~ ~~

I SBuregrad von 0.01 M CaCI,. Fur die Festlegung von pH 2 5 und pH < 5 gilt das 90-Perzentil der gemessenen Werte.

' PAK (Surnme von 10): Summe von Anthracen, Benzolalanthracen. Benzo[k]fluoranthen. Ben- zo[a]pyrcn. Chrysen, Phenanthren. Fluoranthen. Indeno[ 1,2,3-cd]pyren, Naphthalin und Benzo[ghi]perylen.

' Chlorbenzole (Summe): Summe aller Chlorbenzole (Mono-, Di-, Tri-, Tetra-, Penta- und Hexachlorbenzol).

' Chlorphenole (Sumrne): Sumrne aller Chlorphenole (Mono-. Di-, Tri-, Tetra- und Pentachlorphenol). ' Polychlorbiphenyle (Surnme von 7) : Summe von PCB 28.52, 101, I 18, 138. IS3 und 180. '' DDTIDDDIDDE: Summe von DDT, DDD und DDE. ' ,,Drine": Summe von Aldrin, Dieldrin und Endrin. ' HCH-Verbindungen: Summe von a-HCH, p-HCH, y-HCH und 6-HCH. ' I Phthalate (Summe): Summe aller Phthalate.

") Mineralol: (mindestens, aber nicht nur) Surnme der verzweigten Alkane. Wenn Gemische gemeint sind (z. B. Benzin oder Heizol), mussen neben den Alkan-Gehalten auch die Gehalte an aromati- sehen undhder polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen bestimmt werden. Dieser Sum- menparameter wird aus praktischen Grunden aufgefuhrt. Eine toxikologische und chemische Differenzierung wird untersucht.

I ' Der Sumtnenwert fur polycyclinche Kohlenwasserstoffe, Chlorphenole und Chlorbenzole im BodenISediment gilt fur die Gesamtkonzentration der Verbindungen aus der betrcffendcn Gruppe. Wenn eine Verunreinigung nur eine Substanz aus einer Gruppe betrifft, gilt als Eingreifwert der Wert fur die betreffende Substanz. bei zwei oder mehr Substanzen fur die Summe dieser Stoffe.

6 .Srrrrirrrrtrg.s;ic~le, Uritr,:~~rc~liirri~~.c.vt,urfrSir, Ric.lr/liiric~ri rind .Sic~Iro. lrc~i t .c ir .~~trkrc~

Unter diesen strengen Kriterien kann es sich ergeben, daB bereits bei der Sanierungs- planung eine multifunkrionelle Nutzung ini AnschluB an die mikrobiologische Sanie- rung nicht tniiglich zu aein scheint. Allerdings wird die Bioverfiigbarkeit der niiiglicher- weiae verbleibenden Schadstoffe nicht ausreichend berucksichtigt: relativ hohe Schadstoffgehalte von immobilen, d. h. nicht auslaugbaren und nicht den Lebewesen verfugbaren Substanzen, insbesondere langkettigen Kohlenwasserstoffen (> C2,1- C15) gewinnen somit unverhKltnismiiJ3ig hohes Cewicht.

Dies kann in dcr Praxis dazu fuhren, daR ein alternatives Verfahren. z. B. eine cheniisch-physikalische oder therinische Bodenbehandlung, vorgezogen wird, weil nur so die vorgeschriebenen strengen Sanierungsziele erreicht werden konnen. Die derzeit verfugbaren iikotoxikologischen Tests an Bodensubstrat und an Eluaten (s. Kapitel 7) hesitzcn kcine ausreichende AkLeptanz, urn Bedenken. L . B. im Falle ciner Uberschrei- tung der holliindischen C-Werte, sicher zu zerstreuen (s. z. B. [2]). Im Extremfiill wird eine weitere Nutzung des Bodens ([nit reduzierten Qualitiitsanspruchen) verhindert und seine unniitige Deponierung erzwungen. Dieher Nachteil der Forderung nach Multi- funktionalitat, die nach der ,,Reparatur" von Utnweltschiiden nur selten bzw. mit unverhlltnismiilJig hohern Aufwand wieder erreicht wird, i a t so gravierend. daf3 in der Praxis oft Abstriche bei den Sanierungsanforderungen gemacht werden. Erleichtert wird eine solche Entscheidung durch eine Bilanzierung der sekundiren Umweltauswirkun- Fen, die z. B . durch erhohten Energieeinsatz (Kraftstoffe, Elektrizitiit) oder durch vermehrten Rohstoffverbrauch (Stahl, Spulwasser, Aktivkohle, chemische Zuschlag- stoffc) [ 3- 5 1 verursacht werden konnen. Ein Vergleich mikrobiologischer Verfahren mit anderen durfte in dieser Hinsicht gunstig ausfallen, obwohl bisher noch keine eigentliche okobilanz erstellt wurde.

Konkret bedeutet dies, da13 in der Praxis - uberwiegend aus Kostengrunden -oft auf eine Sanierung bis zu den technisch machbaren Minimalkonzentrationen verzichtet wird; unter Berucksichtigung der Standortgegebenheiten werden hiihere Schadstoff- konzentrationen zugelassen, wobei am sanierten Standort jedoch eine Gefiihrdung des Menschen oder anderer am Standort relevanter Schutzguter ausgeschlossen sein muB.

Eine solche Teilsanierung ist ein Schritt in Richtung auf die ebenfalls giingige Praxis einer Sicherung kontaminierter Bereiche unter Kontrolle iniiglicher Ausbreitungspfade, gegebenenfalls ergiinzt durch MaRnahmen zu einer Unterbrechung der Pfade (,,Einkap- selung"). Allerdings fuhrt eine alleinige Sicherung unter Umstiinden zu extremen Nutzungseinschriinkungen. oft sogar zu stiidtischen Brachflichen. Um dies zu vermei- den, wird gerade in Ballungsgebieten imrner iifter eine Sanierung kontaminierter Fliichen auch bei hohen zu erwartenden Kosten erwogen und auch durchgefiihrt.

Eine Rcihe von Grunden ist dafur ausschlaggebend:

- eine bereits existierende Nutzung (nachtriigliches Erkennen einer Gefihrdung durch Boden- oder Grundwasserkontaminationen), d. h. Fiille, in denen ein Brachlegen der Fliiche politisch kaum akzeptiert wird

- bereits laufende Bauvorhaben (nachtraglich erkannte Entsorgungsprobleme fur den Erdaushub, die ebenfalls weitreichende Konsequenxn bei einern Baustillstand hatten)

- klar erkennbare Verursacher mit unabwendbaren Haftungs- und Strafrechtskonse- quenzen

Wiin.scheiisiz.erte iind erreic Abrire Sunirruiigs:ie/e 7

- eine stark begrenzte Verfugbarkeit weiterer nutzbarer Flachen (restriktive Flachen-

- stadtebauliche Nutzungswunsche (z. B. bereits erstellte Bebauungsplane, von denen

- hohe Grundstuckspreise, die einen Teil der Sanierungskosten wieder ausgleichen

Bei Sanierungskosten fur abgrenzbare Schadensfalle mit Tiefen von 4-10 m lassen sich bei 200-500DM je Tonne Boden leicht Sanierungskosten zwischen 1000 und 5000 DM/m’ errechnen. Diese Kosten ubersteigen den zu erwartenden Verkaufswert der Flachen meist erheblich. Deshalb mulj ein Kompromilj zwischen der Bezahlbarkeit und der Beseitigung des Gefahrdungspotentials gefunden werden. Die zur Disposition stehenden geplanten oder realen Immobilienwerte, oft zwei- bis dreistellige Millionen- betrage, rechtfertigen in vielen Fallen auch umfangreichere Planungsaktivitaten, damit die Kosten einer notwendigen Sanierung minimiert werden konnen.

bewirtschaftung)

nach Moglichkeit nicht abgewichen werden soll)

konnen.

2.1.2 Nutzungsbezogene Sanierungsziele

Ziel eines Kompromisses ist es in solchen Fallen nicht mehr, die Schadstoffgehalte der belasteten Flachen auf Hintergrundwerte zu reduzieren, sondern einen solchen Endzu- stand zu erreichen, dalj keine der angestrebten Nutzungen durch die Belastung in Frage gestellt ist. In Kauf genommen werden mulj unter Umstinden, dalj derzeit nicht beabsichtigte andere Nutzungen spater nicht ohne weiteres moglich sein werden, beispielsweise Eingriffe in groljere Bodentiefen, Nutzung des Grundwassers als Trink- wasser oder landwirtschaftliche bzw. gartenbauliche Aktivitaten.

In bestimmten Fallen ist auch eine Versiegelung definierter Bodenbereiche erforder- lich; damit besteht dann nur noch ein relativ geringer Unterschied zu Maljnahmcn, dic lediglich der Sicherung einer Altlast dienen. Nicht immer erhalt man jedoch einen aktuellen okologischen Vorteil, wenn man belastete Bereiche zu hohen Kosten saniert, obwohl eine geplante Versiegelung die Ausbreitung der Schadstoffe ausschlieRt. In solchen Fallen ist die Verhaltnismafiigkeit der Maljnahmen zu diskutieren.

Als richtungsweisend fur die nutzungsbezogene Beurteilung von Bodenkontamina- tionen hinsichtlich einer direkten Exposition des Menschen uber orale Aufnahme von Boden oder Inhalation von Stauben konnen die Bodenwerte von EIKMANN und KLOKE dienen [6]. Bisher wurden allerdings nur fur wenige organische Schadstoffe Werte abgeleitet. Die EIKMANN/KLOKE-Werte konnen u. a. auch zur Beurteilung herangezo- gen werden, ob nicht eine mikrobiologische Sanierung an der Uberschreitung von Schwermetall-Richtwerten scheitert. Zusatzlich mussen auch andere Pfade, z. B. Aus- gasung oder Auswaschung in das Grundwasser, beurteilt werden.

Den Pfaden zum Menschen kommt die groljte Bedeutung zu. Deshalb mu13 es oberstes Ziel sein, durch geeignete Maljnahmen eine Exposition zu unterbinden, entweder durch bauliche Mafinahmen oder durch Nutzungseinschrankungen. Dies ist auch im Hinblick darauf wichtig, dafi die wissenschaftliche Bewertung der Wirkungen von Schadstoffen standig aktualisiert und fortentwickelt wird.

Lfd. P:lranlclel N r.

0ricnticrtingswcl.te

tinbcl ;isktc'r Boden El tiiit Fcst~loll Elual' Fc'ststott' (Illf/l) (nig/l\g TS) ( nig/l ) (ing/kg TS )

~~~

vertini-ci niptcr Bodcii

1 pH-Wert i \ t anmgcben

i mc < 30 2 Elcktr. Leitfihigkeit <300 mS/n1

Metalle -I Arscn S Blci 6 Cndmiuni 7 Chrom gesanit X Ktipfer 0 Nickel

I 0 Qticcksilhcr I1 Link

< 30 so00 IllS/lll > 100

>O.S > I >o, I >0.5 >5 > I >O.O? >5

Anionen I2 Cy:inide leicht fc\twt/har <O.OS O.S >S

Kohlenwasserstoffe I 3 Kohlcnu.~is~ersto~fc ( H I X ) 10.2 <300' - >SO00 I 4 Schwetlltichtige ~ <t>OO' ~ >8000

IS Einhcrnipc n1-oiii:itische ~ 25

I6 Polycyclische aromati5che < 0.002 < 5 > 0 . 0 2 > IS0

I 7 Leichttltichtigc Halogen- < 0.01 0.1 > I 0

lipophilc Stoffc ( H 17)

Kohlenwasscr~toffe ( BTEX)

Kohlcnu.asscr~to~fc ( PAK)

l \ o h l e n w a r ~ c i - ~ t [ ) ~ ~ ~ ( L H KW) I X I'hcnolindeu < 0.0 I so -

' Zuordntinp Deponieklii\w 2. Anhang C. Entwurltlcr TA Sierlltingsahfall. Stand 3 1 . 8. 1992 ' Geogen hedingre ~berschrei~ttng bi\ I000 nigihg tolerierhar ' 16 Ein/clstibstnnxn nach EPA-Liste ' Gilt nicht liir die Vet'ncrtting I ctn hittitncngehiintleneni St1-iiDeii;itifbrLicti ini Stt-al3en- und Wegehati

~~ ~~

Die Obcrgrenm lur die Eingreifwcrte irnd Sanicrungviele wird durch gesctzlichc Vorgaben bestimmt. In Hesseti darf beispielsweise Erdaushub nicht niehr verwertet werden. wenn der Boden nach MaUgabe von Eluat-Werten als ..verunreinigt" gelten muf.3. Die Kriterien dafur sind in Tab. 2-2 aufgelistet 171. Bodenmatel-ial, das einzelne dcr i n der Tabelle genannten Orientierungswerte fur ..verunreinigt" iiberschreitet, darf airf kcincn Fall wiedcr cingebaut werden.

Die Ableitung nutzungs- kind pfadbezogener Sanicrungvielwerte riiuR standortbezo- fen im Einzelfrill erfolgen. Dies erfordert allerdings den guten Willen aller beteiligten Stellen. d. h. von

Wiiii.sc~hrtis~.ert~ urid erreiclihnre SunierLlrlXs,ic.lt.Jriir~~.s~i~~l~J 9

0 Kostentrager (Sanierer) 0 Planungsburo 0 Genehmigungsbehorde und 0 Fachbehorden. Der Lohn eines solchen Nachdenkens ist die zukunftige gefahrlose Nutzung der jeweiligen Flache - im Sinne der Planungen - bei vertretbaren Kosten und unter Schonung naturnaherer Areale, z. B. am Stadtrand. Der Preis einer solchen Verfahrens- weise besteht in der Einschrankung von gegenwartigen und zukunftigen Nutzungen, eventuell der Eintragung als Last im Grundbuch; unter Umstgnden sind weitere technische Mafinahmen (z. B . Versiegelung oder eine Grabsperre in z. B. 1,OO m Tiefe) sinnvoll. In Einzelfallen konnen auch okotoxikologische Tests (s. Kapitel 7) herange- zogen werden, um die Unbedenklichkeit des einzubauenden Materials zu bestkigen. Insbesondere die okotoxikologische Prufung von Eluaten zum Schutz des Grundwas- sers ist in diesem Zusammenhang zu nennen.

2.1.3 Technische Sanierungsziele

Die von den nutzungsbezogenen Sanierungszielen zu unterscheidenden technischen Sanierungsziele sind bei chemisch-physikalischen Bodenbehandlungsverfahren in der Regel leichter festzulegen als bei mikrobiologischen Verfahren. Mittels physikalischer Verfahren lassen sich durch Behandlungsdauer und -intensitat mehr oder weniger leicht die gewunschten Sanierungszielwerte einstellen ; ein mikrobieller Abbau dagegen fiihrt in einer Ubergangszeit zur Bildung meist polarer Metaboliten, die selbst eine Toxizitst gegenuber Mensch und Umwelt haben konnen, in der Regel jedoch nach einer ausrei- chenden Zeit weiter abgebaut werden. Ein mikrobiologisches Sanierungsverfahren mu13 deshalb einen Abbau dieser polaren Metaboliten ermoglichen. Die Abwesenheit nicht analysierter Metaboliten kann zum einen durch die Erfahrung des Sanierers gewPhrlei- stet werden, zum anderen konnen okotoxikologische Prufungen eine zusatzliche Sicher- heit bringen.

Erst nach Erreichen der Mindestabbauleistung, die bei Mineralolschadensfallen mit Schmierolanteilen z. B. bei ca. 70 7~ liegen kann, beginnt die zweite Phase, in der mit erhohtem Aufwand eine weitere Reduktion der Schadstoffe moglich ist. Wegen des vergleichsweise hohen Aufwandes in dieser zweiten Phase ist hier eine sorgfsltige Diskussion der Sanierungsziele in Verbindung mit der splteren Nutzung des Boden- materials dringend anzuraten.

Ein weiteres typisches Problem mikrobiologischer Abbaumethoden ist die Bildung von Metaboliten oder Produkten, die infolge ihrer chemischen Struktur oder anderer ungunstiger Eigenschaften (z. B. Neigung zur Polymerisation) sich einem weiteren Abbau entziehen (Bildung von ,,Dead-end"-Metaboliten). Eine solche Entwicklung der Schadstoff-Transformation ist nach Moglichkeit durch die Verfahrensfuhrung LU ver- hindern. Durch geeignete Priifungen sollte nachgewiesen werden, dal3 diese ,,Dead- end"-Metaboliten nicht gebildet wurden, sondern eine Umwandlung mit anschliel3ender Mineralisierung erfolgte.

I 0 Strr~ic~r-rrtig.~,ir/C.. U t i ~ ~ ~ ~ . s i ~ c . h i i i i ~ . ~ ~ t r - ~ r t ~ , , g i e . Riclltliiiieit t i r i d S i ( ~ l t ~ ~ r ~ / i ~ , i r , s ~ r . s / ~ ~ ~ ~ t ~ ~

In bestimmten FiiIIen kiinnte auch der Nachweis der Unschiidlichkeit des resultieren- den Bodenmaterials ausreichen, allerdings liegen Methoden und Aussagefahigkeit fur einen solchen Nachweis derzeit noch im Bereich der Forschung.

Ein Beispiel fur die Bildung unerwunschter Endmetaboliten ist die mikrobielle Transformation des Explosivstoffs 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT). Hauptsichlich werden sowohl unter anaeroben als auch unter aeroben Bedingungen Mono-, Di- und Trinitro- toluole teilweise oder vollstandig zu den entsprechenden Aininen reduziert 18-1 01. Unter aeroben Bedingungen entstehen aus TNT lediglich Monoamino-dinitrotoluole und Diamino-mononitrotoluole. Die anacrobe Behandlung fuhrt weiter zum irreversibel gebundenen 2,4,6-Triaminotoluol, eventuell mil nachfolgender Reaktion zum 2,4,6- Trihydroxytoluol [lo]. Alkalisches Milieu (aerob und anaerob) fordert die Bildung von Azoxy-Verbindungen [ 101, die nach dcrzeitigcm Kenntnisstand nicht weiter abbaubar sind. Es konnte gezcigt werden, da13 wiihrend der Kompostierung von TNT die Muta- genitiit organischer Losemittelextrakte und die Okotoxizitat walhiger Eluate gegenuber Wasscrflohen (Cerio~ltrphriitr duhici) erheblich reduziert wurde 191. Nach 40-90 Tagen verringerten sich Toxi A l t , Mutagenitat und Konzentration von extrahierbarem TNT urn mehr als 90 %. Die orale Toxizitat von mit Kompostierung behandelten Boden wurde ebenfalls uberpruft ; cs konnten keine toxischen Effekte nachgewicsen werden, obwohl Restkonzentrationen von Explosivstoffen und Metaboliten in den behandelten Boden nachgewiesen wurden [8]. Durch Vcrsuche mit radioaktiv markiertem TNT konnte gezeigt werdcn. daB die TNT-Metaboliten oder Umwandlungsprodukte nach der Kompostierung chemisch an den Boden gebunden sind [8]. Art und Bedeutung der chemischen Bindung wurdcn bisher noch nicht erforscht.

Die Wasserloslichkeit und Bioverfugbarkeit der Endprodukte ist oft von ausschlag- gebender Bedeutung fur eine toxische oder iikotoxische Wirkung. Im gleichen Zusain- menhang mussen die irreversiblen Bindungen von Zwischen- oder Endprodukten an Tonminerale und Huminstofffraktionen betrachtet werden.

Fur ein Abbauprodukt von Pflanzenschutzmitteln, p-Chloranilin, wurde beispielsweise jahrelang diskutiert, ob der Einbau dieses Molekuls in Bodenmaterial, der durch Extraktion mit Loseinitteln nicht ruckgangig gemacht werden konnte, einen ,,endgul- tigen Austrag" aus dem Naturkreislauf bcdeutet oder oh durch ungiinstigc Entwicklung (der Bodenstruktur oder des Humusabbaus) cine spiitere Freisetmng doch noch mijglich ist. Diese Frage ist durch dic Forschung noch nicht abschliefiend gekliirt. Die Bewertung einer solchen mikrobiellen/abiotischen Transformation unter Umweltbedingungen kann nur fur den Einzelfall erfolgen.

Die ausschlaggehcnde Bedeutung der ,,Bioverfugbarkeit" gilt nicht zwangslaufig auch bei oraler Auinahme von Beden durch Menschen, da eine Resorption - wegen des nicdrigen pH-Werts dcs Magens - vollstiindig anders sein kann. Untersuchungen m r toxischen Wirkung von Liisemittelextrakten (als Sur- rogate fur das Gesamtgefahr- dungspotential) konnen in Zukunft eventuell Klarung bringen.

Im Gegensatz zu manchen kompliziertcn Transformationswcgen von Xenobiotika is1 es fur gut untersuchte mikrobiologische Abbauwege, wie beispielsweisc fur den aeroben Abbau von Mineralolkohlenwasserstoffen, nicht notwendig, in jedem Einzelfall extre- me Anforderungen an den Nachweis der Metabolitenfreiheit zu stellen : Metaboliten, die aus den aliphatischen Kohlenwasserstoffen entstehen kiinnen, sind leicht wasserlos- lich und auch leichter abbaubar als die nach einer mikrobiologischcn Sanierung verblei-

U12tc.rsuc.hur2gsstrciregie und Projrktstruktur I I

benden Restkohlenwasserstoffe, so dalj die Moglichkeit einer Anreicherung zumindest unter aeroben Bedingungen nicht besteht: Nach dem Abbau der toxikologisch und organoleptisch bedeutenderen nieder- und mittelmolekularen Kohlenwasserstoffe ver- bleibt ein Rest von nichtmobilen, hochmolekularen Kohlenwasserstoffen, die praktisch nicht toxisch sind. Chemisch unterscheiden sich diese Kohlenwasserstoffe nicht we- sentlich von Kunststoffen wie Polyethylen oder von Wachsen, die sogar fur technische Verwendung in Kontakt mit Lebensmitteln zugelassen sind, sowie von Kohlenwasser- stoffen naturlichen Ursprungs [ 1 I ] . In Anbetracht dieser fundierten Kenntnisse des mikrobiellen Abbaus (s. Kapitel4) konnen hier auch hohe Restgehalte im Bereich von einigen Gramm pro Kilogramm ohne Bedenken als Sanierungsziel zugelassen werden. Die Vorgehensweise der Hamburger Behorden (Sanierungsziel bis 2500 mg/kg) [ 121 und auch in den Niederlanden (s. Tab. 2- 1) steht im Einklang mit dieser Einschiit- zung.

2.2 Untersuchungsstrategie und Projektstruktur (#! Heckemanns)

Fur die Behandlung verunreinigter Boden eingesetzte mikrobiologische Verfahren gehoren innerhalb des verfiigbaren Spektrums von Sanierungsmethoden zur Gruppe der Dekontaminationsverfahren [ 131. Unabhiingig davon, ob die Bodenreinigung mittels des Einsatzes von Mikroorganismen (Bakterien, Pilzen) on-site, off-site (insbesondere in Mieten, Reaktoren usw.) oder in-situ erfolgt, besteht ihr Ziel darin, Schadstoffe in andere, unschadliche oder minderschadliche Substanzen umzuwandeln [ 131.

In gleicher Weise wie bei den ubrigen Sanierungsverfahren geht der Durchfuhrung mikrobiologischer Bodensanierungen eine hierarchisch gestaffelte Abfolge von Unter- suchungs- und Planungsschritten voraus. Sie fuhren zunachst zur grundsatzlichen Feststellung eines standortspezifischen Sanierungserfordernisses (Erfassung, Erstbe- wertung, Gefahrdungsabschatzung). In einem nachsten Schritt dienen sie der Auswahl eines geeigneten Sanierungsverfahrens sowie der Festlegung von Sanierungszielen (Sanierungsuntersuchung) und bilden die Grundlage der technischen, kalkulatorischen und vertraglichen Projektrealisation (Entwurfsplanung, technische Vor- und Ausfuh- rungsplanung, Genehmigungsplanung).

In den ersten Untersuchungsphasen zur Bewertung einer schutzgutbezogenen Gefah- rensituation kommen keine Untersuchungsmethoden zum Einsatz, die auf ein spezielles Sanierungsverfahren ausgerichtet sind. Im Gegensatz hierzu mulj die Moglichkeit einer biologischen Bodensanierung bei der nachfolgenden Sanierungsuntersuchung bereits gezielt Beriicksichtigung finden. Geht aus der Sanierungsuntersuchung eine mikrobiologische Bodenbehandlung als Mittel der Wahl zur Standortsanierung hervor, schlieBen sich planungsbegleitende Untersuchungen an. Diese erfordern vor allem bei der mikrobiologischen in-situ-Sanierung im Vergleich zu anderen Sanierungsverfahren einen erheblichen technischen, finanziellen und zeitlichen Mehraufwand.

Das Ergebnis der nachstehend erlauterten Untersuchungsschritte bildet die Grund- lage einer erfolgreichen Projektdurchfuhrung innerhalb des Umfeldes einer Sanierung,

12

das durch verschiedene Interessenlagcn von Sanierungspflichtigen (= Auftraggeber). Sanieruneausfuhrenden (= Auftragnehmer) und zustlndigen Ordnungsbehiirden cha- rakterisiert wird.

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2.2.1 Untersuchungsstrategie

Besteht fur einen Standort der Verdacht, daR er Bodenverunreinigungen aufweist. die zu ciner allgemeincn Schutzgutbeeintriichtigung luhren k6nnten oder die bei einer Nutzungsiinderung. beispielsweise durch das Anfallen verunreinigter Bodenaushuh- materialien, erschliehngs- und abfalltechnisch relevant werden kiinnten. erfolgt im Vorfeld jedweder technischen Sanierungsmaflnahrne eine systematische Sachverhalts- aufkliirung. Diese niundet bedarfsweise i n gezielte weitere Planungs- und Ausfiihrungs- schritte.

Die heute bei der Untersuchung von Bodenverunreinigungen als Stand der Technik zu formulierenden Untersuchungsschritte [ 14. IS] basieren auf ciner ca. 15jiihrigen Erfahrung iin Umgang mit kontaminierten Standorten. Aus einetn nicht zuletzt auch von Fehlschl2gen. positiven und negativen Uberraschungen gekennzeichneten prakti- when LernprozeR resultieren sowohl weitgehend standardisierte Methoden in bezug auf Art und Umfang durchmfuhrender Feld-/Laboruntersuchungen als auch Untersu- chunysstrategien. dic untcr Berucksichtigung iikologischer und iikonomischer Ge- sichtspunkte vom Antreffen einer Bodenverunreinigung zu ihrer sachgerechten Sanie- rung fiihren.

Im Vergleich zu anderen Sanierungsverfahren sind mikrobiologische Bodenbehand- lungen hinsichtlich ihrer grundsiitzlichen Machbarkeit, ihres Wirkungsgrades sowie des erforderlichen Zeit- und Kostenrahmens in besonders hohem Malk von den angetrof- fenen individuellen Standortvoraussetzungen abhiingig [ 16, 171. Aufgrund dieser Situn- tion nehmen, beginnend mit dem Gewinnen erster ..Indizien" im Rahmen vorbereitender Untersuchungen. verfahrensspezifische Feld-. Labor- und Planungsarbeiten im Vorfeld der Sanierunpsausfiihrunp einen auflergewBhnlich brciten Rauni ein. was extretn fur die Realisation mikrobiologixher in-situ-Verfahrcn gilt.

2.2.1 .I Vorbereitende Untersuchungen

Unter dein Sammclbegrifl der ..vorbereitenden Llntersuchungen" sollcn nachstehend die Untersuchungsschritte der Erstbewertung sowie der orientierenden Phase und der Detailphase einer Gefiihrdungsabsehiitzung [ 14. IS I zusammengefal3t werden. Diese Untersuchungen dienen der Ermittlung und Feststellung eines kontatniiiationsbezoge- nen Sachverhalts und bilden zugleich die Voraussetzung fur die rechtliche Beurteilung (einschlieBlich Entscheidung uber die im Grundsatz zu erreichenden Schutzziele ! ) durch die zustiindige Hehiirde [ 18, 151.

Wie vorstehend bereits erliiutert. sind die vorbereitenden Unterwchungen nicht auf die Realisation eines bestimmten Sanierungsverfahrens auspelegt. sondern dienen

Utiter:vucliiiti,~.~.~tr~it~~~~i~~ ~ind Projrkt.strirktitr 13

zunachst der Beantwortung der Frage, ob ein Schadstoffpotential im Boden vorliegt und ob hiervon eine Schutzgutbeeintrachtigung ausgeht oder ausgehen konnte.

Nach detaillierten Unterlagenauswertungen, die zur Ermittlung der historischen (Flachennutzung, Anlagenstandpliitze, eingesetzte, abgelagerte und umgeschlagene Substanzen) sowie der geologisch-hydrogeologischen (Untergrundaufbau, Grundwas- serverhaltnisse) Standortsituation dienen [ 171, kommen im Rahmen vorbereitender Untersuchungen in der Regel folgende Feld- und Laborarbeiten zur Ausfiihrung [ 14, 17, 191:

- Erstellung von Rammkemsondierungen zur Gewinnung von Bodenproben; Stan- darddurchmesser 36-60 mm

- Entnahme und geologisch/organoleptische Ansprache von Bodenproben je Bohr- meter oder Schichtwechsel ; Probenvolumen 250-500 ml; Sonderproben (Septum- glaser) 10-20 ml

- Entnahme von Bodenluftproben aus provisorischen/permanenten- GasmeBstel- IedDirektentnahme aus Sondierlochem/Bodenluftlanzen; Standarddurchmesser bis 50 mm, Entnahme iiber Anreicherung auf Adsorbersubstanz und/oder in Gas- maus/Septumbehalter usw.

- Erstellung von GrundwassermeRstellen; Bohrdurchmesser 80-320 mm; Ausbau- durchmesser SO- I50 mm ; Ausbaumaterial PVC, PEHD, Stahlrohr verzinkt

- Entnahme von Grundwasserproben ; Schopfproben, Pumpproben, zonierte Pump- proben

- Durchfiihrung von Pumpversuchen, Dauer 8 bis 48 Stunden - chemische Analysen auf standorttypische Parameter (organische und anorganische

0 Bodenluftproben 0 Bodenproben (Originalsubstanz/Eluat) 0 Grundwasserproben. Mikrobiologische Bodensanierungsverfahren finden iiberwiegend Anwendung bei der Sanierung von Altstandorten [ 191. Dabei handelt es sich im Schwerpunkt um Grund- stucke stillgelegter Anlagen zum Umschlag oder zur Produktion von Mineralol- und Teerolprodukten (Tanklager, Raffinerien, Destillationsbetriebe, Tankstellen) oder von Standorten, auf denen Mineralolprodukte bzw. Teerolprodukte umgesetzt wurden (z. B. Olvergutung in der Stahlbearbeitung, Impriignieranstalten).

Untersuchungstechnisch ist daher ein Vorgehen angezeigt, das sich auf Probennah- men an emissionsverdiichtigen Anlagen konzentriert. Hierzu gehoren beispielsweise die ProzeRfelder, Tanks, Verlade- und Transporteinrichtungen einer Raffinerie oder die Teerdruckscheider, Gaswlscher und Benzol-/Ammoniakwiischen einer Kokereineben- gewinnung. Probennahmen in der weiteren Peripherie solcher erfahrungsgemiifi Haupt- verunreinigungszonen bildender Einrichtungen haben lediglich stichprobenartigen Charakter. Sie konnen daher in einem losen, unspezifischen Raster iiber den gesamten Altstandort gestreut werden [ 19,201.

Grundwasseruntersuchungen [ 171 sollten erst nach der Uberprufung des anlagen- spezifischen Schadstoffpotentials erfolgen, da eine Positionierung der zumeist kosten- intensiven GrundwassermeIjstellen im unmittelbaren Abstrom von Bodenverunrei- nigungsschwerpunkten deren Lokalisierung voraussetzt.

Stoffe) an :

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