| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Kemisk/biologisk filter til nedbrydning af klorerede opløsningsmidler i grundvand

3 Vidensgrundlag for kombineret kemisk og biologisk filter

I appendix 1 og 2 er den generelle viden om nedbrydning af klorerede ethener beskrevet. I dette afsnit beskrives de kilder og antagelser, der danner baggrund for det teoretiske vidensgrundlag til det kombinerede filter.

Ideen med et kombineret kemisk og biologisk filter er at kombinere fordelene ved en kemisk nedbrydning med Fe(0) med fordelene ved en biologisk nedbrydning.

3.2 Fordele og ulemper ved anvendelse af Fe(0) i filteret

Nedenstående er kort beskrevet de fordele og ulemper, der er ved anvendelse af Fe(0).

Fordele ved anvendelse af Fe(0)

Det er veldokumenteret, at klorerede ethener kan dekloreres ved kontakt med Fe(0), og halveringstiden for PCE er forholdsvis hurtig fra 0,5-3 time /30/.

I forhold til at kombinere dekloreringen via Fe(0) med en biologisk nedbrydning vurderes en af fordelene at være, at et af biprodukterne ved den anaerobe korrosionsproces er brint. Brint er en exceptionel god elektrondonor og energikilde for visse autotrofe anaerobe bakterier som f. eks. metanogene, acetogene, sulfat reducerende og TCE dehalogenorers /31/. På denne baggrund antages brint at kunne anvendes af mikroorganismerne i filteret. I /31/ angives, at det er vist, at methanogene bakterier kan koble oxidationen af brint fra jern korrosionen til reduktiv deklorering af tetra-klorkulstof og kloroform. I /31/ viser forsøg, at TCE nedbrydes mikrobielt, og at brint produceret fra korrosionen af Fe(0) højst sandsynligt var den aktuelle elektrondonor. Forsøgene viste også, at mikroorganismer var i stand til at kolonisere overfladen af jerngranulatet.

En anden fordel kan være, at den anaerobe korrosionsproces medfører et fald i redoxpotentialet, og afhængig af vandets bufferkapacitet også en stigning i pH. Dette er begge ting, der kan have en positiv effekt på den biologiske nedbrydning jf. appendix 2 og nedenstående.

Den anaerobe biologiske omsætning vil ved dannelse af syre-derivater fra nedbrydning af substratet medføre et fald i pH /38/, som vil blive neutraliseret af korrosionsprocessens pH stigning. Derved antages, at pH i filteret kan holdes indenfor det optimale område for biologiske processer.

I /32/ har forsøg vist en øget omsætning af tetraklorkulstof og kloroform ved at kombinere Fe(0) og methanogene populationer (methanosarcina thermophila). Disse udskiller extracellulære biomolekyler, som indgår i nedbrydningen. Det nævnes, at flere studier har vist, at methanogene metalcoenzymer er aktive i dekloreringen, og er højst sandsynlig ansvarlige for visse methanogene bakteriers nedbrydningspotentiale. Det nævnes dog, at det ikke er entydigt, hvordan Fe(0) bidrager til den øgede effekt, idet det anføres, at effekten kan være forårsaget af pH stigningen, som tilsætning af Fe(0) genererer. I henhold til /29/ kan det måske også skyldes en sænkning i redox potentialet.

I /33/ er nedbrydningen af TCE i laboratoriet under fire forhold undersøgt: abiotisk sand, biologisk sand, abiotisk sand + 20% jern og biologisk sand + 20% jern. Blandingen af jern og mikroorganismer ser ud til at have en positiv effekt på nedbrydningen af TCE. Her findes en gennemsnitlig halveringstid på 5,3 t (angivet som 0,22 dag). For abiotisk sand+jern er halveringstiden 10,3 t, og for biologisk sand er den 16,3 t. Under forsøget har der været indtrængning af ilt en gang i kolonnen med biologisk sand+jern og en gang i kolonnen med biologisk sand. Nedbrydningen af TCE til DCE under denne indtrængning var mest stabil i kolonnen med biologisk sand og jern. Dette kan skyldes, at jernet har brugt ilten, og dermed fungeret som skjold for de anaerobe bakterier, eller at jernet medfører, at de anaerobe bakterier får en øget tolerance overfor ilt.

I /34/ er der påvist en forøget nedbrydning af PCE når biologisk aktivitet og jernpulver kombineres. Der påvises en endnu hurtigere nedbrydningshastighed, hvis der også blev tilsat vitamin B₁₂. Vitamin B₁₂ formodes at indgå som aktivcenter på enzymer, hvilket tyder på, at der kan være tale om en favorisering af cometabolistisk nedbrydning /38/.

I /40/ anføres det, at ferro jern (Fe(II)) også kan virke som reduktant, der nedbryder klorerede ethener, selv om det er en størrelsesorden langsommere end Fe(0). Det interessante er, at ferro jern tilsat humus materiale forøger reaktionshastigheden med næsten en størrelsesorden. Det vil sige, at denne kombination er næsten lige så reaktiv som metallisk jern. Det skal påpeges, at det eneste stof, de referer til vedr. ferro jern, er tetraklor kulstof.

Ulemper ved anvendelse af Fe(0)

Som omtalt i appendix 1 og /30/ kan den anaerobe korrision af Fe(0) medføre ændringer i de kemiske kårfaktorer (pH, redox mv.), som fremmer fældningen af diverse forbindelser, hvilket kan mindske effektiviteten af jernet, men også medføre ændringer i permeabiliteten og strømningsvejene i et filter.

Som beskrevet i ovenstående afsnit har flere forsøg vist, at kombinationen af Fe(0) og biologisk aktivitet har en positiv effekt på nedbrydningen af klorerede ethener, men der er også et forsøg /35/, der viser, at tilsætning af Fe(0) kan hæmme den biologiske omsætning. I /35/ undersøges nedbrydning af perklorat (ClO₄-) ved kombinering af Fe(0) og biologisk aktivitet. Det skal dog nævnes, at selv om abiotisk reduktion af perklorat med Fe(0) er termodynamisk favorabel kunne de ikke påvise det i laboratoriet, og ved tilsætning af Fe(0) til bakteriekulturer, som normalt hurtigt omsatte per-klorat, stoppede omsætningen, eller den blev meget langsom.

Vurdering af evt. brug af Fe(0)

Med baggrund i ovenstående beskrivelse af fordele og ulemper vurderes det, at Fe(0) med fordel kan kombineres med en biologisk nedbrydning. Oprindeligt var det tænkt at lave et særskilt jernfilter, men med baggrund i argumentationen om at udnytte den dannede brint fra jern korrosionen vil vi foreslå, at der tilstræbes at opnå en biologisk aktivitet sammen med jernet.

3.3 Valg af strukturstof der kan tjene som substrat og favorisere vækst

En af ideerne med projektet er at undersøge, om en del af matricen i filteret kan opbygges med et strukturstof, der er billigt, og som samtidig kan virke som substrat for mikroorganismerne.

En mulig løsning kunne være sphagnum, barkflis, tørv, grønt-piller, hø, kompost mv. En forudsætning, som strukturstoffet skal opfylde, er, at materialet er rimeligt reproducerbart. Således at det samme materiale kan skaffes, hvis materialet i filteret skal udskiftes, eller hvis der skal etableres flere filtre, og der kan således være flere leverandører.

I ansøgningen har vi lagt vægt på sphagnum, men det har ikke været muligt at finde ret meget litteratur, hvor der er brugt sphagnum, så i det efterfølgende vil også andre materialer blive berørt.

I /38/ angives, at kompost (herunder udrådnet spildevandsslam) og tørv er gode materialer til et biofilter (her for behandling af luftforurening). Specielt har tørv et stort overfladeareal, men et middel indhold af næringssalte, hvilket kan betyde, at disse skal tilsættes.

I /37/ er der etableret en permeabel biovæg bestående af træflis, kompost og sand. Moniteringen menes at have påvist en nedbrydning af TCE til DCE, da forholdet mellem disse varierer med op til en faktor 470 i forhold til op- og nedstrøms for væggen. Det påpeges, at succesen for bionedbrydning er en funktion af kvalitet og kvantitet, hvor kvalitet er en kapacitet for fuldstændig nedbrydning til acceptable produkter, og kvantitet er en funktion af at have elektrondonor materiale nok til at sikre bionedbrydning i det nødvendige tidsrum, så evt. tilsætning af andre elektrondonere er begrænset. Dette er en væsentlig pointe, da der kræves en stor mængde elektrondonor pr. kg kloreret ethen, der nedbrydes. I henhold til /37/ menes, at organisk muld opfylder disse kriterier.

Bioremediation Technology Service (BST) /36/ har udviklet et produkt, som er baseret på humus, hvor de har forøget antallet af bakterier, og ifølge deres datablad er de i stand til at nedbryde klorerede opløsningsmidler.

I /38/ anvendes tørvemos (70 % tørv og 30% komposteret hønse gødning) i et filter til rensning af diklorbenzen på gasform. Filtermediet favoriserer nedbrydningen og de fysiske og kemiske parametre. Det beskrives, at der sker en forsuring som følge af mineraliseringen, som har en negativ effekt på nedbrydningen.

Christian Grøn, DHI har oplyst, at ved forsøg med vand udvasket fra tørveaflejringen kunne ca. 25% af det organiske indhold nedbrydes biologisk. Ved tilsætning af fosfor steg omsætningen til ca. 40 %.

3.4 Podning

I /38/ angives, at i kompost er indholdet af mikroorganismer normalt så stort, at der ikke skal tilføres mikroorganismer for at få en god nedbrydning. I litteraturen er der stor forskel på, om der skal tilsættes mikroorganismer til en oprensning både in-situ og ex-situ. Flere steder podes (inokuleres) med bakterier, enten fra lokaliteter, hvor der er påvist nedbrydning af klorerede ethener, via kommunalt spildevandsslam eller slam fra papirindustrien.

Til laboratorieforsøgene inokuleres med spildevandsslam fra Hartmanns papirfabrik, Tønder.

Der kan evt. inokules med jord fra lokaliter, hvor der er påvist en nedbrydning af klorerede ethener, f.eks. Drejøgade /42, 43/.

3.5 Næringssalte og sporelementer

Generelt i litteraturen tilsættes der næringssalte til de udførte biologiske oprensninger, hvilket hovedsagelig skyldes, at der også kun anvendes et substrat som f.eks ethanol, methanol, lactate osv.

Ved anvendelse af et organisk strukturstof vil nedbrydningen af dette også generere nogle næringssalte, som mikroorganismerne kan bruge i deres vækst. I /38/ angives, at normalt tilføres der kun næringssalte i opstartfasen af filteret. Det angives, at for et kompost baseret medium er en initial koncentration af N, P og K på 0,4, 0,15 og 0,15 % tørvægt tilstrækkeligt.

Til laboratorieforsøgene vil der som udgangspunkt blive tilsat denne fordeling af næringssalte til kolonnerne med biologisk materiale.