|
Kemisk/biologisk filter til nedbrydning af klorerede opløsningsmidler i grundvand 2 Teori
2.1 Kemisk nedbrydning af klorerede ethenerI litteraturen er der utallige eksempler på, at Fe(0) kan reducere PCE, TCE, DCE og VC til ethen, ethan, kuldioxid og vand. Ved brug af Fe(0) er det derfor forudsat, at de klorerede ethener vil nedbrydes, og derfor bliver reaktionsmekanismerne ikke beskrevet nærmere i nærværende rapport. Det skal dog nævnes, at f. eks TCE formodes at nedbrydes via 2 forskellige mekanismer (se figur 1), /ref. 1, 2/, og at nedbrydningen er første ordens reaktioner så længe der er tale om små koncentrationer af TCE. Ved højere koncentrationer kan der være tale om 0-ordens processer /ref. 23/.
Figur 1: A: der sker en successiv nedbrydning af TCE til ethen, således at der i
hvert trin substitueres et kloratom med hydrogen (sekventiel deklorering). Tilsidst
reduceres ethens dobbeltbinding, hvorved der dannes ethan. Når Fe(0) kommer i vand, vil det korrodere. Fe(0) vil donere elektroner til reduktion af forskellige reducerbare stoffer. Ved tilstedeværelse af ilt foregår korrosionsprocessen forholdsvis hurtigt, mens processen er langsom, hvis det er et iltfrit miljø. Det, at den anaerobe korrosionsproces er en langsom proces, er årsagen til, at Fe(0) i det hele taget kan komme på tale som en oprensningsmiddel overfor klorerede opløsningsmidler, idet jernforbruget ved denne proces er begrænset. Hvis der er ilt til stede i grundvandet, vil ilten være den foretrukne elektronacceptor. Når ilten i vandet er opbrugt, vil dette sammen med den anaerobe korrosion medføre et kraftigt fald i redoxpotentialet. Ved et lavt redoxpotentiale vil andre stoffer end ilt oxidere det metalliske jern. F.eks. vil TCE, der på grund af klor har carbon i en oxideret tilstand, fungere som elektronacceptor f.eks. via nedenstående proces. 3Fe0 + C2HCl3 + 3H+ ® 3Fe2+ + C2H4 + 3Cl Det vurderes, at ovenstående dekloreringsproces med Fe(0) forløber hurtigst for PCE og TCE, mens halveringstiden for DCE og VC er større. Det skyldes, at for PCE er carbonatomet i oxidationstrin +2, mens det i DCE er i oxidationstrin 0, så populært sagt står DCE og VC lavere i spændingsrækken end PCE og TCE, hvilket betyder, at der skal et kraftigere reduktionsmiddel til at deklorere DCE og VC. Der er dog indikationer på, at ovenstående er en for simpel måde at anskue, hvilke processer der forløber hurtigst. Bl.a. har /23/ i et forsøg vist, at cis-DCE nedbrydes hurtigere end TCE, men forsøget viste også, at nedbrydningen af TCE var uafhængig af tilstedeværelsen af cis-DCE, mens effektiviteten i nedbrydningen af cis-DCE blev mindsket med 44 % ved tilstedeværelse af TCE. Dette forklares med, at TCE adsorberer bedre til jern end cis-DCE. 2.2 Biologisk nedbrydning af klorerede ethenerMikroorganismer (bakterier og skimmel- eller gærsvampe) kan under de rette betingelser foretage biologisk nedbrydning af klorerede ethener. Litteraturstudiet viser dog, at forudsætningerne for en nedbrydning kan være vidt forskellige, og at der er mange parametre, der har indflydelse på nedbrydningen. Overordnet kan den biologiske nedbrydning inddeles i to kategorier /ref. 3, 4/
For mulige nedbrydningsveje af f.eks TCE henvises til /ref. 3, 4, 13/. Den generelle indstilling vedr. biologisk nedbrydning af de klorerede ethener er, at PCE hovedsagelig nedbrydes under anaerobe forhold, TCE kan nedbrydes både aerobt og anaerobt, mens DCE og VC nedbrydes bedst under aerobe forhold /ref. 3, 4/. Der er dog indikationer på, at f.eks VC kan nedbrydes næsten lige så hurtig anaerobt som aerobt /ref. 5/. Ved direkte nedbrydning af klorerede ethener indgår disse som elektrondonorer eller elektronacceptor eller substrat, hvorved mikroorganismerne opnår energiudbytte eller vækst. Ved co-metabolistisk nedbrydning af klorerede ethener sker nedbrydningen via et enzym eller cofaktor, som mikroorganismerne har produceret i forbindelse med mikrobiel metabolisme af andre forbindelser. I dette tilfælde får mikroorganismen ingen energi- eller vækstgevinst ved nedbrydningen af klorerede ethener. For yderligere information henvises til Bilag A. Et væsentlig aspekt ved den anaerobe biologisk nedbrydning er, at mikroorganismerne kan bruge brint som elektrondonor ved den reduktive deklorering /ref. 6, 7, 9, 10/. Dette er bl.a. ideen bag brugen af HRC (Hydrogen Release Compound). /ref. 8/ mener, at brints rolle som elektron donor er nøglefaktoren ved biologisk betinget deklorering. 2.3 Kombineret kemisk og biologisk nedbrydningKan fordelene ved den kemiske og den biologiske nedbrydning kombineres, er der mulighed for at få en bedre nedbrydning af de klorerede ethener. I henhold til /ref. 11/ antydes det, at mikrobiel nedbrydning kombineret med kemisk nedbrydning via Fe(0) er mere effektiv end de to processer alene. Kort oplistet er der følgende umiddelbare fordele ved at kombinere kemisk og biologisk nedbrydning:
Det skal påpeges, at kombinationen af den kemiske og biologiske nedbrydning af klorerede ethener er meget kompleks, da der er mange variable parametre, som kan have indflydelse på såvel processen som levetiden af filteret. For en mere uddybende beskrivelse af fordele og ulemper ved den kemiske og biologiske nedbrydning af klorerede ethener henvises til Bilag A. Som omtalt, vurderes der at være et potentiale for kombinationen af kemisk og biologisk nedbrydning af klorerede ethener. Dette har da også medført, at der er flere projekter som undersøger muligheden for at kombinere kemisk og biologisk nedbrydning. Bl.a kan nævnes, at University of Iowa er i gang med et projekt "Fe(0)-based Bioremediation of aquifers contaminated with mixed wastes", som bl.a. omhandler projektet " The Role of Metallic Iron in the Biotransformation of Chlorinated Xenobiotics" /ref. 18/ og "Iron-Enhanced Bioremediation of Aquifers Contaminated with Chlorinated Solvents, Hexavalent Chromium, and Nitrate", og de arbejder på et patent, der hedder " Iron Supported Bioremediation" /ref. 11, 19/. På University of Delaware er der startet et projekt " Microbial Reductive Dechlorination Coupled with Iron Corrosion" /ref. 20/.
|
