Bioremediation (1): Mikrobiol. Grundlagen Bioremediation ... Grundwasserkontamination - Beispiel

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Text of Bioremediation (1): Mikrobiol. Grundlagen Bioremediation ... Grundwasserkontamination - Beispiel

  • Bioremediation

    Bioremediation (1): Mikrobiol. Grundlagen

    Bioremediation (2): Techn. Grundlagen – Case studies (Klausur)

    Notwendige Grundlagen: Prozesse und Tools

    - Grundkurs 1: Redox-Chemie

    - Grundkurs 2: Prozeßbeschreibung mit part. DGLs

    1

  • Bioremediation (1):

    Mikrob. Grundlagen

    Literatur:

    F.H. Chapelle

    Groundwater-Microbiology and Geochemistry

    zentrale Fragen:

    - Warum funktioniert insitu-BIOREMEDIATION quasi überall?

    - Welche Rolle spielen dabei organische Schadstoffe?

    2

  • Bioremediation: A Bugs Life!

    ….but don’t forget the plants Mikroorganismen (Bakterien) sind die „Hauptakteure“ bei BIOREMEDIATION: ubiquitäres Vorkommen! 3

  • Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers

    - Sessile Bakterienkolonien

    - nahe Hauptstrombahnen

    - wandern zum ED + EA-Gradienten

    4

  • Cfu (g -1

    sediment)

    100 101 102 103 104 105 106

    D e p

    th [

    m ]

    4

    6

    8

    10

    12

    14

    16

    18

    20

    22

    24

    26

    28

    30

    32

    34

    36

    38

    40

    42

    44

    46

    48

    50

    Aerobic bacteria (R2A agar)

    Anaerobic bacteria (TSI agar)

    Quarternary aquifer

    Lignite seam

    Tertiary aquifer

    Bacterial colonization of the subsurface at the test site (SAFBIT 1/97 and 2/97)

     Obwohl Sauerstoff (EA) nicht vorhanden,

    kann aeroben Abbauweg genutzt werden!

     Wichtig für Sauerstoff-Injektion 5

  • Perchlorate - Degrading Bacteria

    6

  • Bioremediation: A Bugs Life!

    ….but don’t forget the plants Energie- und Stoffwechselprozesse von Mikroorganismen: Woher kommt Energie?

    Redox-Prozesse  Energiequellen!

    7

  • e-

    Cl- + O2

    Biomass + CO2 Substrate (C-Quelle)

    ClO4 -

    NO3 -

    O2

    Beispiel: Biological Perchlorate Degradation

    Elektronendonatoren,

    z.B. alle organischen

    Schadstoffe (BTEX)

    Elektronenakzeptoren

    Energiegewinn durch Elektronentransfer

    vom Elektronendonator zum Elektronenakzeptor

    ED: Plus-Pol

    EA: Minus-Pol

    8

  • Bioremediation:

    Prozesse und Tools

    - Grundkurs 1: Redox-Chemie

    Start: 15.4.2011

    Exkursion: 23.-26.5.

    für 3.6.

    9

  • Course plan

    1. Overview – Introduction – Definitions

    2. NAPL-1: Fundamentals, Phase-Partitioning

    3. Contaminant Hydrogeology

    4. Contaminants, Processes, Time scales

    5. NAPL-2: Migration and Distribution

    6. Pump and Treat (1)

    7. Pump and Treat (2)

    8. Bioremediation (1) - 15.4.11

    9. Bioremediation (2) - 29.4.

    10. Reactive Walls - 6.5.

    11. Natural Attenuation - 13.5.

    12. Soil Vapor Extraction - 20.5.

    13. Case Studies - 27.5./10.6.

    14. Reactive Transport Modeling 17.6.

    !!! Klausur: am Fr, den 24. Juni 13.00 – 15.00 Uhr !!!

    10

  • 11

  • Grundkurs 1: Redox-Chemie

    1. Redoxprozesse?

    2. Oxidation und Reduktion ?

    3. Bestimme Elektronendonator -akzeptor mit Hilfe des

    Partialladungskonzeptes!

    Redox-Prozesse  Energiequellen

    12

  • 13

  • O2

    H2O

    D en

    it r if

    ic a ti

    o n

    P e rc

    h lo

    r a te

    R ed

    u ct

    io n

    ClO4 NO3 CO2 SO4

    N2 H2S CH4 Cl

    -

    + 800 - 250 Redox (millivolts)

    Electron

    Donor

    Energiegewinn durch Elektronentransfer

    vom Elektronendonator zum Elektronenakzeptor

    0

    Klausur: Anwenden des PLK für alle Redox-Paare: EA?, ED?

    C6H6

    14

  • „Strom“ = Elektronentransport vom Elektronendonator (ED)

    zum Elektronenakzeptor (EA)

     Redox-Potenzial-Differenz bestimmt den „Strom“, d.h. wie

    schnell ein org. Schadstoff (ED) abgebaut wird

     notwendig für mikrobiellen Abbau: Minus-Pol (EA)

     Limitierender Faktor: Fehlen des EA‘s (z.B. Sauerstoff)

    15

  • Redox-Zonierung in einem reinen, unkontaminierten Aquifer

    Recharge

    Redoxpotential nimmt ab!

    ? mV

    ? mV

    ? mV ? mV

    ? mV

    16

  • O2

    H2O

    D en

    it r if

    ic a ti

    o n

    P e rc

    h lo

    r a te

    R ed

    u ct

    io n

    ClO4 NO3 CO2 SO4

    N2 H2S CH4 Cl

    -

    + 800 - 250 Redox (millivolts)

    Electron

    Donor

    Energiegewinn durch Elektronentransfer

    vom Elektronendonator zum Elektronenakzeptor

    17

  • Energiegewinn durch reduktive Dechlorierung:

    PCE + H2  TCE + Cl - + H+

    EA, ED ?

    18

  • 19

  • Redox-Zonierung in einem kontaminierten Aquifer

    Redoxpotential nimmt ab!

    ? mV ? mV

    ? mV

    Welches Redox-Potential (Spannung) messen

    Redox-Elektroden? 20

  • Aerobe und anaerobe

    Abbauwege

    EA = Sauerstoff  aerober Abbauweg (max. Energiegewinn)

    EA = Nitrat u.a.  anaerober Abbauweg

    21

  • Bioremediation: A Bugs Life!

    ….but don’t forget the plants Aerobe und anaerobe Abbauwege für typische organische Schadstoffe 22

  • Strukturformeln

    wichtiger org. Schadstoffe

    = Elektronendonatoren

    Skript

    23

  • Schadstoffhäufigkeit im Abstrom von Schadensfällen

    60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60

    TCE

    PCE

    Dichlorethen (trans)

    Trichlormethan

    Dichlorethen (1,1)

    Dichlormethan

    Trichlorethan (1,1,1)

    Dichlorethan (1,1)

    Dichlorethan (1,2)

    Phenol

    Aceton

    Toluol

    Diethylhexylphthalat

    Benzol

    Vinylchlorid Deutschland USA

    TCE

    PCE

    Dichlorethen (cis)

    Benzol

    Vinylchlorid

    Trichlormethan

    Trichlorethan (1,1,1)

    Xylol

    Dichlorethen (trans)

    Toluol

    Ethylbenzol

    Dichlormethan

    Dichlorbenzol

    Chlorbenzol

    Tetrachlormethan

    Schadensfälle / % nach G. Teutsch, P. Grathwohl, 1997

    24

  • Grundwasserkontamination - Beispiel Bitterfeld

    Jessnitz

    Wolfen

    Muldenstein

    Rossdorf Burgkemnitz

    Schlaitz

    Altjessnitz

    Raguhn

    Kledewitz Thurland

    Reuben

    Thalheim

    Sandersdorf

    B1 00

    B 1 84

    > 1000 µg/L AOX

    300 - 1000 µg/L AOX

    60-300 µg/L AOX

    20 - 60 µg/L AOX

    10 - 20 µg/L AOX

    Bitterfeld

    Biedersdorf

    Mühlbeck

    Pouch

    A 9

    5 km

    Dichloromethan

    1,1-Dichlorethen

    cis-Dichlorethen

    trans-Dichlorethen

    Trichlormethan

    1,1-Dichlorethan

    1,2-Dichlorethan

    1,1,1-Trichlorethan

    1,1,2-Trichlorethan

    Tetrachlormethan

    Trichlorethen

    Tetrachlorethen

    1,1,1,2-Tetrachlorethan

    1,1,2,2-Tetrachlorethan

    Pentachlorethan

    Hexachlorethan

    Vinylchlorid

    Benzen

    Toluen

    Chlorbenzen

    1,2-Dichlorbenzen

    1,3-Dichlorbenzen

    1,4-Dichlorbenzen

    25 km2 mit einem geschätzten Volumen von mehr als

    200 Mio m3 kontaminiertem Grundwasser

    1,2,3-Trichlorbenzen

    1,2,4-Trichlorbenzen

    1,2,5-Trichlorbenzen

    1,3,5-Trichlorbenzen

    2-Chlorphenol

    3-Chlorphenol

    4-Chlorphenol

    2,3-Dichlorphenol

    2,4-Dichlorphenol

    2,5-Dichlorphenol

    2,6-Dichlorphenol

    3,4-Dichlorphenol

    3,5-Dichlorphenol

    2,3,4-Trichlorphenol

    2,3,5-Trichlorphenol

    2,3,6-Trichlorphenol

    2,4,6-Trichlorphenol

    2,3,4,5-Tetrachlorphenol

    2,4,5,6-Tetrachlorphenol

    Pentachlorphenol

    4-Chlor-3-methylphenol

    1-Chlor-3-methylphenol Sanierungsforschung

    in regional kontaminierten

    Aquiferen

    25

  • 26

  • Aerober Abbauweg von Benzen zu Catechol  Ringspaltung

    27

  • Aerober Abbauweg von Chlorbenzen

    28

  • Möglicher aerober Abbauweg

    von MTBE

    29

  •  Aerober Abbauweg;

     massenstöchiometrischer Faktor fO2= mo2/mTCE

    30

  • 31

  • Abbauwege höher-

    chlorierter KWs

    32

  • Bioremediation: A Bugs Life!

    ….but don’t forget t