Ergebnisse des Projektverbundes ndash Handlungsempfehlung fuumlr den Einsatz von NA und ENA-Maszlignahmen bei MTBE-Schadensfaumlllen
Die bisher vorliegenden Resultate aus Laborstudien Feldversuchen und Modellierung haben
gezeigt dass MTBE mikrobiologisch abgebaut werden kann und offensichtlich auch unter
Feldbedingungen abgebaut wird Ein signifikanter Abbau findet jedoch nach den vorliegenden
Erkenntnissen vor allem unter aeroben bzw mikroaeroben Bedingungen statt Fuumlr den Standort
Leuna konnte gezeigt werden dass sich der Abbau mit sehr guter Naumlherung mittel Michaelis-
Menten-Kinetik als aerober Prozess beschreiben laumlsst Dabei wirkt der verfuumlgbare Sauerstoff als
limitierend fuumlr die Abbaugeschwindigkeit Damit ergibt sich die Laumlnge der Schadstofffahne als
Resultierende aus Schadstoffausbreitung Reaktionsgeschwindigkeit und Sauerstoffnachlieferung
Am Standort Leuna sind dafuumlr offensichtlich gute Bedingungen gegeben weil der fuumlr Transport
und Abbau von MTBE maszliggebliche Grundwasserleiter 15 oberflaumlchennah (35-45m uGoK)
angeordnet ist und die daruumlber liegenden Deckschichten teils gute Durchlaumlssigkeiten aufweisen
Erwartungsgemaumlszlig wurden am Standort Leuna bereits unter natuumlrlichen Bedingungen geeignete
mikrobielle Konsortien fuumlr den Abbau von MTBE festgestellt die sich durch ein ungewoumlhnlich
hohes Abbaupotential auszeichneten Auch erwies sich die vorhandene Schadstofffahne als
praktisch stabil erreichte mit einer Laumlnge von nahe 2000m jedoch eine erhebliche Ausdehnung
Wegen der meist nur geringen verfuumlgbaren Sauerstoffmengen muss auch an anderen Standorten
damit gerechnet werden dass MTBE-Fahnen bis zum Erreichen der Stabilitaumlt sehr groszlige
Ausdehnungen erreichen koumlnnen Jedoch zeigen Untersuchungen von zahlreichen bekannte
MTBE-Schaumlden mit eher geringen MTBE-Frachten das dort haumlufig nur Fahnenlaumlngen von deutlich
Ein wesentlicher Faktor fuumlr die Prognose der voraussichtlichen Fahnenlaumlnge ist die Nachlieferung
von Sauerstoff Eben diese Prozessgroumlszlige stellt auch den vermutlich groumlszligten Unsicherheitsfaktor
bei der Prognose dar Die Kalkulationen fuumlr den Standort Leuna zeigen eindeutig dass eine
Sauerstoffnachlieferung allein durch Diffusion und Grundwasserneubildung die tatsaumlchlich
gemessenen Abbauraten fuumlr MTBE und die messbaren Konzentrationen an Sauerstoff im
Grundwasser nicht allein zu erklaumlren vermag Andere Faktoren wie Schwankungen des
Grundwasserspiegels sind sicherlich als zusaumltzliche Faktoren zu beruumlcksichtigen koumlnnen aber
bisher nur ungenuumlgend modelltechnisch erfasst werden Hier besteht offensichtlich noch weiterer
Forschungsbedarf zur Verbesserung der Beschreibung von Stoffuumlbergaumlngen zwischen der
Ein weiterer wesentlicher Faktor fuumlr die Verlaumlngerung der Fahnenausdehnung fuumlr MTBE ist das
Vorhandensein von zahlreichen Konkurrenzreaktionen insbesondere um den verfuumlgbaren
Sauerstoff Da MTBE-Schadensfaumllle vorrangig durch Kontamination mit MTBE-haltigen
Kraftstoffen entstehen ist davon auszugehen dass durch den Abbau der biologisch leichter
verwertbaren Kraftstoffkomponenten in den quellennahen Bereichen meist schnell anaerobe
Verhaumlltnisse eingestellt werden Unter diesen Bedingungen konnte ein Abbau von MTBE bisher
zwar prinzipiell im Labor gezeigt werden dieser ist aber sehr langsam und fuumlr NA-Prozesse wohl
in den meisten Faumlllen kaum relevant Somit ist zu erwarten dass der Abbau von MTBE im
Wesentlichen auszligerhalb der Schadstofffahnen von MKW und BTEX erfolgt
Eine wichtige Voraussetzung fuumlr die Implementierung von NA und ENA-Maszlignahmen bei der
Sanierung von MTBE-Kontaminationen ist der Nachweis eines natuumlrlichen Abbaupotentials Dies
kann nach den Erfahrungen dieses Projektes sowohl durch mikrobiologische wie auch durch
gentechnische Methoden geschehen Als gut geeignete und schnelle Screeningmethode erwies
sich die Bestimmung des MTBE-Abbaus in Bodensuspensionen Damit koumlnnen in vergleichsweise
kurzer Zeit Aussagen sowohl uumlber das Abbaupotential wie auch uumlber moumlgliche Inhibitoren oder
den Bedarf an zusaumltzlichen Naumlhrstoffen gewonnen werden Zu aumlhnlichen Resultaten fuumlhren auch
Mikrokosmenuntersuchungen die jedoch meist laumlngerer Zeitraumlume beduumlrfen Alternativ hat sich in
den bisherigen Untersuchungen fuumlr den Nachweis von MTBE-Abbaupotentialen auch der Einsatz
der Fluoreszenz in-situ Hybridisierung (Fish-Technik) bewaumlhrt Mit dieser Technik lassen sich vor
allem spezialisierte Mikroorganismen nachweisen die zur vollstaumlndigen Mineralisierung von MTBE
befaumlhigt sind Da alle bekannten Spezialisten bisher wenigen taxonomischen Gruppen zugeordnet
werden koumlnnen lassen sich mit einer uumlberschaubaren Anzahl von Gensonden schnell
Informationen uumlber das Vorhandenensein potentiell geeigneter Spezialisten gewinnen Die am
UFZ dazu entwickelten Sonden wurden bisher an 3 unterschiedlichen Standorten mit guten
Resultaten getestet
Auf Grund der guten Voraussetzungen fuumlr den Abbau von MTBE konnte mit allen beschriebenen
Methoden am Standort Leuna gezeigt werden dass ein hohes natuumlrliches Abbaupotential fuumlr diese
Verbindung im Boden und Grundwasser bereits vorhanden ist Deshalb war die Optimierung des
natuumlrlichen Abbaupotentials am diesem Standort im Rahmen von ENA als auszligerordentlich Erfolg
versprechend einzustufen Als potentiell geeignete Verfahren wurden dabei anhand
vorangegangener Laborresultate folgende Maszlignahmen fuumlr die Felderprobung ausgewaumlhlt
1 Verbesserung des aeroben mikrobiellen Abbaus durch standorteigene Organismen mittels
gezielter Dosierung von Sauerstoff
II
2 Beschleunigung des aeroben mikrobiellen Abbaus durch Isolation und gezielte Vermehrung
von MTBE abbauenden Organismen (Bioaugmentation)
3 Etablierung eines cometabolischen MTBE-Abbaus durch gezielte Dosierung von Methan
oder vergleichbaren Cometaboliten
4 Etablierung eines anaeroben Abbaupotentials durch Zusatz von Nitrat als alternativem
Elektronenakzeptor
Die Ergebnisse der bisherigen Versuche zeigen dass vor allem durch die Verminderung der
Sauerstofflimitation eine Erhoumlhung des natuumlrlichen Abbaupotentials fuumlr MTBE im Sinne eines
ENA-Ansatzes erreicht werden kann Jedoch konnte am Standort Leuna unter Verwendung des
Konditionierungsrinnenbauwerkes in angemessenen Zeitraumlumen kein vollstaumlndiger Abbau von
MTBE erzielt werden Die eingesetzte Methode stellt zwar eine sehr kostenguumlnstige und
energieeffiziente Methode dar hat aber bei sehr hohen Frachten wie sie am Standort Leuna
vorliegen den Nachteil dass Elektronenakzeptoren nur an einem Punkt in den Grundwasserstrom
dosiert werden Als obere Leistungsgrenze dieser Technologie kann eine Gesamt-CSB-Last
(einschlieszliglich sauerstoffzehrender Konkurrenzreaktionen) von ca 450mgl CSB im Grundwasser
angesetzt werden Wegen der sehr hohen Ammoniumfrachten welche insbesondere adsorptiv an
Bodenpartikeln gebunden vorliegen wird diese maximal abbaubare CSB-Fracht im Grundwasser
des Standortes Leuna erst nach sehr langen Zeitraumlumen (je nach Ammoniumkonzentration 500-
900 Tage) erreicht Somit stellt der Standort Leuna hinsichtlich seiner Grundwasserbelastung
einen Grenzfall fuumlr den Einsatz des Konditionierungsrinnenbauwerkes dar
Als technisch gut handhabbare Alternativen koumlnnen fuumlr sehr hoch belastete Grundwaumlsser die
Sauerstoffdirektgasinjektion nach dem Oxywall-Verfahren und die on-site Behandlung in
Festbettreaktoren mit spezialisierten Mikroorganismen eingesetzt werden Die
Sauerstoffdirektgasinjektion ist praktisch fuumlr alle Belastungsbereiche prinzipiell geeignet Der
effektive Einsatz dieser Technologie verlangt jedoch einen vergleichsweise hohen Aufwand fuumlr die
geologische und hydrogeologische Standorterkundung Der Einsatz biologischer Verfahren als on-
site Sanierung in Festbettreaktoren stellt eine gleichfalls gut handhabbare Alternative zum ENA-
Ansatz mittels Konditionierungsrinnen dar Als Problem erweist sich lediglich der recht hohe Km-
Wert fuumlr MTBE bei den eingesetzten Mikroorganismen Dieser kann dazu fuumlhren dass fuumlr das
Erreichen von Einleitgrenzwerten von deutlich unter 1mgl MTBE vergleichsweise lange
hydraulische Verweilzeiten von mehreren Tagen und damit recht groszlige Bioreaktoren erforderlich
werden Deshalb ist es sinnvoll und meist kostenguumlnstiger die biologische Behandlungsstufe mit
einer physikalisch-chemischen Nachreinigungsstufe (Adsorption Strippung) zu kombinieren
Tabelle 1 fasst die wesentlichen Vor- und Nachteile der einzelnen
Grundwasserbehandlungsverfahren fuumlr MTBE-kontaminierte Grundwaumlsser zusammen
III
Zusammenfassend kann festgehalten werden dass der Einsatz von Sauerstoff als
Elektronenakzeptor im Rahmen von ENA-Maszlignahmen als Erfolg versprechende Strategie fuumlr den
Abbau persistenter Verbindungen wie MTBE angesehen werden kann Dabei kann der Sauerstoff
sowohl als Gas wie auch mittels Sauerstoff freisetzender Verbindungen wie H2O2 dosiert werden
Zusaumltzliche Maszlignahmen wie der Einsatz externer spezialisierter Mikroorganismen
(Bioaugmentation) zeigten am Standort Leuna keine signifikante Steigerung der Abbauleistungen
Literaturdaten vor allem aus den USA zeigen aber dass solche Maszlignahmen an anderen
Standorten mit geringen autochthonen Abbaupotentialen und bei ausreichender
Sauerstoffversorgung durchaus eine Leistungssteigerung erwarten lassen Gleiches gilt fuumlr den
Einsatz von Cosubstraten Dort wo kaum Spezialisten fuumlr den MTBE-Abbau verfuumlgbar sind kann
die cometabolische Prozessfuumlhrung zu einer deutlichen Vergroumlszligerung des mikrobiellen Potentials
und damit zu einer erheblichen Leitungssteigerung fuumlhren
Tabelle 1 Leistungen und Grenzen unterschiedlicher Verfahren fuumlr die Sanierung MTBE-kontaminierter Grundwaumlsser
Direktgas- injektion
On site Festbett- reaktor
Konditionierungs-rinnenbauwerk
Leistungen und Vorteile Grenzen und Nachteile
bullFassung und Behandlung des gesamten des anstroumlmenden Wassers bullGeringer Aufwand fuumlr geologische und hydrogeologische Erkundung
bullSehr geringe Betriebskosten
bullSehr Geringer Bauaufwand bullSehr geringe Betriebskosten bull geringe
Betriebskosten bullGeringe Abbauraten bei niedrigen Konzentrationen
fuumlr niedrige Grenzwerte groszlige Reaktorvolumen oder Kombination mit anderen Technologien
bullSehr aufwendige geologische Erkundung bull aufwendige Steuer und Regeltechnik bull noch unzureichende technische Erfahrung
IV
Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfaumlhigkeit
Angesichts des neuen Bodenschutzgesetzes der Laumlnder-Wassergesetzgebung und auch der
enormen potentiellen Sanierungskosten fuumlr kontaminierte Standorte in Europa sind die Ergebnisse
des Verbundprojektes METLEN sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Ebene von
groszliger Bedeutung Das Verbundprojekt legt nicht nur eine Grundlage fuumlr die Sanierung von
Schadensfaumlllen mit dem refraktaumlren MTBE es wird auch ein Leitfaden erarbeitet der die
Vorgehensweise bei der Sanierung solcher Schadensfaumllle beschreibt Somit wurde im Rahmen
des Verbundvorhabens ein bewertetes Methodeninventar erarbeitet welches als Grundlage fuumlr ein
mit ausgewaumlhlten Fachvertretern des Bundes und der Laumlnder abgestimmtes technisches
Regelwerk bdquoEnhanced Natural Attenuationldquo Verwendung findet
Die wesentlichen Grundlagen fuumlr die anzuwendenden Techniken wurden bereits im Vorfeld meist
unter Laborbedingungen erarbeitet Im Rahmen des Vorhabens wurden diese Einzelmethoden in
ein Gesamtkonzept zusammengebracht am Referenzstandort Leuna eingesetzt und validiert
Dabei wurden auch die Grenzen und Limitierungen der verwendeten Techniken insbesondere der
Konditionierungsrinnentechnologie ermittelt und Vorschlaumlge fuumlr die Uumlberwindung moumlglicher
Probleme erarbeitet Im Resultat dieser Uumlberlegungen wurden zwei weitere technologische
Loumlsungen abgeleitet die zwischenzeitlich in nunmehr drei Nachfolgeprojekten soweit entwickelt
wurden dass diese nun gleichfalls unter Feldbedingungen erprobt werden Die Anlagen fuumlr diese
Felderprobungen wurden gleichfalls am Standort Leuna implementiert (Projekte
Festbettbioreaktor Oxywall und Hochdruckgasinjektion) Fuumlr Teilversuche dieser Folgevorhaben
sollen auch Teile des Forschungsbauwerkes von METLEN (nach entsprechender Umruumlstung)
verwendet werden
Die beteiligten Arbeitsgruppen sind international mit den in den USA Kanada den Niederlanden
Daumlnemark und GB fuumlhrenden wissenschaftlichen Institutionen vernetzt und tragen auch dazu
beitragen eine einheitliche EU-Vorgehensweise fuumlr Enhanced Natural Attenuation zu erarbeiten
Wirtschaftliche Erfolgsaussichten Der stimulierte natuumlrliche Ruumlckhalt und Abbau von organischen Schadstoffen in Aquiferen
(bdquoEnhanced Natural Attenuationldquo) ist als kostenguumlnstige Sanierungsmethode anzusehen die
alternativ zu den konventionellen kostenintensiven und meist nur begrenzt effektiven Techniken
(zB lsquopump and treatrsquo) angewendet werden kann
In Deutschland und anderen europaumlischen Laumlndern sind bisher nur biologische Sanierungen
erlaubt bei denen mit aktiven (dh energieverbrauchenden) Techniken der kontaminierte Bereich
V
abgereinigt wird bdquoNatural Attenuationldquo und bdquoEnhanced Natural Attenuationldquo gewinnen jedoch nach
unserer Einschaumltzung zunehmend an Akzeptanz Aufgrund der limitierten Mittel und technischen
Durchfuumlhrbarkeit ruumlcken diese alternativen Sanierungsmethoden auch in der Bundesrepublik
Deutschland immer mehr in den Blickpunkt Die Stimulierung des natuumlrlichen Ruumlckhalt- und
Abbaupotentials in Aquiferen kann potentiell eine aufwendige aktive Sanierung ersetzen Die
Resultate der durchgefuumlhrten Forschungsarbeiten belegen dass dies auch fuumlr persistente
Verbindungen wie MTBE zutrifft Zwischenzeitlich werden solche Methoden nicht nur in der
Boden- und Grundwassersanierung sondern auch in anderen Bereichen wie der
Deponienachsorge intensiv diskutiert und vor allem auch von den Genehmigungsbehoumlrden
zunehmend positiv bewertet Erste konkrete Umsetzungen dieses Konzeptes werden zB
gegenwaumlrtig fuumlr Grundwasser im Land Brandenburg fuumlr die Deponienachsorge auch von
verschiedenen anderen Bundeslaumlndern in Erwaumlgung gezogen
Ziel des interdisziplinaumlren technisch orientierten Verbundvorhabens METLEN war es
kostenguumlnstige praxisnahe Methoden zu entwickeln die die standortuumlbergreifende Quantifizierung
und Bewertung von bdquoEnhanced Natural Attenuationldquo fuumlr refraktaumlre Substanzen als eine an
bundesdeutsche Verhaumlltnisse angepasste alternative Sanierungsmethode ermoumlglichen sollen
Daraus ergibt sich ein sehr erhebliches Sparpotential fuumlr die anfallenden Sanierungskosten
Bei entsprechender behoumlrdlicher Genehmigung koumlnnen die Ergebnisse kurzfristig in die Praxis
umgesetzt werden Teilergebnisse (biologischer MTBE-Abbau durch einen spezialisierten
Bakterienstamm auf entsprechend optimierten Traumlgern) wurden durch das UFZ patentrechtlich
gesichert (Offenlegungsschrift DE 10 2006 022 042 A1 Verfahren fuumlr den biologischen Abbau von
MTBE und TBA in Anwesenheit weiterer organischer Schadstoffe mittels traumlgerfixierter
Mikroorganismen)
Die vorgeschlagenen Methoden zur Stimulierung des natuumlrlichen Abbaus haben ein hohes
Marktpotential da diese auf der einen Seite eine Kostenersparnis speziell bei den laumlngerfristigen
Betriebskosten bedeuten und auf der anderen Seite relativ unkompliziert am Standort umgesetzt
werden koumlnnen Damit ergibt sich ein wirtschaftlicher Vorteil sowohl fuumlr Altlastenbesitzer als auch
fuumlr die Ingenieurbuumlros welche mit der Sanierung betraut sind
Die im Projekt erprobten Grundwassersanierungsmethoden koumlnnen grundsaumltzlich auch fuumlr andere
Branchen wie die Wasseraufbereitungsindustrie von Vorteil sein Damit ergibt sich ein
fachuumlbergreifender volkswirtschaftlicher Nutzen
VI
Publikationen aus dem Verbundprojekt Chen D Bittens M Application of quantitative environmental impact assessment for MTBE amp TBA contamination in groundwater at Leuna Site Germany pp96-99 2nd European Conference on MTBE 2004 Barcelona Spain
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Fischer A Muumlller M (2003) Interesting properties of MTBE water solubility and Henry`s law constant First European Conference on MTBE Dresden 8-992003 Beitraumlge zu AbfallwirtschaftAltlasten 31 Eigenverlag des Forum fuumlr Abfallwirtschaft und Altlasten eV Pirna S 144-150 Fischer A Oehm C Werner P (2004) Adsorption and abiotic degradation of MTBE through acidic catalysts 2nd European Conference on MTBE Barcelona Spain Conference Proceedings pp 56-59 Fischer A Muumlller M and Klasmeier J (2004) Determination of Henryacutes Law constant for methyl tert-butyl ether (MTBE) at groundwater temperatures Chemosphere (2004) 546 689-694 Fischer A Probst F Rohwerder T Richnow H-H Haumlggblom M Somsamak P Toikka T (2004) Compound-specific stable isotope analysis (CSIA) ndash A useful method for monitoring methyl tert- butyl ether (MTBE) biodegradation in contaminated aquifers Proceedings of the 2nd European Conference on MTBE CSIC Barcelona pp 36-38 Fischer A Oehm C Selle M Werner P (2005) Neue Wege bei der Eliminierung von MTBE aus Grundwasser AltlastenSpektrum 32005 135-136 Fischer A Oehm C Selle M and Werner P (2005) Biotic and Abiotic Transformations of Methyl tertiary butyl ether (MTBE) Environmental Science and Pollution Research 12381-386 Fischer A Oehm C Selle M Werner P (2007) Adsorption and Abiotic Transformation of Methyl tert-Butyl Ether Through Acidic Catalysts Journal of Environmental Engineering-ASCE 133(8) 827-833 Fischer A Oehm C Werner P (2007) Behaviour of methyl tert-butyl ether (MTBE) and other fuel oxygenates under acidic conditions 3rd European conference on MTBE and other fuel oxygenates Antwerp 7 - 8062007 Conference Proceedings 43-46
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VII
Conference on MTBE Dresden 8-992003 Beitraumlge zu AbfallwirtschaftAltlasten 31 Eigenverlag des Forum fuumlr Abfallwirtschaft und Altlasten eV Pirna S 159-164 Martienssen M Kukla S Balcke GU Rohwerder Th Haase K Schirmer M (2004) Enhanced Natural Attenuation of MTBE Comparison of different technologies in field experiments at the Leuna site (Germany) Second European Conference on MTBE Barcelona (2004) Conference Proceedings 60-64 Martienssen M Kukla S Balcke GU Hasselwander E Schirmer M (2006) Evidence of natural occurring MTBE biodegradation by analysing metabolites and biodegradation products Cont Hydrol 87 37-53 Martienssen M (2007) Comparison of different technologies for the treatment of MTBE contaminated groundwater 3rd European conference on MTBE and other fuel oxygenates Antwerp 7 - 8062007 Conference Proceedings 57-62 Martienssen M Schirmer M (2007) Comparison of different bioremediation technologies for MTBE 4rd European conference on oxidation and reduction technologies for in situ treatment of soil and groundwater Amsterdam 16-18102007 Conference Proceedings 50-51 Martienssen M Schirmer M (2007) Comparison of different technologies to enhance the natural Attenuation of MTBE Ninth International in situ and on site bioremediation symposium Baltimore (Maryland) 07-10052007 Conference Proceedings Battelle Press ISBN 978-1-57477-161-9
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conference on MTBE and other fuel oxygenates Antwerp 7 - 8062007 Conference Proceedings 11-14 Schirmer M Butler BJ Church CD Barker JF Nadarajah N (2003) Laboratory evidence of MTBE biodegradation in Borden aquifer material Cont Hydrol 60 229-249 Schirmer M (2003) MTBE sources in the environment and the behaviour in groundwater- First European Conference on MTBE Dresden Germany 08 ndash 09 09 2003 Conference Proceedings 1-7
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