NEUE WEGE IN DIE ZUKUNFT?

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1 NEUE WEGE IN DIE ZUKUNFT? DIE ENTWICKLUNG UND FORSCHUNG IN REINIGUNG IN GROSSFALCHIG KONTAMINIERTEN GEBIETEN MIT EINEM BEISPIEL AUS KANADA Margarete Kalin

2 Überblick des Vortrages 1 ) Ein Rückblick auf die Entwicklung der innovativen Technologien: in U.S.A ; Was gelehrt wird den Landschaft Architekten an der Universität Toronto, Canada und was die gleichen Ansatze sind in der E.U. 2) Die Tendenz scheint weltweit dass die Technologien langsam sich in Richtung Nachhaltigkeit bewegen Nachhaltigkeit aus meiner Sicht heißt Anwendung der Ökologischen Engineering Konzepte oder Prinzipien d. h. für Bodenreinigung die Förderung von Biofilmen die bio mineralisieren entweder durch Stabilisierung / Immobilisierung von anorganischer oder der Zersetzung von organischer Kontamination. 3) Beispiele aus dem Bergbau Immobilisation der wasserlöslichen Metalle durch Zugabe von fehlenden ökologischen Bausteinen/ Nährstoffe für micro biologische Prozesse

3 Der Rückblick Ein Rückblick auf die Entwicklung der innovativen Technologien: in U.S.A ; Was gelehrt wird den Landschaft Architekten an der Universität Toronto, Canada und was die gleichen Ansätze sind in der E.U.

4 Die nächsten zwei Bilder zeigen Environmental Protektion Agency EPA in den USA gibt eine Zusammenfassung über den Fortschritt oder die Anwendungen der verschieden Technologien die unter Entwicklung stehen. Wenn Sie auf die Webseite gehen ( auch pdf Report angegeben ) und sich die Statistiken ansehen werden Sie bemerken, dass sich nicht viel getan hat in den letzten Jahren jedenfalls das ist meine Ansicht. Was interessant ist sind auch die Definitionen und die Case Studies. Wenn man die Bio-Remediation Gebiete vergleicht zwischen den Kontinenten, dann sind da nur geringe Unterschiede zu bemerken. Im nächsten Bild, ein Blick auf die Lehre 2008, ein Auszug aus den Technologien die Landschaft Architekten lernen im Masters Program an der University Toronto. Es sind nur kleine Unterschiede zu den U.S.A zu bemerken.

5 Treatment Technologies PHYSICAL IN SITU VOLATILIZATION CAPPING IN SITU OXIDATION IMMOBILIZATION PUMP AND TREAT (COMBINED WITH CHEMICAL OR BIOLOGICAL) AIR SPARGING ELECTROKINETICS SOIL WASHING IN SITU SOIL FLUSHING TREATMENT WALLS (COMBINED WITH CHEMICAL OR BIOLOGICAL) CHEMICAL BIOLOGICAL BIOREMEDIATION* PHYTOREMEDIATION* NATURAL ATENUATION* According to EPA ACTIVATED CARBON TREATMENT CHEMICAL DEHALOGENATION SOLVENT EXTRACTION IMMOBILIZATION (PRECIPITATION) THERMAL IN SITU VITRIFICATION THERMAL DESORPTION INCINERATION THERMAL TREATMENT EX SITU AND IN SITU Source: in.org/techfocus/

6 Einen Blick in die Lehre an der Univerisity of Toronto Landschafts Architektur BIOENGINEERING BIOREMEDIATION PHYTOREMEDIATION Transplantation & Afforestation Turfing, Mulching & Hydroseeding Bio Piling & Land Farming Vapor Extraction & Bio venting? Phytoextraction & Hyperaccumulation Phytostabilization Brush Matting & Brush Layering Bio Slurping? Phytovolatilization Wattling & Live Fascines Hedgerows, Windbreaks & Plashes Thermal Soil Destruction Rhizofiltration Crib Walls & Gabions Aqua remediation? Mycoremediation? Cover Cropping Contour Plowing & Conservation Tilling Strip Farming Vitrification Biodegradation & Biomineralisation Anaerobic Digestion Photodegradation EROSION CONTROL / NEW WORDS FOR ANCIENT PRACTICES ECOLOGICAL PROCESSES AEROBIC DIGESTION ( WORD) TRANSPORT FROM TERRESTRIAL/ TO BIOTA? /BIOMINERALISATION mit Biofimen sicherlich ENERGY USERS SOURCE: Course outline, FALL 2007 MASTER OF LANDSCAPE ARCHITECTURE PROGRAM

7 Wie viele der Technologies sind wirklich nachhaltig? Leider zu wenige, oft alte Gebräuche in der Landwirtschaft neu definiert oder sie brauchen Chemikalien und/ oder Energie( Angegeben in den verschiedenen Farben im vorherigen Bild )

8 In der E.U wie definiert by SUMATECS ( Sustainable Management of Trace Element Contamdinated Sites) kommen die mir wichtigen Konzepte der Nachhaltigkeit in die Definition hinein.

9 *G.R.O GENTLE REMEDIATION OPTIONS In situ remediation methods which do not have a major impact on soil functions, its structure and on other environmental compartments. Kann erreicht werden mit:phytoextraction, phytostabilisation and immobilisation. EPA Immobilisation oder Natural Atenuation. in diesen Technologien spielen Biofilme eine wichtige Rolle

10 Die Entwicklung in nachhaltiger Umwelt - Technologie geht sehr langsam voran. Die Gründe dafür sind vielfältig doch einiges ist auffallend: WELTWEIT EREIGNET SICH AUS MEINER SICHT: Rückgang der Forschungsgelder an Universitäten Eine nicht endende Diskussion über die Definition der Nachhaltigkeit Experten in Remediation Technology erscheinen in den verschiedensten Disziplinen, oft sehr schnell und mit limitierten Fachwissen Das folgende Bild reflektiert Arbeit aus dem chemischen Gebiet definiert ist. Hier werden Abfallstoffe dem Boden zugesetzt die den ph Wert des Bodens ändern, doch auch viele Schadstoffe enthalten. Leider publiziert in Es fehlt das interdisziplinäre Zusammenarbeiten an Umweltproblemen. FORTSCHRITT IST LANGSAM UND EIN STEINIGER WEG!

11 Red muds, bauxite ore processing waste, and/or fly ash produced by coal fired power stations for immobilizing the heavy metals contained in severely contaminated soils. Columns experiment with different materials at different ratios 30 months Leach solution: 108 l distilled water C1 Soil; C2 Soil/Fly ash (10:1.5) C3 Soil/Fly ash /Red mud (10:0.75:0.75) C4 Soil/Red mud /Gypsum (10:1.3:0.2) Metal IMMOBILIZATION Fly ash

12 Nachhaltigkeit Nachhaltigkeit aus meiner Sicht heißt Anwendung der Ökologischen Engineering Konzepte oder Prinzipien d. h. für Bodenreinigung die Förderung von Biofilmen die bio mineralisieren entweder durch Stabilisierung / Immobilisierung von anorganischer oder der Zersetzung von organischer Kontamination.

13 Sustainability Nachhaltigkeit wurde in 1713 von Hans Carl von Carlowitz in Sylvicultura Oeconomia (Forestry Economics) benützt. Carlowitz bemerkte dass ohne Bäume die Holz für den Bergbau lieferten der Bergbau zu teuer wurde und viel aufwändiger. Also musste er den Wald aufforsten um den Bergbau nachhaltig oder in seiner Form weiter betreiben zu können. Heute leben wir auf einem Planeten, dessen Lebenskraft wir verbrauchen und damit unsere Nachhaltigkeit in Frage stellen.

14 Wichtig ist die Richtung in der wir versuchen der Lebenskraft der Oekosysteme zu helfen Der Weg in die Zukunft muss auf natürliche ökologische Technologien setzten die auf Verständnis der Oekosysteme und seinen Funktionen basiert. Für Böden sind viele Funktionen, zum Beispiel natürliche Stabilisierung ( in organische ) oder Zersetzung ( organische ) von Schadstoffen und der Einfluss der Wurzel sphare ( Rhizosphere) durch Biofilme gemacht. natürlichen

15 Es müssen Ökologische Methoden gefördert werden die sich auf ökologischen Engineering Konzepte stützen: Was sind diese Konzepte?

16 Was ist Ecological Engineering? Ecological engineering Ist definiert als der Design of ecosystems fuer den gleichwertigen Nutzen von Menschen und der Natur. Extracted from Ecological Engineering Journal description Ecology ECOL ENG Technologien Basieren auf Förderung von NATUERLICHEN REPAIR/CLEANING PROZESSEN Geo microbiolo gy Geo Chemistry Limnology Ecological Engineering Hydrology Botany Microbiolo gy

17 FOERDERUNG DER NATURLICHEN REINIGUNGS PROCESSE IM ECOSYSTEM These natural processes are known from different disciplines ecology, hydrology, geochemistry, limnology, microbiology, geo microbiology and others. A sustainable alternative

18 BEISPIELE AUS DEM BERGBAU Die Förderung der Immobilisation der wasserlöslichen Metalle durch Zugabe von fehlenden ökologischen Bausteinen/ Nährstoffe für micro-biologische Prozesse Dieses passiert mit Biofilmen: Im ersten Beispiel auf den Quarzsand Teilen oder auf der Struktur die übrig geblieben ist in den ausgetrockneten Sedimenten der Seen und ist gezeigt durch die Änderungen des ph /Eh in den getesteten Proben Zugabe Organik und Im zweiten Beispiel auf dem oxidierenden Sulphid-mineral auf dem Abfallgestein Zugabe : Natural Phosphate Rock

19 DAS ERSTE BEISPIEL Die Situation: Durch die Senkung des Grundwassers in einem Gebiet von 2,300 ha zwischen 1979 und 2000 um an ein Uranerz heranzukommen wurden 22 Seen ( 520 ha) entweder ganz oder zum Teil ausgetrocknet Daraus ergab sich dass die Sedimente zu Quellen von Metallen und Saure wurden, da der biogene Pyrit oxidierte und damit die Metalle freisetzte, hier Nickel. Wenn nun der Grundwasserspiegel wieder steint, nach dem der Bergbau eingestellt ist, wird man kontaminiertes Wasser haben und Seen ohne Sedimente die die Funktion eines gesunden Sees ausmachen.. In den nächsten zwei Bildern sehen sie einen See der kein Seesediment mehr hat da die ganze Organik biomineralisiert ist in der Zwischenzeit und der Strand ist übersähet mit nur noch Mg- Nodules. Diese entstanden im Sediment ganz durch Bio-mineralisatzion die in Biofilm strukturen stattfand.

20 Hourglass lake der übrig gebliebene Restsee mit mineralisiertem Strand

21 BIOMINERALIZATION

22 Die Untersuchungen dauerten einige Jahre Description and analysis of surface strata for six (6) lakes ph, alkalinity, acidity, %L.O.I., [element], sequential extractions. Sample collection at various depths (0 1 m) along four transects Hourglass and Lower Seahorse Lakes. ph, alkalinity, acidity and elemental composition. 5:1 (v:w) distilled water: substrate slurry tests (1 hr) ph, acidity, alkalinity and. dissolved Ni m deep columns of substrate from 1997 transects. Instrumented, flooded (experiment still in progress).

23 METHODIK UND DISZIPLINEN DIE ANGEWENDET WURDEN Elemental Composition Texture, Location and depth Physical/Chemistry Characteristics Geochemistry Soil Science Environmental Mobility Multivariable statistics Extrapolation to Surface Water Field Verification during Flooding ( )

24 Transepte (rot und Bleistift Linien )wurden be- probt bis 1 m Tiefe und kategorisiert sieh Quadrate und dann getestet in destilliertem Wasser auf Metalloeslichkeit

25 Profile am Strand von Sea Horse Lake

26 Die ersten Aufgaben die zu lösen sind Identifikation und Zusammensetzung der Boden strata und Texturen, die Metalle und Schadstoffe die wasserlöslich sind, freigeben, wenn der Grundwasserspiegel steigt. Projektionen der möglichen Konzentrationen die zu erwarten sind in den wieder aufgefüllten Seen aufstellen. Dies auf Grund der Proben und deren wasserlöslichen Proportionen von wasserlöslichen Schadstoffen, die mit destilliertem Wasser getestet wurden im Laboratorium.

27 First RESULTS: 1993 SAMPLES Nickel concentrations of concern, ranging from <0.5 to 357 mg.kg 1 (n=13). ph ranges from 3.6 to 6.2; very low ph (<4) associated with high total sulphur (S) content, suggesting oxidation of sulphides. High total Ni associated with high total iron, suggesting Ni adsorption to Feoxides. Sequential extractions reveals two modes in which Ni occurs in materials: 1. In sandy materials Ni occurs in oxidizable and dilute acid extractable fractions, corresponding to Ni adsorption to organic matter and oxides. In clayey materials, Ni was predominantly 2. in exchangeable or residual factions, corresponding to Ni weakly adsorbed to silicate materials and with solid phases (mineral precipitates).

28 Second sampling and results :1997 Total Ni content in the solids ranged from 0.5 to 330 mg.kg 1 (n=85). Ni content increased according to: oxidized sand < sand < black sand < red oxidized sand < organics < silt < sediment Ni mobility (%) in stirred slurry experiment increased according to: sediment < organic material < black sand < oxidized sand < red oxidized sand silt < sand

29 1997 Samples by texture type NICKEL RELEASE could be significant Typeof No. of Parameter Total [Ni] Water Soluble Ni Release Solid Samples mg.kg 1 [Ni], mg.kg 1 to Water, % Sandy 55 Average Min Max Clay 6 Average Min Max Organic 21 Average Min Max

30 WATER QUALITY PROJECTIONS FOR TWO LAKES Estimated Lake Area of Area of Ni Released Ni Released Total Ni [Ni] in Lake Volume Increase Exposed Exposed by Sand* by Organics* Released Water Sand Organics m 3 ha ha kg kg kg mg.l -1 Seahorse 3,747, Hourglass 2,611, * assume 1 m thick stratum

31 4te Phase: die projektierten Konzentrationen sind zu möglicherweise zu hoch, was nun? Den Bau einer chemischen Anlage bewilligen oder Biomineralisation untersuchen es wurde sich für das letztere entschieden : Bestimmung der geo chemische Spezies von Ni die Verteilung der Mineralisation in der vadosen Zone der Ufern der Seen Micro biologische Aktivität anregen in destilliertem Wasser und die zu erwartenden Veränderungen in ph und Eh messen die zur Bio mineralization führen würden

32 Cores Instrumented for Pore Water Collection in the vadose zone

33 Organic substrate additions Genannt EDO

34 Wasserproben wurden genommen in1 bis 3 monatlichen Abständen gemessen und präserviert für chemische Zusammensetzung. Das herausgenommene Wasser wurde mit sauberem ersetzt eine Simulation des mehr oder weniger gleichbleibenden Wasserspiegels im See da er von Grundwasser gespeist ist. In Simulationen der gefluteten Vadose Zone ( Columns) und in gefluteten Boden-strata Proben in 500 ml Glasbehältern,, mit darüber liegenden Wasser. In den Deckel wurde ein Spritze eingebaut, deren Ende mit einem kleinen Schlauch versehen wurde und der wiederum in einen porösen Stein eingeführt wurde. Mit Der Spritze wurde dann Porenwasser entzogen und Ni Konzentration gemessen. Alle diese Daten, speziell die Trends in ph und Eh mit Zeit ( 3 Jahre Messungen ) wurden dann statistisch ausgewertet und interpretiert in einem Phasen Diagramm. Damit können dann mögliche geochemischen Reaktionen bestimmt werden die zur Stabilisierung der Mobilität des Ni beitragen würden. Die Resultate im naechsten Bild

35

36 1200 Welche microben haben die Veranderungen Herbeigerufen? 1000 Eh/pH diagram Baas Becking Total measurements: 6200 Organisms: 2100 Environments: 4100 ph / Eh Range THIOBACTERIA / +855 to 190 E H /[mv] cyan: thiobacteria O 2 /H 2 O red: iron bacteria green: denitrifying and blue-green algae IRON BACTERIA / +850 to DENITRIFIERS /+665 to 220 BLUE GREEN ALGAE /+7 to 293 SULPHATE REDUCERS /+115 to H 2 O/H 2 blue: sulphate-reducing bacteria ph Baas Becking, Kaplan and Moore (1960). Limits of the natural environment in terms of ph and Oxidation reduction potentials. The journal of Geology, Vol.68, Nº3, pp

37 2tes Beispiel : Auf Waste Rock Biofilmformation Förden da Mikroben der Oxidation helfen um AMD/ARD zu produzieren sollten sich dort auch andere Mikroben ansiedeln wenn die richtigen Nährstoffe dazu gegeben sind. RAINWATER Thiobacillus ferroxidans Grounwater Runoff Seepage Water percolation throught pores RAIN Sulphide Rich Tailings or Wasterock Thiobacillus oxidation Fe2+/SO4/M2+ Fe3+/SO4/M2+ ACID DRAINAGE

38 Biofilm formation through NPR MICROBIAL COLONIES ENCASED IN AN ADHESIVE, USUALLY POLYSACCHARIDE MATERIAL, AND ATTACHED TO A SURFACE.

39 results for biofilms in soils + remediation 5,637 results for biofilms soils remediation Date: 1980 to 2008 Wenn Bioflime sich auf Steinen formen durch Zugabe von Nährungsstoffe entwickeln und damit die Oxidation gehemmt order sogar unterbunden wird. dann sollte es doch wohl erst recht im Boden möglich sein. Ein Boden der mobile Metalle und Schadstoffe enthalt ist ein potenzielles Risiko, ber nicht wenn die Metalle nicht aufgenommen werden können von den Pflanzen. Was ich vorgestellt habe ist nichts neues denn wenn man in die Literatur geht findet man viele Referenzen wie oben angegeben.

40 Die Zukunft liegt in den Anwendungen des Oekosystems dem Biofilm SUPPORT NATURAL CLEANSING SYSTEMS THROUGH APPROPRIATE ADDITIONS TO REBUILD ECOSYSTEM FUNCTION

41 Geomicrobiology EHRENBERG Gallionella ferruginea with ochreous deposits of bog iron. WINOGRADSKY Beggiatoa oxidation H 2 S to elemental sulfur; Leptothrix ochracea oxidation of FeCO 3 to ferric oxid. HARDER microbial iron oxidation and precipitation in iron sedimentary deposits. STUTZER (1911); VERNADSKY ( ) Microbial Ecology Geo microbiology Microbial Biogeochemistry

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