Beeinflussung der Bioverfügbarkeit von kolloidaler, partikulärer und assoziierter organischer Substanz durch Ultraschall

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1 Abschlußbericht Beeinflussung der Bioverfügbarkeit von kolloidaler, partikulärer und assoziierter organischer Substanz durch Ultraschall Förderungszeitraum: Förderkennzeichen: 02WA9677/0 Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Dr. rer. nat. A. Tiehm Prof. Dr.-Ing. U. Neis Technische Universität Hamburg-Harburg Arbeitsbereich Abwasserwirtschaft Eißendorfer Str Hamburg

2 INHALTSVERZEICHNIS 1. GRUNDLAGEN Limitierende Faktoren des biologischen Abbaus Massentransfer hydrophober Schadstoffe Größenverteilung von Kolloiden und Feststoffen Ultraschall Ultraschall und Kavitation Effekte des Ultraschalls (Terminologie) Abbau/Transformation von Schadstoffen durch Ultraschall 8 2. ZIEL DER UNTERSUCHUNGEN 9 3. MATERIAL UND VERSUCHSAUFBAUTEN Ultraschallgeräte Modellsubstanzen und Abwasserproben Versuchsaufbau bei Beschallung simultan zum Abbau System mit diskontinuierlicher Messung von CO Fermentersystem mit Massenspektrometer Versuchsbedingungen ERGEBNISSE UND DISKUSSION Wirkung von Ultraschall auf Belebtschlamm Ultraschall der Frequenz 20 khz (Branson-Sonotrode) Einfluß der Behandlungszeit bei 351 khz und 3200 khz Vergleich der Frequenzen im Bereich 41 khz bis 3200 khz 22 2

3 4.2. Erhöhung der Bioverfügbarkeit hydrophober Schadstoffe Sonochemische Effekte in Abhängigkeit von Frequenz und Intensität Kombination von Sonochemie und mikrobiellem Abbau Sonochemische Vorbehandlung Simultane Beschallung bei 351 khz Sonophysikalische Effekte Beschleunigung des Massentransfers Simultane Beschallung bei 3200 khz Einfluß von Abwasserpartikeln auf die Abbaukinetik Sonochemische Vorbehandlung von Kolloiden und Feststoffen Synthetische Polymere Abwasser-Partikel ZUSAMMENFASSUNG REFERENZEN 59 3

4 1 GRUNDLAGEN 1.1. Limitierende Faktoren des biologischen Abbaus Biologische Verfahren zur Reinigung von Wasser und Boden haben eine weite Verbreitung gefunden, da sie in der Regel wesentlich kostengünstiger sind als physikalische oder chemische Verfahren. Ihre Anwendung setzt eine gute biologische Abbaubarkeit der Verunreinigungen voraus. Im Falle schwer oder nicht biologisch abbaubarer Verunreinigungen ist häufig eine Kombination von chemisch-physikalischer Behandlung und biologischem Abbau erfolgversprechend (Scott & Ollis, 1995). Die geringe Bioverfügbarkeit von kolloidalen, partikulären und assoziierten organischen Substanzen limitiert ihren mikrobiologischen Abbau. Ziel dieses Projektes war die Nutzung von Ultraschall zur Erhöhung der Bioverfügbarkeit dieser Verunreinigungen in der biologischen Abwasserreinigung Massentransfer hydrophober Schadstoffe Sehr viele umweltrelevante Schadstoffe haben hydrophobe Eigenschaften. Ein Beispiel sind die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK),. Diese Substanzen besitzen nur eine geringe Wasserlöslichkeit und eine starke Tendenz zur Adsorption an festen Oberflächen. Da Mikroorganismen bevorzugt Substanzen abbauen, die gelöst in der Wasserphase vorliegen, limitiert der Massentransfer ins wäßrige Medium den mikrobiellen Abbau. Dieses wurde zuerst für kontaminierte Böden gezeigt (Weissenfels et al., 1992; Crocker et al., 1995). Vor dem Hintergrund der biologischen Bodensanierung wurden Modelle entwickelt, die den Massentransfer eindeutig als geschwindigkeitslimitierenden Faktor identifizieren (Harms und Zehnder, 1995). In Abwasser adsorbieren hydrophobe Schadstoffe an die suspendierten Feststoffe (Dobbs et al., 1989; Herbes, 1977; Wang et al., 1993). Wang & Grady Jr. (1995) zeigten, daß der Abbau von zunächst gelöstem di-n-butyl-phthalat verlangsamt wird, wenn im Medium organische Partikel in Form autoklavierter Bakterien (Pseudomonas fluorescens) vorliegen. Auch hier wurde die Hemmung des Abbaus auf die Sorption des Substrates an der Biomasse zurückgeführt. Ähnliche Effekte treten bei der biologischen Regeneration beladener Aktivkohle auf. Hier wurde eine komplette Hemmung des biologischen Abbaus bei Substraten mit großer Bindungsstärke beobachtet (Orshansky & Narkis, 1997). Als Modell für die Untersuchung limitierenden Massentransfers haben sich kristalline hydrophobe Substanzen als geeignet erwiesen. Am Beispiel der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe wurde gezeigt, daß die Lösungsrate von Kristallen direkt mit der mikrobiellen Abbaugeschwindigkeit korreliert ist. Durch Zerkleinerung der Kristalle wird eine Vergrößerung der Oberfläche und damit ein schnellerer Abbau erzielt (Thomas et al., 1988; Volkering et al., 1992). Auch der Zusatz von Tensiden erhöht den Massentransfer und damit den mikrobiellen Abbau (Tiehm, 1994). Die biologische Reinigung kontaminierter Feststoffe konnte durch geeignete Tenside deutlich verbessert werden (Tiehm et al., 1997). Ein Nachteil 4

5 dieser Technik zur Verbesserung der Bioverfügbarkeit ist die Einbringung weiterer organischer Substanzen in das zu reinigende System Größenverteilung von Kolloiden und Feststoffen Suspendierte Partikel stellen im Abwasserreinigungsprozeß nicht nur feste Oberflächen dar, an die hydrophobe Verunreinigungen bevorzugt adsorbieren, sondern unterliegen auch selbst einem mikrobiellen Abbau. Der Erfolg des Reinigungsprozesses ist sowohl vom Abbau der an die Partikel adsorbierten Schadstoffe als auch vom Abbaugrad der suspendierten organischen Feststoffe selbst abhängig. Bereits 1971 fanden Rickert und Hunter, daß in kommunalen Belebtschlammanlagen deutliche Unterschiede in den Entfernungsraten der partikulären und der gelösten organischen Phase bestehen. Als Meßgrößen wurden CSB, TOC und organische Feststoffe herangezogen. In ihrer Arbeit wurde eine Einteilung der Abwasserinhaltsstoffe in 4 Größenklassen vorgenommen: * Absetzbar 100µ m * Superkolloidal - 100µ m * Kolloidal nm - 1 µ m * Gelöst 1 nm. Die Arbeit von Rickert und Hunter (1971) deutete bereits darauf hin, daß Reinigungsgrade nicht pauschal betrachtet werden sollten, sondern daß die einzelnen Phasen/Fraktionen jede für sich unterschiedliche Stoffentfernungsraten haben. Neuere Arbeiten bestätigten, daß die Größenverteilung der suspendierten Feststoffe im kommunalem Abwasser wesentlichen Einfluß auf die biologischen Umsatzraten besitzt. In allen Reinigungsprozessen, also sowohl in physiko-chemischen als auch biologischen, wird die Reinigungsleistung von der Partikel-bzw. Substratgröße beeinflußt. Im Labor wurden Sauerstoff-Zehrungsversuche mit Abwasserproben von Kläranlagen (nach Vorklärung) durchgeführt. Die Abbaugeschwindigkeiten für gelöste und kolloidale Fraktionen lagen weit über denjenigen der Fraktionen größer als 1µm (Bunch & Griffin, 1987; Levine et al., 1985 und 1991; Neis & Tiehm, 1996). Ähnliche Ergebnisse wurden für kolloidale Substanzen aus industriellen Produktionsprozessen berichtet. Das Polymer Polyethylenglycol ist ein wichtiges Zwischenprodukt in der Synthese von nichtionischen Tensiden und wird in Kosmetika und pharmazeutischen Produkten eingesetzt. Es wurde u.a. am Beispiel dieses Polymers gezeigt, daß die aerobe Abbaugeschwindigkeit mit zunehmendem Molekulargewicht drastisch sinkt (Suzuki et al., 1978; Mantzavinos et al., 1996). Auch unter anaeroben Bedingungen ist die Substratgröße der entscheidende Parameter für die biologische Abbaubarkeit. Die biologische Hydrolyse von Cellulose erfolgte bei 20 µm Partikelgröße schneller als bei Cellulose-Partikeln mit 50 µm Größe (Chyi & Dague, 1994). Die vorgestellten Arbeiten zeigen die Bedeutung der Substratgröße für die in der biologischen Abwasserbehandlung erzielbaren Reinigungsleistungen. Der zweite thematische Schwerpunkt in diesem Projekt lag daher auf der Untersuchung, ob Ultraschall eingesetzt werden kann, um Kolloide und Partikel zu zerkleinern und damit den biologischen Abbau zu beschleunigen. 5

6 1.2. Ultraschall Ultraschall und Kavitation Die unmittelbare Wirkung des Eintrages von Ultraschall in Wasser ist zunächst die zeitlich und räumlich periodische Kompression und Entspannung des Mediums. Es wechseln Phasen des Unterdruckes und des Überdruckes. Durch diese Schwingungen entstehen Mikroströmungen, die im Bereich von Oberflächen besonders ausgeprägt sind. Die Mikroströmungen führen zu einer Reduktion der diffusiven Grenzschichten und können den Massentransfer verbessern (Schmidt et al., 1987; Suslick, 1989). In Abhängigkeit der Schallintensität (Amplitude der Schwingung) und des zeitlichen Abstandes zwischen aufeinanderfolgenden Schwingungen (Schallfrequenz) kann es zur Bildung von Gasblasen im Medium kommen. Die Gasblasen wachsen zunächst, bevor sie bei einer bestimmten Größe innerhalb weniger Mikrosekunden implodieren (Abb. 1.1). Dieser Prozeß der Bildung von Gasblasen und nachfolgender Implosion wird als Kavitation bezeichnet. Die schlagartige Blasenimplosion führt zu sehr schnellen Strömungen in der Umgebung der Kavitationsblase ( Jet-streams ). Die Strömung des Wassers mit Geschwindigkeiten bis zu 500 m/s bewirkt sehr hohe Scherkräfte, die die Ursache der mechanischen Wirkung des Ultraschalls sind (Frizzell, 1988; Lorimer, 1990). Des weiteren entstehen beim Blasenkollaps im Inneren der Gasblase Temperaturen um 5000 o C und Drücke bis zu 500 bar (Suslick, 1989). Durch diese drastischen Bedingungen fungieren die Gasblasen als energiereiche Mikroreaktionsräume, in denen chemische Prozesse ausgelöst werden. Aufgrund der hohen Temperatur und des hohen Druckes in den Kavitationsblasen werden Substanzen im Inneren der Gasblase durch thermische Reaktionen zersetzt. In reinem Wasser ist die Primärreaktion die Aquasonolyse zu Wasserstoff- und Hydroxyl-Radikalen (Reaktion 1). Bei Anwesenheit von gelöstem Sauerstoff bilden sich Sauerstoff-Radikale (Reaktion 2). Diese Primärprodukte reagieren in nachfolgenden Reaktionen (Pétrier et al., 1999) weiter, wobei eine Vielzahl von reaktiven Spezies entsteht (Reaktionen 3-7). H 2 O H + HO (1) O 2 2 O (2) H + H 2 O HO + H 2 (3) O + H 2 O 2 HO (4) H + O 2 HOO (5) 2 HO H 2 O 2 (6) 2 HOO H 2 O 2 + O 2 (7) 6

7 Abb. 1.1: Schematische Darstellung der Entstehung von Kavitation durch Ultraschall (verändert nach Suslick, 1989) Effekte des Ultraschalls (Terminologie) Die durch Ultraschall ausgelösten Effekte werden, insbesondere im englischen Sprachraum, oftmals in der Gesamtheit als Sonochemische Effekte bezeichnet. Bei genauerer Betrachtung sind verschiedene Wirkmechanismen zu unterscheiden, die in diesem Bericht wie folgt benannt werden: Sonophysikalische Effekte: Diejenigen Effekte, die ohne zusätzliche chemische Reaktionen aufgrund der durch Ultraschall ausgelösten Mikroströmungen auftreten. Sonochemische Effekte: Alle durch Kavitation verursachten Prozesse, die zu chemischen Reaktionen führen. Dabei sind folgende Reaktionstypen zu unterscheiden: Pyrolyse: Die thermische Zersetzung von Substanzen im Inneren der Kavitationsblase. Dieser Prozeß dominiert bei der sonochemischen Zersetzung von leichtflüchtigen Substanzen. Radikal-Reaktionen: Die Reaktion von im Wasser gelösten Substanzen mit den Radikalen, die durch Aquasonolyse im Inneren der Kavitationsblasen entstehen. Scherkraft-Effekte: Die Zerkleinerung von Feststoffen und Makromolekülen durch die hohen Scherkräfte, die im Zuge der Implosion der Kavitationsblasen auftreten. 7

8 Abbau/Transformation von Schadstoffen durch Ultraschall In den letzten Jahren wurde die grundsätzliche Eignung von sonochemischen Prozessen zur chemischen Transformation von umweltrelevanten Schadstoffen nachgewiesen. Ultraschall wurde z.b. eingesetzt zur Dehalogenierung von Chlorbenzol (Ondruschka & Hofmann, 1999) und chlorierten Phenolen (Ku et al., 1997) sowie zum Abbau von Pestiziden (Petrier et al., 1996; David et al., 1998). Die Behandlung mit Ultraschall resultiert im Verschwinden der Ausgangssubstanzen. Die Verbindungen werden durch sonochemische Prozesse nur teilweise oxidiert, so daß nach der Behandlung ein hoher TOC verbleibt (Lin et al., 1996). Die Eignung von Ultraschall zur Zerkleinerung von Polymeren wurde ebenfalls beschrieben. Dabei wird die Aufspaltung der Polymere in kleinere Bruchstücke sowohl auf Radikalreaktionen als auch auf mechanische Effekte zurückgeführt. Eine Zerkleinerung von Cellulose (Marx-Figini, 1997) oder Polystyren (Price & Smith, 1993) in organischen Lösungsmitteln wurde beschrieben. Des weiteren wurde eine Depolymerisation bei Dextranen (Portenlänger & Heusinger, 1997), Stärke (Isono et al., 1994) oder Pullulan (Koda et al., 1994) in wäßriger Phase durch Ultraschall erreicht. Ein wesentlicher Parameter für die überwiegenden Effekte und die erreichten Reaktionsraten ist die Frequenz des Ultraschalls. Es hat sich gezeigt, daß sonochemische Reaktionen im Bereich von khz in höherer Intensität ablaufen als bei niedrigen Frequenzen, z.b. 20 khz. Im Gegensatz dazu dominieren die mechanischen Effekte bei niedrigen Frequenzen (Hua & Hoffmann, 1997; Petrier et al., 1996; Portenlänger & Heusinger, 1998; von Sonntag et al., 1999). Bei der Anwendung von Ultraschall zum Abbau/Transformation von Schadstoffen ist zu beachten, daß Nebenprodukte entstehen können. Auf dem Gebiet der biologischen Abwasserreinigung ist insbesondere die mögliche Bildung von Nitrit und Nitrat durch Ultraschall (Pétrier et al., 1999) zu beachten, da Nitrit toxisch auf viele aquatische Organismen wirkt. 8

9 2 ZIEL DER UNTERSUCHUNGEN Ziel der Untersuchungen war es, die Bioverfügbarkeit von kollodialen, partikulären und assoziierten organischen Substanzen zu verbessern. Das Potential von Ultraschall zur Verbesserung des mikrobiellen Abbaus von hydrophoben Schadstoffen und von kolloidalen und partikulären Verunreinigungen wurde untersucht. Dabei sollten durch Ultraschall zwei unterschiedliche Wirkungen erzielt werden: 1. Beschleunigung des Abbaus hydrophober Schadstoffe durch beschleunigten Massentransfer in die Wasserphase, 2. Beschleunigung des Abbaus von Kolloiden und suspendierten Feststoffen durch Zerkleinerung des Substrates. Die Kombination des biologischen Verfahrens mit einer Ultraschall-Behandlung läßt erwarten, daß auch bisher biologisch nicht oder nur unzureichend behandelbare Abwässer durch kostengünstige mikrobielle Verfahren gereinigt werden können. Es gab bereits vor Beginn der Untersuchungen Hinweise, daß die Effekte der Ultraschallbehandlung stark von den gewählten Randbedingungen beeinflußt werden. Als wesentliches Ergebnis des Projektes wurde daher die Erstellung einer Matrix angestrebt, die Aussagen über die optimale Ultraschallkonfiguration (Frequenz, Energiedichte, Dauer) für den jeweiligen Anwendungsbereich erlaubt. Die Aufklärung der sonophysikalischen und sonochemischen Effekte wurde angestrebt, um anschließend den Ultraschall gezielt anzuwenden. Entsprechend dem im Projektantrag formulierten Konzept wurden zunächst einzelne Prozesse systematisch untersucht, um anschließend die Ultraschallbehandlung im komplexen System Ultraschall/Mikrobiologie erfolgreich einsetzen zu können. Es wurden folgende Themenbereiche bearbeitet: Einfluß von Ultraschall unterschiedlicher Frequenz und Intensität auf Mikroorganismen Sonophysikalische und sonochemische Effekte in Abhängigkeit von Frequenz und Intensität Erhöhung des Massentransfers hydrophober Schadstoffe Verbesserung des biologischen Abbaus hydrophober Schadstoffe durch Ultraschall Zerkleinerung von Kolloiden und Partikeln durch Ultraschall Einfluß der Ultraschall-Vorbehandlung von Kolloiden und Partikeln auf den mikrobiologischen Abbau Zusammenfassung und Schlußfolgerungen für integrierte Verfahrenskonzepte. 9

10 3 MATERIAL UND VERSUCHSAUFBAUTEN 3.1 Ultraschallgeräte Bei der Arbeit mit Ultraschall sind die Intensität, die Frequenz und die Geometrie des Schallfeldes wesentliche Parameter. Aufgrund von Reflektionen, Brechungen und Dämpfungen haben die Abmessungen des Ultraschallwandlers und des Reaktionsgefäßes großen Einfluß auf den erzielten Effekt (Keil & Dähnke, 1997). Es wurde beobachtet, daß z.b. die Position eines Gefäßes im Schallfeld wesentlich für die sonochemischen Reaktionen ist (Mark et al., 1998). Die während der Untersuchungen eingesetzten Labor-Ultraschallwandler zeigt Abbildung 3.1. Die Ultraschallwandler unterscheiden sich deutlich in ihren Frequenzen, in der maximalen Leistungsaufnahme und in ihren Abmessungen (Tabelle 3.1). A B Tonpilzschwinger Kühlwasser Stabschwinger (Sonotrode) Abb. 3.1: Schema verschiedener Ultraschallgeräte: (A) Stabschwinger (20 khz, Fa. Branson), (B) Tonpilzschwinger mit äußerem Kühlmantel (versch. Frequenzen, Fa. Allied Signal) Tabelle 3.1: Spezifikation der verwendeten Ultraschallwandler Gerät Hersteller Wandlertyp Frequenz Volumen Gefäß Fläche Wandler Maximale Leistung [khz] [ml] [cm 2 ] [W] Sonifier Branson Stab 20 variabel ca. 1,2 400 USW Allied Signal Tonpilz USW Allied Signal Tonpilz 200; USW Allied Signal Tonpilz 351; USW Allied Signal Tonpilz 1060;

11 Die verwendeten Ultraschallgeräte sind mit Anzeigen für die Leistungsabgabe ausgestattet. Erfahrungsgemäß sind diese Anzeigen mit Fehlern behaftet und daher nicht zur Normierung des Leistungseintrages geeignet. Aus diesem Grund wurde der Energieeintrag der Geräte kalorimetrisch bestimmt (Mason, 1999). Bei dieser Methode wird über einen kurzen Zeitraum die Erwärmung von Wasser durch den Ultraschall gemessen. Anschließend wird anhand der Wärmekapazität von Wasser (4,19 kj/kg*k) der Energieeintrag quantifiziert. In allen Untersuchungen zum Einfluß der Frequenz des Ultraschalls wurden die Geräte des Typs B (Abb. 3.1) von Fa. Allied Signal eingesetzt. Alle Ultraschallwandler haben bei diesen Geräten die gleiche Geometrie und sind mit denselben Reaktionsgefäßen verbunden. Daher konnten unterschiedliche Reaktionen mit größtmöglicher Sicherheit auf die unterschiedlichen Frequenzen zurückgeführt werden. Die niederfrequente Stabsonotrode der Fa. Branson wurde verwendet, wenn gezielt mechanische Effekte erzeugt werden sollten Modellsubstanzen und Abwasserproben Als hydrophobe Modellsubstanzen wurden die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) Naphthalin und Phenanthren eingesetzt. Des weiteren wurden Dimethylphthalat und Diethylphthalat eingesetzt, wenn zu Vergleichszwecken Substanzen höherer Wasserlöslichkeit benötigt wurden. Beide Substanzklassen, PAK und Phthalate, besitzen eine hohe Umweltrelevanz. Phthalate werden als Weichmacher in Kunststoffen verwendet und sind ubiquitär verbreitet, während PAK in Ölen vorliegen und bei Verbrennungsprozessen entstehen. Die physicochemischen Eigenschaften dieser Substanzen zeigt Tabelle 3.2. Tab. 3.2: Struktur und physicochemische Charakteristika der verwendeten PAK und Phthalate Substanz Struktur Wasserlöslichkeit [mg/l] log (K OW ) Naphthalin (NAP Phenanthren (PHE) Dimethylphthalat (DMP)) Diethylphthalat (DEP) a : Sims and Overcash, 1983 b : Howard et al., ,0 a 3,36 a 1,3 a 4,57 a 4320 b 1,90 b 896 b 2,29 b 11

12 Als kolloidale Modellsubstanz wurde Polyethylenglykol verwendet. Es handelt sich um ein wasserlösliches Polymer mit linearer Struktur, das in unterschiedlichen Polymerisationsgraden erhältlich ist (Sigma-Aldrich Chemie, Steinheim): Polyethylenglykol: HO(CH 2 CH 2 O) x H Die Abwasserproben stammten aus dem Ablauf des Vorklärbeckens der Kläranlage Hamburg- Stellingen. Dieser Kläranlage sind Einwohner und industrielle Betriebe mit Einwohnergleichwerten angeschlossen. Der in den Untersuchungen zum Abbau suspendierter Abwasserpartikel eingesetzte Belebtschlamm stammte aus der gleichen Kläranlage. Der Effekt des Ultraschalls auf Mikroorganismen wurde unter Verwendung des Belebtschlamms aus der Pilot-Kläranlage des Arbeitsbereichs Abwasserwirtschaft untersucht Versuchsaufbau bei Beschallung simultan zum biologischen Abbau System mit diskontinuierlicher Messung von CO 2 Es wurde eine einfache Versuchsanordnung aufgebaut, um erste orientierende Versuche mit kontinuierlicher Beschallung durchführen zu können. In diesem Versuchsaufbau wurden Waschflaschen mit Natronlauge verwendet, um das produzierte CO 2 zu quantifizieren (Abb. 3.2). Eine automatische Regelung des ph-wertes, eine exakte Temperierung sowie die kontinuierliche Messung der O 2 -Konzentration waren nicht möglich. Das Versuchskonzept beinhaltete die Erfassung der mikrobiellen Aktivität über die Bildung von Biomasse und die Produktion von CO 2. Die Begasung erfolgte mit Druckluft, die zur Entfernung des CO 2 in der Zuluft zunächst durch Natronlauge und anschließend, um Verschleppungen der Lauge zu vermeiden, durch Phosphatpuffer geleitet wurde. Die Zuluft wurde zur Begasung des Fermenters mit integriertem Ultraschallreaktor sowie des unbeschallten Referenzsystems aufgeteilt. Die Abluft wurde jeweils wieder durch Natronlauge geleitet (Abb. 3.2). Die Quantifizierung des in den Fermentern gebildeten CO 2 erfolgte durch Rücktitration der verbrauchten Lauge mit 50 mm Oxalsäure. 12

13 Zuluft 1mM NaOH 1mM NaOH Phosphat- Puffer Abluft 100 mm NaOH 100 mm NaOH 100 mm NaOH Referenzgefäß Abluft 100 mm NaOH 100 mm NaOH 100 mm NaOH Ultraschallreaktor Abb. 3.2: Versuchsaufbau zur ersten orientierenden Untersuchung des mikrobiellen Abbaus bei gleichzeitiger, kontinuierlicher Beschallung 13

14 Fermentersystem mit Massenspektrometer Im Rahmen dieses Projektes wurde ein Fermentersystem aufgebaut, das die Untersuchung des mikrobiellen Abbaus von Schadstoffen in zwei parallel betriebenen Fermentern unter definierten Bedingungen erlaubt. Als wesentliche Verbesserungen gegenüber dem zunächst verwendeten einfachen Aufbau (Abb. 3.2) sind zu nennen: Automatische Messung und Regelung von ph, Begasungsrate, Temperatur, Sauerstoffgehalt und Rührerdrehzahl Kontinuierliche on-line Erfassung der Stoffwechselaktivität durch ein Massenspektrometer zur Abluftanalyse. Das Massenspektrometer erlaubt einen sehr empfindlichen Nachweis einzelner Gase erlaubt. Programmierbare Steuerung des Ultraschallreaktors. In diesem Fermentersystem (Abb. 3.3) erfolgt die Beschallung in einem Ultraschallreaktor, der über Teflon-Schläuche und eine Pumpe mit dem Bioreaktor verbunden ist. Durch Verwendung baugleicher Ultraschallreaktoren (Abb. 3.1, Typ B) können durch Austausch der Wandler leicht verschiedene Frequenzen untersucht werden. Das geometrisch identische Referenzsystem beinhaltet einen zum Ultraschallreaktor baugleichen Zwischenbehälter. Die Temperatur des gesamten Systems wird über einen Thermostaten definiert eingestellt. Die Analyse der Zu- und Abluft erfolgt über das Massenspektrometer, das über eine selbstentwickelte Ventilschaltung mit den unterschiedlichen Gasströmen verbunden ist (Abb. 3.3). Voraussetzung für klare Aussagen hinsichtlich der mit Ultraschall zu erzielenden Effekte ist der Parallellauf der Fermenter unter gleichen Betriebsbedingungen. Bei ersten Versuchen hat es sich als wesentlich erwiesen, daß der Aufbau beider Fermenter mit Ultraschallreaktor bzw. Zwischengefäß und Schlauchverbindungen absolut identisch ist. Bei Abweichungen wie z.b. Fehlen des Zwischengefäßes im Referenzsystem oder unterschiedlichen Schlauchlängen oder Schlauchdurchmessern war kein Parallelbetrieb möglich. Die ersten vorbereitenden Versuche im Fermenter dienten zur Überprüfung der massenspektrometrischen Analytik sowie zur Sicherstellung des Gleichlaufs der beiden Fermenter. Es wurde der Abbau des leicht verwertbaren Substrates Acetat in den Fermentern verfolgt. 14

15 Steuerung +Daten Gase PC Medium Schnittstelle Synthetische Luft Bioreaktor 1 Referenzgas Referenzgas Ultraschallbehandlung Abluft 1 Belüftung 1 Kontrolle Abluft 2 Belüftung 2 Bioreaktor 2 Synthetische Luft Ventile Massenspektrometer PC Abb. 3.3: Aufbau des Fermentersystems mit angeschlossenem Massenspektrometer zur Gasanalyse 15

16 Bei exakt gleicher Konstruktion beider Fermenter verlief der Abbau von Acetat durch Belebtschlamm mit gleicher Kinetik, wie anhand der Parameter CO 2 -Produktion und Konzentration an gelöstem O 2 deutlich wird. Der gelöste Sauerstoff nahm zunächst mit exponentieller Kinetik ab, bevor die Konzentration im Medium unter die Nachweisgrenze sank. Das gebildete CO 2 stieg entsprechend an. Der Anstieg erfolgte aufgrund der Sauerstofflimitierung nicht mit exponentieller Kinetik, wie beim Wachstum mit maximaler Rate zu erwarten wäre. Bei Abnahme der CO 2 -Produktion stieg der O 2 -Gehalt wieder an. Eine erneute Zugabe von Acetat hatte den erneuten Anstieg der Stoffwechselaktivität zur Folge (Abb. 3.4). 'CO2 [%] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Fermenter 1: CO2 Fermenter 2: CO2 Fermenter 1: O2 Fermenter 2: O Sauerstoffsättigung [%] 0, Zeit [h] + Acetat Abb. 3.4: Gleichlauf der zwei parallel betriebenen Fermenter beim mikrobiellen Abbau von Acetat. Zu Versuchsbeginn und nach ca. 24 Stunden wurde jeweils 1g/L Na-Acetat ins Medium gegeben. 16

17 In einem weiteren Versuch wurde eine C-Bilanz erstellt. Es wurden Wiederfindungsraten von 95% und 87% erzielt (Abb. 3.5), so daß die Analyse des gebildeten CO 2 und des TOC mit ausreichender Genauigkeit erfolgen. TOC im Medium CO2 Probenahmeverlust Bilanzlücke 100% Kohlenstoff 50% 0% Einwaage Acetat Bilanz Fermenter 1 Bilanz Fermenter 2 Abb. 3.5: Kohlenstoff-Massenbilanz nach dem Abbau von Acetat im Fermentersystem 3.4. Versuchsbedingungen Alle Versuche wurden, sofern nicht anders angegeben, bei einer Temperatur von 20 o C durchgeführt. Bei der Behandlung mit Ultraschall konnte die Temperatur aufgrund des Energieeintrages auch bei äußerer Kühlung nicht immer exakt konstant gehalten werden, so daß Temperaturen von o C resultierten. Während der Untersuchungen zur Lösungskinetik von kristallinem Naphthalin oder Phenanthren wurden die beschallten Suspensionen und die unbeschallten Referenzansätze mittels Überkopfrührer bei gleicher Drehzahl durchmischt. Die Versuche zur Beschleunigung des Massentransfers wurden mit kristallinen Substanzen durchgeführt. Auf die Arbeit mit definiert an Tonen adsorbierten Substanzen, wie ursprünglich vorgesehen, wurde verzichtet. In Voruntersuchungen hatte sich gezeigt, daß ein sehr hoher zeitlicher und präparativer Aufwand zur Herstellung des beladenen Feststoffs nötig wäre. Bei den biologischen Abbauversuchen erfolgte die Inokulation mit Belebtschlamm sowie mit Mischkulturen, die an das jeweilige Substrat (Naphthalin bzw. Phenanthren) adaptiert waren. Eine Detailbeschreibung der Versuchsbedingungen wird, wo für das Verständnis notwendig, direkt bei der Vorstellung und Diskussion der Ergebnisse gegeben. 17

18 4. ERGEBNISSE UND DISKUSSION 4.1. Wirkung von Ultraschall auf Belebtschlamm Diese Experimente sollten klären, unter welchen Randbedingungen Belebtschlamm geschädigt wird und bei welcher Ultraschallkonfiguration eine Beschallung simultan zum biologischen Abbau erfolgen kann. Die Untersuchungen wurden in Hinblick auf die anschließende Kombination von Ultraschallbehandlung und mikrobiellem Abbau durchgeführt. Es wurden mehrere Parameter bestimmt, um ein möglichst umfassendes Bild der Ultraschallwirkung bei unterschiedlichen Frequenzen und Intensitäten zu erhalten. Die Stoffwechselaktivität der behandelten Mikroorganismen wurde über die Sauerstoffverbrauchsrate bei der Veratmung von Acetat erfaßt. Die Gesamtzahl der lebensfähigen Keime wurde mittels Ausplattierung und Inkubation auf Agarplatten bestimmt. Zusätzlich wurden die Partikelgrößenverteilung und der Aufschlußgrad der Mikroorganismen nach den unterschiedlichen Behandlungen bestimmt Ultraschall der Frequenz 20 khz (Branson-Sonotrode) Zunächst werden die Ergebnisse für die Branson-Sonotrode (Abb. 3.1, Typ A) vorgestellt. Dieses Gerät erzeugt Ultraschall der Frequenz 20 khz. Ein charakteristisches Merkmal von Sonotroden ist, daß der Ultraschall über die im Vergleich zu Flächenwandlern (Abb. 3.1, Typ B) kleine Fläche abgestrahlt wird. Dadurch entstehen lokal sehr hohe Intensitäten. Die Beschallung von Belebtschlamm mittels der Sonotrode hatte deutliche Auswirkungen auf die Keimzahlen. Bei niedrigen Beschallungsintensitäten und kurzen Behandlungszeiten wurde eine Erhöhung der Keimzahlen beobachtet. Eine Behandlung mit höherer Intensität und längerer Dauer führte zur deutlichen Reduktion der Keime (Abb. 4.1). Die anfängliche Erhöhung der Keimzahlen ist in der Vereinzelung der Mikroorganismen begründet. Nach der Behandlung mit Ultraschall liegt jeder Kolonie bildenden Form (KbF) auf der Agarplatte ein einzelner Mikroorganismus zugrunde. Ohne die Behandlung werden die Mikroorganismen in den Flocken nicht vollständig vereinzelt, so daß die Keimzahlbestimmung zu niedrig ausfällt. Die Reduktion der Keimzahlen bei längerer oder intensiverer Behandlung ist auf die Lyse der Bakterien zurückzuführen. Die Konzentration an aktiver Biomasse wurde über die Atmungsaktivität bestimmt. Bei dieser Methode wird der Sauerstoffverbrauch bei der Veratmung von Acetat, das im Überschuß vorliegt, als Maß für die Stoffwechselaktivität erfaßt. Acetat wurde als leicht verwertbares Substrat gewählt, da es von den meisten aeroben Bakterien schnell umgesetzt wird. Die kurzzeitige Beschallung mit 20 khz bei geringer Intensität hatte auch bei der Atmungsaktivität einen steigernden Effekt. Wie schon bei der Keimzahlbestimmung beobachtet, reduzierte die längere Beschallung auch die Atmungsaktivität (Abb. 4.2). Beide Methoden zur Bestimmung der aktiven Biomasse stimmten in der Tendenz überein (Abb. 4.1 und 4.2). 18

19 ,5 min 5 min 10 min KbF [%] Eingetragene Leistung [W] Abb. 4.1: Effekt von Ultraschall der Frequenz 20 khz auf die Zahl der Kolonie bildenden Formen (KbF) von Belebtschlamm (100% = unbehandelter Belebtschlamm). Die Beschallung wurde mit der Branson-Sonotrode durchgeführt (Volumen: 500 ml). Atmungsaktivität [%] ,5 min 5 min 10 min Eingetragene Leistung [W] Abb. 4.2: Einfluß der Behandlungsintensität und -dauer auf die Atmungsaktivität von Belebtschlamm bei Beschallung mit 20 khz (Branson Sonifier). Der Bezugswert von 100% entspricht der Atmungsaktivität des unbehandelten Belebtschlamms (Volumen: 500 ml). 19

20 Einfluß der Behandlungszeit bei 351 khz und 3200 khz Der Effekt der Beschallung auf die Atmungsaktivität von Belebtschlamm wurde bei den Frequenzen 351 khz und 3200 khz untersucht. Es wurden die Ultraschallwandler von Fa. Allied Signal (Abb. 3.1, Typ B) eingesetzt. Im Vergleich zu der zuvor untersuchten Sonotrode wird bei diesen Geräten der Ultraschall über eine größere Fläche in das Medium eingetragen. Die Bedingungen unterschieden sich somit sowohl bezüglich der Frequenz als auch der Intensität von der Branson-Sonotrode. Wie zuvor bei 20 khz-beschallung mit der Branson-Sonotrode beobachtet (Abb. 4.2), stieg auch bei 351 khz die Atmungsrate zunächst auf ca. 140% des Ausgangswertes an. Bei längerer Behandlung mit Ultraschall nahm die Atmungsaktivität ab. Die Schädigung der Mikroorganismen war umso ausgeprägter, je höher Leistungsdichte des Ultraschalls war (Abb. 4.3). Bei einer Beschallung mit der Intensität 225 W/L wurde die Stoffwechselaktivität des Belebtschlamms bereits innerhalb von 60 Minuten auf ca. 50% reduziert. Bei Beschallung mit der Intensität 116 W/L trat eine Reduktion des O 2 -Verbrauchs auf 50% nach 4 Stunden auf, und bei Beschallung mit 58 W/L lag der O 2 -Verbrauch nach 4stündiger Beschallung wieder im Bereich des Ausgangswertes. O 2 -Verbrauchsrate [%] W/L 116 W/L 225 W/L Beschalldauer [min] Abb. 4.3: Einfluß der Ultraschallbehandlung bei 351 khz auf die Atmungsaktivität von Belebtschlamm (100% = unbehandelter Schlamm; behandeltes Volumen: 500 ml) 20

21 Bei Behandlung mit Ultraschall der Frequenz 3200 khz blieb die Atmungsaktivität von Belebtschlamm im Rahmen der Meßgenauigkeit konstant (Abb. 4.4). Im Gegensatz zu den bei 20 khz (Abb. 4.2) und 351 khz (Abb. 4.3) beobachteten Effekten, tritt bei dieser Frequenz offenbar keine Auflösung der Flockenstruktur oder Schädigung der Mikroorganismen auf. Somit ist Ultraschall der Frequenz 3200 khz geeignet, um eine Behandlung direkt in einem Biofermenter ohne schädigende Wirkung der stoffwechselaktiven Mikroorganismen vorzunehmen. 100 O2-Verbrauchsrate [%] W/L 150 W/L 300 W/L Beschalldauer [min] Abb. 4.4: Einfluß der Ultraschallbehandlung bei 3200 khz auf die Atmungsaktivität von Belebtschlamm (100% = unbehandelter Schlamm; Bedingungen: Leistung: 37 W; Volumen: 125 ml, 250 ml oder 500 ml) 21

22 Vergleich der Frequenzen im Bereich von 41 khz bis 3200 khz In dieser Versuchsreihe wurde der Effekt von Ultraschall auf Belebtschlamm im kompletten verfügbaren Frequenzbereich untersucht. Die Beschallung erfolgte bei 41 khz, 207 khz, 360 khz, 616 khz, 1068 khz und 3200 khz. Dabei wurden Ultraschallgeräte mit identischer Geometrie (Fa. Allied Signal) verwendet, die sich lediglich in der Frequenz unterscheiden. Der Eintrag des Ultraschalls wurde kalorimetrisch normiert, so daß auch energetisch gleiche Bedingungen vorlagen. Wie in den zuvor durchgeführten Untersuchungen wurde der Effekt der Beschallung anhand der O 2 -Verbrauchsrate von Belebtschlamm erfaßt. Zusätzlich wurde die Partikelgrößenverteilung und die Freisetzung organischer Zellinhaltsstoffe ermittelt, um ein umfassenderes Bild der ablaufenden Prozesse zu gewinnen. Anhand der Messungen der Atmungsaktivität wird deutlich, daß die schädigende Wirkung des Ultraschalls mit zunehmender Frequenz abnimmt. Die 90minütige Beschallung bei 41 khz reduzierte die Atmungsaktivität auf ca. 15%. Bei 207 khz wurde die Atmungsaktivität auf ca. 20% erniedrigt. Bei den höheren Frequenzen betrug die Atmungsaktivität nach der Beschallung noch mehr als 80% des anfänglichen Wertes (Abb. 4.5). 120 O2-Verbrauchsrate [%] khz 207 khz 360 khz Frequenz Abb. 4.5: Einfluß der Ultraschallfrequenz auf die Atmungsaktivität von Belebtschlamm (Leistung: 50 W; Volumen: 250 ml; Behandlungsdauer: 90 min) 616 khz 1068 khz 3217 khz 22

23 Als weiterer Parameter wurde die Änderung der Größe der Belebtschlammflocken erfaßt. Es ergab sich qualitativ das gleiche Ergebnis wie im Falle der Atmungsaktivität: Der Effekt der Flockenzerkleinerung nimmt mit zunehmender Frequenz ab (Abb. 4.6). Aufgrund der hohen Verdünnung der Proben vor der Größenanalyse ergab sich eine hohe Standardabweichung bei dieser Analyse Unbeschallt 41 khz 207 khz mittlere Partikelgröße [µm] 360 khz 616 khz 1068 khz 3217 khz Abb. 4.6: Einfluß der Ultraschallfrequenz auf die Größe von Belebtschlammflocken (Leistung: 50 W; Volumen: 250 ml; Behandlungsdauer: 10 min) Zusätzlich wurde die Freisetzung von Zellinhaltsstoffen durch Bestimmung des CSB in der Wasserphase nach Membranfiltration bestimmt (Abb. 4.7). Diese Methoden wird auch bei der Klärschlammdesintegration, deren Ziel der Aufschluß der Mikroorganismen ist, zur Beurteilung der Effektivität eingesetzt (Tiehm et al., 1997). Auch die Freisetzung von organischen Substanzen aus Belebtschlamm nahm mit zunehmender Frequenz ab. Während bei 41 khz ein Aufschlußgrad von ca. 80% erreicht wurde, sinkt dieser bis auf 5% bei den hohen Frequenzen. 23

24 100 Aufschlußgrad ACSB [%] Frequenz [khz] Abb. 4.7: Freisetzung von organischen Substanzen aus Belebtschlamm bei Beschallung mit unterschiedlichen Frequenzen (Leistung: 50 W; Volumen: 250 ml; Behandlungsdauer: 4 Std.). 100% Aufschluß entsprechen der maximalen CSB- Freisetzung bei chemischem Aufschluß mit Natronlauge. Zusammenfassend zeigen die Untersuchungen, daß die Wirkung von Ultraschall auf Mikroorganismen sowohl von der Dauer der Einwirkung als auch der Ultraschallintensität und -frequenz abhängig ist. Der Effekt von Ultraschall auf Belebtschlammflocken ist bei niedrigen Frequenzen am stärksten. Ultraschall niedriger Frequenzen löst bevorzugt starke mechanische Effekte aus, die zur Zerstörung von Flockenstrukturen und mikrobiellen Zellwänden führt. Hohe Frequenzen haben eine geringere schädigende Wirkung, so daß eine längere Beschallung abbauaktiver Mikroorganismen möglich ist. Bei der höchsten Frequenz von 3,2 MHz wurde keine Schädigung beobachtet. Im zeitlichen Verlauf ergab sich bei den niedrigen Frequenzen stets zunächst ein Anstieg der Atmungsaktivität auf Werte bis zu 150% des Ausgangswertes. Dieser Kurvenverlauf kommt dadurch zustande, daß die Mikroorganismen in den Belebtschlammflocken zunächst vereinzelt werden, bevor die Lyse der Bakterien stattfindet. Diese Vorgänge werden durch Abbildung 5.1 in der Zusammenfassung illustriert. Die erzielten Ergebnisse sind im Einklang mit Resultaten anderer Arbeitsgruppen, die bei der Inaktivierung von Plankton ebenfalls beobachteten, daß die schädigende Wirkung von Ultraschall mit zunehmender Frequenz abnimmt (Clasen, 1996; Mues, 1996). Beim Vergleich der Effekte auf verschiedene Mikroorganismen zeigt sich eine Abhängigkeit von der Zellgröße und der Zellwandstruktur. Innerhalb einer Spezies werden größere Organismen leichter angegriffen. Auch die Wachstumsphase hat Einfluß auf die Empfindlichkeit gegenüber Ultraschall (Wase & Patel, 1985; Cumming et al., 1985). 24

25 4.2. Erhöhung der Bioverfügbarkeit hydrophober Schadstoffe Die Geschwindigkeit des mikrobiellen Abbaus hydrophober Verunreinigungen wird oftmals durch den langsamen Massentransfer in die Wasserphase limitiert. Es sind zwei unterschiedliche Strategien zur Verbesserung des Massentransfers durch Ultraschall denkbar: 1. Die Verbesserung des Massentransfers der chemisch unveränderten Substanz in die Wasserphase durch sonophysikalische Effekte. 2. Die Verbesserung des Massentransfers durch zusätzlich auftretende sonochemische Transformation der hydrophoben Substanzen in besser wasserlösliche Metabolite, die nachfolgend mikrobiell abgebaut werden. Die beiden Varianten sind in Abb schematisch dargestellt. Ziel der in diesem Kapitel vorgestellten Arbeiten war zunächst, herauszufinden, bei welchen Frequenzen bevorzugt sonophysikalische und sonochemische Prozesse auftreten. Anschließend wurde die Kombination mit dem biologischen Abbau untersucht. PAK gelöst +Ultraschall Desorptionsrate Abbaurate Sonophysikalische Effekte PAK adsorbiert Metabolismus sonochemische Reaktionsprodukte Sonochemische Effekte sonochemische Transformation mikrobieller Abbau Abb. 4.8: Schematische Darstellung der verbesserten Bioverfügbarkeit von hydrophoben Substanzen durch sonophysikalische und sonochemische Effekte Zur Untersuchung der Erhöhung der Bioverfügbarkeit hydrophober Schadstoffe durch sonochemische Prozesse wurden Phenanthren und Naphthalin in kristalliner Form eingesetzt. Die Lösungsrate dieser polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) ist der limitierende Faktor für den mikrobiellen Abbau, so daß PAK als Modellsubstanzen in Untersuchungen zur Bioverfügbarkeit hydrophober Schadstoffe gut geeignet sind. 25

26 Sonochemische Effekte in Abhängigkeit von Frequenz und Intensität Der Einfluß von Ultraschall auf den Massentransfer in die Wasserphase wurde untersucht. Die Behandlungsdauer, die Ultraschallfrequenzen und -intensitäten wurden variiert. Der Massentransfer in die Wasserphase wurde anhand der Parameter UV-Absorption, gelöster CSB und Konzentration der Aromaten in der wäßrigen Phase erfaßt. Durch den Vergleich dieser Parameter konnte beurteilt werden, ob zusätzlich zum physikalischen Lösungsprozeß der Ausgangssubstanzen sonochemische Reaktionen aufgetreten sind. Des weiteren wurde untersucht, in welchem Ausmaß in Luft-gesättigtem Medium während der Ultraschallbehandlung Nitrit und Nitrat gebildet werden. Da Nitrit toxisch auf viele Mikroorganismen wirkt, muß seine Entstehung vermieden werden. Die NOx werden ausschließlich durch sonochemische Reaktionen gebildet und können daher auch zur Quantifizierung dieses Reaktionstyps genutzt werden. Naphthalin Zunächst wurde Naphthalin als Modellsubstanz verwendet, um bei geringer Konzentration an Kristallen bereits meßbare Ergebnisse zu erzielen. Es wurden jeweils 200 mg/l Naphthalin- Kristalle bei 20 o C behandelt. Der Transfer von Naphthalin in die Wasserphase wurde bei den Frequenzen 351 khz und 1035 khz bei unterschiedlichen Leistungseinträgen ermittelt. Im Vergleich zum nicht beschallten Referenzansatz wurde bei Behandlung mit Ultraschall eine deutlich höhere UV-Absorption im Medium erzielt (Abb. 4.9). Die höhere Absorption bei 254 nm ist ein Indiz für eine höhere Konzentration an aromatischen Substanzen. Die Freisetzung aromatischer Substanzen in die Wasserphase stieg mit zunehmender Ultraschallintensität und längerer Beschalldauer. Die Analyse mittels HPLC ergab, daß die Konzentration an gelöstem Naphthalin im nicht beschallten Ansatz am höchsten war (Abb. 4.10). Somit ist die Erhöhung der UV-Absorption auf die Entstehung aromatischer Reaktionsprodukte von Naphthalin zurückzuführen. Dieses wird durch die CSB-Analyse der Wasserphase bestätigt: Auch diese Werte steigen mit zunehmender Beschallintensität und - dauer, während im Referenzansatz nur niedrige Konzentrationen vorlagen (Abb. 4.11). 26

27 UV-Absorption [A 254]... 1,0 0,5 351 khz; 58 W/L 351 khz; 166 W/L 1035 khz; 66 W/L 1035 khz; 183 W/L Referenz unbeschallt 0, Beschalldauer [h] Abb. 4.9: Anstieg der UV-Absorption in der Wasserphase nach Beschallung von Naphthalin-Kristallen (Leistung und Volumen: 29 W auf 500 ml bzw. 58 W auf 350 ml) NAP gelöst [mg/l] khz; 58 W/L 351 khz; 166 W/L 1035 khz; 66 W/L 1035 khz; 183 W/L Referenz unbeschallt Beschalldauer [h] Abb. 4.10: Gelöstes Naphthalin in der Wasserphase nach Beschallung von Naphthalin-Kristallen (Leistung und Volumen: 29 W auf 500 ml bzw. 58 W auf 350 ml) 27

28 CSB gelöst [mg/l] khz; 58 W/L 351 khz; 166 W/L 1035 khz; 66 W/L 1035 khz; 183 W/L Referenz unbeschallt Beschalldauer [h] Abb. 4.11: Anstieg des Chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) in der Wasserphase nach Beschallung von Naphthalin-Kristallen (Leistung und Volumen: 29 W auf 500 ml bzw. 58 W auf 350 ml) Phenanthren Nachdem sonochemische Effekte bei der Behandlung von Naphthalin sowohl bei 351 khz als auch bei 1035 khz eindeutig nachgewiesen worden waren, wurde nun der gesamte zur Verfügung stehende Frequenzbereich von 41 khz bis 3,2 MHz auf sonochemische Reaktionen untersucht. Für diese Versuche wurde Phenanthren eingesetzt, um zu prüfen, ob auch im Falle der schlechten löslichen Substanz Effekte zu verzeichnen sind. 250 mg Phenanthren-Kristalle wurden in 250 ml Medium gegeben, durch leichtes Rühren suspendiert und jeweils für 60 Minuten mit Ultraschall der Leistung 50 W behandelt. In diesen Experimenten wurde das Medium zunächst vor der Behandlung mit Ultraschall mit Argon begast. Auf diese Weise wurden der gelöste Stickstoff und Sauerstoff ausgestrippt und die Bildung von Nitrit und Nitrat von vornherein vermieden. Die Versuche wurden anschließend in Luft-gesättigtem Medium wiederholt. Hierbei wurden qualitativ ähnliche Ergebnisse erzielt. Im folgenden werden die Ergebnisse der unter Argon-Atmosphäre beschallten Versuche gezeigt. 28

29 Anhand der UV-Absorption wurde ein Anstieg aromatischer Substanzen im Medium verzeichnet (Abb. 4.12). Der Anstieg war am deutlichsten im Frequenzbereich von 41 khz bis 616 khz. Die UV-Absorption der bei 1068 khz und 3217 khz beschallten Ansätze war nahezu identisch mit der im unbeschallten Referenzansatz erzielten Absorption. Die maximale Wasserlöslichkeit von Phenanthren beträgt 1,2 mg/l. Dieses entspricht einem gelösten CSB von 3,6 mg/l. Der CSB erreichte Werte > 20 mg/l in den Ansätzen, die bei 41 khz, 207 khz und 616 khz beschallt wurden. Somit war der Anstieg des gelösten CSB (Abb. 4.13) am stärksten bei den Frequenzen, die auch den höchsten Anstieg der UV-Absorption gezeigt hatten. Diese Korrelation deutet darauf hin, daß die gebildeten Reaktionsprodukte überwiegend noch aromatischen Charakter hatten. Die HPLC-Analyse der Wasserphase ergab, daß die Konzentration an gelöstem Phenanthren in keinem der Ansätze 0,4 mg/l überschritt (Abb. 4.14). Wie schon zuvor für Naphthalin beobachtet, erfolgte der erhöhte Massentransfer der PAK in die Wasserphase vorwiegend in Form von sonochemischen Reaktionsprodukten. 0,5 UV-Absorption [A254] 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 unbeschallt 41 khz 207 khz 360 khz Frequenz Fig. 4.12: Einfluß der Ultraschallfrequenz auf die Konzentration aromatischer Substanzen in der Wasserphase nach der Ultraschallbehandlung von Phenanthren (Leistung: 50 W; Volumen: 250 ml; Dauer: 60 min) 616 khz 1068 khz 3217 khz 29

30 CSB gelöst [mg/l] ,4 unbeschallt 20,0 41 khz 23,8 207 khz 12,0 360 khz Frequenz Abb. 4.13: Anstieg des gelösten CSB bei der Ultraschallbehandlung von kristallinem Phenanthren in Abhängigkeit der Frequenz (Leistung: 50 W; Volumen: 250 ml; Dauer: 60 min) 21,5 616 khz 3, khz 0, khz 0,4 PHEgelöst [mg/l] 0,3 0,2 0,1 0 unbehandelt 41 khz 207 khz Abb. 4.14: Konzentration an gelöstem Phenanthren nach der Ultraschallbehandlung von Phenanthren-Kristallen in Abhängigkeit der Frequenz (Leistung: 50 W; Volumen: 250 ml; Dauer: 60 min) 360 khz Frequenz 616 khz 1068 khz 3217 khz 30

31 Bildung von Nitrit und Nitrat Es ist aus den Arbeiten anderer Forschergruppen bekannt, daß die Ultraschallbehandlung zur Bildung von NOx durch sonochemische Reaktionen führen kann (siehe Kap. 1.2). Da Nitrit für viele aquatische Organismen toxisch ist, wurde in diesem Projekt auch untersucht, unter welchen Bedingungen und in welchem Ausmaß es bei der Ultraschallbehandlung entsteht. Durch Variation der Zusammensetzung des beschallten Mineralmediums wurden die an der Bildung beteiligten Reaktionspartner eingegrenzt. Ein wesentliches Ergebnis dieser Experimente ist, daß Ammonium nicht durch Ultraschall oxidiert wird (Tab. 4.1). Nitrit und Nitrat werden nur gebildet, wenn sowohl molekularer Sauerstoff als auch molekularer Stickstoff im Wasser gelöst vorliegen. Weder nach dem Ausstrippen von Sauerstoff durch Begasung mit Argon noch unter anaeroben Bedingungen, wie sie bei der Behandlung von Klärschlamm vorliegen, werden Nitrit oder Nitrat gebildet. Diese Ergebnisse sprechen gegen die postulierte Beteiligung von OH-Radikalen an der NOx- Bildung (Pétrier et al., 1999). Supeno und Kruus (1999) untersuchten die Bildung von NOx in Wasser bei verschiedenen Konzentrationen von gelöstem N 2 und O 2. Weder bei Abwesenheit von O 2 noch von N 2 waren Nitrat oder Nitrit nachweisbar. Bei verschiedenen Mischungsverhältnissen dieser Gase wurden NOx nachgewiesen. Sowohl unsere eigenen Untersuchungen als auch die Ergebnisse von Supeno und Kruus (1999) machen es daher wahrscheinlich, daß unter den von Pétrier et al. (1999) vorgeschlagenen Reaktionen die folgenden am wichtigsten für die NOx-Bildung sind: O 2 2 O (8) O + N 2 N 2 O, NO, N NO - - 2, NO 3 (9) Tabelle 4.1: Bildung von Nitrit und Nitrat in Abhängigkeit von molekularem Stickstoff und Sauerstoff (Frequenz: 360 khz; Leistung: 80W; Volumen: 350 ml) Medium Bedingungen NO 2 - -N NO 3 - -N [mg/l] [mg/l] Mineralmedium: mg/l NH 4 Luft-gesättigt 0,2 2, mg/l NH 4 Argon n.n. a n.n. + ohne NH 4 Luft-gesättigt 0,2 2,7 + ohne NH 4 Argon n.n. n.n. Klärschlamm anaerob n.n. n.n. a : n.n. = nicht nachweisbar 31

32 Anschließend wurde die Frequenzabhängigkeit der Bildung von NOx in Luft-gesättigtem Medium untersucht. Die höchste Menge an NOx wurde bei 360 khz (Abb. 4.15) gebildet. Die Frequenzabhängigkeit der NOx-Bildung spiegelt das Ausmaß der sonochemischen Prozesse bei den verschiedenen Frequenzen wider. Wie schon bei der Behandlung von Naphthalin und Phenanthren festgestellt, traten keine sonochemischen Reaktionen bei der höchsten Frequenz von 3,2 MHz auf. Die Frequenzabhängigkeit der NOx-Bildung entspricht den Beobachtungen anderer Forschergruppen, die bei Verwendung der gleichen Ultraschallgeräte ebenfalls die ausgeprägtesten sonochemischen Effekten bei 360 khz feststellten (von Sonntag,...). Ein wesentliches Ergebnis dieser Experimente ist, daß der Anteil an Nitrit stets gering war. Die höchste gemessene Konzentration war 0,6 mg/l Nitrit-N. Der überwiegende Anteil der NOx lag stets als Nitrat vor. Es wurde eine Konzentration bis zu 7,1 mg/l Nitrat-N erreicht. Dieses Ergebnis ist als günstig für eine nachfolgende mikrobiologische Behandlung zu werten, da Nitrat nicht toxisch wirkt. Tatsächlich wurden bei den nachfolgend beschriebenen Versuchen der biologische Abbau nicht durch toxische Effekte gehemmt. 8 Nitrit-N; Nitrat-N [mg/l] Nitrit Nitrat 0 n.n. n.n. n.n. n.n. unbeschallt 41 khz 207 khz 360 khz Frequenz Abb. 4.15: Einfluß der Ultraschallfrequenz auf die Bildung von Nitrit und Nitrat (n.n. = nicht nachweisbar) (Leistung: 50 W; Volumen: 250 ml; Beschalldauer: 60 min; Luft-gesättigtes Medium) 616 khz 1068 khz 3217 khz 32

33 Kombination von Sonochemie und mikrobiellem Abbau In den vorangegangenen Experimenten hatte sich gezeigt, daß bei der Ultraschall-Behandlung über einen weiten Frequenzbereich sonochemische Effekte auftreten. Bei der Behandlung von Naphthalin oder Phenanthren wurden gegenüber den Ausgangssubstanzen besser wasserlösliche Reaktionsprodukte gebildet. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde im folgenden untersucht, ob die sonochemischen Reaktionsprodukte abbaubar sind. Die biologische Abbaubarkeit wurde nach Vorbehandlung von Naphthalin und Phenanthren untersucht. Des weiteren wurde ermittelt, ob sich der biologische Abbau bei simultaner Beschallung mit der sonochemisch wirksamsten Frequenz 351 khz steigern läßt Sonochemische Vorbehandlung Naphthalin Im Anschluß an die Ultraschallbehandlung wurde der mikrobielle Abbau der bei 351 khz und 1035 khz gebildeten Reaktionsprodukte untersucht. Jeweils 100 ml Membranfiltrat wurden mit einer an Naphthalin adaptierten Mischkultur sowie mit Belebtschlamm inokuliert und bei 20 o C auf dem Rotationsschüttler inkubiert. Es zeigte sich, daß bei der in Kapitel beschriebenen Ultraschallbehandlung keine toxischen oder inhibierenden Substanzen entstanden waren. In allen Ansätzen war nach drei Wochen Inkubationszeit Protein nachweisbar (Abb B). Die Menge an gebildetem Protein war nicht mit dem CSB in den Ansätzen korreliert, so daß wahrscheinlich unterschiedlich gut verwertbare Produkte bei der Behandlung mit Ultraschall entstanden waren (Abb A und B). Dieser Versuch zeigte erstmals exemplarisch, daß die Behandlung mit Ultraschall geeignet ist, aus hydrophoben Schadstoffen besser wasserlösliche Reaktionsprodukte zu bilden, die anschließend mikrobiell verwertet werden. 33