Bioremediation (1) 1

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Bioremediation (1) 1"

Alexander Adler
vor 6 Jahren
Abrufe

1 Bioremediation (1) 1

2 Literatur: F.H. Chapelle Groundwater-Microbiology and Geochemistry Bioremediation (1): Microbiological Basics Central Questions: - Why works in situ-bioremediation always? - Which role play organic contaminants? 2

3 Bioremediation: A Bugs Life!.but don t forget the plants Microorganisms (Bacteria) are the Key players in BIOREMEDIATION: ubiquitary occurence!

4 Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers - Sessile Bacteria colonies - near main flow pathes - wander to ED + EA-gradients 4

5 Bacterial colonization of the subsurface at the test site (SAFBIT 1/97 and 2/97) Depth [m] Quarternary aquifer Lignite seam Tertiary aquifer Cfu (g -1 sediment) Aerobic bacteria (R2A agar) Anaerobic bacteria (TSI agar) even though oxygen(ea) is not present, the aerob degradation pathway can be used! important for oxygen-injection 5

6 Perchlorate - Degrading Bacteria 6

7 Bioremediation: A Bugs Life! Redox-Processes Energy sources!.but don t forget the plants Energy- and metabolism processes of microorganisms: What is the energy source? 7

8 Energy gain through electron transfer from Electron donor to Electron acceptor Example: Biological Perchlorate Degradation Biomass + CO 2 ED: Plus-Pol EA: Minus-Pol e - Substrate (C-Quelle) Electron donors e.g. all organic contaminants (BTEX) Cl - + O 2 ClO 4 - NO 3 - Electron acceptors O 2 8

9 Bioremediation: Processes and Tools - Basic course 1: Redox-Chemistry 9

10 Redox-Processes energy sources - Basic course 1: Redox-Chemistry 1. Redox processes? 2. Oxidation and Reduction? 3. Determine electron donor and acceptor with the help of the Partial charge concept (PCC)! 10

11 11

12 Denitrification Perchlorate Reduction Klausur: Apply the PCC for all Redox-Pairs: EA?, ED? Energy gain through electron transfer from electron donor to electron acceptor C 6 H 6 Electron Donor O 2 H 2 O NO 3 ClO 4 SO 4 CO 2 N 2 Cl - H 2 S CH Redox (millivolts) 0 12

13 Current = electron transport from electron donor (ED) to electron acceptor (EA) like a battery Redox-Potential-Difference determines the Current, that means how fast the organic contaminant (ED) will be degradaded necessary for microbial degradation: Minus-Pole (EA) Limiting Factor: Absence of EA s (e.g. Oxygen) 13

14 Redox-Zonation in a contaminated aquifer? mv? mv? mv Redox potential decreases! Which Redox-Potential (voltage) measure the Redox-electrodes? 14

15 Denitrification Perchlorate Reduction Klausur: Apply the PCC for all Redox-Pairs: EA?, ED? Energy gain through electron transfer from electron donor to electron acceptor C 6 H 6 Electron Donor O 2 H 2 O NO 3 ClO 4 SO 4 CO 2 N 2 Cl - H 2 S CH Redox (millivolts) 0 15

16 Redox-Zonation in a pure, uncontaminated aquifer Recharge? mv Task: Determine the potential!? mv? mv? mv? mv Redox potential decreases! 16

17 Energy gain through reductive Dechlorination: PCE + H 2 TCE + Cl - + H + EA, ED? 17

18 18

19 19

Bilanzierung/Quantifizierung 3.1. Abbaupotenzial (BC) des GWL - zentrale Frage: BC groß genug um Schadstoff abzubauen? 3.2.

20 BIOREM-Protokoll: Quantifizierung von Abbauprozessen 1. Feldsituation/Standort HÜ8 (ÜA16, ÜA25) 2. Monitoring/Hypothesen - Charakterisierung der Schadstoffquelle, Schadstofffahne - Schadstoff, mögliche Abbauwege 3. Bilanzierung/Quantifizierung 3.1. Abbaupotenzial (BC) des GWL - zentrale Frage: BC groß genug um Schadstoff abzubauen? 3.2. Abbau-Kinetik: Steady-State AD-Glg 3.3. Inverse Modellierung: - Bioremediation Ja/Nein? - Schätzung der Abbaurate (k bio ) - Schätzung der Schadstoffmasse (C 0 ) 3.4. BIOSCREEN alles in 2D! f EA,ED UF(EA, ED) = m EA m ED 20

21 BioREM-Protokoll: 3.2. Abbaukinetik für Toluen und Benzen Kurven-Fit an Felddaten: Inverse Modelling Rote Kurve: Toluen L Abbau Benzen 21

22 Aerobic and anaerobic degradation pathways EA = oxygen aerobic degradation pathway (max. energy gain) EA = Nitrat et al. anaerobic degradation pathway 22

23 Bioremediation: A Bugs Life!.but don t forget the plants Aerobe und anaerobe Abbauwege für typische organische Schadstoffe 23

24 Skript PCE, TCE, DCE, VC BTEX MCB, DCB Strukturformeln wichtiger org. Schadstoffe = Elektronendonatoren MTBE 24

25 Schadstoffhäufigkeit im Abstrom von Schadensfällen PCE TCE TCE PCE Dichlorethen (cis) Benzol Vinylchlorid Trichlormethan Trichlorethan (1,1,1) Xylol Dichlorethen (trans) Toluol Ethylbenzol Dichlormethan Dichlorbenzol Dichlorethen (trans) Trichlormethan Dichlorethen (1,1) Dichlormethan Trichlorethan (1,1,1) Dichlorethan (1,1) Dichlorethan (1,2) Phenol Aceton Toluol Diethylhexylphthalat Deutschland Chlorbenzol Tetrachlormethan Benzol Vinylchlorid USA Schadensfälle / % nach G. Teutsch, P. Grathwohl,

Grundwasserkontamination - Beispiel Bitterfeld Dichloromethan 1,1-Dichlorethen cis-dichlorethen trans-dichlorethen Trichlormethan 1,1-Dichlorethan 1,2-Dichlorethan 1,1,1-Trichlorethan

26 Grundwasserkontamination - Beispiel Bitterfeld 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 A 9 Thurland Reuben Thalheim B100 Sanierungsforschung in regional kontaminierten Aquiferen B184 Raguhn Sandersdorf Kledewitz Jessnitz Wolfen Altjessnitz Rossdorf Muldenstein Bitterfeld 5 km Burgkemnitz Schlaitz Biedersdorf Mühlbeck Pouch > 1000 µg/l AOX µg/l AOX µg/l AOX µg/l AOX µg/l AOX 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 25 km 2 mit einem geschätzten Volumen von mehr als 200 Mio m 3 kontaminiertem Grundwasser 26

27 Abbauweg erfolgt über Catechol! Destabilisierendes Dipolmoment! 27

28 Aerober Abbauweg von Benzen zu Catechol Ringspaltung 28

29 Aerober Abbauweg von Chlorbenzen 29

30 Möglicher aerober Abbauweg von MTBE 30

31 Start SS2015: Abbauwege höherchlorierter KWs HÜ8 Aufgabe 25: Gekoppelter PCE-TCE-Abbau Zur Wiederholung 31

32 Case study: Auensee-Leipzig Bioremediation: A Bugs Life! HCH, PCE Höher-chlorierte Kohlenwasserstoffe sind häufig.but persistent don t gegenüber forget aeroben the plants Abbau 32

33 Case study: Auensee-Leipzig Exkursion! H2-O2-Injektion Auensee lignite seam PCE TCE TCA 33

34 Case study: Auensee-Leipzig 34

35 Case study: Auensee-Leipzig 35

36 HÜ8: ÜA : Bioremediation Dechlorierungsreaktion: PCE + 2e - + H + TCE + Cl - : (k PCE ) TCE + 2e - + H + DCE + Cl - : ( TCE ) Differentialgleichungen für Parents-Daughter-Reaction : Reine Advektion: C t PCE u R PCE C x PCE k R PCE PCE C PCE C t TCE u R TCE C x TCE R TCE TCE C TCE f k R TCE PCE C PCE

37 Steady-state-Lösung: Keine Zeitabhängigkeit! C PCE ( x) C PCE ( x 0) exp k u PCE x C TCE ( x) f kpce C k TCE PCE ( x PCE 0) exp k u PCE x exp u TCE x TCE k PCE C TCE ( x) f k PCE t C PCE ( x 0) exp k u PCE x TCE k PCE C(x,t) Konzentration (mg/l), k Abbaurate (1/Tag), u Abstandsgeschwindigkeit (m/tag) Diskussion der ÜA25 Skript: ÜA mit Lsgn EXCEL-file: steady-state (siehe ÜA25 Bioremediation!)

38 Start SS2015: Tools zur Bioremediation- Technologie-Optimierung Biocapacity-Konzept: Welches Abbaupotential besitzt unser Aquifer?

39 39

40 HÜ9 40

41 Field data 41

42 Field data 42

43 Field data 43

44 Bioremediation: BIOSCREEN-Course Reaktiver Transport BIOSCREEN

45 Transport von Schadstoffen: Mathematische Beschreibung (3) 4. advektiver, dispersiver Transport ( diffusiver Transport im strömenden Grundwasser) : dc dt T 2 d( jt ut CT ) d C Ddisp 2 dx dx T u T dc dx T u T u w / R, D disp D 0 disp / R, D disp D disp = Dispersionskoeffizeint siehe Skript! u l T Lösung für konstante Randbedingung (ÜA 22): C T C 0 ( x, t) Erfc t 2 Ddisp ut x g ( x, t) Exp Erfc g ( x, ) C T ( x 0, t) C 0 g ( x, t) 2 x u D T t disp t Task 22-3, Task

Transport von Schadstoffen: Mathematische Beschreibung (4) Reaktiver Transport dc dt T d C dx 2 T Ddisp 2 u T dc dx T Q R u T u w / R, D disp D 0 disp / R, D disp u l T 1.

46 Transport von Schadstoffen: Mathematische Beschreibung (4) Reaktiver Transport dc dt T d C dx 2 T Ddisp 2 u T dc dx T Q R u T u w / R, D disp D 0 disp / R, D disp u l T 1. Für Reaktionsrate verwenden wir Kinetik 1.Ordnung: dc dt T d C dx 2 T Ddisp 2 u T dc dx T kc T k R C T 2. Steady-state-Annahme: 3. Berücksichtigen nur konvektiven Transport: 0 d C dx 2 T Ddisp 2 u T dc dx T kc T Q BIOSCREEN: Centerline u T dc dx T kc T Analytische Lösung (steady-state, 1. order, reaktiver Transport) : HÜ8 C T ( x) C0 exp( k x / u) C T ( x 0) C 0 46

47 BIOSCREEN 1) Solute transport without decay (k = 0!), 2) Solute transport with biodegradation modeled as a first-order decay process 3) Solute transport with biodegradation modeled as an "instantaneous" biodegradation reaction EXCEL: Extras Makros Sicherheit niedrig Wer Software haben will, bitte an mich!

48 2) Solute transport with biodegradation modeled as a first-order decay process

49 3) Solute transport with biodegradation modeled as an "instantaneous" biodegradation reaction Nur wenn EA vorhanden, kann BTEX abgebaut werden, d.h. C0_TCE(NA) <= BC! 1 EA = Oxygen

55 Bioremediation- Seminar BIOSCREEN for SAFIRA test site LEUNA Biodegradation of BTEX/MTBE 55

56 56

57 Field data 57

58 Field data 58

59 Field data 59

60 60

61 61

62 62

63 63

64 64

65 65

66 66

67 67

68 68

69 69

70 70

Ähnliche Dokumente

Bioremediation (1): Mikrob. Grundlagen

Bioremediation (1): Mikrob. Grundlagen Bioremediation Bioremediation (1): Mikrobiol. Grundlagen Bioremediation (2): Techn. Grundlagen Case studies (Klausur) Notwendige Grundlagen: Prozesse und Tools - Grundkurs 1: Redox-Chemie - Grundkurs 2: