Gestimuleerde aërobe afbraak, factsheet

Algemene techniekbeschrijving

Grond en grondwater verontreinigd met stoffen die onder aërobe condities microbiologische afbreekbaar zijn, kunnen worden gereinigd door zuurstof in de bodem te brengen. Het stimuleren van biologische afbraak door toediening van zuurstof is de oudste en de meest toegepaste vorm van biologische in-situ sanering. Zuurstof kan op verschillende manieren in de bodem worden gebracht.

In de onverzadigde zone kan aërobe afbraak worden gerealiserd door bioventing. Hierbij wordt in de onverzadigde zone lucht ingeblazen en/of onttrokken. Bioventing wordt in Nederland relatief weinig toegepast omdat de onverzadigde zone in vaak (te) klein is. De toepasbaarheid kan worden verhoogd door de onverzadigde zone te vergroten middels onttrekking van grondwater. Bioventing wordt daarnaast vaak op een indirecte manier gebruikt als bij-effect bij biosparging (zie hieronder).

In het verzadigde deel van de bodem is biosparging is veruit de meest toegepaste methode om zuurstof in te brengen. Dit gebeurt door het injecteren van perslucht. Het ontwerp wordt daarbij afgestemd op het zo efficiënt mogelijk inbrengen van zuurstof met zo weinig mogelijk kans op ongewenste processen als vervluchtiging.

Bij alternatieven voor biosparging wordt zuurstof ingebracht via de waterfase of via een vaste stof die langzaam zuurstof afgeeft. Bij de eerste biologische saneringen werd zuurstof ingebracht in de vorm van aëroob grondwater. Door de geringe oplosbaarheid van zuurstof van 10 mg/l in water en de vaak grote behoefte eraan bleef de afbraak meestal achter bij de verwachtingen. De resultaten werden enigszins geoptimaliseerd, bijvoorbeeld door verzadiging van het water met puur zuurstof of het gebruik van waterstofperoxide dat uiteenvalt waarbij zuurstof vrijkomt.In de praktijk bleken aan deze techniek sterke praktische bezwaren te kleven (NOBIS rapport Ontmanteling in situ biorestauratie Asten, 1998)

Een meer recente variant is het gebruik van slow release zuurstofbronnen zoals MgO2 en CaO2, uit de landbouw bekende verbindingen waaruit langzaam zuurstof vrijkomt en die het hoofdbestanddeel vormen van het commercieel beschikbare product oxygen release compound (ORC®). Over het algemeen kan slechts een beperkte hoeveelheid zuurstof via op de waterfase gebaseerde toedieningsmethodes worden ingebracht. Deze methodes worden dan ook doorgaans gebruikt in gevallen waar slechts een beperkte zuurstofbehoefte is, bijvoorbeeld een BTEX-verontreiniging met lage concentraties in een zandig pakket met licht anaëroob grondwater.

Toepassingsgebied en indicatie saneringsresultaat

Verontreinigingstypen

In principe is gestimuleerde aërobe afbraak geschikt voor alle verontreinigingen die aëroob afbreekbaar zijn, hetgeen geldt voor het grootste deel van de organische bodemvrontreinigingen. Belangrijke uitzonderingen hierop zijn:

• verbindingen die door hun structuur moeilijk door de oxiderende enzymen kunnen worden omgezet, zoals hogere PAK en sterk vertakte alkanen
• verbindingen met een sterk geoxideerd karakter. Dit gedlt voor een zeeg groot aantal gehalogeneerde koolwaterstoffen zoals Per, Tetra chloroform, en PCBs, DDT, etc. Deze kunnen alleen via anaërobe, reductieve processen worden afgebroken.
• een aantal specifieke stoffen, zoals organotin verbindingen, benzothiofenen, etc.

Een niet uitputtende overzicht van de toepasbaarheid van gestimuleerde aërobe afbraak voor verschillende stoffen/stofgroepen in de tabel met afbreekbaarheden van stoffen. Verdere informatie over de aërobe afbreekbaarhedi van specifieke stoffen is te vinden via internet

Bodemtype en bodemopbouw

Het stimuleren van aërobe afbraak is gebaseerd op het in de bodem brengen van hulpstoffen. Voor vrijwel alle technieken geldt dat een goede verspreiding van deze hulpstoffen noodzakelijk is en dat de bodem dus voldoende doorlatend moet zijn.

Voor biosparging is daarnaast van belang dat er geen duidelijke horizontale gelaagdheid in de bodem is. Deze gelaagdheid zal een goede verspreiding van de geïnjecteerde lucht tegengaan. Ook de aanwezigheid van een slecht doorlatende laag boven het te behandelen gebied een negatieve factor. Een dergelijke laag verstoort het ontwijken van de geínjecteerde lucht naar de onverzadigde zone, waardoor er geen goede afvang van de lucht mogelijk is en ongewenste effecten optreden.

Voor toepassing van vaste zuurstofbronnen is de bodemopbouw minder belangrijk. Gezien de hoge kosten van dit type zuurstofbronnen zijn deze praktisch niet toepasbaar in bodemtypes die zelf een sterk zuurstofverbruik kennen. Dit geldt voor bodems met een hoog organisch stof gehalte en voor bodems met gereduceerd klei of leem.

Drijflaag/zaklaagverwijdering

Drijflagen en zaklagen zijn wegens de slechte doorspoelbaarheid en de hoge vracht aan verontreinigende stoffen niet geschikt om tte te saneren met deze techniek

Bronsanering

Gestimuleerde aërobe afbraak is in principe toepasbaar voor een bronsanering, maar wordt doorgaans niet als enige techniek ingezet. De reden hiervoor is dat de in bronzone meestal voorkomende zeer hoge verontreingingsconcentraties zullen leiden tot een lange saneringsduur. Hoge gehalten aan koolwaterstoffen die niet door ontgraving kunnen worden verwijderd worden bij voorkeur aangepakt met andere technieken: in situ extractie, in situ chemische oxidatie (ISCO), in situ strippen, of isolatie en beheersing van de verontreiniging.

Onder bepaalde optimale omstandigheden (intensief systeem, hoge afbraaksnelheid van de verontreiniging, hoge doorlatendheid bodem) kan een aërobe bronsanering toch binnen een relatief korte periode haalbaar zijn.

Gestimuleerde aërobe afbraak is wel zeer goed geschikt als polishing methode na een intensieve bronbehandeling. Met name na in situ strippen en in situ chemisch oxidatie is dit een logische stap

Pluimsanering

De techniek is zeer goed toepasbaar voor een pluimsaneringen. Vanwege de lage afbraaksnelheden over het algemeen (veel) meer dan een jaar tijd, afhankelijk van de beginconcentratie en de saneringsdoelstelling. Een zeer intensief systeem aanleggen voor de pluimsanering gebeurt in de praktijk echter niet. Doorgaans wordt gekozen voor een schermaanpak.

Indicatie saneringsresultaat

Het stimuleren van aërobe biologische afbraak leidt op korte termijn (enkele jaren) alleen tot bevredigende eindresultaten bij lage gehalten verontreinigende stoffen (enkele honderden mg/kg). Hogere gehalten aan verontreinigende stoffen kunnen op korte termijn niet op biologische wijze gesaneerd worden met deze techniek wegens de relatief lage omzettingssnelheid in de waterfase.

In tabel 1 en 2 staan de toepassingsmogelijkheden in tabelvorm afhankelijk van de bodemopbouw en de doelstelling van de sanering weergegeven.

De aërobe biorestauratie wordt toegepast voor de sanering van biologisch afbreekbare verontreinigingen. Het toepassingsgebied is gedefinieerd voor drijflaag-/zaklaagverwijdering, grondreiniging, bronsanering en de sanering van pluimen. In onderstaande tabellen is het toepassingsgebied schematisch weergegeven.

Aandachtspunten voor het ontwerp

Er dient bij het ontwerp een goede afstemming plaats te vinden tussen de zuurstofvraag en de zuurstofbehoefte. Voor aërobe omzettingen is lucht de goedkoopste zuurstofbron. Waterstofperoxide of vaste vormen van zuurstof brengen beduidend hogere kosten met zich mee.

Indien niet-vluchtige verbindingen in hoge gehalten als restverzadiging voorkomen, blijkt de nutriëntenvoorziening (met name stikstof en fosfaat) vaak limiterend te zijn. Nutriënten dienen te worden toegediend in een verhouding ten opzichte van de verontreinigende stof (C) van C:N:P van 100:10:1 à 2.. De toediening en een goede verspreiding van nutriënten is echter vaak problematisch vanwege de lage mobiliteit van fosfaten.

Afhankelijk van de omvang van het project kan het zinvol zijn om een pilot test uit te voeren om de haalbaarheid te bepalen en om de nog ontbrekende dimensioneringsgegevens te verkrijgen. Het uitvoeren van een stoptest, waarbij de afname van de electronenenacceptoren (meestal zuurstof) wordt bepaald, geeft een indruk van de biologische activiteit. Daarnaast kan een indruk worden verkregen uit CZV en BZV-cijfers van het grondwater en van de grond.

Kosten

De kosten van een full scale sanering met gestimuleerde afbraak, inclusief de kosten voor de installatieonderdelen, uitvoering en begeleiding, variëren van enkele tientallen tot een paar honderd euro per kubieke meter verontreinigde bodem. Variabele kosten voor het in stand houden van het systeem kunnen oplopen van enkele duizenden tot meer dan 10.000 euro per maand. Met name de omvang van de verontreiniging en in mindere mate de afbreekbaarheid van de verontreinigende stoffen spelen daarbij een grote rol. Afhankelijk van het type chemicaliën kunnen de kosten van de chemicaliën een substantieel onderdeel van de saneringskosten vormen. Bij de toepassing van nitraat in de pluim behoeven onttrekking en infiltratie maar kortdurend te werken, waarna het aangebrachte nitraat in enkele maanden wordt verbruikt. Het te behandelen gebied kan op deze manier verschillende keren worden aangepakt. De kosten kunnen in een dergelijke situatie aanzienlijk worden beperkt.

Omgevingsrandvoorwaarden

Het inbrengen van zuurstof kan leiden tot oxidatie van veenlagen of tot aantasting van houten funderingspalen. In dergelijke gevallen kan het risisco op zettingen of verzakkingen reden af te zien van het stimuleren van aërobe afbraak.

Beperkingen van de toepasbaarheid van de techniek

Verbindingen die niet of slecht biologisch afbreekbaar zijn onder aërobe condities worden niet verwijderd met deze techniek. Drijf- en zaklagen van afbreekbare verbindingen kunnen evenmin verwijderd worden.

Een slecht doorlatende bodem of een heterogene bodemopbouw kan een goede verspreiding van zuurstof en/of nutriënten verhinderen door het optreden van preferente stroombanen.

Operationaliteit, trends en ontwikkelingen

Biosparging en bioventing zijn bekende technieken die zich reeds vele malen in de praktijk hebben bewezen. Als gevolg daarvan zijn de ontwikkelingen op het gebied van deze technieken beperkt.

Met het inbrengen van zuurstof in vaste vorm bestaat minder ervaring in Nederland, maar het aantal toepassingen neemt toe.