Gestimuleerde anaërobe afbraak, principe van de techniek

Biologisch afbreekbare verontreinigingen kunnen uit de bodem verwijderd worden door het stimuleren van de al dan niet van nature aanwezige afbraakcapaciteit. In dit onderdeel wordt specifiek ingegaan op de reductieve anaërobe afbraak van gechloreerde koolwaterstoffen (CKW’s) uit de bodem. Ook voor andere soorten verontreingingen zoals aromaten is het stimuleren van anaërobe een optie. Dit betreft een ander type afbraak en wordt behandeld onder Operationaliteit, trends en ontwikkelingen

De reductieve afbraak van CKW is een stapsgewijs proces waarbij telkens één chlooratoom wordt vervangen door een waterstof atoom, zie figuur voor de afbraak van de meest voorkomende alifatische chloorkoolwaterstoffen. Deze reactie kan alleen optreden als er gelijktijdig een gereduceerde verbinding, ook wel elektronendonor genoemd, wordt geoxideerd. Onder de juiste condities kan volledige dechlorering tot ongevaarlijke eindproducten optreden.

Figuur 1 Reductieve dechlorering van Per, Tri, Tetra en 111,-trichloorethaan

In anaëroob grondwater treedt vrijwel altijd van nature enige mate van reductieve dechlorering van CKW-verontreinigingen op (zie natuurlijk afbaak). De afbraak wordt vooral gelimiteerd in de weinig organische stof bevattende watervoerende pakketten waar de grootste verspreiding van verontreinigingen optreedt, vanwege de beschikbaarheid van een elektronendonor. In zulke gevallen is het toedienen van een substraat een geschikte methode om de afbraaksnelheid te verhogen. Volgens de huidige inzichten stimuleren de meeste substraten de CKW-afbraak niet direct, maar indirect. Dit kan op twee verschillende manieren gebeuren:

• het substraat wordt door fermentatieve micro-organismen omgezet in waterstof en lage vetzuren, die vervolgens gebruikt worden voor halorespiratie (dit is de reductieve dechlorering waarbij de CKW als elektronenacceptor fungeren);
• als groeisubstraat voor anaërobe micro-organismen die cometabole reductieve dechlorering veroorzaken.

In beide gevallen is het resultaat echter een stapsgewijze dechlorering tot ongevaarlijke verbindingen zoals etheen, ethaan en methaan. Uit praktijkgevallen is bekend dat de omzettingen van Cis naar VC en van VC naar etheen de meest kritieke stappen in de volledige reductieve dechlorering van Per en Tri. Met name in grondwater met van nature nitraatreducerende of ijzerreducerende condities blijkt dat de afbraak vaak stopt bij Cis (Volkering & Pijls 2004). Wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat de afwezigheid van bacteriën die Cis kunnen omzetten in VC de voornaamste oorzaak hiervoor is (Hendrickson et al, 2002). Per en Tri kunnen door diverse soorten bacteriën en onder vrijwel alle anaërobe condities worden omgezet. Er is tot nu toe echter slechts één bacteriesoort bekend die energie kan halen uit de omzetting van Cis naar VC. Deze bacteriesoort, Dehalococcoides sp. genaamd, is strikt anaëroob en kan slechts een beperkt aantal substraten als elektronendonor gebruiken.

Nadat in de jaren tachtig van de vorige eeuw bekend werd dat CKW onder anaërobe condities kunnen worden afgebroken via reductieve processen, is er veel aandacht voor het stimuleren van deze vorm van afbraak ontstaan. Het primaire middel hierbij is het toevoegen van een elektronendonor (substraat). Vrijwel alle goed afbreekbare organische verbindingen zijn geschikt als substraat en er zijn meerdere mogelijkheden om substraten in de bodem te brengen.

Naast de elektronendonor zijn er ook andere limiterende factoren mogelijk, zoals de beschikbaarheid van de verontreiniging in bijvoorbeeld de bronzone, of de aanwezigheid van geschikte bacteriën. Uit praktijkonderzoek is gebleken dat het enten et een bacteriecultuur een oplossing kan bieden in de gevallen waarin de natuurlijke capaciteit voor volledige afbraak niet of in onvoldoende mate aanwezig is.