Richtlijn herstel en beheer (water)bodemkwaliteit

Gestimuleerde anaërobe afbraak, uitgangspunten voor het ontwerp, keuze van het substraat

Substraat voor anaërobe stimulatie

Er zijn zeer veel stoffen die in principe geschikt zijn als substraat. Het kan daarbij gaan om bulkchemicaliën – ethanol, methanol, lactaat, glucose, acetaat, plantaardige oliën – , deelstromen uit de procesindustrie – wei, melasse, protamylasse – en speciaal voor in-situ sanering ontwikkelde formuleringen zoals HRC®, speciale emulsies van plantaardige olie en chitinevormen. Bij de keuze van het toe te passen substraat spelen verscheidene aspecten een rol. De belangrijkste zijn:

  • microbiologische aspecten
  • kosten
  • fysische eigenschappen

Wanneer, zoals in het geval van afbraak van chloormethanen en chloorethanen, het substraat dient om cometabole reductieve dechlorering te stimuleren is in principe elk substraat bruikbaar dat goed anaëroob afbreekbaar is. Bij sanering van verontreinigingen met chloorethenen kan halorespiratie als het belangrijkste mechanisme worden beschouwd. Hierbij is de substraatkeuze van iets groter belang. Zoals hierboven genoemd gebruiken de dechlorerende micro-organismen vooral de anaërobe omzettingsproducten (en dan met name waterstof) van het substraat en niet het substraat zelf als elektronendonor. Uit theoretische overwegingen en op basis van praktische ervaring zijn substraten die relatief langzaam worden omgezet in waterstof het meest geschikt. Lactaat is het meest bekende voorbeeld hiervan.

De kosten van het substraat worden bepaald door het soort substraat en de benodigde hoeveelheid ervan. Globaal kan worden gesteld dat afvalstromen goedkoper zijn dan bulkchemicaliën en deelstromen en dat speciale formuleringen het duurst zijn. Deze laatste groep van substraten kan toch financieel aantrekkelijk zijn omdat ze ontworpen zijn om langdurig te werken zodat de toedieningskosten beperkt kunnen zijn. De gewenste fysische eigenschappen zijn vooral sterk afhankelijk van de gekozen techniek.

In tabel 1 onder aan deze pagina staat een overzicht van beschikbare substraten gegeven. Er kunnen vier verschillende soorten substraten worden onderscheiden

1. Goed oplosbare substraten

Deze substraten worden vrijwel altijd via de waterfase wordt ingebracht. Dit is de klassieke vorm van substraatdosering die het meest is en wordt toegepast. Om een goede verspreiding te bewerkstelligen wordt het substraat meestal via een grondwater circulatiesysteem ingebracht, maar uitsluitend injectie is ook mogelijk. Voordelen zijn de relatief goede horizontale verspreiding en de ruime ervaring met de techniek. Mogelijke nadelen zijn het risico op verstoppingen en de verdringing van verontreinigd grondwater. In een goed gedimensioneerd systeem kunnen veel van deze nadelen worden weggenomen. Het optreden van verstoppingen is moeilijk te voorkomen en in de praktijk dient daarom altijd rekening te worden gehouden met periodieke regeneratie van de injectie- en onttrekkingsflters. De volgende vloeibare substraten zijn geschikt voor de stimulatie van anaërobe afbraak van CKW’s. Onderscheid is gemaakt in enkelvoudige substraten en complexe substraten.

  • Enkelvoudig substraat: methanol, ethanol, lactaat, acetaat, butyraat, formiaat.
  • Complex substraat: gistextract, wei, melasse, protamylasse, vuilstortpercolaat, compostextract.

Een voordeel van het gebruik van enkelvoudige substraten is dat zij in hogere concentraties kunnen worden toegediend. Zij worden in pure vorm aangeleverd, waardoor de injectie van substraat in relatief geringe hoeveelheden kan plaatsvinden. Het injecteren van geringere hoeveelheden substraat betekent in het algemeen dat de invloedsstraal per injectiepunt kleiner wordt. In dat geval zullen meerdere injectiepunten moeten worden gebruikt.

Omdat complexe substraten als melasse en compostextract veelal afvalproducten zijn, zijn zij in het algemeen goedkoper dan enkelvoudige substraten. Verder worden ze meestal niet beschouwd als milieuvreemde stoffen.

2. Substraat dat als een aparte vloeibare fase wordt ingebracht

Het gaat hierbij meestal om zogeheten slow release substraten die in vloeibare vorm via directe injectie in de bodem worden gebracht. Het uitgangspunt hier is dat de substraten gedurende langere tijd – maanden tot jaren – in de bodem aanwezig blijven en langzaam vrijkomen voor biologische afbraak, zodat een langdurig effect wordt gerealiseerd. Het voordeel is dat het een extensieve en goedkope techniek is, waarvoor vrijwel geen technische voorzieningen nodig zijn. Nadelen zijn dat de invloedstraal van een injectie beperkt is waardoor vaak veel injecties nodig zijn, dat het een weinig gecontroleerde techniek is en dat de aanwezigheid van de substraten kan leiden tot een verminderde doorlatendheid. Een specifieke eis aan het substraat is dat het een vloeistof is die bij injectie niet direct met water mengt. Voorbeelden van slow release substraten zijn plantaardige oliën en het commerciële product hydrogen release compound (HRC®), dat hoofdzakelijk uit lactaatpolymeren bestaat. Sinds kort zijn er ook speciaal ontwikkelde substraten op basis van geëmulgeerde plantaardige olie op de markt.

3. Vaste substraten

Vaste stoffen zoals compost, mulch en chitine kunnen worden ingebracht in een gegraven sleuf. Door het langzaam vrijkomen van organisch materiaal uit de vaste fase hebben deze substraten een lange levensduur. Een aanvullend voordeel van deze techniek is de eenvoudige aanleg via een draineermachine (zie foto hieronder). Het grootste nadeel is de beperkte diepte waarop toepassing mogelijk is. De foto hieronder geeft een indruk van het aanleggen van een scherm bestaand uit vast substraatin dit geval compost.

4. Gasvormig substraat

Via de gasfase kunnen substraten in gasvorm of als een stabiele nevel in de bodem worden gebracht. Dit is een vrij recente techniek die nog beperkt wordt toegepast. Vooral in weinig gelaagde grondwaterpakketten heeft deze manier van inbrengen van een substraat voordelen met betrekking tot de verspreiding van het substraat. Daarnaast kan het inbrengen van gas een eventuele residuele verontreiniging mobiliseren. Hierdoor is deze techniek iets beter geschikt voor sanering van de bronzone dan de overige manieren van substraattoediening. Nadelen zijn de vrij hoogwaardige benodigde technologie en de relatief hoge energiekosten, met name bij diepe verontreinigingen. Voor substraten die als nevel worden ingebracht geldt als eis dat ze niet visceus mogen zijn. Substraten die in gasvorm worden ingebracht moeten uiteraard vluchtig zijn. Waterstof is een gasvormig substraat waarmee op laboratorium- en veldschaal ervaring is opgedaan in de Verenigde Staten. Bij de LINER® techniek (Marnette et al 2004 )wordt substraat in een nevel in de bodem gebracht. In beide gevallen wordt stikstof als dragergas gebruikt.

Tabel 1 Overzicht van de eigenschappen van verschillende substraten

Substraat

Kosten

Toepassingsvorm

Levensduur

Opmerkingen

Methanol

laag

opgelost

dagen

mogelijk toxisch in hoge gehalten

Ethanol

middel

opgelost

dagen

 

Na-Lactaat

middel/hoog

opgelost

weken

 

Wei

laag

opgelost

weken

goedkope deelstroom

Melasse

middel

opgelost

weken

bevat nutriënten en mogelijk metalen

Protamylasse

middel

opgelost

weken

bevat nutrienten

Glucosestroop

middel

opgelost

weken

 

HRC

hoog

aparte fase

1-2 jaar

veel toegepast, goed gedocumenteerd

Geëmulgeerde olie

middel/hoog

aparte fase

2 -> 3 jaar

beter verspreiding dan gewone olie

Plantaardige olie

middel

aparte fase

> 5 jaar

weinig verspreiding

Compost

laag

aparte vaste fase

> 5 jaar

 

Chitine

laag

aparte vaste fase

> 5 jaar

afval garnalenindustrie

Waterstof

hoog

gas

dagen

goede verspreiding, weinig ervaring