Biologische reiniging grond, uitgangspunten voor het ontwerp

2 UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERPD1-1, (Zie literatuurverwijzing 3, 4, 5, 10)

2.1 Algemene punten

Organische verontreinigende stoffen in de bodem kunnen langs twee wegen worden omgezet tot onschadelijke eindproducten. Ten eerste kunnen organische verontreinigende stoffen door micro-organismen worden gemetaboliseerd tot anorganische verbindingen zoals CO2, NO3-, SO42-, en PO43- (mineralisatie). Deze mineralisatie leidt tot groei van micro-organismen doordat energie vrijkomt bij de metabole reacties die betrokken zijn bij mineralisatie. Hierbij wordt een gedeelte van de verontreinigende stof als koolstofbron gebruikt voor de groei van de biomassa.

Naast mineralisatie kunnen ook co-metabole reacties een rol spelen. Deze reacties leiden tot kleine veranderingen van de verontreinigende stoffen. De hoeveelheid energie die bij deze reacties vrijkomt is te gering om te kunnen worden benut door de betreffende micro-organismen en ook inbouw van koolstof vindt niet plaats.
Co-metabolisme kan alleen optreden als er een andere koolstof- en energiebron aanwezig is die zorgt voor de metabole processen die essentieel zijn voor de micro-organismen.
Behalve dat voor mineralisatie een geschikte koolstof- en energiebron aanwezig moet zijn, is ook de aanwezigheid van een elektronenacceptor van essentieel belang. Zonder een geschikte elektronenacceptor vindt geen mineralisatie plaats.

Specifieke elektronenacceptoren bepalen welke microbiologische populatie aanwezig is en bepalen de mogelijkheid voor afbraak. In onderstaande reactievergelijkingen is de mineralisatie aangegeven van een hypothetische gechloreerde verbinding met vier verschillende elektronenacceptoren.

C2H4OCl + O2 aërobe respiratie → CO2 + H2O + HCl
C2H4OCl + NO3- denitrificatie → CO2 + H2O + HCl + N2
C2H4OCl + SO42- sulfaat reductie → CO2 + H2O + HCl + S2-
C2H4OCl + CO2 methanogenese → CO2 + H2O + HCl + CH4

Moleculaire zuurstof heeft hierbij een verschillende functie vergeleken met de andere elektronenacceptoren, omdat zuurstof niet alleen fungeert als elektronenacceptor maar ook als reactant in oxidatiereacties.
Er vindt veel onderzoek plaats naar mineralisatie van verschillende verontreinigende stoffen met verschillende elektronenacceptoren. Zo is gevonden dat laag gechloreerde verbindingen als monochloorbenzeen onder aërobe omstandigheden worden afgebroken, terwijl hoger gechloreerde verbindingen als hexachloorbenzeen en tetrachlooretheen alleen onder strikt anaërobe (zuurstofloze) omstandigheden gedeeltelijk worden afgebroken. Voor de volledige afbraak van hexachloorbenzeen moeten eerst methanogene omstandigheden worden gecreëerd voor de afbraak tot monochloorbenzeen, waarna in een aërobe omgeving verdere mineralisatie plaats kan vinden.

Biologische reiniging vindt momenteel in de praktijk echter voor het overgrote deel plaats voor de relatief gemakkelijk afbreekbare verontreinigende stoffen zoals minerale olie. Bij de (aërobe) afbraak van minerale olie wordt net als bij de metabole processen behalve CO2 en H2O ook nieuwe biomassa geproduceerd.
Als algemene formule voor biomassa, die uit de afbraak van olie wordt geproduceerd, wordt CH1.8O0.5N0.2 gehanteerd. Aërobe microbiologische afbraak van olie kan dan als volgt worden weergegeven:
CH1.8 + αO2 + εNH3 → ßCO2 + → CH1.8O0.5N0.2 + δH2O

Hierin wordt minerale olie (CH1.8) met zuurstof en NH3 omgezet in biomassa, kooldioxide en water. Om de elementenbalans te kunnen oplossen is een relatie tussen de omzetting van het substraat en de hierbij gevormde biomassa nodig. Deze relatie wordt de Yield, de opbrengstfactor genoemd.

Voor aërobe omzetting van substraten is een yield van 0.05 - 0.6 mol biomassa/mol koolstof gevonden. Overigens kan deze waarde sterk variëren. Afbraak van lineaire alkanen leidt tot een yield van 0,2 tot 0,5 mol biomassa/mol koolstof, terwijl een yield van 0,05 mol biomassa/mol koolstof gevonden wordt voor vertakte alkanen.
Ook voor anaërobe omzetting zijn yield-waarden bepaald. Deze liggen aanzienlijk lager dan voor de aërobe omzetting: 0,040 - 0,083 mol biomassa/mol koolstof.
De yield kan van belang zijn bij de keuze van het reinigingssysteem. Zo kan bij in-situ reiniging een te hoge yield leiden tot verstopping. Bij een lage yield kan het erg lang duren voordat voldoende biomassa is verkregen om het omzettingsproces voldoende snel te laten plaatsvinden.

2.1.1 ZuurstofhuishoudingD1-1
Voor de aërobe afbraak van verontreinigende stoffen is de toevoer van voldoende zuurstof van belang. Bij biologische grondreiniging in landfarmingsystemen wordt de zuurstof toegevoerd via de lucht die zich tussen de deeltjes bevindt. Daarna treedt door diffusie verder zuurstoftransport op in de poriën. De hoeveelheid zuurstof die benodigd is voor de afbraak van organische verontreinigende stoffen is klein vergeleken met de hoeveelheid zuurstof die wordt verbruikt door de afbraak van organisch materiaal in de bodem en andere oxidatiereacties.

In bioreactor- of slurrysystemen wordt de zuurstof in de waterfase toegevoerd.
Zo bevat 1 liter water bij 20 °C maximaal 8 mg O2 , terwijl lucht bij dezelfde temperatuur maximaal 300 mg O2 per liter bevat. Per liter porievolume kan dus ca. 37,5 maal zoveel zuurstof worden toegevoerd in onverzadigde grond als in met water verzadigde grond (slurry). Voor slecht doorlatende gronden suggereren onderzoekers dat het gebruik van lucht als drager van zuurstof 1000 maal efficiënter is dan water.

De permeabiliteit van grond voor luchtstroming is dan ook een belangrijke voorwaarde voor de biologische reiniging. Dit is vooral van belang bij landfarming. De grond moet daarvoor een goed luchtdoorlatende structuur hebben.

Analoog aan de wet van Darcy voor vloeistoftransport in de bodem geldt voor luchttransport:

waarin:
Qg = gasdebiet (m3/s)
A = doorstroomoppervlak (m2)
Kg = permeabiliteit (m2/(pa.s))
dp/ds = drukval (Pa/m)

De permeabiliteit kan ook worden aangegeven als een intrinsieke permeabiliteit analoog aan de permeabiliteit voor vloeistof. De waarde Kig is een fysische eigenschap van een grondsoort en is onafhankelijk van luchtinjectie debieten en drukverschillen.

Kig = ηg * Kg

waarin:
Kig = intrinsieke permeabiliteit (m2)
ηg = viscositeit gas (kg/(m/s)) = (Pa.s)

De viscositeit van bodemlucht is 20 * 10-6 Pa.s, dat is 50 keer lager dan die van water.
De bodemluchtpermeabiliteit wordt meestal aangegeven in cm2 of in Darcy
(1 Darcy= 1 * 10-8 cm2).
Enkele waarden voor Kig zijn weergegeven in tabel D4.1. Uit de waarden in de tabel blijkt dat de permeabiliteit sterk kan variëren.

Tabel D4.1 Permeabiliteit voor luchtstroming van verschillende grondsoorten

2.1.2 Temperatuur
Micro-organismen die in de bodem voorkomen vertonen vaak een hoge activiteit bij een relatief lage temperatuur (10 - 15 °C). De bacteriën hebben zich aangepast aan de bodem in Nederland, die een groot deel van het jaar die temperatuur heeft.
De aanwezige populatie zal niet alle verontreinigende stoffen kunnen afbreken. Indien de populatie die de verontreinigende stof moet afbreken een ander (hoger) temperatuuroptimum heeft, zal een aanzienlijke verandering in de microbiologische populatie moeten optreden, voordat de verontreinigende stof met maximale snelheid kan worden omgezet.

De meeste micro-organismen zijn slechts in een beperkt temperatuurgebied (5 °C tot ca. 30 - 35 °C) actief. In dit gebied ligt de optimale temperatuur.
In het gebied tussen de optimale en de minimale temperatuur is er sprake van een reversibel temperatuureffect. Dat wil zeggen dat bij temperatuurstijging van T1 naar T2, gevolgd door een daling van T2 naar T1 weer de gelijke activiteit wordt gevonden.
In het gebied tussen de optimale en de maximale temperatuur is er sprake van een irreversibel effect. Dat wil zeggen dat bij een temperatuurstijging tot boven het maximum de activiteit afneemt, en bij een daarna volgende temperatuurdaling de activiteit zich niet herstelt.
Bij een te hoge temperatuur ontstaat irreversibele schade aan de cel door de denaturatie van biologische structuren zoals enzymen.
Er is een aantal temperatuurgebieden waarin de microflora optimaal functioneert.

2.1.3 Micro-organismen: bacteriën en schimmels
In elke bodem is een populatie micro-organismen aanwezig. Deze populatie past zich aan, aan de milieuparameters aan, zoals nutriënten, pH, temperatuur etc. die in de bodem heersen. Door het optimaliseren van de omstandigheden voor de micro-organismen (temperatuur, vochtgehalte, zuurstof en redoxpotentiaal) past de aanwezige populatie zich aan en zal de afbraak versnellen. Het toevoegen van specifieke micro-organismen is veelal niet effectief., want deze specifieke micro-organismen zullen worden weggeconcurreerd, omdat ze alleen zijn aangepast aan de verontreiniging en niet aan de overige milieuomstandigheden.
Voor de productie van biomassa is de toevoer van voldoende nutriënten essentieel. De elementen stikstof, fosfor en zwavel (N, P, S) moeten in voldoende mate aanwezig zijn. Een veel gebruikte formule voor biomassa is CH1.8O0.5N0.2S0.0046P0.0054. Deze formule is een verfijning op de eerder gepresenteerde formule van biomassa gevormd bij de afbraak van olieproducten. In de praktijk worden zowel N, P als S toegevoegd om een optimaal milieu voor biologische afbraak te verkrijgen.

2.1.4 Vochtgehalte
Biologische afbraak vindt alleen plaats in aanwezigheid van een waterfase. Er moet dus voldoende water aanwezig zijn. Wanneer het vochtgehalte hoog is, zal een groot deel van de poriën met water gevuld zijn, waardoor transport van zuurstof een beperkende factor voor de biologische afbraak kan worden (dit geldt wanneer de verontreinigingen ook in de poriën aanwezig zijn). Daarom moet in bioreactoren, waarin grond in een suspensie met water aanwezig is, actieve beluchting worden toegepast. Voor landfarmingsystemen worden vochtgehaltes van 10 - 20% toegepast.

2.1.5 Homogenisering van de grond
Voor een succesvol verloop van biologische grondreiniging is homogeniseren van de grond vaak noodzakelijk. Verontreinigde grond is vaak zeer inhomogeen, zowel het vochtgehalte, de permeabiliteit voor lucht als de concentratie van de verontreinigende stoffen varieert van plaats tot plaats. Wanneer al deze variaties worden uitgevlakt kan in de biologische grondreiniging een betere controle plaatsvinden.

2.1.6 Concentraties, toxiciteit(Zie literatuurverwijzing 3)
Verschillende verontreinigende stoffen zijn toxisch voor micro-organismen. De toxiciteit hangt in bepaalde mate samen met de octanol-water verdelingscoëfficiënt (Kow). Deze waarde geeft de verdeling van een stof over een organische fractie (octanol) en water. Voor veel organische verontreinigende stoffen is deze waarde zeer hoog.
In het algemeen geldt dat organische verontreinigingen met een log Kow > 4 niet remmend zijn voor de microbiologische afbraak, en organische oplosmiddelen met een log Kow < 2,0 toxisch zijn.
Laane e.a., 1987, geven een aantal waarden van log Kow voor niet-gechloreerde koolwaterstoffen.

2.1.7 pH
De pH van de grond moet in de range van 5 - 8 liggen om niet remmend te zijn voor de meeste micro-organismen.

2.1.8 Biobeschikbaarheid
De afbraak van organische verbindingen vindt bijna uitsluitend plaats wanneer de verontreinigende stoffen zijn opgelost in het bodemvocht waarmee de micro-organismen zijn omgeven. Voor verontreinigende stoffen die:
- als vaste deeltjes voorkomen;
- een lage oplosbaarheid hebben;
- geadsorbeerd zijn aan de bodemmatrix;
- gebonden zijn aan organische stof;
- of via diffusie terecht zijn gekomen in de microporiën van de bodemdeeltjes,
geldt dat de afbraaksnelheid sterk wordt beïnvloed door de snelheid waarmee de verontreinigende stoffen in oplossing gaan. Over het algemeen zullen verontreinigende stoffen die op deze wijzen voorkomen in grond zeer langzaam in oplossing gaan. Daardoor is de biobeschikbaarheid klein, en zal het reinigingsproces stagneren.

Volgens sommige onderzoekers kunnen lage eindconcentraties (in de orde van μg/l - ng/l) van verontreinigende stoffen in gereinigde grond niet worden behaald omdat micro-organismen bij omzetting van lage substraat concentraties onvoldoende energie kunnen vrijmaken voor de vastlegging van koolstof.
Er zou te weinig energie vrijkomen voor onderhoud (maintenance) van de micro-organismen.
Deze lage eindconcentraties worden ook drempelconcentraties genoemd.