DE4100758A1 - Verfahren zur entfernung von schadstoffen aus substraten, vorzugsweise boeden mittels hoeherer pflanzen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Im Kreislauf der Stoffe haben Pflanzen, insbesondere höhere grüne Pflanzen insofern eine besondere Funktion, als sie in der Lage sind, für den Menschen schädliche Stoffe aufzunehmen und zu speichern.

Dies gilt sowohl für anorganische Schadstoffe wie bei­ spielsweise Schwermetalle, als auch für organische Schadstoffe, die im Boden nicht oder nur sehr langsam abgebaut werden.

Die Entfernung von Schadstoffen aus dem Boden ist eine wesentliche Form der Altlastensanierung. Dafür gibt es physikalische, chemische und biologische Möglichkeiten und Verfahren.

Während höhere Pflanzen bei der Reinigung von Abwässern bereits eingesetzt werden, ist ihre Verwendung im Bereich der Entfernung von Schadstoffen aus dem Boden, beispielsweise als Teilprozeß einer Altlastensanierung bisher nicht beschrieben oder realisiert.

Eine gewerbliche Nutzung höherer Pflanzen zur Entfernung von Schwermetallen aus dem Boden ist bisher ebenfalls nicht beschrieben.

Bisher werden Schwermetalle technisch und gewerblich aus Boden oder anderen festen Substraten durch Laugung oder Klassierung entfernt. Typische hierfür verwendete Techniken sind die Bodenwäsche, Klassierungsanlagen oder Haldenlaugungseinrichtungen.

Diese Verfahren haben neben großer wirtschaftlicher Bedeutung aber auch Nachteile: So sind sie in der Regel mit größeren Erdbewegungen (Auskoffern) oder der Installation von beispielsweise Abflußeinrichtungen (Drainage) verbunden. Für Laugungsprozesse werden immer wasserdichte Abgrenzungen im Reaktionsbereich notwendig. Durch diese Aufwendungen steigen die Prozeßkosten im Entsorgungsbereich erheblich.

Dadurch wird eine Vermeidungshaltung beim Verursacher gefördert, die den wichtigen Forderungen und der Bedeu­ tung des Umweltschutzes entgegensteht.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zu beschreiben, welches die Nachteile hohen technischen und finanziellen Aufwandes im Bereich der Entfernung von Schadstoffen, insbesondere Schwer­ metallen in vermindertem Maße hat und bei dessen konsequenter Ausführung organische Wertstoffe und Energien bei gleichzeitiger Schadstoffentsorgung gewonnen werden können.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren rea­ lisiert, mit dem Schadstoffe aller Art aus kontami­ nierten Substraten entfernt werden, indem auf diesen Substraten Pflanzen angebaut werden, die in der Lage sind, diese Schadstoffe in sich aufzunehmen und zu speichern.

Damit wird eine Entfernung der Schadstoffe aus dem Substrat, beispielsweise Boden, durch herkömmliche Anbau- und Erntetechnik erreicht.

Die für dieses Verfahren in Frage kommenden Pflanzen sollen bestimmte Anforderungen erfüllen. Sie müssen die betreffenden zu entfernenden Schadstoffe aufnehmen und anreichern bzw. speichern. Im weitesten Sinne sind alle Pflanzen, die beispielsweise einen kontaminierten Standort besiedeln können, Schadstoffe aufnehmen und speichern und aus denen eine Rückgewinnung der Schad­ stoffe zum Zwecke einer sachgerechten Entsorgung möglich ist, dafür geeignet.

Während der erste Teil des Verfahrens (Saat, Ernte, Lagerung) mit landwirtschaftlicher Technik ausgeführt wird, erfolgt im zweiten Teil des Prozesses nach einer Zerkleinerung und teilweisen oder gänzlichen Verflüssi­ gung der mit dem Schadstoff beladenen Pflanze eine Ab­ trennung des betreffenden Schadstoffes aus dem so er­ haltenen Biomassebrei mit herkömmlichen chemischen, physikalischen, biochemischen oder mikrobiologischen Methoden und entsprechender Technik.

Für das Verfahren ist weiterhin kennzeichnend, daß neben der Schadstoffreaktion, die einer weiteren Entsor­ gung oder einem Recycling zugeführt wird, organische Wertstoffe entstehen, die einer weiteren Verarbeitung zugänglich sind. Diese Wertstoffe sind je nach Verfah­ rensvariante monomere Bestandteile von Biomasse oder mikrobielle Stoffwechselprodukte, die für weitere Syn­ thesen oder zur Energiegewinnung verwendet werden können (Abb. 1).

Damit erhält das Gesamtverfahren neben der entsor­ gerischen eine produktive Komponente, die die Ökonomie des Prozesses wesentlich beeinflussen kann:
Die Entsorgung geht mit der Gewinnung von Wertstoffen aus Sonnenlicht und Kohlendioxid durch die Verwendung grüner Pflanzen einher.

Hierin besteht der wirtschaftliche Vorteil und der Neuheitswert der Erfindung gegenüber allen bisher bekannten Lösungen.

Die Erfindung trägt dazu bei, Vermeidungshaltungen im Umweltschutzbereich durch ökonomische Attraktivität der Verfahren abzubauen.

Ausführungsbeispiel 1

Auf dem Gelände eines ehemaligen Rieselfeldes wird eine hohe Konzentration an Schwermetallen nachgewiesen. Somit ist dieser Standort als Altlastenstandort zu bezeichnen und es besteht die Notwendigkeit, diese Fläche zu sanieren. Dies bedeutet, die Schwermetall­ konzentration so zu senken, daß keine Gefährdung von dieser Fläche ausgehen kann. Dafür muß eine bestimmte festgelegte Grenzkonzentration unterboten werden. Verschiedene Methoden der Schwermetallentsorgung können nun in Betracht kommen.

Da für die Sanierung genügend Zeit zur Verfügung steht, weil es sich um eine in näherer Zukunft nicht unbedingt zu nutzende Fläche handelt und auch ein Abwandern der Schwermetalle ins Grundwasser nicht unmittelbar erfolgen kann, wählt der zur Entsorgung verpflichtete Verursacher die für ihn ökonomischste, d. h. kostengünstigste Methode.

Diese besteht nach der hier angegebenen Erfindung darin, die gesamte zu entsorgende Fläche zunächst urbar zu machen und für den Anbau einer bestimmten Pflanzenart, beispielsweise Phragmites communis, vorzubereiten.

Von dieser Pflanzenart ist bekannt, daß sie Schwer­ metalle aufnimmt und anreichert. Darüber hinaus hat sie für das Verfahren wesentliche biologische Eigen­ schaften, die in einer hohen Wachstumsgeschwindigkeit bestehen.

Die Entfernung der Schwermetallionen aus dem Boden erfolgt nun durch den Anbau dieser Pflanzen, der Auf­ nahme und Anreicherung dieser Ionen innerhalb der wachsenden Pflanze und die rechtzeitige Ernte derselben.

Im zweiten Verfahrensschritt wird die geerntete Pflanzenbiomasse zunächst mechanisch zerkleinert, sodann durch Hinzugabe von Wasser und die Einwirkung geeigneter physikalischer, chemischer oder biologischer Agenzien eine Verflüssigung der Biomasse bis zu einem solchen Grad erreicht, welcher für die quantitative Entfernung der Schwermetalle notwendig ist.

Die Abtrennung der Schwermetallionen von der Biomasse erfolgt mit Hilfe einer Reihe bekannter Methoden. Somit steht am Ende des Prozesses neben der hochkonzen­ trierten Schwermetallfraktion eine Biomassesuspension zur Verfügung, die in verschiedener Weise genutzt werden kann, beispielsweise als Rohstoff für biotechnologische Produktsynthesen.

Ausführungsbeispiel 2

Das Verfahren nach Ausführungsbeispiel 1 wird dadurch vereinfacht, daß nach der Ernte von Phragmites communis mit demselben nach entsprechender Vorbereitung mit den dafür üblichen Methoden (mechanische Zerkleinerung, Teil­ verflüssigung) eine Biogasproduktion durchgeführt wird. Bei der Biogasbildung wird der größte Teil der Biomasse in die Gase Methan und Kohlendioxid umgesetzt, welche als Gemisch zur Verbrennung geeignet sind.

Die Schwermetalle befinden sich nach diesem Prozeß in der bakteriellen Biomasse, welche die Biogasentstehung katalysiert hat.

Die Verwendung des Biogases erfolgt durch Verbrennung. Mit der so gewonnenen Wärmeenergie werden die über der zu entsorgenden Fläche errichteten Foliengewächshäuser beheizt, so daß ein schnelles, saisonunabhängiges Wachstum dieser wärmeliebenden Pflanze und damit eine schnellere Entfernung der Schwermetalle aus dem Boden erfolgen kann.

Ausführungsbeispiel 3

In einer Ackerfläche wird eine wesentlich über den Normwert hinausreichende Konzentration eines schwer abbaubaren organischen Insektizides nachgewiesen. Von dieser organischen Verbindung ist bekannt, daß sie durch bestimmte höhere Pflanzen aufgenommen und angereichert werden kann. Andererseits ist ein mikro­ biologischer Abbau der Verbindung unter bestimmten, jedoch im Boden meist nicht hinreichend gegebenen Bedingungen möglich.

Dies führt zu einem Verfahren, durch das die schwer abbaubare Substanz im ersten Schritt via Pflanze aus dem Boden entfernt wird. Im zweiten Schritt erfolgt der mikrobiologische Abbau dieser Verbindung mit Hilfe dafür geeigneter Mikroorganismenstämme in einem Biore­ aktor unter für den Abbau optimalen Bedingungen. Dabei dienen die organischen Inhaltsstoffe der Entsor­ gerpflanze der Vermehrung solcher Mikroben, die zum Ab­ bau der Problemverbindung in der Lage sind.

Die dabei entstehende Biomasse kann wiederum als Aus­ gangsmaterial für biotechnologische Prozesse ver­ wendet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen, aus Substraten, vorzugsweise Böden mittels höherer Pflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent­ fernung von Schadstoffen, vorzugsweise Schwer­ metallen aus Substraten, vorzugsweise Böden dadurch erfolgt, daß auf diesen solche Pflanzen angebaut werden, die in der Lage sind, den zu ent­ fernenden Schadstoff aufzunehmen und im Pflanzen­ körper zu speichern, diese Pflanzen geerntet wer­ den und in einem zweiten Verfahrensschritt die Pflanzen so behandelt werden, daß die in ihnen befindlichen Schadstoffe aus ihnen entfernt werden und die schadstofffreie Biomasse einer weiteren Verwendung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß hierfür alle Pflanzen Verwendung finden können, welche auf dem zu entsorgenden Substrat mit oder ohne zusätzliche Kultivierungsmaßnahmen zu wachsen vermögen, den zu entfernenden Schadstoff aufnehmen und im Pflanzenkörper in veränderter oder unverän­ derter Form speichern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das zu entsorgende Substrat für eine effektive Entsorgung dadurch vorbereitet werden kann, daß chemische, biologische und physikalische Maßnahmen angewandt werden, die ein beschleunigtes Pflanzenwachstum und eine vermehrte Aufnahme und Speicherung des zu entfernenden Schadstoffes in der für die Entsorgung verwendeten Pflanze herbeiführen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die für die Entfernung der Schadstoffe verwendeten Pflanzen oder Pflan­ zenteile nach der Ernte einer Verarbeitung zuge­ führt werden, die den Zweck verfolgt, die in den Pflanzen oder Pflanzenteilen gespeicherten Schad­ stoffe so aus diesen zu entfernen, daß die Schad­ stoffe weiterhin fachgerecht entsorgt werden können.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Verarbeitung der Pflanzen oder Pflanzenteile nach der Ernte mit bereits bekannten Methoden so geschieht, daß nach der Entfernung der in den Pflanzen oder Pflanzen­ teilen gespeicherten Schadstoffe aus diesen das Pflanzenmaterial als Biomasse einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden kann.