Deze wiki geeft een korte beschrijving van de gestimuleerde biologische afbraak van een aantal veelvoorkomende organische verontreinigingen, zijnde: minerale olie, aromaten, PAK en gechloreerde verbindingen. Per verontreiniging zijn de afbraakmogelijkheden beschreven. Daarbij zijn de mogelijke saneringstechnieken kort toegelicht.
Minerale olie
Minerale olie is een verzamelnaam voor een mengsel van veel verschillende stoffen. Deze stoffen bestaan met name uit koolwaterstofverbindingen. Voorbeelden hiervan zijn onder andere alkanen (ketens), aromatische koolwaterstoffen en polycyclische aromatische koolwaterstoffen (ringstructuren). Afhankelijk van het product zijn deze groepen in meer of mindere mate aanwezig.
Aërobe afbraak
Minerale olie, en dan met name de alkanenfractie, wordt alleen onder zuurstofrijke condities (aëroob) afgebroken. In aanwezigheid van zuurstof en nutriënten treedt een relatief snelle omzetting van minerale olie op tot koolstofdioxide en water.
Vaak is er wel sprake van een restverontreiniging omdat de zwaardere fracties in minerale olieverontreinigingen moeilijker afbreekbaar zijn en niet altijd even goed beschikbaar zijn voor de bacteriën. Aangezien de zwaardere fracties sterk retarderen en een zeer lage wateroplosbaarheid en dampspanning hebben, leidt deze restverontreiniging vaak tot een risicoloze situatie. Daarom kan na gestimuleerde afbraak sprake zijn van een immobiele en stabiele restverontreiniging die voldoet aan de uitgangspunten van het bodemsaneringsbeleid, zelfs wanneer bijvoorbeeld interventiewaarden worden overschreden.
Aërobe saneringstechnieken voor minerale olie
Biosparging en bioventing zijn de meest geschikte in-situ technieken voor de gestimuleerde afbraak van minerale olie. Bioventing heeft betrekking op de onverzadigde zone en biosparging op de verzadigde zone. Bij biosparging wordt met een compressor buitenlucht in de verzadigde zone geïnjecteerd via injectielansen. Bij bioventing wordt in de onverzadigde zone zuurstof ingebracht door bijvoorbeeld het onttrekken van lucht of juist injecteren van lucht in deze zone. Aanvullend hierop moeten nutriënten aan de bodem worden gedoseerd. Als alternatief voor biosparging/bioventing wordt soms ook gebruik gemaakt van het doseren van zuurstofleverende zouten of pure zuurstof.
Anaërobe afbraak
Anaërobe afbraak van alkanen is tot op heden niet of nauwelijks aangetoond. Dit betekent dat onder zuurstofloze condities waarschijnlijk geen significante afbraak van minerale olie plaats vindt. In Nederland heersen vaak anaërobe omstandigheden in de bodem, waardoor zuurstof moet worden toegevoegd om een olieverontreiniging biologisch te kunnen saneren.
Bepaalde stoffen in minerale olieverontreinigingen, zoals aromatische koolwaterstoffen (benzeen, tolueen, ethylbenzeen en xylenen) kunnen wel anaëroob worden afgebroken. Het biologische afbraakproces van aromaten is in de volgende paragraaf toegelicht.
Aromaten
Benzeen, tolueen, ethylbenzeen en de drie isomeren van xyleen (paraxyleen, orthoxyleen en metaxyleen) vormen samen de belangrijke verbindingen in de groep van (mono)aromatische koolwaterstoffen. Benzeen, tolueen, ethylbenzeen en xylenen (BTEX) zijn ten opzichte van de overige componenten uit minerale olieproducten relatief goed wateroplosbaar en daardoor beter beschikbaar voor biologische afbraak.
Aërobe afbraak
BTEX kunnen in aanwezigheid van zuurstof (aërobe omstandigheden) goed worden afgebroken. De verbindingen worden hierbij als koolstofbron (elektronendonor) gebruikt en de zuurstof als elektronenacceptor. BTEX worden onder aërobe omstandigheden geheel afgebroken tot koolstofdioxide en water.
Aërobe saneringstechnieken voor aromaten
Bioventing en biosparging zijn ook geschikte saneringsvarianten voor de aanpak van BTEX. Echter, bij deze verontreiniging wordt de gestimuleerde afbraak vaak gecombineerd met een bodemluchtextractie omdat BTEX relatief vluchtig zijn en daarom voor een deel zullen vervluchtigen tijdens biosparging en bioventing. Met de bodemlucht-extractie worden vrijkomende (vluchtige) verbindingen afgevangen en gezuiverd in een zuiveringsinstallatie.
Anaërobe afbraak
Tolueen, ethylbenzeen en xylenen zijn onder verschillende anaërobe condities (nitraatreducerend, ijzerreducerend, sulfaatreducerend en methanogeen) afbreekbaar. Onder deze condities kan benzeenafbraak ook optreden, maar praktijkervaring laat voor deze component een wisselend beeld zien.
Anaërobe saneringstechnieken voor aromaten
Voor de gestimuleerde anaërobe biologische afbraak van aromaten komt alleen nitraat- of sulfaatdosering in aanmerking. Deze stoffen zijn goed oplosbaar en kunnen goed in het verontreinigde grondwater verspreid worden.
Het doseren van nitraat of sulfaat via directe injectie of een recirculatiesysteem is de meest geschikte anaërobe saneringsvariant voor de gestimuleerde afbraak van tolueen, ethylbenzeen en xylenen. In principe is deze techniek ook geschikt voor de aanpak van benzeen, maar uit praktijkervaring blijkt dat benzeen niet op elke locatie op deze wijze gesaneerd kan worden.
Polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK)
Polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK) is een verzamelnaam voor alle aromatische koolwaterstoffen met twee of meer ringstructuren. Bekende voorbeelden van deze stoffen zijn naftaleen, antraceen en benzo[a]pyreen.
Aërobe afbraak
In het algemeen kan worden gesteld dat PAK alleen met zuurstof kunnen worden afgebroken en dat de snelheid van afbraak omgekeerd evenredig is aan het aantal ringen. Onder aërobe condities kunnen PAK met twee en drie ringen, zoals naftaleen en fenanthreen, in de bodem relatief gemakkelijk worden afgebroken. PAK met vier of meer dan vier ringen zijn nauwelijks afbreekbaar.
Aërobe saneringstechnieken voor PAK’s
Bioventing en biosparging zijn geschikt voor de aanpak van PAK met twee en drie ringen (lichte PAK’s).
Anaërobe afbraak
Naftaleen kan in principe ook onder anaërobe condities worden afgebroken, maar deze afbraak treedt niet altijd op. De oorzaak hiervan is vooralsnog niet bekend.
Gechloreerde verbindingen
De meest voorkomende bodemverontreinigingen met gechloreerde verbindingen zijn tetrachlooretheen (PER), trichlooretheen (TRI) en trichloorethaan (1,1,1-TCA of 1,1,2-TCA). Navolgend zijn vooral de afbraakroutes van deze stoffen en de tussenproducten die hierbij kunnen ontstaan (zoals cis- en trans-dichlooretheen (DCE), vinylchloride (VC) en dichloorethanen (DCA)) behandeld.
De afbraak van gechloreerde ethenen en ethanen kan via verschillende afbraakroutes verlopen. Welke afbraakroute optreedt is sterk afhankelijk van het aantal chlooratomen dat de stof bevat en de redoxcondities in de bodem die voor de toepassing van gestimuleerde afbraak zijn opgelegd.
Aërobe afbraak
In het algemeen worden verbindingen met veel chlooratomen niet aëroob afgebroken. Zo is afbraak van PER of TCA met zuurstof niet mogelijk. Lager gechloreerde verbindingen zoals TRI, 1,2-dichloorethaan (1,2-DCA), cis-dichlooretheen (cis-DCE), vinylchloride (VC), 1,1-dichloorethaan (1,1-DCA) en chloorethaan (CA) kunnen onder aërobe omstandigheden wel worden afgebroken. Daarbij zijn twee mogelijke processen te onderscheiden, namelijk oxidatieve afbraak en co-metabolische afbraak.
Bij oxidatieve afbraak fungeert de verontreiniging als voedingsstof (elektronendonor) voor de bacteriën, waarbij zuurstof als elektronenacceptor optreedt. Afbraakproducten van oxidatieve afbraak van VOCl zijn koolstofdioxide, chloride en water. Om van dit proces gebruik te maken dient zuurstof aan het grondwater te worden toegediend en mag geen oorspronkelijk product als PER of TCA meer aanwezig zijn. Deze gechloreerde verbindingen worden onder aërobe condities namelijk niet afgebroken.
Aërobe saneringstechnieken voor VOCl
Gestimuleerde aërobe afbraak van lager gechloreerde verbindingen kan plaatsvinden door toediening van zuurstof, vergelijkbaar met het principe van bioventing/biosparging. Omdat hoger gechloreerde verbindingen niet aëroob afbreekbaar zijn, kan deze techniek alleen ingezet worden als al enige mate van natuurlijke afbraak is opgetreden en er enkel tussenproducten als cis-DCE, VC of DCA aanwezig zijn. Dit is bijvoorbeeld van toepassing in een pluimgebied met alleen cis-DCE en VC. Een VOCl verontreiniging waarbij ook nog de oorspronkelijke hoog gechloreerde verbindingen aanwezig zijn wordt biologisch volledig anaëroob aangepakt middels reductieve dechlorering.
Co-metabolische afbraak wil zeggen dat de betreffende verontreiniging alleen niet voldoende is voor activiteit van de bacteriën, maar dat een aanvullende component (het co-substraat) nodig is om afbraak te genereren. Zo kan TRI aëroob alleen worden afgebroken in de aanwezigheid van bijvoorbeeld tolueen of fenol als co-substraat. Er worden dan enzymen aangemaakt die - toevalligerwijze - ook TRI kunnen aanpakken.
Voor de toepassing van co-metabolische afbraak dient naast zuurstof ook een co-substraat te worden gedoseerd. In Nederland is dit concept in het verleden zeer beperkt toegepast.
Anaërobe afbraak
Afbraak van gechloreerde ethenen waarbij de verontreiniging als elektronenacceptor fungeert (en niet zoals bij de meeste verontreinigingen als elektronendonor) is onder anaërobe omstandigheden het belangrijkste afbraakproces. Dit proces wordt reductieve dechlorering genoemd. Bij reductieve dechlorering van PER en TRI wordt stapsgewijs een chlooratoom afgesplitst en ontstaan lager gechloreerde ethenen, zoals cis-DCE en VC. Bij afbraak van 1,1,1-TCA ontstaat achtereenvolgens 1,1-DCA en monochloorethaan (CA). Onder gunstige condities wordt uiteindelijke volledige dechlorering bereikt met als onschadelijke eindproducten etheen en/of ethaan (figuur 5).
Onder aërobe of nitraatreducerende omstandigheden treedt nagenoeg geen afbraak op van PER en TRI, onder ijzer- of sulfaatreducerende omstandigheden treedt onvolledige afbraak van PER en TRI op tot cis-DCE. Volledige afbraak tot etheen en/of ethaan treedt alleen op onder methanogene omstandigheden. Deze condities zijn alleen aanwezig als er voldoende afbreekbaar elektronendonor in de bodem aanwezig is of aan de bodem wordt gedoseerd.
Anaërobe saneringstechnieken voor VOCl
Om de afbraak volledig te laten verlopen en de snelheid van afbraak te verhogen dient een geschikte en onschadelijke elektronendonor aan de bodem te worden toegevoegd. Soms worden er ook bacteriën gedoseerd.
Gestimuleerde afbraak in Nederland
Aërobe gestimuleerde afbraak
Het grondwater in Nederland is overwegend zuurstofloos. Om de aërobe afbraak van bijvoorbeeld minerale olie te stimuleren dient de bodem van zuurstof te worden voorzien. Het doseren van zuurstof is daarom een veel voorkomende techniek om de biologische afbraak van minerale olie, aromaten en lichte PAK te stimuleren.
Bij minerale olie en PAK moet rekening worden gehouden met een immobiele restverontreiniging bestaande uit de zwaardere bestanddelen. Typische rendementen die met in-situ aërobe afbraak van minerale olie behaald kunnen worden liggen gemiddeld tussen de 70 en 95% vrachtverwijdering.
Anaërobe gestimuleerde afbraak
In het westen en het noordoosten van Nederland zijn gebieden aanwezig waar in het grondwater in de klei- en veenlagen veel organisch materiaal aanwezig is. De grote hoeveelheid organisch materiaal veroorzaakt een sterk anaëroob (sulfaatreducerend tot methanogeen) milieu waar door de slechte doorlatendheid van de bodem weinig aanvoer van elektronenacceptoren plaatsvindt. Hierdoor is de kans aanwezig dat de anaërobe afbraak (reductieve dechlorering) van gechloreerde verbindingen van nature al verloopt. Per geval dient echter wel beoordeeld te worden of deze in beoordeling en haalbaarheid van natuurlijke afbraak voldoende mate verloopt, ook in de toekomst blijft verlopen en welke toegevoegde waarde stimulatie van de afbraak heeft (bijvoorbeeld het verkorten van de saneringsduur).
De potentie voor natuurlijke afbraak van aromaten is in deze gebieden juist lager, omdat de geschikte elektronenacceptoren al zijn gereduceerd. Aërobe stimulatie via biosparging/bioventing heeft voor de biologische afbraak van aromaten de voorkeur, maar is minder geschikt aangezien de slechtere doorlatendheid van de bodem een goede injectie van lucht verhindert en zuurstof ook verbruikt wordt voor oxidatie van andere verbindingen, zoals natuurlijk organisch materiaal (geeft risico op zettingen), gereduceerd ijzer (II) en sulfides. Anaërobe stimulatie via dosering van nitraat of sulfaat is hier wel een optie.
De zandgronden in het zuiden en oosten van Nederland worden gekarakteriseerd door de aanwezigheid van nitraat en sulfaat en lage concentraties aan natuurlijke organische verbindingen. Hierdoor verloopt de natuurlijke afbraak van gechloreerde verbindingen van nature minder goed en is de dosering van koolstofbron en/of bacteriën vaak noodzakelijk om de afbraak van gechloreerde verbindingen te stimuleren. De condities zijn vaak wel geschikt voor de natuurlijke afbraak van aromaten, maar kunnen in veel gevallen worden geoptimaliseerd door toediening van nitraat en/of sulfaat. Hiermee wordt de balans tussen elektronendonor (de verontreiniging) en elektronenacceptor hersteld.
Nutriëntendosering
Over het algemeen bevat de Nederlandse bodem voldoende nutriënten voor natuurlijke afbraak van lage concentraties opgeloste verontreiniging. Bij hoge concentraties aan verontreinigingen is de concentratie aan nutriënten vaak onvoldoende om de afbraak in stand te houden. Dit probleem doet zich met name voor bij de aërobe biologische sanering van minerale olie, waar vaak concentraties van duizenden mg/kg ds aan verontreiniging voorkomen. Daarom is het bijna altijd noodzakelijk om bij de aërobe biologische sanering van minerale olie naast zuurstof ook nutriënten te doseren. Ook voor de anaërobe sanering van gechloreerde verbindingen is nutriëntendosering noodzakelijk omdat voor het stimuleren van de afbraak een goed afbreekbare elektronendonor wordt toegevoegd in hoge concentraties. Deze elektronendonor kan pas voor het afbraakproces worden gebruikt als ook voldoende nutriënten beschikbaar zijn.
Puur product zones
In geval van drijflagen met minerale olieproducten of zaklagen van gechloreerde oplosmiddelen (puur product zones) is de toepassing van gestimuleerde afbraak alléén onvoldoende om op redelijke termijn de sanering af te ronden. Verontreinigingen dienen namelijk eerst in opgeloste vorm aanwezig te zijn voordat ze kunnen worden afgebroken. Het in oplossing gaan van grote hoeveelheden puur product kan zo lang duren dat het in stand houden van gunstige condities gedurende deze tijd geen reële optie is. Voor een efficiënte sanering op basis van gestimuleerde afbraak dient de drijflaag of het puur product eerst middels drijflaagsaneringstechnieken verwijderd te worden.
Voor een overzicht waarin aangegeven wordt op welke wijze verschillende verontreinigingen het beste biologisch gestimuleerd kunnen worden zie overzicht in-situ gestimuleerde afbraak
Aanvullende informatie