Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen eines verunreinigten Bodenbereiches, der Grundwasser umfasst, an Ort und Stelle mittels Mikroorganismen.

Es ist allgemein bekannt, dass die Bodenverschmutzung ein weltweites Problem ist. Die gegenwärtige Art im Umgang mit diesem Problem ist, dass der Boden isoliert wird, nachdem die schlimmste Verunreinigung entfernt und woanders gelagert wurde. Obwohl dieses Verfahren preisgünstig ist, liefert es keine echte Lösung für das Problem.

In der internationalen Patentanmeldung WO 93/22241 wurde beschrieben, wie verschmutztes Grundwasser mittels trichterförmiger Wandelemente durch ein Tor (oder Tore) in ein festes Behandlungsmaterial geleitet wird. Die Druckschrift DE 40 11 175 C beschreibt, wie die chemische Reinigung von Abwasser einer Schutthalde durch die Anwendung von Sauerstoff durch elektrolytische Entmischung des Abwassers verbessert wurde. Von der Druckschrift DE-A-38 00 713 ist ein Verfahren bekannt, bei dem verunreinigtes Wasser mit Mikroorganismen behandelt wird, wobei das verunreinigte Wasser in einer aus Kammern bestehenden Vorrichtung behandelt wird, von denen jede eine Scheidewand und zwei Elektroden enthält.

Ein anderes vielversprechendes Verfahren ist die Umwandlung an Ort und Stelle mittels biologischer Verfahren. Hier findet eine Umwandlung der chemischen Verbindungen im Boden selbst statt mittels Mikroorganismen, die im Boden vorhanden sind oder die Der anaeroben Phase im biologischen Abbau von Chlorkohlenwasserstoffen muss häufig eine aerobe Phase zur Sicherung einer vollständigen Entmischung der verunreinigenden Verbindungen folgen. Diese sauerstoffreiche Phase wird gewöhnlich durch das Einblasen von Druckluft bewirkt. Ein Nachteil dieses Verfahrens der Zuführung von Sauerstoff ist, dass sich Chlorkohlenwasserstoffe dadurch verflüchtigen, was Gegenmaßnahmen erfordert, die zusätzliche Kosten verursachen.

Außerdem ist es schwierig, eine Trennung zwischen dem anaeroben Bereich und dem aeroben Bereich sowie die Steuerung der Grundwasserströmung durch die zwei Bereiche zu realisieren, so dass es das Risiko einer unvollständigen Zersetzung und der Ausbreitung giftiger Zwischenprodukte gibt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens an Ort und Stelle zur Reinigung eines verunreinigten Bodenbereiches, der Grundwasser umfasst, durch Mikroorganismen. Für diesen Zweck ist das Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der zu reinigende Bodenbereich umschlossen wird und dass eine oder mehrere Elektroden, die flüssigkeitsdurchlässig sind, in dem Bodenbereich angeordnet werden, eine negative oder positive Spannung an eine oder mehrere Elektroden angelegt wird und die Grundwasserströmung hauptsächlich durch die eine oder mehrere Elektroden direkt geleitet wird, während auch eine oder mehrere Gegenelektroden mit entgegengesetzter Spannung in dem Boden angeordnet werden, wobei die Elektrode ein Gazematerial aufweist.

Elektronische Donatoren oder Akzeptoren werden an Ort und Stelle vom im Boden befindlichen Wasser durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzeugt. Ein elektronischer Donator oder Akzeptor wird in Abhängigkeit von der Polarität der Spannung über den gesamten Oberflächenbereich der Elektroden gebildet. Da der Oberflächenbereich der Elektroden verhältnismäßig groß ist, vorzugsweise so, dass im Wesentlichen das gesamte Grundwasser aus dem eingeschlossenen Bodenbereich dahindurch gelangt, bedeutet dies, dass eine gleichmäßige Ausbreitung von elektronischen Donatoren oder Akzeptoren über einen großen Oberflächenbereich stattfinden wird. Diese Situation ist für vorhandene oder hinzugefügte Mikroorganismen, die elektronische Donatoren oder Akzeptoren verbrauchen, ideal. Die Mikroorganismen werden wachsen und eine optimale Aktivität bei der Umwandlung und dem Abbau von Verunreinigungen im Boden zeigen.

An die Elektrode wird in Abhängigkeit von der Art der Verunreinigung und der Art der Mikroorganismen, die die Verunreinigungen abbauen sollen, eine positive oder negative Spannung angelegt. Die Elektrode, die flüssigkeitsdurchlässig ist, wird im Boden an der gewünschten Stelle und eine zweite (Gegen)elektrode in der Nähe der durchlässigen Elektrode angeordnet, um den elektrischen Stromkreis zu schließen. Diese Gegenelektrode ist in vielen Fällen lediglich als Gegenpol wirksam und kann verschiedene Formen besitzen. Beim Abbau der Chlorkohlenwasserstoffe ist es vorteilhaft, eine Elektrode mit einer negativen Spannung und die flüssigkeitsdurchlässig ist sowie eine Elektrode mit einer positiven Spannung und die flüssigkeitsdurchlässig ist, hintereinander einzusetzen, um hintereinander eine anaerobe und eine aerobe Phase zu erzeugen. In diesem Fall sind sowohl die erste als auch die zweite Elektrode entsprechend flüssigkeitsdurchlässig.

Insbesondere besteht die Elektrode aus einem im Wesentlichen flachen Element, das, zumindest an seiner Oberfläche, ein elektronenleitendes Material aufweist und das mit Öffnungen versehen ist. Eine solche Elektrode sorgt für eine gute Ausbreitung von elektronischen Donatoren oder Akzeptoren im Boden, während gleichzeitig eine gute Grundwasserströmung mit den Verunreinigungen darin abgesichert wird.

Die Elektrode besteht aus einem elektronenleitenden Gazematerial. Vorteilhafterweise besteht die Elektrode aus Metall.

Wenn eine positive Spannung an die Elektrode angelegt wird, werden elektronische Akzeptoren, wie zum Beispiel Sauerstoff erzeugt, wobei eine negative Spannung zur Erzeugung von elektronischen Donatoren, wie zum Beispiel Wasserstoff, führt. Normalerweise bildet Sauerstoff den elektronischen Akzeptor und Wasserstoff den elektronischen Donator, wobei aber durch die Einführung bestimmter Verbindungen in den entsprechenden Bodenbereich selbstverständlich erreicht werden kann, dass andere Akzeptoren oder Donatoren erzeugt werden.

Der Bodenbereich wird vorzugsweise durch die Verwendung von im Wesentlichen vertikalen Wandelementen, die wasserundurchlässig sind, umschlossen, so dass eine durch diese Elemente gelenkte Grundwasserströmung durch die elektronenleitenden Elemente gelangt, die im Bodenbereich oder diesem unmittelbar benachbart vorhanden sind. In einem sehr vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der zu reinigende Bodenbereich mittels einer Umgrenzung des Bodenbereiches lokalisiert, die durch im Wesentlichen vertikale Wände gebildet wird, in denen an definierten Stellen Öffnungen belassen worden sind, so dass die Grundwasserströmung den Bodenbereich im Wesentlichen nur an diesen Öffnungen verlassen kann. Die Elektroden sind in diesem Fall zwischen den Öffnungen oder diesen benachbart angeordnet.

Obwohl das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bereits an Ort und Stelle im verunreinigten Bodenbereich durchgeführt wurde, ist es selbstverständlich auch möglich, die biologische Umwandlungsreaktion mittels Mikroorganismen nicht am Ort des verunreinigten Bodenbereiches selbst stattfinden zu lassen, sondern stattdessen in speziell ausgeführten Reaktoren, in denen eine ähnliche elektrochemische Erzeugung von elektronischen Donatoren und/ oder Akzeptoren an Ort und Stelle durchgeführt wird.

Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Elektrode, die zur Nutzung in dem erfindungsgemäßen Verfahren wie es oben beschrieben wird, geeignet ist. Diese Elektrode besteht im Wesentlichen aus einem flachen, elektronenleitenden Element, das aus einem Gazematerial hergestellt wurde, während zumindest die Oberfläche des Gazematerials ein elektronenleitendes Material, wie zum Beispiel ein Metall, aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen zeigen:

Fig. 1 schematisch einen verunreinigten Bodenbereich, der von Wänden begrenzt ist, in denen Öffnungen freigelassen wurden;

Fig. 2 schematisch einen weiteren von Wänden begrenzten Bodenbereich;

Fig. 3 schematisch eine Elektrode gemäßen der vorliegenden Anmeldung; und

Fig. 4 eine schematische, teilweise Seitenansicht von zwei erfindungsgemäßen Elektroden, die hintereinander angeordnet sind und entgegengesetzte Ladungspolaritäten aufweisen.

Fig. 1 zeigt schematisch einen verunreinigten Bodenbereich 1, der von im Wesentlichen vertikalen Wandelementen 2 umschlossen ist. Diese Wandelemente 2 können zum Beispiel bekannte Spundwände sein, die wasserundurchlässig sind. Der Bodenbereich 1 ist nicht vollständig von den Wandelementen oder Spundwänden umgeben; es wurden Öffnungen 3 darin belassen. Diese Öffnungen 3 werden auch biologische Filtersiebe genannt, wobei die Gestaltung der Wand 2 im Verhältnis zu den Öffnungen oder biologischen Filtersieben 3 so ist, dass das im verunreinigten Bodenbereich vorhandene Grundwasser hauptsächlich von dem durch die Wände 2 begrenzten Bodenbereich durch diese Öffnungen 3 fließt. Fig. 2 zeigt außerdem einen durch Wände begrenzten verunreinigten Bodenbereich 1. In diesem Fall ist der Bodenbereich 1 nicht vollständig von den Wandelementen 2 außerhalb der Öffnungen 3 umschlossen, wobei aber die Wandelemente 2 im verunreinigten Bodenbereich 1 so angeordnet sind, dass die im Bodenbereich vorhandene Grundwasserströmung von den Wänden in Richtung der Öffnung 3 gelenkt wird. Folglich wird sowohl durch die Anordnung in Fig. 1 als auch durch die Anordnung in Fig. 2 erreicht, dass die im verunreinigten Bodenbereich 1 vorhandene Grundwasserströmung gezwungen wird, diesen Bodenbereich über die Öffnungen 3 zu verlassen. Das bedeutet, dass die im Bodenbereich 1 vorhandenen und durch das Grundwasser fortgetragenen verunreinigenden Verbindungen den Bodenbereich 1 ebenfalls über die Öffnungen 3 verlassen werden.

Wie in der vorliegenden Anmeldung oben angemerkt wurde, sind die im Boden vorhandenen Mikroorganismen von selbst nicht aktiv genug, um die verunreinigenden Verbindungen umzuwandeln oder abzubauen. Es sind Bedingungen zu schaffen, bei denen diese Mikroorganismen optimal wachsen und eine entsprechende Aktivität zeigen können, um eine solche Umwandlung oder Zersetzung zu erreichen. Diese Bedingungen können dadurch geschaffen werden, dass für eine gleichmäßige Verteilung von elektronischen Donatoren oder Akzeptoren im Boden gesorgt wird. Eine Anzahl von Mikroorganismen wächst und ist unter dem Einfluss von elektronischen Donatoren optimal aktiv, wogegen andere Mikroorganismen unter dem Einfluss von elektronischen Akzeptoren optimal funktionieren. Die Schaffung einer zufriedenstellenden Ausbreitung der Öffnung 3 benachbarten elektronischen Donatoren oder Akzeptoren wird dementsprechend zu einer optimalen Effektivität der Mikroorganismen an Ort und Stelle führen und damit zu einer vollständigen Zersetzung der Verunreinigungen aus dem verunreinigten Bodenbereich, die durch die Öffnung gelangen.

Die Verteilung von elektronischen Donatoren oder Akzeptoren durch den Boden, wie oben erwähnt, kann durch Anordnung der Elektroden, die flüssigkeitsdurchlässig sind, gemäß der vorliegenden Erfindung in den Öffnungen 3 oder diesen benachbart erreicht werden. Die Elektrode 4 besteht gemäß der Erfindung aus einer flachen, elektronenleitenden Gaze 5, die zum Beispiel in einem Rahmen 6 mit einer Größe, die vorzugsweise der Größe der Öffnung(en) 3 entspricht, montiert ist. An die Gaze 5 wird eine negative Spannung zum Erzeugen von elektronischen Donatoren oder eine positive Spannung zum Erzeugen von elektronischen Akzeptoren angelegt. Um den Stromkreis zu schließen, wird eine zweite Elektrode 7 an eine entgegengesetzte Spannung in größerer oder kleinerer Entfernung von der Elektrode 4 angeschlossen. Diese zweite Elektrode kann eine "normale" Elektrode oder wahlweise auch eine flüssigkeitsdurchlässige Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung sein. Diese zweite Situation ist in Fig. 4 dargestellt, wo eine erste flüssigkeitsdurchlässige Elektrode 4 mit einem negativen Pol 8 einer Gleichspannungsquelle 10 verbunden ist, und eine zweite flüssigkeitsdurchlässige Elektrode 7 unmittelbar neben der ersten angeordnet und mit einem positiven Pol 9 der Gleichspannungsquelle 10 verbunden ist.

Wenn die Elektroden von Fig. 3 und Fig. 4 in den Öffnungen 3 des von Wänden 2 begrenzten verunreinigten Bodenbereiches 1 angeordnet sind, entsteht die folgende Situation. Wenn ein Element gemäß Fig. 3 in der Öffnung 3 angeordnet ist, wird eine gute Aufteilung von elektronischen Donatoren oder Akzeptoren im Bereich der Öffnung in Abhängigkeit von der an die Gaze angelegten Spannung erreicht. Das Anlegen einer negativen Spannung führt zur Bildung von elektronischen Donatoren, einer positiven Spannung zur Bildung von elektronischen Akzeptoren. In Abhängigkeit von der Verunreinigung und den im Boden vorhandenen Mikroorganismen wird eine Spannung an die Gaze angelegt, so dass für die Effektivität der im Boden vorhandenen Mikroorganismen optimierte Bedingungen vorherrschen werden. Es wird angemerkt, dass dem Bodenbereich zusätzliche Mikroorganismen und/ oder Chemikalien zugeführt werden können, um einen noch besseren oder vollständigeren Abbau oder Umwandlung der Verschmutzungsstoffe zu erlangen.

Wenn eine Elektrode gemäß Fig. 4 in der Öffnung angeordnet ist, wird eine Grundwasserströmung, die durch die mit einem Pfeil. 11 angegebene Öffnung 3 gelangt, zuerst mit der negativen Elektrode in Berührung kommen, wo die Mikroorganismen wachsen, die die elektronischen Donatoren für ihr Wachstum und ihre Aktivität nutzen, und dann mit einer positiven Elektrode in Berührung kommen, wobei diejenigen Mikroorganismen gedeihen, die elektronische Akzeptoren nutzen. Die Reihenfolge der Elektroden kann in den Fällen, bei denen das wünschenswert ist, selbstverständlich umgekehrt werden. Eine verbesserte Zersetzung der Verunreinigungen kann damit dadurch erreicht werden, indem bestimmte Verbindungen zuerst teilweise an der einen Elektrode abgebaut und anschließend an der anderen Elektrode weiter abgebaut werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird jetzt mit einem Beispiel erläutert. Grundwasser, das 10 mg Perchlorethylen pro Liter enthält, wird durch eine Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung und mit einem Oberflächenbereich von 1 m² bei einer Geschwindigkeit von 5 m pro 24 Stunden gepumpt. Die Elektrode besteht aus zwei elektronenleitenden Gazeelementen von jeweils 1 m², die hintereinander angeordnet sind. Der gegenseitige Zwischenraum der beiden elektronenleitenden Gazeelemente beträgt 2 cm. Die Elemente sind an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Wenn das Wasser durch die Elektrode gepumpt wird, hat sich herausgestellt, dass, nachdem das Wachstum der bereits vorhandenen Mikroorganismen in Schwung gekommen ist, annähernd 10 mol, das heißt 20 g, durch die Elektroden erzeugter Wasserstoff notwendig sind, um mittels des elektronischen Donators mehr als 90% des im Grundwasser vorhandenen Perchlorethylens umzuwandeln. Die für die Umwandlung benötigte Elektroenergie beträgt ungefähr 10 kWh pro m³ durchfließendes Grundwasser.