Sanierung von Böden und Sedimenten
Umweltprobleme, die durch Waldbrände, Unfälle mit Öltankern und auslaufendes Öl aus Autos und Lastwagen, undichte Behälter, Industrieunfälle und unsachgemäß entsorgte Abfälle entstehen, tragen zur Verunreinigung von Böden bei. Zahlreiche Tonnen von Böden und Sedimenten in der Welt wurden mit Dioxinen kontaminiert, die eine geeignete Sanierungsmethode erfordern. Für die Sanierung von Böden und Sedimenten können folgende Methoden angewandt werden: on site oder in situ und off site oder ex situ.
Radiolytischer Abbau: Ionisierende Strahlung in Form von hochenergetischen Elektronenstrahlen und Gammastrahlen ist eine mögliche nichtthermische Zerstörungstechnik. Theoretische und einige empirische Bewertungen deuten darauf hin, dass diese Hochenergiequellen gut geeignet sein könnten, Dioxin in unschädliche Produkte umzuwandeln. Die Gammaradiolyse hat sich beim Abbau von PCDD und PCB in organischen Lösungsmitteln und bei der Desinfektion von Abwässern als wirksam erwiesen. Die Untersuchung der Nebenprodukte und die Berechnungen der theoretischen Zieltheorie zeigen, dass die Zerstörung von TCDD durch reduktive Dechlorierung erfolgt. Es wurde auch festgestellt, dass die Zugabe von Promotoren (z. B. Aktivkohle) zu den Giftstoffen den Prozentsatz der Zerstörung unter Elektronenstrahlung erhöht.
Basenkatalysierte Dechlorierung: Die basenkatalysierte Dechlorierung (BCD) ist ein chemisches Dehalogenierungsverfahren. Er beinhaltet die Zugabe eines Alkali- oder Erdalkalimetallcarbonats, -bicarbonats oder -hydroxids zum kontaminierten Medium. Das BCD-Verfahren wird in einem thermischen Mitteltemperatur-Desorber (MTTD) bei Temperaturen zwischen 315°C und 426°C eingeleitet. Dem verunreinigten Medium wird Alkali in Anteilen von 1 bis etwa 20 Gewichtsprozent zugesetzt. Dem Gemisch wird eine Wasserstoffdonatorverbindung zugesetzt, um Wasserstoffionen für die Reaktion bereitzustellen, sofern diese Ionen nicht bereits im kontaminierten Material vorhanden sind. Das BCD-Verfahren entgiftet dann die chlorierten organischen Schadstoffe chemisch, indem Chlor aus den Schadstoffen entfernt und durch Wasserstoff ersetzt wird. So wurden beispielsweise PCB- und dioxinverseuchte Öle mit Na/NH3 saniert, ebenso wie PCB-verseuchte Böden und Schlämme von kontaminierten Standorten.
Unterkritische Wasserbehandlung: Wasser, das durch Anwendung von Druck in einem flüssigen Zustand oberhalb von 100°C gehalten wird, wird als unterkritisches Wasser bezeichnet. Es hat ähnliche Eigenschaften wie die organischen Lösungsmittel und kann als gutartiges Medium dienen. Es wurde bereits zur Extraktion von PCB und anderen organischen Schadstoffen aus Böden und Sedimenten verwendet. Einige Forscher untersuchten den Einsatz von nullwertigem Eisen (ZVI) bei der reduktiven Dechlorierung von PCDD und der Sanierung kontaminierter Böden mit unterkritischem Wasser als Reaktionsmedium und Extraktionslösungsmittel. Es wurde festgestellt, dass durch die Verwendung von Eisenpulver als Matrix die höher chlorierten Kongenere praktisch vollständig auf weniger als das tetrasubstituierte Homolog reduziert wurden. Nullwertiges Eisen hat sich als eines der wirksamsten Mittel zur Umweltsanierung durchgesetzt. Es ist kostengünstig, einfach zu handhaben und wirksam bei der Behandlung eines breiten Spektrums von chlorierten Verbindungen oder Schwermetallen. Es wird weithin in situ, ex situ oder als Teil eines kontrollierten Behandlungsprozesses in Abwasser, Trinkwasser, Bodenverbesserungen und Abraumhalden eingesetzt.
Thermische Desorption: Die thermische Desorption ist ein Trennverfahren, das häufig zur Sanierung vieler Superfund-Standorte eingesetzt wird. Dabei handelt es sich um eine Ex-situ-Sanierungstechnologie, bei der Erdölkohlenwasserstoffe mit Hilfe von Wärme physikalisch von ausgehobenen Böden getrennt werden. Thermische Desorber sind darauf ausgelegt, Böden auf Temperaturen zu erhitzen, die ausreichen, um die Bestandteile zu verflüchtigen und aus dem Boden zu desorbieren (physikalisch abzutrennen). Obwohl sie nicht dafür ausgelegt sind, organische Bestandteile zu zersetzen, können thermische Desorber je nach den vorhandenen organischen Stoffen und der Temperatur des Desorbersystems dazu führen, dass sich einige der Bestandteile vollständig oder teilweise zersetzen. Die verdampften Kohlenwasserstoffe werden im Allgemeinen in einer Nachbehandlungsanlage (z. B. Nachbrenner, katalytische Oxidationskammer, Kondensator oder Kohlenstoffadsorptionsanlage) behandelt, bevor sie in die Atmosphäre abgegeben werden. Nachverbrennungsanlagen und Oxidationsanlagen zerstören die organischen Bestandteile. Kondensatoren und Kohlenstoffadsorptionsanlagen fangen die organischen Verbindungen für die nachfolgende Behandlung oder Entsorgung auf.
In-situ-Photolyse: Bei dieser Methode können Dioxine unter geeigneten Bedingungen durch Sonnenlicht photolysiert werden. Sie ist kostengünstig und weniger zerstörerisch für den Standort. Ein organisches Lösungsmittelgemisch wird in den kontaminierten Boden eingebracht, und dann wird dem Dioxin Zeit gegeben, sich zu lösen, zu transportieren und photochemisch abzubauen. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche des Bodens mit dem schwach toxischen organischen Lösungsmittel besprüht und unter Sonneneinstrahlung photochemisch abgebaut. Mehrere Forscher haben diesen Ansatz angewandt und festgestellt, dass sich Dioxine auf der Bodenoberfläche nach dem Besprühen mit verschiedenen organischen Stoffen wie Isooctan, Hexan, Cyclohexan usw. rasch zersetzen. Es wurde festgestellt, dass solarinduzierte photolytische Reaktionen ein Hauptmechanismus für die Umwandlung dieser Chemikalien in weniger toxische Abbauprodukte sein können. Die konvektive Aufwärtsbewegung der Dioxine beim Verdampfen der flüchtigen Lösungsmittel war der wichtigste Transportmechanismus in diesen Studien. Die Wirksamkeit dieses Prozesses hängt von einem Gleichgewicht zwischen zwei geschwindigkeitskontrollierenden Faktoren ab: dem konvektiven Transport an die Oberfläche und der Verfügbarkeit von Sonnenlicht für den Photoabbau.
Lösungsmittel- und Flüssiggas-Extraktion: Bei der Extraktion handelt es sich um ein physikalisch-chemisches Verfahren zur Abtrennung organischer Schadstoffe aus dem Boden und den Sedimenten, wodurch die Menge der zu vernichtenden Schadstoffe konzentriert und reduziert wird. Dabei handelt es sich um ein Ex-situ-Verfahren, bei dem der kontaminierte Boden ausgehoben und mit dem Lösungsmittel vermischt wird. Am Ende entstehen relativ saubere Böden und Sedimente, die an den Standort zurückgeführt werden können. Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) hat ein Lösungsmittel-Extraktionsverfahren im Pilotmaßstab bewertet, bei dem verflüssigtes Propan zur Extraktion organischer Schadstoffe aus Boden und Sedimenten verwendet wird. Etwa 1000 Pfund Boden mit einer durchschnittlichen PCB-Konzentration von 260 mg/kg wurden von einem abgelegenen Superfund-Standort entnommen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Effizienz der PCB-Entfernung zwischen 91,4 % und 99,4 % lag, wobei die mit Propan extrahierten Böden niedrige PCB-Konzentrationen (19,0-1,8 mg/kg) enthielten. Es wurde festgestellt, dass die Gesamteffizienz der Extraktion von der Anzahl der verwendeten Extraktionszyklen abhängt.
Dampfdestillation: Eine Destillation, bei der die Verdampfung der flüchtigen Bestandteile eines Flüssigkeitsgemisches bei einer niedrigeren Temperatur (als die Siedepunkte der beiden reinen Flüssigkeiten) durch die Einführung von Dampf direkt in die Charge erfolgt. Sie ist ein ideales Verfahren, um flüchtige Verbindungen mit hoher Ausbeute von nichtflüchtigen Verunreinigungen zu trennen. Die Wasserdampfdestillation ist in Verbindung mit Mikrowellenenergie eine wirksame Methode zur Behandlung von kontaminierten Böden und Sedimenten. Die Mikrowellenbehandlungen können an die einzelnen Abfallströme angepasst werden: Je nach Boden, Schadstoffen und deren Konzentrationen kann die Sanierungsbehandlung in mehreren Schritten durchgeführt werden, bis das gewünschte Sanierungsniveau erreicht ist. Alle Schadstoffe konnten bis auf nicht nachweisbare oder Spurenwerte entfernt werden. Die Wasserdampfdestillation erwies sich als wirksam für die Entfernung von 2,7-Dichlordibenzo-p-dioxin (DCDD) aus mit DCDD belastetem Boden. Die DCDD-Konzentration (250 μg/50 g Boden) im ursprünglichen Boden sank nach nur 20-minütiger Wasserdampfdestillation auf weniger als 5 %. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Wasserdampfdestillation eine neue Sanierungsmethode für mit Dioxinen kontaminierte Böden sein könnte.
Mechanochemisch (MC): Bei dieser Technologie wird die mechanische Energie von den Mahlkörpern auf das Feststoffsystem übertragen, je nach verwendetem Gerät durch Scherspannung oder Kompression. Ein großer Teil der Fräsenergie wird in Wärme umgewandelt und ein kleinerer Teil wird zur Erzeugung von Brüchen, Dehnungen und Verdichtungen auf mikro- und makroskopischer Ebene oder zur Durchführung einer Reaktion verwendet. Der MC-Abbau kann leicht mit Hilfe von Kugelmühlen durchgeführt werden, die in verschiedenen Größen (die Behandlung von Materialien bis zu mehreren Tonnen ist möglich) und Konstruktionen erhältlich sind. Die Schadstoffe werden direkt im Inneren des kontaminierten Materials beseitigt, unabhängig von der komplexen Struktur und der starken Natur des Schadstoffs. Diese Methode bietet ein hohes Potenzial für die Entsorgung organischer Abfälle an jedem gewünschten Ort mit flexibler Arbeitsweise, da eine tragbare Anlage verwendet wird, die aus einer Mühle und einem Waschbehälter mit Filter besteht. Obwohl diese Methode ein Entchlorungsreagenz wie CaO für den Mahlvorgang benötigt, ist kein Erhitzungsvorgang erforderlich. Um die Anwendung der MC-Dechlorierungsmethode zu unterstützen, wäre es nützlich, eine Korrelation zwischen der Dechlorierungsrate organischer Abfälle und den Mahlbedingungen (MC) zu haben, um die optimalen Bedingungen in einem vergrößerten MC-Reaktor zu bestimmen. Die Methode bietet mehrere wirtschaftliche und ökologische Vorteile: Die Kugelvermahlung erfordert nur einen geringen Energieeinsatz. Aufgrund der ausgesprochen schonenden Reaktionsbedingungen können toxische Verbindungen in definierte und verwertbare Produkte umgewandelt werden. Schädliche Emissionen in die Umwelt sind nicht zu erwarten. Dies eröffnete die Entwicklung neuartiger, innovativer Ex-situ-Dioxinsanierungs- und Dekontaminationsverfahren.
Biodegradationsverfahren: Die Bioremediation ist ein Behandlungsverfahren, bei dem Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien eingesetzt werden, um gefährliche Stoffe in ungiftige Stoffe abzubauen. Die Mikroorganismen zerlegen die organischen Schadstoffe in harmlose Produkte, vor allem Kohlendioxid und Wasser. Sobald die Schadstoffe abgebaut sind, reduziert sich die mikrobielle Population, da sie ihre gesamte Nahrungsquelle verbraucht hat. Das Ausmaß des biologischen Abbaus hängt in hohem Maße von der Toxizität und der Anfangskonzentration der Schadstoffe, ihrer biologischen Abbaubarkeit, den Eigenschaften des kontaminierten Bodens und der Art der ausgewählten Mikroorganismen ab. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Mikroorganismen: einheimische und exogene. Bei ersteren handelt es sich um Mikroorganismen, die bereits an einem bestimmten Standort leben. Um das Wachstum dieser einheimischen Mikroorganismen anzuregen, müssen unter Umständen die richtige Bodentemperatur, der richtige Sauerstoff- und Nährstoffgehalt bereitgestellt werden. Wenn die biologische Aktivität, die für den Abbau eines bestimmten Schadstoffs erforderlich ist, im Boden des Standorts nicht vorhanden ist, können dem kontaminierten Boden Mikroorganismen von anderen Standorten, deren Wirksamkeit getestet wurde, zugesetzt werden. Diese werden als exogene Mikroorganismen bezeichnet.