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Exklusiv-Interview Leuna wird entgiftet: Mikrobiologischer Abbau von Methyltertiärbutylether

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

An Sachsen-Anhalts größtem Chemiestandort in Leuna werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um gefährliche Altlasten zu sanieren. Nachdem der Standortbetreiber Infraleuna seit 2007 bereits eine Forschungs- und Pilotanlage in Betrieb genommen hatte, arbeitet dort seit Juni 2014 eine bislang einzigartige großtechnische Anlage zum mikrobiologischen Abbau von Methyltertiärbutylether (MTBE). Die Reinigungsleistung: 600 Kubikmeter Wasser pro Tag.

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So schaut die reale Anlage in Leuna aus.
So schaut die reale Anlage in Leuna aus.
(Bild: UFZ/ André Künzelmann)

Hintergrund: Im ehemaligen Chemiedreieck Leuna-Buna-Bitterfeld von Sachsen-Anhalt sind Boden und Grundwasser stark mit Schadstoffen belastet. Bereits Anfang der 1990er Jahre wurde deshalb die Landesanstalt für Altlastenfreistellung (LAF) gegründet, die im Auftrag der Landesregierung die Wiederbelebung von Industriestandorten koordiniert und den Weg von Investoren in das Land erleichtern soll.

Das heutige Industriegebiet der Infraleuna wurde seit 1916 vielfältig für die chemische Industrie, Kunststoffproduktion und als Raffinerie-Standort genutzt. Durch eine Vielzahl von Havarien und Handhabungsverlusten wurden im Bereich der alten Raffinerie Mineralkohlenwasserstoffe sowie Additive, insbesondere MTBE ins Grundwasser eingetragen.

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Seit 2005 wird der komplette Grundwasserabstrom aus dem Bereich der alten Raffinerie im Rahmen eines ökologischen Großprojektes des Landes Sachsen-Anhalt mit einer Dichtwand senkrecht zur Fließrichtung komplett erfasst, an der Oberfläche technisch abgereinigt und anschließend wieder ins Grundwasser eingeleitet.

Bisher musste das entnommene Grundwasser mit hohem Wartungsaufwand physiko-chemisch behandelt werden, um es vor allem von Altlasten wie Benzol und MTBE der ehemaligen Raffinerie zu befreien. Während Benzol als giftig eingestuft ist, gilt MTBE zwar als ungefährlich, es hinterlässt im Wasser allerdings einen unangenehmen Geruch und Geschmack.

Wissenschaftler des UFZ haben ein Verfahren entwickelt, diese Schadstoffe biotechnologisch zu 100 Prozent abzubauen. Die dazu installierte Anlage ist mit deutlich reduziertem Betriebs- und Wartungsaufwand zu betreiben, erfordert dafür aber Geduld: Im Abstrom der Megasite werden noch viele Jahre Kontaminationen nachweisbar sein. So tragen niedrige Betriebskosten und gleichzeitig hohe Behandlungseffizienz entscheidend zu der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei. Mindestens zehn Jahre soll das Wasser durch die Filter fließen, 365 Tage im Jahr. Das Projekt könnte Schule machen, weil einerseits MTBE und aromatische Kontaminationen im Boden vieler Chemiestandorte zu finden sind und andererseits das Verfahren existierende Grenzwerte deutlich unterschreitet.

PROCESS sprach mit den für die Entwicklung des Verfahrens maßgeblich verantwortlichen UFZ-Mitarbeitern Prof. Dr. Roland A. Müller, Dr. Manfred van Afferden und Dr. Thore Rohwerder.

Das Interview lesen Sie auf den folgenden Seiten.

Interview mit Prof. Dr. Roland A. Müller, Dr. Manfred van Afferden und Dr. Thore Rohwerder

PROCESS: Ihr Verfahren zur Umwandlung von MTBE basiert wesentlich auf der Abbauleistung von Mikrobakterien der Spezies Aquincola tertiaricarbonis. Wie kamen Sie auf diese freundlichen Helfer?

Rohwerder: Wir haben Aquincola tertiaricarbonis vor rund zehn Jahren dort gefunden, wo es sich am wohlsten fühlt: in mit Methyltertiärbutylether kontaminiertem Grundwasser, wo es die verzweigten Alkylether als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle verwertet. Das Bakterium hat einen perfekten Stoffwechsel geschaffen, um Methyltertiärbutylether mithilfe von Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid abzubauen.

PROCESS: Wie schaut die Technik dazu aus?

van Afferden: Es handelt sich um ein Vertikalfiltersystem. Verunreinigtes Wasser wird aus vier bis sechs Metern Tiefe in ein mit grobkörnigem Blähton gefülltes Becken gepumpt. Danach fließt das Wasser in ein zweites Becken mit feinkörnigerem Filtermaterial. In beiden Becken verwerten Mikroorganismen effizient Schadstoffe, bauen Benzol und MTBE mithilfe von Sauerstoff zu Kohlendioxid ab. Dem Wasser, das teilweise mit jeweils mehr als 5000 µg MTBE und Benzol pro Liter belastet ist, werden durch die mikrobiellen Stoffwechselprozesse die giftigen Substanzen entzogen, die für das Grundwasser geltenden Grenzwerte unterschreiten wir dabei. Ist das Wasser dann gereinigt, wird es in eine Wiederversickerung geleitet und sauber ins Grundwasser zurückgeführt.

PROCESS: Das sieht auf den ersten Blick nicht besonders kompliziert aus. Was waren die Herausforderungen?

Rohwerder: Das scheinbar einfache Verfahren ist ein Ergebnis langwieriger und akribischer Forschungsarbeit im Labor. Zwar ist der Mechanismus, wie Bakterien Benzol abbauen, schon seit den 1970er Jahren bekannt. Eine Herausforderung für uns war jedoch die Arbeit mit dem Bakterium selbst: Es war schwierig, die einzelnen Bakterienstämme zu isolieren. Waren auf den Agar-Platten nur winzige Spuren anderer Substrate vorhanden, scheiterte die Anzucht des Bakterienstamms mit der gewünschten Eigenschaft. Erst nach vielen Versuchen gelang der Durchbruch mit der 108. Kolonie: Seitdem trägt Aquincola tertiaricarbonis den Beinamen L 108.

Müller: Den ersten Freilandcheck starteten wir 2007 in einer Testanlage am Standort Leuna. Dort untersuchten wir verschiedene Technologien im Hinblick auf ihr Potenzial, umweltrelevante Schadstoffe wie Benzol, Toluol, MTBE oder Ammonium aus dem Grundwasser entfernen zu können. Weil die Ergebnisse im Versuch mit der Vertikalfilteranlage äußerst positiv ausfielen, bauten wir 2011 im nächsten Schritt in Richtung Marktreife eine Pilotanlage. Diese sollte in einem einjährigen Test nun auch die ökonomische Effizienz des Verfahrens bestätigen. Das Ergebnis fiel positiv aus, das neue Verfahren erfüllte alle Erwartungen: Alle geforderten Grenzwerte wurden ganzjährlich deutlich unterschritten. Auf Basis dieser Ergebnisse gab das Land Sachsen-Anhalt grünes Licht für den Bau der großtechnischen Anlage, die wir 2014 eingeweiht haben.

PROCESS: Wie war das Scaling-up zur finalen Anlage?

van Afferden: In der Anfangsphase war die Reinigungsleistung nicht stabil, wir hatten im Winter Probleme mit den niedrigen Temperaturen und lagen mit den MTBE- und Benzol-Werten deutlich über den angestrebten Zielwerten. Vor allem galt es das Problem zu lösen, wie sich chemische Ablagerungen in den beiden Becken verhindern lassen. Das galt insbesondere den Kalk- und Eisen-Ausfällungen. Beispielsweise können Eisenoxide und Eisenhydroxide zum Problem werden, da sie den Filter verstopfen und verkrusten können. Wir haben das Filtermaterial im Grobfilter nun so gewählt, dass die Oxide als flockige Materialien den Filter leicht passieren können und danach sedimentieren. Auch die Kalkablagerungen machten Sorgen. Sie entstanden, weil Carbonat wegen der unterschiedlichen Konzentrationen von Kohlendioxid im Grundwasser und der Luft in dem Moment ausfällt, in dem das Grundwasser an die Oberfläche kommt. Doch auch dieses Problem ist nun vom Tisch: Die CO2-Konzentration in der Gasphase im Filterkörper ist nun so hoch, dass kein Carbonat mehr ausfällt.

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Müller: Damit die Mikroorganismen MTBE und Benzol auch wirklich effizient abbauen, schaffen wir für die im Grundwasser lebenden Bakterien ideale Rahmenbedingungen: Das Grundwasser, das durch die beiden Becken strömt, nimmt aus der Atmosphäre den Sauerstoff auf, den das Bakterium für die Stoffwechselprozesse zum Abbau der Schadstoffe unbedingt braucht. Wichtig war uns ferner die ganzjährige stabile Reinigungseffizienz der Grundwasserbehandlung. Durch geeignete Prozessführungsstrate-
gien konnten wir mit einfachen Mitteln eine Vereisung der Anlage verhindern.

PROCESS: Dass der Abbau funktioniert ist die eine Seite; wie ökonomisch ist das Verfahren?

Müller: Gegenüber einer herkömmlichen Anlage ist unsere zwischen 30 bis 70 Prozent kostengünstiger. Zwar sind die Investitionskosten infolge bautechnischer Besonderheiten – wie dem Bedarf spezieller Folien und dem Aushub der Gruben durch Bagger – höher. Die Energiekosten und Betriebsausgaben liegen jedoch ein Mehrfaches unter denen traditioneller Technik. Zum einen ist der Aufwand für die Betreuung der Vertikalfilteranlage klein, da sie im Unterschied zu anderen Anlagen viel seltener gewartet werden muss. Zum anderen sind die Energiekosten gering, weil nur wenige Pumpen und elektrische Aggregate zum Einsatz kommen. Geht man von einer täglichen Grundwasserreinigung von 500 000 Litern aus, sparen die Anlagenbetreiber in fünf Jahren bis zu 1,7 Millionen Euro. Je länger unsere Anlage in Betrieb ist, umso rentabler wird sie!

van Afferden: Wir wollten das Verfahren von Anfang an großtechnisch realisieren. Dass die Umsetzung so gut funktioniert hat, ist auch der engen Zusammenarbeit mit den Verantwortlichen vor Ort zu verdanken – u.a. mit der Landesanstalt für Altlastenfreistellung Sachsen-Anhalt und der Mitteldeutschen Vermögens-Verwaltungsgesellschaft. Das Verfahren lässt sich relativ schnell und unkompliziert an anderen Standorten anwenden. Alleine in Deutschland gibt es 313 000 Altlasten, davon mehrere tausend Grundwasser-Schadensfälle. Aquincola tertiaricarbonis kann nicht nur MTBE sondern auch viele andere Kraftstoff-Additive, wie das mittlerweile stark verbreitete Ethyltertiärbutylether (ETBE), abbauen.

Fazit

Die Lösung ist ökologisch und wirtschaftlich vorteilhaft. Die Chancen, dass sich die Erfolgsgeschichte dieser Reinigungstechnologie weiter fortsetzt, sind also recht groß.

* Das Interview führte Hans-Jürgen Bittermann. freier Mitarbeiter bei PROCESS.

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