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- Sulfatreduktion (3)
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- ATMP (1)
- Abbauprozesse im Boden (1)
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- Antiscalant (1)
- Carbonatpufferung (1)
- Kippengrundwasser (1)
- Literaturstudie (1)
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Zur Beschreibung der Versauerung bergbaubeeinflußter Grund- und Oberflächenwässer der Lausitz wurde das aus dem Aciditätsbegriff abgeleitete Neutralisationspotential auf die verschiedenen im Kippengrundwasser ablaufenden Reaktionen angewandt. Die Säurebildung und -pufferung läßt sich dadurch auf nur drei elementare Reaktionen reduzieren: die Pyritoxidation/Sulfatreduktion, die Carbonatpufferung und das Gipsgleichgewicht. Diese Reaktionen wurden in einem Genesemodell zusammengefasst. Damit wurden Grundwasseranalysen im Umfeld des Bergbaus auf ihre Herkunft überprüft. Aus der statistischen Auswertung der Pufferung bergbaubeeinflußter Wässer lassen sich geochemische Modelle zur Berechnung des ursprünglichen Kippengrundwassers kalibrieren. Die hier vorgestellte Methodik wird gegenwärtig bei der Vorbereitung von Sanierungsmaßnahmen eingesetzt.
Die zu versickernden Straßenoberflächen- oder schwach belasteten Abwässer sind in ihrer Zusammensetzung und ihrem zeitlichen Beschaffenheitsverhalten extrem hererogen. Das erschwert ingenieurtechnische Entscheidungen auch bei Vorliegen umfangreicher statistischer Daten. Für Straßenoberflächenwässer lassen sich reproduzierbare Modellwässer aus Kehrgutsuspensionen Und deionisiertem Wasser herstellen, die auf typische Niederschlagsereignisse ausgerichtet werden können. Die reproduzierbare Herstellung von Kehrgutsuspensionen als Modellwässer für die Straßenoberflächenwässer bildet den Kern der experimentellen Methodik. Für die analytische Bewertung von Straßenoberflächenwässern, Kehrgut und schwach belastetem Abwässern wurde eine Liste mit herkömmlichen Parametern zusammengestellt. Die ergänzende Parameterliste enthält die Parameter, die im Rahmen der vorgestellten Methoden von Bedeutung sind und relativ kostengünstig angewandt werden können.
Zur mikrobiellen Sulfatreduktion bergbauversauerter Wässer werden in Versuchsanlagen hohe Dosen organischer Substrate zudosiert. Die mögliche Beeinträchtigung nachfolgender Trinkwasseraufbereitung kann über die Bestimmung wasserwerksrelevanter Stoffe in Testfilteranlagen untersucht werden. Die Prüfung der Methodik ergab, dass zur Bestimmung wasserwerksrelevanter Stoffe im Ablauf von Anaerobreaktoren bereits einfache Belüftungsversuche ausreichen.
Control of the remediation of anoxic AMD groundwater by sulphate reduction in a subsoil reactor
(2017)
Groundwater containing high amounts of products of pyrite weathering flows into receiving waters in consequence of lignite mining for a number of years. Iron hydroxides causing turbidity and silting will strongly affect the river Spree for many decades. In addition to liming acidic surface waters and the conventional treating of mine waters, microbial sulphate reduction of the inflowing anoxic AMD groundwater is tested for long-term remediation.
During a pilot project at the location ‘Ruhlmühle’ in north Saxony since end of 2014 glycerin as a carbon source and nutrient solutions of N and P are infiltrated in an anoxic AMD groundwater stream by lances ([1]). Planning and operation were carried out based on a model. The complex reaction mechanisms in the aquifer were formulated using phreeqc2. They were applied to the flow path from the infiltration to the measuring points as a mixed cell model. Based on literature research as well as laboratory experiments and pilot tests ([2], [3]), the biochemistry of the sulphate reduction was drafted as an extensive reaction term refined by adaption to experimental results later on.
To describe the sorption processes on the solid matrix of the aquifer, the surface ‘Sandw_OH’ had to be defined and parameterized. The behavior of metabolites and humic substances could only be considered with the aid of new reaction models. On the basis of intensive preliminary investigations, the mixed cell model developed for the pilot sites can be applied to other glacial aquifers. Moreover, it was possible to elucidate numerous side reactions and to describe them in the model. Ultimately, the process of sulphate reduction is available for the treatment of groundwater containing high amounts of products of pyrite weathering. It can be applied at the source as well as on the flow path. Design and control of the variety of overlapping processes is only possible by means of the developed model approaches.
Aminophosphonate sind synthetisch hergestellte Komplexbildner, die kovalente C-P Bindungen aufweisen. Durch zusätzlich eingefügte Aminogruppen (NH2) komplexieren Amino-phosphonate besonders gut Metallionen, weshalb sie in einem sehr breiten Anwendungsspektum zum Einsatz kommen. So werden Phosphonate vielseitig als Haushalts- und Industriereiniger, aber auch als Komponenten von Kosmetika und in der Medizin verwendet. Des weiteren werden sie zur Kühlwasserkonditionierung, Stabilisierung von Peroxiden oder Bleichbädern und als Korrosionsinhibiter eingesetzt. Entsprechend der vielseitigen Anwendungsgebiete lag bereits in den früher 90igern des vergangenen Jahrhunderts die Gesamtproduktion an Phosphonaten in Europa bei über 11.000 Tonnen pro Jahr (Jaworska et al., 2002). Weltweit zeigen die Nutzung und der damit verbundene Bedarf an Phosphonaten einen immer weiter steigenden Trend. Dem entgegen steht der noch immer wenig untersuchte Verbleib und das chemische Verhalten von Phosphonaten in der Umwelt.
Die gegenwärtig technisch eingesetzten Phosphonate ähneln in ihrer Struktur den bekannteren Aminocarboxylaten wie dem EDTA und NTA. Chemisch synthetisierte Phosphonate sind nur schwer biologisch abbaubar, weshalb zu einer kontinuierlichen Anreicherung in der aquatischen Umwelt kommen kann (Jaworska et al., 2002). Dies liegt unter anderem auch daran, dass Phosphonate als Phosphatersatz in großen Mengen in Waschmitteln enthalten sind und über das Abwasser in die Kläranlagen gelangen, wo sie nicht weiter biologisch abgebaut werden. Sie werden hauptsächlich durch Absorption an die Oberfläche vom Belebtschlamm aus den Abwasser entfernt. Nowack (2004) beschrieb die Toxizität von Phosphonaten in Kläranlagen als gering, verwies aber gleichzeitig darauf, dass aufgrund ihrer hohen Stabilität Phosphonate hemmend auf Proteasen und Syntheasen (Enzyme) von Mikroorganismen wirken.
Der photochemische und biologische Abbau von dem Phosphonat EDTMP wurde eingehend untersucht, um dessen Umweltverhalten besser abschätzen zu können. Ziel der Untersuchungen war es den Abbauprozess zu entschlüsseln als Grundlage für die langfristige Entwicklung umweltverträglicher Aminophosphonatstrukturen. Der photochemische Abbau von EDTMP und die Bildung von Metaboliten konnte mittels LC-MS und 31P-NMR bereits aufgeklärt werden. So zeigt sich das EDTMP bereits nach wenigen Minuten im UV-Licht zerfällt und nicht mehr nachgewiesen werden kann. Als Hauptprodukt konnte das Phosphonat IDMP identifiziert werden. Als weitere Abbauprodukte konnten die Phosphonate EABMP und AMPA identifiziert werden. In allen Versuchen konnte nach 300 min UV-Behandlung mindestens 75% des Endprodukts CO2 nachgewiesen werden. Weitere drei maßgebliche Abbauprodukte wurden mit Hilfe der LC-MS gefunden. Deren chemische Struktur konnte bisher jedoch noch nicht eindeutig beschrieben werden. Im Anschluss an die UV-Experimente wurde ein Versuch mit Sonnenlicht simuliert. Insgesamt verlief der EDTMP-Abbau im Sonnenlicht wesentlich langsamer. Auch hier konnten wieder dieselben Abbauprodukte IDMP, EABMP und AMPA identifiziert werden. Zusätzlich traten auch die drei noch nicht eindeutig identifizierten Metaboliten von EDTMP auf. Aus den gewonnen Daten kann somit geschlussfolgert werden, dass EDTMP unter Einwirkung von UV-Licht abbaubar ist. Die Annahme, dass EDTMP und dessen Abbauprodukte langfristig zur Schädigung des aquatischen Ökosystems führt, kann somit nicht bestätigt werden.
In weiteren Untersuchungen wurde der biologische Abbau von EDTMP und seiner photochemischen Abbauprodukten eingehend studiert. Für die Abbauversuche wurden die beiden Stämme Pseudomonas aeruginosa und Ochrobactrum sp. aus Boden isoliert. Es konnte gezeigt werden, dass sie 1mM EDTMP innerhalb von 35 Tagen zu mindestens 94% abbauen. Zusätzlich zum biologischen Abbau von EDTMP wurden auch die Verdopplungszeitung der beiden Stämme für EDTMP, IDMP, EABMP und AMAP ermittelt. Es zeigte sich, dass der Stamm P. aeruginosa für alle vier Phosphonate ein besseres wachstum zeigte als Ochrobactrum sp. Der Stamm P. aeruginosa erreichte für die Verstoffwechselung von EDTMP eine Verdopplungszeit von 10,1 Tagen, für IDMP 7,4 Tage, für EABMP 7,4 Tage und für AMPA 13,7 Tage. Der Stamm Ochrobactrum sp. erreichte für das Substrat EDTMP eine Verdopplungszeit von 11,8 Tagen, für IDMP 18,9 Tage, für EABMP 7,7 Tage und für AMPA 22,0 Tage. Offensichtlich war für beide Stämme der Abbau von AMPA der limitierende, aber nicht hemmende Schritt im biologischen Abbau. Somit kann geschlussfolgert werden, dass die Abbauprodukte der Photolyse auch biologisch abgebaut werden können. In weiteren Untersuchungen soll der biologische Abbau auf enzymatischer Ebene entschlüsselt werden. Die Identifizierung der Schüsselenzyme spielt hierbei eine wesentliche Rolle, um neuartige Phosphonatstrukturen herzuleiten, die auf der einen Seite ihre Funktionalität und Eigenschaften behalten, aber auf der anderen Seite eine erheblich verbesserte Bioverfügbarkeit aufweisen, so dass eine dauerhafte Akkumulation in der Umwelt und Folgebeeinträchtigungen minimiert ggf. ausgeschlossen werden können.
Aminophosphonates such as aminotris(methylenephosphonic acid) (ATMP) are common constituents of antiscalants. In nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) processes, ATMP prevents inorganic scaling leading to more stable membrane performance. So far, little attention has been paid to the possible permeation of aminophosphonates through NF and RO membranes. We have investigated the permeability of these membrane types for ATMP and its potential metabolites iminodi(methylenephosphonic acid) (IDMP) and amino(methylenephosphonic acid) (AMPA) with two different NF membranes (TS40 and TS80) and one RO membrane (ACM2) and three different water compositions (ultra-pure water, synthetic tap water and local tap water). We found traces of
phosphonates in all investigated permeates. The highest phosphonate rejection occurred with local tap water for all three membranes investigated. Filtration experiments with a technical antiscalant
formulation containing ATMP indicated similar trends of phosphonate permeability through all three membranes. We assume that the separation mechanisms of the membranes are the results of a very
complex relationship between physico-chemical properties such as Donnan exclusion, feed pH, feed ionic strength and feed concentration, as well as solute–solute interactions.