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Einfluss des Sauerstoffs auf mikrobiell induzierte Redoxund Metallsolubilisierungsprozesse in Gewässersedimenten

Görsch, Kati - Technische Universität Dresden (2012)

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, in einer Umgebung mit reduziertem Sauerstoffangebot Oxidations- und Versauerungsprozesse sowie die Schwermetallsolublisierung aus einem schwermetallkontaminierten, vererdeten Sediment beispielhaft zu untersuchen. Zweifellos können über das Sauerstoffangebot die mikrobielle Oxidation reduzierter Schwefelverbindungen, die Versauerung und die Solubilisierung von Schwermetallen massiv beeinflusst werden. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit sind in zweierlei Hinsicht nutzbar: Zum einen kann die Effizienz von Anlagen bei der industriellen Metalllaugung und bei der Sanierung schwermetallbelasteter Materialien gesteigert werden. Zum anderen können zur Verringerung von Umweltgefahren, die von Bergbaualtablagerungen ausgehen, Konzepte entwickelt werden, die auf einer Reduzierung des Sauerstoffangebotes beruhen. Die Entwicklung von Methoden zur Verbesserung oder zur Verhinderung der mikrobiellen Laugung setzt Wissen über die ablaufenden Prozesse und Umsätze voraus.

Leider besteht bei der Laugung im Festbett das Problem, dass auch Transportprozesse die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmen. Außerdem ist die Beprobung des Materials in Festbettreaktoren schwierig, so dass bei solchen Experimenten im Prinzip nur eine Verlaufskontrolle über die im Prozesswasser gelösten Komponenten erfolgen kann. Das ist bei der Untersuchung der Oxidation reduzierter Schwefelverbindungen ungünstig, weil ein Teil des gebildeten Sulfates durch Ausfällungen (z. B. PbSO₄; CaSO₄) im Feststoff verbleibt und somit einer Detektion nicht zugänglich ist - daher kann man allein über die Sulfatbildung keine Aussagen zur mikrobiellen Schwefeloxidation treffen.

Die Probleme, die durch das Auftreten von Transportphänomenen entstehen, kann man umgehen, wenn man in Suspensionen arbeitet; auch die Beprobung ist in Suspensionen vereinfacht. Bisherige Untersuchungen zur Reaktionskinetik von mikrobiellen Oxidationsprozessen in Suspensionen weisen allerdings Defizite auf: Zum einen erfolgt z. B. die Prozesskontrolle über die Analyse des gebildeten Sulfates in Lösung. Zum anderen arbeiteten beispielsweise Konishi et al. und Ceskova et al. bei ihren Experimenten zur Kinetik der Schwefeloxidation mit Reinkulturen in Nährmedien, dies ist in der Realität nicht relevant. An der Praxis orientierte Untersuchungen zum Einfluss des Sauerstoffangebotes auf Laugungsprozesse und die Kinetik der Schwefeloxidation in einer Umgebung mit autochthonen Mikroorganismen exitieren nicht.

Bei den eigenen Untersuchungen wird die Wirkung von geringen Sauerstoffkonzentrationen auf die mikrobiell induzierten Oxidationssprozesse und damit auf die Laugungsparameter in einem schwermetallkontaminierten, oxischen Sediment untersucht. Das mit Schwermetallen belastete Sediment enthält natürlich vorhandene Mikroorganismen, ist reich an Organik und wurde für alle Experimente mit elementarem Schwefel versetzt. Obwohl in vielen Bergbaumaterialien eher Sulfide die dominierende Rolle spielen, wurden die Untersuchungen mit elementarem Schwefel als Modellsubstrat durchgeführt, da sich dieser im Gegensatz zu Sulfiden recht sicher quantifizieren lässt und Schwefel bei der Sanierung schwermetallbelasteter Materialien eingesetzt wird.

Im ersten Teil der Arbeit werden zum einen die Kinetik der Schwefeloxidation und zum anderen die Wirkung von reduziertem Sauerstoffangebot auf die Laugungsparameter Schwefeloxidationsgrad, Versauerung und Schwermetallsolubilisierung in Suspension untersucht. Die Arbeit in einer homogenen Suspension hat den Vorteil, dass das Material gleichmäßig den Milieubedingungen ausgesetzt wird und keine räumlichen Gradienten auftreten. Weiterhin wird die Beprobung der Suspension erleichtert und eine Analyse des Schwefels in getrockneten Sedimentproben ermöglicht, gelöste Komponenten sind durch Flüssigphasenanalytik leicht detektierbar und die zu kontrollierenden Parameter können kontinuierlich erfasst werden.

Die Verringerung der Gelöstsauerstoffkonzentration wird durch ein reduziertes Sauerstoffangebot im zugeführten Gas realisiert, das durch den Einsatz einer Sauerstoffregelung verwirklicht wird, die sich auf den Sauerstoffgehalt in der Suspension bezieht. Sauerstoffverbrauch und Schwefeloxidationsrate können miteinander verknüpft werden, da der Elementarschwefel im Feststoff direkt analysiert wurde und in Beziehung zum Sauerstoffverbrauch gesetzt werden kann. In diesem Teil der Arbeit sollen folgende Fragen beantwortet werden:

• Wieviel Sauerstoff wird während der mikrobiellen Schwefeloxidation in einer natürlichen Umgebung verbraucht? Wie verhält sich der Sauerstoffumsatz in Relation zum umgewandelten Schwefel?
• Mit welcher Kinetik wird Elementarschwefel in einer Sedimentsuspension mit autochthonen Mikroorganismen oxidiert? Lässt sich die Kinetik der mikrobiellen Schwefeloxidation bei reduziertem Sauerstoffangebot mit bereits bekannten Modellgleichungen beschreiben?
• Wie stark lassen sich mikrobielle Schwefeloxidation, Versauerung und Schwermetallsolubilisierung durch Reduktion des Sauerstoffangebotes beeinflussen?

Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Wirkung von eingeschränktem Sauerstoffangebot auf die Bioleachingprozesse im Festbett unter Einsatz eines Perkolatorsystems. Im Perkolator wird der zu untersuchende Feststoff von Luft und Prozesswasser durchströmt - so können Untersuchungen durchgeführt werden, die Bedingungen in einer Halde bzw. in einem Festbettreaktor bei der Sanierung von schwermetallkontaminierten Feststoffen eher widerspiegeln. Dabei lässt sich die Kinetik der Schwefeloxidation in diesem System aufgrund der hohen Heterogenität des Feststoffes und einer erschwerten Beprobung während der Versuche nicht verfolgen - die Beprobung des Sediments für eine Analyse des restlichen Elementarschwefels ist nur nach Versuchsende möglich.

Die Verringerung des Sauerstoffangebotes wird zuerst durch eine Sauerstoffegelung realisiert, die den Sauerstoffgehalt im einströmenden Gas in zwei Abstufungen reduziert; in zwei weiteren Versuchen mit reduziertem Sauerstoffangebot wird zusätzlich jeweils der Volumenstrom des einströmenden Gases herabgesetzt. Dabei sollen folgende Fragen beantwortet werden:

• Wie wirkt sich die Verringerung des Sauerstoffgehaltes im Gasstrom auf die mikrobielle Schwefeloxidation und damit auf die Laugung aus?
• Welchen Einfluss hat eine Reduktion des Volumenstromes auf die Laugungsprozesse?

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