Untersuchungen zur Behandlung saurer Grubenwässer in Pflanzenklärsystemen

Nguyen, Hoang Nam

Der Einsatz von Pflanzenkläranlagen zur Behandlung von Abwässern, insbesondere von sauren Grubenwässern (acid mine drainage, AMD) bzw. die Verwendung von Wasserstoff als Elektronendonatorquelle zur mikrobiellen dissimilatorischen Sulfatreduktion findet in den letzten Jahren zunehmendes Interesse. Der ausgeprägte Vorteil der Pflanzenkläranlagen liegt in der Regel im geringen Aufwand für den Bau und den Betrieb; nachteilig sind die niedrigen flächenspezifischen Umsatzraten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde im Labormaßstab bei drei verschiedenen Pflanzenklärsystemen (Wetlandsystemen) wie subsurface-flow Wetland (SSF), schwimmende Pflanzenmatte (HP) und surface-flow Wetland (SF) der Einfluss des Designs, Fließstrecke, Probenahmetiefe, Jahreszeit etc. auf die Reinigung eines Modellwassers für saure Grubenwässer (AMD) charakterisiert. Die Behandlung des künstlichen AMDs in den drei Wetlandsystemen ohne Wasserstoffzudosierung ergab nur eine unwesentliche Veränderung des pH-Wertes. Der Einfluss der Wurzelraumpassage auf die Abnahme der Basenkapazität und Schwermetallentfernung (wie z.B. Eisen, Zink) bzw. Sulfatentfernung war ausgeprägter. Bei der Einschätzung der Leistungsfähigkeit der verschiedenen Wetlandsysteme für die Behandlung saurer Grubenwässer war im Allgemeinen die Behandlungseffektivität des SSF am besten, gefolgt vom SF und HP. Die mikrobiologische dissimilatorische Sulfatreduktion leistete in diesen Systemen keinen entscheidenden Beitrag zu Reinigung des AMD. Aufgrund der sehr begrenzten Reinigungsleistung der Wetlandsysteme wurde die Effizienz des Einsatzes von Wasserstoff als im Vergleich zu anderen Industriechemikalien relativ preiswerte zusätzliche Elektronendonatorquelle für die mikrobielle autotrophe dissimilatorische Sulfatreduktion in der Kombination mit verschiedenen organischen Verbindungen (Methanol bzw. Propionat) in Bioreaktoren getestet. Es zeigte sich, dass auch bei Vorhandensein von Wasserstoff die organischen Kohlenstoffquellen für die mikrobielle Assimilation nutzbar waren. Dies war die Voraussetzung für die strategische Grundkonzeption der Wasserstoffzudosierung in ein Hydroponiksystem zur Stimulation der mikrobiellen autotrophen Sulfatreduktion im Labormaßstab unter verschiedenen Bedingungen zu testen. Nach der Verfahrenskonzeption der aktiven Stimulation von autotrophen sulfatreduzierenden Bakterien wurde unter ausgewählten Bedingungen (verschiedene Zusammensetzungen des AMD, verschiedene Frachten etc.) der Einfluss einer Kombination von HP mit einer Wasserstoffzudosierung auf die Wasserparameter untersucht. Unter diesen Bedingungen spielten die Rhizodepositionsprodukte dieser Pflanzenkläranlage als leicht bioverfügbare organische Verbindungen für das Bakterienbiomassewachstum und für dissimilatorische Sulfatreduktionsprozesse eine essentielle Rolle. Die Wasserstoffzudosierung spielte als Elektronendonator zur Stimulation der autotrophen mikrobiellen dissimilatorischen Sulfatreduktion ebenfalls eine wichtige Rolle. Die Wasserstoffzudosierung in das HP lieferte genügend Reduktionsäquivalente für die mikrobielle Sulfatreduktion. Durch die Sulfidbildung wurden Protonen und Metallionen entfernt. Die durchschnittlichen pH-Werte stiegen an. Unter diesen Bedingungen wurde im Wetlandsystem die Abnahme der Metallfracht im Wesentlichen durch die Bildung von Metallsulfid bzw. Metallhydroxiden (wie z.B. Al(OH)3) bewirkt. Damit ergab sich das Potenzial für die Adsorption weiterer Schwermetalle bzw. Sulfat an die Oberfläche der sedimentierenden Metallminerale. Die Abnahme der Sulfatfracht fand im Wesentlichen durch die mikrobiellen Sulfatreduktionsprozesse statt. Außerdem trugen vermutlich auch die Sorptionsprozesse an der Oberfläche des Sediments und Mitfällungsprozesse zur Sulfatentfernung bei. Unabhängig von der Jahreszeit war die Metallentfernung im Ablauf für Eisen fast vollständig. Es ist zu schließen, dass die Verwendung von Wasserstoff als zusätzliche Elektronendonatorquelle die geforderten Kriterien zur Behandlung von AMD im HPWetlandsystem erfüllte. Wichtige Faktoren waren hierbei die Bereitstellung von genügend Reduktionsäquivalenten für die mikrobielle Sulfatreduktion, die Erzielung hoher Sulfatreduktionsraten sowie fast vollständige Schwermetallentfernung, die Anhebung des pH-Wertes im System sowie niedrige Bereitstellungskosten des Elektronendonators.

The use of constructed wetlands (CWs) for wastewater treatment, especially of acid mine waters (acid mine drainage, AMD) and the use of hydrogen as an electron donor for dissimilatory microbial sulphate reduction are of increasing interest in recent years. The distinct advantages of CWs are generally the low costs for construction and operation; the main disadvantage is the low area-specific conversion rate. As part of this study, three different types of laboratory-scale CWs, namely horizontal subsurface-flow CW (HSSF-CW), floating plant mat (HP) and horizontal surface-flow CW (HSF-CW) were characterized concerning the influence of design and season on the purification of an artificial acid mine drainage (AMD). The treatment of AMD in the three CWs without hydrogen gas dosage resulted only in a negligible change in pH. The influence of root zone passage on the reduction in base capacity, heavy metal (such as iron, zinc) and sulphate concentrations was more pronounced. Assessment of the general performance of the various wetland systems for the treatment of AMD showed that the efficiency of the HSSF-CW was best, followed by HSF-CW and HP. Microbial dissimilatory sulphate reduction did not contribute considerably to the treatment of the AMD in these systems. Because of the very limited treatment capacity of the wetland systems, the efficiency of hydrogen addition, as an inexpensive additional electron donor for autotrophic microbial dissimilatory sulphate reduction, was tested in bioreactors in combination with various organic substrates (methanol and propionate). It was found that the organic carbon sources were used for microbial assimilation even in the presence of hydrogen. This was the prerequisite for the strategic design of hydrogen dosage into a hydroponic laboratory-scale test system for the stimulation of microbial autotrophic sulphate reduction under various experimental conditions. For the process design of stimulation of autotrophic sulphate reducing bacteria in the HP system selected conditions (different compositions of AMD, different loads, etc.) were examined. Under these conditions, rhizodeposition products played an essential role as readily bioavailable organic substrates for bacterial biomass growth and for dissimilatory sulphate reduction. Hydrogen played an important role as an electron donor for the stimulation of autotrophic dissimilatory microbial sulphate reduction, providing sufficient reduction equivalents. Through the formation of sulphide, protons and metal ions were removed and average pH values increased. Under these conditions, the decrease of the metal load in the wetland system was mainly caused by the formation of metal sulphides or metal hydroxides (e.g. Al (OH)3). This resulted in the adsorption of other heavy metals and sulphate onto the surface of the precipitated minerals. The decrease of the sulphate load was mainly caused by microbial sulphate reduction. Probably also sorption onto the surface of the sediment and co-precipitation processes contributed to sulphate removal. The metal removal, e.g. of iron, was almost complete throughout the year. It can be concluded that the use of hydrogen as an additional electron donor was required for sufficient treatment of artificial AMD in the laboratory-scale HP system. Important factors here were the provision of sufficient reduction equivalents for microbial sulphate reduction, the achievement of high sulphate reduction, the increase of the pH of the system and the supply of the relatively low cost electron donor hydrogen gas.

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Nguyen, Hoang: Untersuchungen zur Behandlung saurer Grubenwässer in Pflanzenklärsystemen. Clausthal-Zellerfeld 2011.

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