Erprobung und Vergleich der 3-Phasen-Extraktion: Bewertung belasteter Flächen auf Basis der Verfügbarkeit von Kontaminanten

Abstract

Ziel der vorliegenden Dissertation „Erprobung und Vergleich der 3-Phasen- Extraktion – Bewertung belasteter Flächen auf Basis der Verfügbarkeit von Kontaminanten“ war es, eine einfache chemische Extraktionsmethode herauszuarbeiten, die in der Lage ist, schnell und zuverlässig den für Bodenmikroorganismen verfügbaren Schadstoffpool vorhersagen zu können, so dass ohne großen Aufwand eine erste Einschätzung des von der Kontamination ausgehenden Umweltrisikos möglich ist. Eingehend wurden die 3-Phasen- Extraktionsmethoden mit XAD-2 (Lei et al., 2004), TENAX (Cornelissen et al., 1998) bzw. 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin (HPCD) (Reid et al., 2000) als 3. Phase und die partielle Oxidation des organischen Bodenmaterials mit Kaliumperoxodisulfat (Cuypers et al., 2000) hinsichtlich ihrer Handhabbarkeit, des Analysenaufwandes, der Extraktionsdauer und der Korrelation mit dem biologischen Abbau getestet und miteinander verglichen. Die partielle Oxidation und die Extraktion des Bodens unter Zusatz von XAD-2 erwiesen sich im Laufe der Studien jedoch als ungeeignet, den für Bodenmikroorganismen verfügbaren Schadstoffanteil vorhersagen zu können. Nachdem die prinzipielle Durchführbarkeit und erste positive Korrelationen mit einem aeroben Abbau für die Extraktionen unter Zusatz von TENAX bzw. HPCD bestätigt waren, wurden die Robustheit der Verfahren hinsichtlich verschiedener Bodeneigenschaften, Schadstoffeigenschaften und unterschiedlich gealterter Kontaminationen überprüft. Das TENAX- und das HPCD-Verfahren zeigten sich robust hinsichtlich unterschiedlicher Bodentypen – nachgewiesen an drei RefeSol-Standardböden mit unterschiedlichen Bodeneigenschaften - und hinsichtlich unterschiedlicher Schadstoffeigenschaften – eingesetzt wurden Phenanthren, Pyren und Benzo[g,h,i]perylen. Beide Verfahren waren in der Lage, bei unterschiedlichen Schadstoff-Boden-Kontaktzeiten (Alterungszustände von 1, 21, 56 und 266 Tagen) aufgrund von bereits erfolgter Schadstofffestlegungen die daraus resultierenden unterschiedlich verfügbaren Schadstoffanteile widerzuspiegeln. Zusätzlich wurden elf Altlastenböden, welche mit PAK zwischen 74 und 680 mg/kg und mit MKW zwischen 330 und 4704 mg/kg belastet waren, mit Hilfe des TENAX- bzw. des HPCD-Verfahrens untersucht. Parallel wurden Abbaustudien durchgeführt. Die Ergebnisse beider Extraktionsverfahren korrelierten hervorragend mit den Ergebnissen der Abbauversuche. Beide Methoden waren in der Lage mittels einer Einpunkt-Extraktion innerhalb von 24 Stunden sowohl den für Bodenmikroorganismen verfügbaren Anteil an PAK als auch an MKW darzustellen.

The present thesis “Erprobung und Vergleich der 3-Phasen-Extraktion – Bewertung belasteter Flächen auf Basis der Verfügbarkeit von Kontaminanten” studied the question to what extent it is possible to be able to forecast available pollutant amount for a microbiological degradation in soils. The aim of the present thesis was to work out an easy chemical extraction method which is able to predict available pollutant pool fast and reliably, so that the first assessment of the environmental risk going out from the contamination is possible without big expenditure. The method under consideration should be able to determine the content of the pollutants, which is in balance with the soil solution. The 3-phases extraction methods with XAD-2, TENAX or HPCD (2-hydroxypropyl-β-cyclodextrine) as the third phase and the oxidation of the soil organic matter with potassium peroxodisulfate were tested concerning their feasibility, analytical complexity, extraction duration and their correlation with the biological degradation and were compared with each other. The XAD method did not turn out to be an alternative to a costly biological degradation test because of its extraction of more than two weeks. The oxidation of organic soil substances including less strongly bounded pollutants with potassium peroxodisulfate also turned out inexpedient to estimate the availability of pollutants. After the fundamental feasibility and the first positive correlations with an aerobic degradation test, the robustness of the procedures with TENAX or HPCD was checked as for different soil qualities and differently aged contaminations. The TENAX and the HPCD method appeared robustly for different soil qualities. Further both methods were able to reflect the different contents of pollutants which were available for microbiological degradation after different soil-pollutant contact times. The TENAX and the HPCD methods were tested successfully on eleven historically contaminated soils. The contaminants were PAH (from 74 to 680 mg/kg) and mineral oil hydrocarbons (from 330 to 4704 mg/kg). The methods were adapted to the needs of historically contaminated soils. So the extracted amount of soil was increased to take the inhomogeneous distribution of pollutants into account. Excellent correlations between the extractable and the degradable amount resulted for both contaminant groups. The TENAX as well as the HPCD methods are able to predict the potential available amount of contaminants which will be degraded possibly by soil microbs. The feasibility of both methods suited for routine is given. However, the fraction of organic compounds in polluted areas available for microbial degradation in soil can be estimated by use of a simple shake extraction over 24 hours, this non exhaustive extraction technique with a strong adsorbent like TENAX or HPCD as third phase proved successful for pollutants like PAH and mineral oil hydrocarbons.