Kombination der mikrobiologischen Prozesse Bioleaching und saure Phosphorrückgewinnung sowie ihr Einsatz im Rahmen von Dekontamination und Rohstoffrückgewinnung aus schwermetall-belasteten Feststoffen

Zimmermann, Jennifer Katharina Bernadette; Dott, Wolfgang

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-33240

Kombination der mikrobiologischen Prozesse Bioleaching und saure Phosphorrückgewinnung sowie ihr Einsatz im Rahmen von Dekontamination und Rohstoffrückgewinnung aus schwermetall-belasteten Feststoffen = Combination of the microbiological processes bioleaching and acidic phosphorus recovery for the decontamination and nutrient recovery from heavy metal loaded solids

Zimmermann, Jennifer Katharina Bernadette (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jennifer Katharina Bernadette Zimmermann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangVII, 104 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Dott, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-07-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33240
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63165/files/3324.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Hygiene und Umweltmedizin (521000-2)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Polyphosphate (Genormte SW) ; Dekontamination (Genormte SW) ; Schwermetall (Genormte SW) ; Phosphatelimination (Genormte SW) ; Phosphatdünger (Genormte SW) ; Naturwissenschaften (frei) ; Bioleaching (frei) ; Phosphorrückgewinnung (frei) ; Klärschlammasche (frei) ; AEDS-Bakterien Konsortium (frei) ; polyphosphate (frei) ; decontamination (frei) ; bioleaching (frei) ; phosphorus recovery (frei) ; heavy metals (frei) ; sewage sludge incineration ash (frei) ; AEDS bacterial consortium (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500

Kurzfassung
Bioleaching ist neben dem Einsatz in der Metallgewinnung, eine vielversprechende Technologie zur biologischen Boden- und Abfallreinigung. In dieser Arbeit wurde die Bioleachingtechnologie zur Dekontamination und zur Wertstoffrückgewinnung metallbelasteter Feststoffe angewandt und bewertet. Durch das in dieser Arbeit durchgeführte vergleichende Bioleaching unterschiedlicher Feststoffe (Aschen, Schlämme, Böden von Altlastenstandorten) ist es gelungen, grundlegende Verfahrensbedingungen zu formulieren, um die Machbarkeit einer Sanierung der Feststoffe zu prognostizieren. Dabei stellte sich heraus, dass die Matrix des Feststoffs maßgeblichen Einfluss auf die Metallabreicherung hat, insbesondere die thermische Vorbehandlung. Durch den Verbrennungsvorgang kommt es zu Änderungen bei den Bindungsverhältnissen der Metalle und somit zu einer Änderung ihrer Laugbarkeit. Ein weiterer großer Einflussfaktor auf die Metalllaugung ist die Säurekapazität des Feststoffs in wässriger Lösung als Maß für seine Pufferkapazität. Wird durch den Feststoff ein zu hoher pH-Wert gekoppelt mit einer hohen Säurekapazität in der Bioleachinglösung bewirkt, wird die Bakterienaktivität gehemmt und die Metallfreisetzung nachhaltig verringert. Die Bewertung des gelaugten Feststoffs erfolgt sowohl nach chemisch-analytischen Kriterien, gemäß LAGA und LAWA, als auch mittels ökotoxikologischer Tests. Mit dem Bioleachingverfahren können die Feststoffe gemäß den gesetzlichen Vorgaben von Metallen abgereichert werden. Die Entstehung toxischer Metallspezies (hier: Chrom VI) während des Bioleachingprozesses kann ausgeschlossen werden. Für den gelaugten Feststoff kann eine verringerte ökotoxische Wirkung festgestellt werden. Das gewählte ökotoxikologische Testsystem orientiert sich an dem Austragungspfad Boden-Grundwasser. Die Ergebnisse belegen, dass Bioleaching ein kostengünstiges Verfahren darstellt, zur In Situ als auch Ex Situ-Reinigung von metallbelasteten Feststoffen. Das Bioleaching mit kombinierter Rückgewinnung von Wertstoffen, insbesondere Phosphor, stellt einen neuen Ansatz in der Umwelttechnik dar. Mit dem Bioleachingverfahren konnte Phosphor aus Klärschlammasche und aus anaerob stabilisiertem Faulschlamm gelöst werden und liegt als freie Phosphorsäure vor. Die Abtrennung des gelösten Phosphors von den mitgelaugten Schwermetallen wird bisher mit aufwendigen Verfahren durchgeführt (Membranverfahren, Verdampfungsverfahren mit anschließender Fällung des Phosphors). Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte biotechnologische Kombination aus Phosphorfreisetzung mittels Bioleaching und der Phosphorrefixierung in Biomasse mit dem neu entwickelten Bakterienkonsortium AEDS (Acidithiobacillus enriched digested sludge), ist eine Alternative zu den chemisch/physikalischen Verfahren. Die biotechnologische Prozesskombination orientiert sich an dem bekannten Verfahren der biologischen Phosphoreliminierung aus der Abwasserbehandlung. Hierbei wird Phosphor in Form von Polyphosphaten von den Bakterien gespeichert und in der Biomasse festgelegt. Mit der Bakterienpopulation AEDS kann die Rücklösung des Phosphors aus der Asche sowie die Abtrennung des gelösten Phosphors von der metallischen Lösung in einem Schritt durchgeführt werden. Die mikrobiologische Grundlage für die saure Phosphorrückgewinnung sind drei Prozesse: 1. Freisetzung von Phosphor aus Klärschlammasche durch Bioleaching mit Acidithiobacillus ferrooxidans.2. Phosphorakkumulation durch polyphosphatspeichernde Mikroorgansimen der Klasse Actinobacteria.3. Mikrobiell induzierte Fe(III)-Phosphatfällung durch Acidithiobacillus ferrooxidans.Die Charakterisierung der Mikroorganismen in der AEDS-Lösung mit einer Kombination verschiedener Methoden (FTIR, physiologische und morphologische Untersuchungen, Identifizierung der 16S-rRNA Gene und ARDRA-Analyse) ermöglicht die Identifizierung von bislang unbekannten polyphosphatspeichernden Bakterien aus der Gruppe der Aktinobakterien. Das während der sauren Phosphorrückgewinnung entstehende Sediment ist ein phosphatreicher Feststoff, der aus Fe(III)-Phosphat und Polyphosphaten besteht. Die weitere Identifizierung der am Prozess der sauren Phosphorrückgewinnung beteiligten Mikroorganismen sowie der Einsatz des Feststoffs als Phosphorrohstoff soll Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein.

The bioleaching process is, besides metallurgy, a promising technology for the decontamination of waste solids and contaminated soils. In this work, bioleaching was executed and evaluated for decontamination and nutrient recovery from heavy metal loaded solids. By comparing the bioleaching behavior of different waste solids (ash, sludge and soil) it was possible to shape process conditions to predict the decontamination of solids before starting the bioleaching process. Two effects are predominantly responsible for a successful decontamination of waste solids. First factor is the matrix of the solid, in particular the thermal pre-treatment. By incinerating waste or sludge the attachment behavior of metals can change. This leads to changes in metal solubility. The second factor is the buffer capacity of the waste solid in aqueous solution. A high buffer capacity leads to the inhibition of microbial activity and a decreasing metal release. The toxicological evaluation of the bioleached solids was done by LAGA and LAWA guidelines and by ecotoxicological tests. With bioleaching process the heavy metal loaded solids can be decontaminated according to LAWA and LAGA guidelines. The occurrence of toxic metal species during the bioleaching process, like chromium VI, can be excluded. The bioleached solids are less ecotoxic than the untreated waste solids. The results show, that the bioleaching process is an economical technology for the decontamination of waste solids. The combination of the bioleaching process with a microbial phosphorus recovery, is a new approach in environmental technology. With the bioleaching process, besides heavy metals, phosphorus can be resolved from phosphorus enriched waste solids, like sewage sludge incineration ash and sewage sludge. These days, the separation of resolved phosphorus from solved heavy metals is realized by costly processes like membrane techniques or volatilization. In this work the combination of the two microbiological processes bioleaching of phosphorus and phosphorus accumulation into biomass by newly AEDS bacterial consortium (Acidithiobacillus enriched digested sludge) is an alternative technique to common physical/chemical processes. The biotechnological process combination is geared to the enhanced biological phosphorus removal (EBPR) in the waste water treatment. In the EBPR phosphate is stored as polyphosphate by special microorganisms into biomass. With the AEDS bacterial consortium phosphorus can be released and recovered in one step. The microbiological principles of the combined phosphorus release and recovery are three metabolic processes:1. Release of phosphorus from sewage sludge incineration ash through bioleaching with Acidithiobacillus ferrooxidans.2. Phosphorus accumulation by polyphosphate accumulating microorganism of Actino-bacteria class.3. Microbiologically induced iron-(III)-phosphate precipitation by Acidithiobacillus fer-rooxidans.The characterization and identification of microorganisms in AEDS bacterial consortium was conducted by using different methods (FTIR, physiological and morphological methods, identification of 16S-rRNA genes and ARDA analysis). By using this variety of methods it was possible to identify up to now unknown polyphosphate accumulating bacteria of Actinobacteria class. The occurring biomass sediment is phosphorus enriched and has low amounts of heavy metals. The accumulated phosphorus is available as polyphosphate and iron-(III)-phosphate. The further characterization of the acidic phosphorus recovery and the identification of the involved microorganisms will be a promising field of future phosphorus recovery research.

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