02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Biological waste air and waste gas treatment : overview, challenges, operational efficiency, and current trends(2020) Dobslaw, Daniel; Ortlinghaus, OliverInternational contracts to restrict emissions of climate-relevant gases, and thus global warming, also require a critical reconsideration of technologies for treating municipal, commercial, industrial, and agricultural waste gas emissions. A change from energy- and resource-intensive technologies, such as thermal post-combustion and adsorption, as well to low-emission technologies with high energy and resource efficiency, becomes mandatory. Biological processes already meet these requirements, but show restrictions in case of treatment of complex volatile organic compound (VOC) mixtures and space demand. Innovative approaches combining advanced oxidation and biofiltration processes seem to be a solution. In this review, biological processes, both as stand-alone technology and in combination with advanced oxidation processes, were critically evaluated in regard to technical, economical, and climate policy aspects, as well as present limitations and corresponding solutions to overcome these restrictions.Item Open Access Assessment of the impact of war on concentrations of pollutants and heavy metals and their seasonal variations in water and sediments of the Tigris River in Mosul/Iraq(2024) Altahaan, Zena; Dobslaw, DanielThe war-related contamination of water and sediment of the Tigris River within the urban area of Mosul leads to seasonally independent exceedances of the WHO limit values for Cd, Pb, Cr, and Ni in water and sediments. Furthermore, exceedances consistently occur for conductivity, PO3-4, and SO2-4, as well as sporadically for salinity and COD in water samples, and consistently for salinity in sediment samples, highlighting the direct impact of war (ammunition, ignition of sulfur fields), as well as indirect effects (destroyed wastewater infrastructure). Conflict-related emissions from the former conflict zone (S5-S7) are highlighted by the sudden increases in load from S4 to S5, although partially masked by the discharge of highly polluted water from the Khosr River (between S3 and S4). Due to the sorption of sediments and the presumed wind-borne discharge of highly polluted particles into the Tigris River, sediments at S10 on the southern edge of Mosul showed the highest pollutant loads. Significant statistical differences were observed through T-test analyses for E.C., TDS, salinity, COD, PO3-4, NO-3, SO2-4, Cd, Pb, Zn, Cr, and Ni for water samples, as well as salinity, Cd, Pb, Zn, and Cr for the sediment samples for seasonal comparison. Since the percentage difference of water samples at S4-S7 is smaller than upstream and downstream, contaminant input is not limited to rainwater but also occurs via the year-round infiltration of highly polluted wastewater from the surrounding valleys or suburban areas, as well as presumably polluted groundwater or windblown particulate input.Item Open Access Isolation and characterization of 2-butoxyethanol degrading bacterial strains(2020) Woiski, Christine; Dobslaw, Daniel; Engesser, Karl-HeinrichA total of 11 bacterial strains capable of completely degrading 2-butoxyethanol (2-BE) were isolated from forest soil, a biotrickling filter, a bioscrubber, and activated sludge, and identified by 16S rRNA gene sequence analysis. Eight of these strains belong to the genus Pseudomonas; the remaining three strains are Hydrogenophaga pseudoflava BOE3, Gordonia terrae BOE5, and Cupriavidus oxalaticus BOE300. In addition to 2-BE, all isolated strains were able to grow on 2-ethoxyethanol and 2-propoxyethanol, ethanol, n-hexanol, ethyl acetate, 2-butoxyacetic acid (2-BAA), glyoxylic acid, and n-butanol. Apart from the only gram-positive strain isolated, BOE5, none of the strains were able to grow on the nonpolar ethers diethyl ether, di-n-butyl ether, n-butyl vinyl ether, and dibenzyl ether, as well as on 1-butoxy-2-propanol. Strains H. pseudoflava BOE3 and two of the isolated pseudomonads, Pseudomonas putida BOE100 and P. vancouverensis BOE200, were studied in more detail. The maximum growth rates of strains BOE3, BOE100, and BOE200 at 30 °C were 0.204 h-1 at 4 mM, 0.645 h-1 at 5 mM, and 0.395 h-1 at 6 mM 2-BE, respectively. 2-BAA, n-butanol, and butanoic acid were detected as potential metabolites during the degradation of 2-BE. These findings indicate that the degradation of 2-BE by the isolated gram-negative strains proceeds via oxidation to 2-BAA with subsequent cleavage of the ether bond yielding glyoxylate and n-butanol. Since Gordonia terrae BOE5 was the only strain able to degrade nonpolar ethers like diethyl ether, the degradation pathway of 2-BE may be different for this strain.Item Open Access Plant uptake, translocation and metabolism of PBDEs in plants of food and feed industry : a review(2020) Dobslaw, Daniel; Woiski, Christine; Kiel, Martina; Kuch, Bertram; Breuer, JörnPolybrominated diphenyl ethers (PBDEs) have widely been used for decades as flame retardants in a variety of products like plastics for building insulation, upholstered furniture, electrical appliances, vehicles, aircrafts, polyurethane foams, textiles, cable insulation, appliance plugs and various technical plastics in concentrations of 5-30%. However, PBDEs also act as endocrine disrupters, neurotoxins, and negatively affect fertility. In 2001, worldwide consumption of technically relevant penta-BDEs was still estimated at 7500 tons, octa-BDEs at 3790 tons, and deca-BDE at 56,100 tons, but 50-60% of this total volume are discharged into the environment via sewage sludge and its agricultural use alone. In addition, soils are ubiquitously contaminated by the gaseous or particle-bound transport of PBDEs, which today has its main source in highly contaminated electronic waste recycling sites. The emitted PBDEs enter the food chain via uptake by the plants’ roots and shoots. However, uptake and intrinsic transport behaviour strongly depend on crop specifics and various soil parameters. The relevant exposure and transformation pathways, transport-relevant soil and plant characteristics and both root concentration factors (RCF) and transfer factors (TF) as derivable parameters are addressed and quantified in this review. Finally, a simple predictive model for quantification of RCF and TF based on log KOW values and the organic content of the soil/lipid content of the plants is also presented.Item Open Access Degradation of toluene by ortho cleavage enzymes in Burkholderia fungorum FLU100(2014) Dobslaw, Daniel; Engesser, Karl-HeinrichBurkholderia fungorum FLU100 simultaneously oxidized any mixture of toluene, benzene and monohalogen benzenes to (3-substituted) catechols with a selectivity of nearly 100%. Further metabolism occurred via enzymes of ortho cleavage pathways with complete mineralization. During the transformation of 3-methylcatechol, 4-carboxymethyl-2-methylbut-2-en-4-olide (2-methyl-2-enelactone, 2-ML) accumulated transiently, being further mineralized only after a lag phase of 2 h in case of cells pre-grown on benzene or mono-halogen benzenes. No lag phase, however, occurred after growth on toluene. Cultures inhibited by chloramphenicol after growth on benzene or mono-halogen benzenes were unable to metabolize 2-ML supplied externally, even after prolonged incubation. A control culture grown with toluene did not show any lag phase and used 2-ML as a substrate. This means that 2-ML is an intermediate of toluene degradation and converted by specific enzymes. The conversion of 4-methylcatechol as a very minor by-product of toluene degradation in strain FLU100 resulted in the accumulation of 4-carboxymethyl-4-methylbut-2-en-4-olide (4-methyl-2-enelactone, 4-ML) as a dead-end product, excluding its nature as a possible intermediate. Thus, 3-methylcyclohexa-3,5-diene-1,2-diol, 3-methylcatechol, 2-methyl muconate and 2-ML were identified as central intermediates of productive ortho cleavage pathways for toluene metabolism in B. fungorum FLU100.Item Open Access Herausforderungen in der biologischen und nicht-biologischen Abluftreinigung(2020) Dobslaw, Daniel; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr.)Jüngste Entwicklungsszenarien der International Energy Agency (IEA) sowie des Energiekonzerns British Petroleum (BP) zeigten, dass bis zum Jahr 2040 gegenüber dem heutigen Stand die Weltbevölkerung um 23 % wachsen und die Einkommen von insgesamt 2,5 Mrd. einkommensschwachen Menschen ansteigen werden. Das ‚bussiness-as-usual‘ - Szenario sagt aufgrund des Anstiegs in Weltbevölkerung und Wohlstand, trotz bestehender Bemühungen zur Steigerung der Energieeffizienz, eine Steigerung der weltweiten CO2-Emissionen um gut 30 % voraus. Berücksichtigt man dabei die jüngsten technischen und wissenschaftlichen Tendenzen wie beispielsweise ‚low-carb‘ - Kraftstoffe oder erneuerbare Energien, so wird weiterhin ein Anstieg der CO2-Emissionen um ca. 10 % vorausgesagt. Da die Weltgemeinschaft eine Restriktion der Erderwärmung auf deutlich unter 2 °C bis 2100 anstrebt, diese aber in den Industriestaaten eine Minderung der Emissionen an CO2-Äquivalenten von ca. 12 t CO2,eq·a-1·Bewohner-1 auf unter 1 t CO2,eq·a-1·Bewohner-1 bis zum Jahr 2050 erfordert, sind alle Möglichkeiten der Vermeidung und Minderung von treibhausrelevanten und umweltrelevanten Schadstoffen zu ergreifen. Die Minderung relevanter gasförmiger Emissionen kann durch geeignete Abluftreinigungsmaßnahmen wie Kondensation, Absorption, Membranverfahren, oxidative Verfahren, oxidative Katalyse, nicht-thermische Plasmen, UV-Oxidation, thermische Plasmen und Adsorption wie auch durch nicht-biologische Verfahren oder Verfahrenskombinationen aus nicht-biologischen und biologischen Verfahren umgesetzt werden. Speziell im gewerblichen und industriellen Umfeld wird der Stand der Technik durch thermisch oxidative Verfahren definiert. Da diese in der Regel nicht unter adiabaten Bedingungen betrieben werden können, ist der Zusatz von Primärenergieträgern erforderlich, der zu zusätzlichen Emissionen an treibhausrelevanten Gasen wie CO2, CH4 und N2O führt. Da in biologischen Abluftreinigungsverfahren die Schadstoffe durch biochemische Abbauprozesse mineralisiert werden, treten in der Regel keine sekundären Abfallströme oder zusätzlichen treibhausrelevanten Emissionen auf. Obwohl die biologischen Abluftreinigungsverfahren somit einen wichtigen Beitrag zum 1,5 °C - Ziel der Weltgemeinschaft leisten können, sind sie im Marktsegment der Umwelttechniken mit Ausnahme der landwirtschaftlichen Massentierhaltung bisher kaum vertreten und zumeist auf Nischenanwendungen restringiert. Für biologische Abluftreinigungsverfahren ist eine Reihe an vermeintlichen Einschränkungen bekannt, die sicherlich die geringe Marktdurchdringung mitverantworten. Für eine breite Akzeptanz dieser Verfahren ist es daher erforderlich diese vermeintlichen Einschränkungen kritisch zu hinterfragen und wenn möglich zu widerlegen. Gelingt diese Widerlegung nicht und scheiden biologische Abluftreinigungsverfahren bei ausgewählten Applikationen aus, so sind geeignete Alternativverfahren erforderlich - auch wenn verschiedene Abluftsituationen existieren, die auch nicht-biologische Verfahren an den Rand der Machbarkeit führen. Die vorliegende Arbeit thematisiert daher die bekannten Restriktionen für biologische Abluftreinigungsverfahren und verfolgt das Ziel die bestehenden Applikationsgrenzen zu erweitern und den sich hieraus ergebenden Herausforderungen unter der Prämisse der Etablierung eines Prozesses mit hoher technischer Stabilität, hoher Reinigungseffizienz und einer ökonomisch interessanten Kostenstruktur zu begegnen. Die identifizierten Restriktionen wurden an folgenden Applikationsbeispielen widerlegt bzw. alternative nicht-biologische Reinigungsverfahren vorgestellt: • Herausforderung Platzbedarf und Clogging: Der durch höhere Kontaktzeiten bedingte erhöhte Platzbedarf von biologischen Abluftreinigungsanlagen stellt ein signifikantes Vermarktungshindernis dar. Bestrebungen zur kompakteren Bauweise führen jedoch zu höheren spezifischen Schadstofffrachten und der erhöhten Gefahr von Biomasse bedingtem Clogging. Am Beispiel des biologisch leicht abbaubaren Schadstoffs 2 Butoxyethanol wurde die technische und ökonomische Machbarkeit eines mit Natronlauge und Druckluftinjektion als Anti-Clogging-Maßnahme ausgestatteten, rückspülbaren Biotricklingfilters sowohl im Labor- als auch Pilotmaßstab erfolgreich demonstriert. • Herausforderung Stoffgemischabbau und Xenobiotikaabbau: Durch genetische und enzymatische Regulationsmechanismen erweist sich der biologische Abbau von Schadstoffgemischen als zunehmend schwieriger je komplexer das Gemisch bzw. je xenobiotischer die Struktur der enthaltenen Schadstoffe ist. Auch erfordert der Abbau xenobiotischer Verbindungen häufig den Einsatz adaptierter Spezialbiozönosen, deren biotechnologische Bereitstellung mit erhöhten Kosten verbunden ist. Am Beispiel eines in der Kautschukverarbeitung zum Einsatz kommenden Lösemittelgemisches aus 70 Vol% tert. Butanol und 30 Vol% Aceton wurde der erfolgreiche Gemischabbau im Verfahrensvergleich zweier Biotricklingfilter und eines Biowäschers gezeigt und das Potential innovativer Kompostitträger, die keine zusätzliche Beimpfung mit Leistungsbiozönosen erfordern, dargelegt. • Herausforderung biologische Persistenz: Mit zunehmendem xenobiotischen Charakter von Schadstoffen sinkt deren biologische Abbaubarkeit, da häufig spezialisierte Enzyme oder innovative Abbauwege für deren Mineralisierung erforderlich sind und geeignete mikrobielle Isolate entweder nicht existent sind oder eine zu geringe Transformationskinetik für eine technische Applikation aufweisen. Der Einsatz biologischer Abluftreinigungsverfahren erscheint hier unter technischen und ökonomischen Aspekten zumeist nicht sinnvoll. Diese Einschätzung wurde am Beispiel des bakteriellen Abbaus des Xenobiotikums 2-Chlortoluol widerlegt, welches durch insgesamt vier neu gewonnene Isolate mineralisiert und deren Anwendbarkeit in Biotricklingfiltern zur Behandlung von 2-Chlortoluol haltiger Abluft erfolgreich gezeigt werden konnte. Die Stabilität des Inokulums in der sich etablierenden Biozönose konnte in einer Langzeitstudie über 985 Tage erfolgreich bestätigt werden, wodurch sich die initialen Kosten für die Beimpfung der Anlage relativierten. • Herausforderung begrenzte Transformationskinetik: Neben xenobiotischen Einflüssen führen insbesondere eine steigende Lipophilie sowie steigende Dampfdrücke von Abluftinhaltsstoffen zu einer stark restringierten Transformationskinetik, wodurch das Anlagenvolumen und somit die Kosten der biologischen Behandlung stark ansteigen. Der Ansatz einer Verfahrenskombination aus nicht-thermischem Plasma zur partiellen Oxidation und somit Hydrophilisierung der lipophilen Schadstoffe mit nachfolgender biologischer Mineralisierung erscheint unter technischen und ökonomischen Aspekten ein interessanter Ansatz zu sein. Die Verfahrenskombination weist dabei eine kompaktere und kleinere Baugröße sowie geringere Betriebskosten als ein alleinstehendes NTP-/BTF-Verfahren auf. Die Machbarkeit dieses Anlagenkonzepts konnte sowohl im Labor- als auch Pilotmaßstab an acht verschiedenen artifiziellen Abluftströmen sowie an drei Realabluftströmen erfolgreich gezeigt werden. • Herausforderung Temperatur: Abluftströme weisen häufig Temperaturen von 50 °C bis knapp 150 °C auf, insbesondere wenn sie aus thermisch betriebenen Produktionsprozessen entstammen. Nach erfolgter Vorkonditionierung liegen die Ablufttemperaturen zumeist bei 50 - 70 °C. Im Vergleich zu mesophil betriebenen biologischen Verfahren ist der Betrieb thermophil betriebener biologischer Abluftreinigungsanlagen deutlich anspruchsvoller. Neben verfahrenstechnischen Problemstellungen ist die Ursache hierfür vor allem in steigenden Dampfdrücken und somit geringeren Bioverfügbarkeiten sowie ggf. steigende Toxizitäten der Schadstoffe zu suchen. Am Beispiel der Abgase von drei Biogasanlagen nach dem Verbrennungsprozess, die sich durch hohe Konzentrationen an Methan, NOx, CO, aber auch dem kanzerogenen Formaldehyd auszeichnen, wurde die technische und ökonomische Machbarkeit einer Vefahrenskombination aus chemischem Wäscher und thermophil betriebenen Biofilter zur erfolgreichen Behandlung dieser Abgase untersucht. Im Kontext von Vorversuchen zur Behandlung von Methan und Formaldehyd im thermophilen Temperaturbereich trat erwartungsgemäß eine sehr geringe Reinigungseffizienz des Biofilters auf. Hingegen konnte durch gezieltes Sauerstoffmanagement und optionale H2O2-Dosierung die Leistungsfähigkeit des Basenwäschers insbesondere gegenüber Formaldehyd auf über 95 % gesteigert werden. • Herausforderung Biopersistenz und allgemein fehlende Reinigungseffizienz: Die Anwendbarkeit biologischer Abluftreinigungsverfahren ist hingegen gänzlich bei hoch-persistenten Abluftkomponenten wie polyhalogenierten Kohlenwasserstoffen überschritten, die trotz Restriktionen des Kyoto-Protokolls aufgrund fehlender Substituierbarkeit immer noch in der Halbleiterindustrie, bei der Verhüttung von Aluminium oder seltenen Erden, Luft- und Raumfahrtindustrie oder Entsorgungswirtschaft freigesetzt werden. Dabei erweist sich insbesondere die Behandlung des chemisch hochstabilen CF4 als erhebliche Herausforderung. Das Scheitern etablierter Abluftreinigungsverfahren und somit die Notwendigkeit der Implementierung hoch-innovativer Verfahrenskonzepte konnte an diesem exemplarischen Abluftschadstoff eindrucksvoll gezeigt werden. Das hierfür zum Einsatz kommende strahlungsgekühlte Wasserdampfplasma wies nach ersten Optimierungsschritten eine Reinigungseffizienz von 99,6 % bei einem SIE-Wert von 2222 kWh·1000 m3 auf, während eine konventionelle thermische Nachbehandlung gemäß Referenzanlagen nur einen Wirkungsgrad von ca. 18 % erreichte.Item Open Access The impact of war on heavy metal concentrations and the seasonal variation of pollutants in soils of the conflict zone and adjacent areas in Mosul city(2024) Altahaan, Zena; Dobslaw, DanielThe present study addresses the war-related soil contamination with heavy metals in the urban area of Mosul/Iraq as a result of the war of liberation from ISIS (2014-2017). In order to cover seasonal influences, a total of eight sample sets from soils in the conflict area and adjacent areas were collected over the course of the year in two three-month test series, and the parameters pH, E.C., salinity and the heavy metals Cd, Pb, Zn, Cr and Ni were taken as indicators for contamination. Results showed average heavy metal levels in the conflict areas above the global average limits, with some limits also being exceeded in the adjacent areas. All sampling sites were highly contaminated with Cd and moderately contaminated with Pb. The Igeo contamination factors indicated that the sampling sites in the conflict area were moderately to heavily contaminated with Cd, Pb, Zn, Cr and Ni, while the pollution load index indicated that all sites in the conflict zone were extremely to heavily contaminated with heavy metals. The study data give cause for concern that heavy metals may be released into other ecosystems.