MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart

Studie Sanierungsverfahren Teil I: Verfahrensübersicht Teil II: Evaluierung Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz 31.07.2015 -1-

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart

Inhalt 1

Ziele, Vorgehensweise und Evaluierungskriterien ......................................................... 3

2

Konventionelle Sanierungsverfahren ............................................................................ 5

2.1

Bodenaustausch ........................................................................................................... 5

2.2

Hydraulische Sanierung / Abstromsicherung durch „Pump & Treat“ ............................. 7

2.3

Pneumatische Sanierung (Bodenluftabsaugung) ........................................................ 10

2.4

Zwei-Pasen-Extraktion ................................................................................................ 12

3

Innovative In-situ-Sanierungsverfahren....................................................................... 14

3.1

Thermische In-situ-Sanierung ..................................................................................... 14

3.1.1

Erwärmung mittels Heizsonden (konduktiv; TCH: thermal conductiv heating, auch als ISTD – in situ thermal desorption) ................................................... 14

3.1.2

Erwärmung mittels Dampf-Luft-Injektion (konvektiv; SAI: steam air injection, auch: SEE - steam enhanced extraction) .................................................................... 21

3.2

ISCO: In-situ chemische Oxidation ............................................................................. 25

3.3

Nano-Eisen Injektion................................................................................................... 30

3.4

Mikrobielle In-situ Verfahren ....................................................................................... 33

3.4.1

Reduktiver LCKW-Abbau ............................................................................................ 33

3.4.2

Airsparging (gesättigte Zone) ...................................................................................... 37

3.5

Reaktive Systeme (reaktive Wand) ............................................................................. 41

3.6

Einkapselung (z.B. durch Dichtwände) ....................................................................... 44

4

Evaluierung der Anwendung der Sanierungsverfahren in Stuttgart ............................. 47

4.1

Allgemeine Standortverhältnisse in Stuttgart............................................................... 48

4.2

Ideenwettbewerb und Pilotversuch zur Vorbereitung des Einsatzes innovativer In-Situ-Dekontaminierungsverfahren in Stuttgart ...................................... 49

4.3

Stand der Technik der LCKW-Herdsanierung ............................................................. 51

5

Zusammenfassung ..................................................................................................... 53 -2-

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 1

Ziele, Vorgehensweise und Evaluierungskriterien

Als eine der Grundlagen für die Aufstellung eines Rahmensanierungskonzepts für das MAGPlan-Projektgebiet werden nachfolgend Informationen zu grundsätzlich geeigneten Sanierungsverfahren und zur Bewertung ihrer Eignung zusammengestellt. Dazu wurde zunächst eine Literaturrecherche durchgeführt. Ziel war es, Beschreibungen und Bewertungen von Sanierungsverfahren verfügbar zu machen. In einem zweiten Schritt wurden die Verfahren hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit bei LCKW-Kontaminationen in Stuttgart mit den vorliegenden Randbedingungen durch die örtliche Geologie, Hydrogeologie und durch die kompakten Siedlungsstrukturen im urbanen Raum bewertet. Ausgewertet wurden Veröffentlichungen und Referenzprojekte. Bei der Auswahl und Zusammenstellung der Informationen wurden insbesondere die nachfolgend genannten Aspekte berücksichtigt, die für die Anwendbarkeit und Eignung der Sanierungsverfahren von Bedeutung sind. 

Überbauung der sanierungsbedürftigen kontaminierten Bereiche und damit verbundene erschwerte Zugänglichkeit bzw. erhöhte Schutzbedürftigkeit.



Untersuchungsstand bei der räumlichen Abgrenzung der Schadstoffherde, der mangels Zugänglichkeit eingeschränkt sein kann.



Komplexität der hydrogeologischen Gegebenheiten mit bereichsweise sehr geringer Durchlässigkeit des Gesteins, heterogenem Schichtaufbau, tektonischen Störungen und Kluftstrukturen.



Anteil organischer Substanz im Gestein.



Hydraulische bzw. pneumatische Permeabilität, Heterogenitäten, Doppelporosität.



Grundwasserfließgeschwindigkeiten.



Druckverhältnisse im Grundwasserleiter (freie oder gespannte Grundwasseroberfläche).



Aerobe bzw. anaerobe Milieuverhältnisse im Aquifer.



Sanierungszeit.



Finanzielle Aspekte, ggf. auch unter Beachtung der Größe des Schadens und der Erfolgsaussichten, insbesondere der erreichbaren Sanierungsziele. -3-

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Rebound-Effekte, d.h. der Wiederanstieg der Schadstoffkonzentrationen nach Beendigung einer Maßnahme, indem sich ein neues Konzentrationsgleichgewicht zwischen den bodengebundenen und den gelösten Schadstoffen einstellt. Die Höhe der Schadstoffgehalte infolge des Rebound-Effekts kann von der Menge der verbliebenen Schadstoffe und deren Verteilung abhängen.

-4-

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart

Teil I: Verfahrensübersicht 2

Konventionelle Sanierungsverfahren

Als „konventionell“ werden Sanierungsverfahren bezeichnet, die bei LCKW-Schäden im Stadtgebiet Stuttgarts seit Beginn der Sanierungsaktivitäten in den Jahren 1984/85 regelmäßig zum Einsatz kommen. Es handelt sich um die Verfahren „Bodenaustausch“, „Pump & Treat“ und „Bodenluftabsaugung“. Während der Bodenaustausch vorwiegend kurzfristig bei der Schadenssanierung im Zuge von Baumaßnahmen zum Zuge kommt, werden Pump & Treat und Bodenluftabsaugung meist über viele Jahre hinweg auch ohne bauliche Veränderungen angewendet. Auch die „Zwei-Phasen-Extraktion“, meist als „Kombinierte Grundwasserentnahme und Bodenluftabsaugung“ bezeichnet, wird seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt.

2.1

Bodenaustausch



Herdsanierung.



Kommt insbesondere im Zuge von Bauvorhaben, aber auch darüber hinaus z.B. durch Ausbohren mit Großlochbohrungen, Aushub im Wabenverfahren oder unter Einsatz spezieller Baugrubensicherungssysteme zum Einsatz.



Aushub des kontaminierten Bodenmaterials, soweit zugänglich, und anschließende Verwertung oder Beseitigung auf einer geeigneten Deponie. Selten Dekontamination durch Bodenwäsche, thermische Verfahren, Dampfextraktion oder biologische Verfahren on-site oder off-site.



Voraussetzung: Untersuchung der Schadstoffkonzentrationen sowohl in der Tiefe als auch in der Horizontalen zur Planung, Kostenkalkulation, Ausschreibung und Durchführung (z.B. zur Planung geeigneter Arbeitsschutzmaßnahmen).



Baubegleitende Überwachung und Nachsondierungen zur Kartierung verbleibender Restbelastungen.

Anwendungsbereich: 

Unabhängig von Bodeneigenschaften und Schadstoffen anwendbar.

Vorteile: -5-

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Schnelle und gründliche Dekontaminierung des Standorts.

Einschränkungen: 

Mangels Zugänglichkeit können kontaminierte Randbereiche oft nicht entfernt werden.



Hohe Entsorgungskosten für kontaminiertes Bodenmaterial.



Die Maßnahme ist mit Baustellenverkehr und Lärm verbunden, ggf. ist ein aufwändiger Arbeitsschutz erforderlich.



Eine Dekontamination der ausgehobenen Bodenmaterialien kommt aus technischen und finanziellen Gründen nur selten zustande, daher erfolgt eine Verlagerung der Schadstoffe auf andere Standorte (i.d.R. gesicherte Deponien).

Bebauung: 

Aufgrund verbleibender Bebauung gibt es unzugängliche Bereiche.



Ein Schutz der Nachbarn vor Emissionen kann erforderlich sein.

Praxiserfahrung: 

Erprobtes Verfahren, in der Praxis (meist im Zusammenhang mit Bauvorhaben) häufig durchgeführt.

Sanierungszeit: 

Kurze Sanierungszeit (auf die Bauzeit beschränkt, meist wenige Monate).

Rebound-Effekte: 

Keine.

Nachsorge: 

In der Regel ist eine Untersuchung verbleibender Restschäden notwendig, da nicht alle kontaminierten Bereiche ausgetauscht werden können.



Monitoring, teilweise auch Sicherungsmaßnahmen wegen verbleibender Restschäden (z.B. Pump & Treat) notwendig.

-6-

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Kosten: 

Wirtschaftlich im Zuge von Bauvorhaben.



Hohe Kosten, sofern die Maßnahme unabhängig von Bauvorhaben erfolgt, auch durch Aufwand für die Freilegung der verunreinigten Bereiche.



Kostenrisiken bei unzureichend untersuchten Standorten, z.B. durch Massenmehrungen oder Nachträge bei der Entsorgung infolge nicht erkannter Kontaminationsklassen.

Zusammenfassung: 

Geeignet im Zuge von Bauvorhaben.



Gute Entfernung von Schadstoffherden, wenn die Schadstoffverteilung im Boden bekannt ist.



Der Bodenaustausch muss infolge von Restschäden vielfach mit anderen Verfahren kombiniert werden.

Quellen: – -Dr. Stupp Consulting: Verfahren zur Sicherung/Sanierung kontaminierter Standorte

2.2

Hydraulische Sanierung / Abstromsicherung durch „Pump & Treat“



Herd- und Fahnensanierung.



Grundwasserentnahme über Brunnen und Drainagen und anschließend on-site Reinigung (meist physikalische Reinigung durch Aktivkohlefilter, bei hohen Konzentrationen auch Strippanlagen).



Durch die Entnahme des Grundwassers bildet sich ein Absenktrichter aus. Die natürliche Grundwasserfließrichtung in der Umgebung des Brunnens wird geändert, das Grundwasser fließt im Bereich des Entnahmetrichters dem Brunnen zu.



Bezeichnung: Pump and Treat, Pump-and-Treat oder Pump & Treat werden in der Literatur gleichwertig verwendet.

-7-

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Anwendungsbereich: 

Die hydraulische Durchlässigkeit sollte im Bereich von > 10-5 m/s liegen. Anwendungsgrenzen bei sehr gering durchlässigen Gesteinen (z.B. Lias-Tonen) und zu großem Grundwasserandrang (Oberer Muschelkalk) wegen zu großer Verdünnung. Geringe räumliche Wirkung auch bei Schadensfällen in klüftigen Festgesteinen (z.B. im Gipskeuper) möglich.



Zur Sicherung des Grundwasserabstroms von Schadenszentren, auch bei Schadstoffherddekontaminierung und damit verbundener Schadstoffmobilisierung.

Vorteile: 

Technisch einfach.

Einschränkungen: 

Einschränkungen bei der Sanierung von Grundwasserschäden (wegen geringer Reichweite) bei sehr geringem Wasserandrang. Ineffizient infolge hoher Verdünnung, z.B. im Oberen Muschelkalk, auch bei sehr hohem Wasserandrang.



Tailing-Effekt: die Schadstoffkonzentrationen nähern sich asymptotisch einem Endwert an, der oft über dem Sanierungszielwert liegt.



Aufgrund von Doppelporositätseffekten oder an das Gestein sorbierter Schadstoffe können Restbelastungen im Grundwasser auftreten.

Bebauung: 

Eine Überbauung des Schadstoffherdes stellt in der Regel kein großes Hindernis dar, da Grundwasseraufschlüsse ggf. auch unterstromig erstellt werden können.

Praxiserfahrung: 

Langjährige Erfahrung, technisch gut beherrschbar und hohe Verfahrenssicherheit. Setzungsschäden sind bisher nicht bekannt geworden.

Sanierungszeit: 

Lange Sanierungszeit von oft mehreren Jahrzehnten auch wegen der geringen Löslichkeit der LCKWs, meist diffusionslimitierte Schadstofffreisetzung.

-8-

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Auch nach langer Laufzeit von mehreren Jahrzehnten wird der Prüfwert von 10 µg/l als Sanierungszielwert mangels Dekontamination des Schadstoffherdes oft nicht erreicht.

Rebound-Effekte: 

Wird nach Beendigung der Maßnahme häufig beobachtet.

Nachsorge: 

Nach Abschluss der Pumpmaßnahme wird vielfach ein 3-jähriges Monitoring gefordert.

Kosten: 

Da es sich meist um eine Sicherungs- und nicht um eine Dekontaminierungsmaßnahme handelt, sind lange Sanierungszeiträume die Regel. Die Sanierungskosten sind zunächst gering, summieren sich aber mit der Zeit erheblich auf.



Nach längerer Sanierungsdauer wird oft eingewendet, dass die entnommene Schadstoffmenge nicht mehr im Verhältnis zu den Kosten steht und der Sanierungswert von 10 µg/l hinterfragt.

Zusammenfassung: 

Zu Beginn ein meist effizientes Verfahren mit hohem Schadstoffaustrag, zum Erreichen eines Sanierungszielwertes sollte die hydraulische Sanierung jedoch mit anderen Verfahren kombiniert werden.

Quellen: – Fachhochschule Bochum, Institut für Wasser und Umwelt: Vorlesung Grundwassersanierung; Prof. Dr. Rolf Bracke http://www.hochschulebochum.de/fileadmin/media/fb_b/Skripte/Bracke/skript_grundwasser reinigung.pdf – Materialien zur Altlastenbehandlung. Entscheidungshilfe Grundwassersanierung: Effizienz von Pump and Treat – Sanierungen. Hrsg.: Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Referat Grundwasser und Altlasten; März 2007 - http://www.gaswerk-sanierung.de/ – Handbuch

der

Altlastensanierung:

Abschnitt

„Vergleich

von

LCKW-

Grundwassersanierungen durch „Pump-and-Treat“ und „Reaktive Systeme““, Verfahren und Kosten, Dr. Hans Dieter Stupp -9-

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 2.3

Pneumatische Sanierung (Bodenluftabsaugung)



Herdsanierung



Die Bodenluftabsaugung ist ein aktives Verfahren, bei der leichtflüchtige, schadstoffbelastete Gase oder Schadstoffe (als Gasphase) aus dem Boden abgesaugt werden. Dazu wird ein lokaler Unterdruck im Porenraum der ungesättigten Zone erzeugt, der eine Luftströmung hin zum Absaugsaugbrunnen bewirkt.



Entstehende Druckgradienten verursachen Gasströmungen, die zum Ort des erzeugten Unterdrucks gerichtet sind.



Die Schadstoffe werden mit dem Luftstrom aus dem Boden befördert.



Die nachströmende Luft weist meist geringere Schadstoffkonzentrationen auf, so dass zur Wiederherstellung des Gleichgewichts Gas aus höher belasteten Bereichen bis hin zur flüssigen LCKW-Phase nachgebildet wird.



Kontaminierte Abluft wird an geeigneten Sorbentien (z.B. an Aktivkohlefiltern) gereinigt.

Anwendungsbereich: 

Böden mit guter bis mittleren pneumatischer Durchlässigkeit, bei entsprechender Gestaltung auch bei geringer Durchlässigkeit einsetzbar.



Homogene Bodenschichten sind vorteilhaft.



Anwendung auch bei inhomogenen Schichten mit entsprechend differenziert ausgebildeten Filterstrecken möglich.

Vorteile: 

Technisch einfach und erprobt.

Einschränkungen: 

Bei hoher Bindigkeit der Bodenschichten wird das Verfahren wegen der geringen pneumatischen Durchlässigkeit ineffizient.



Doppelporositätseffekte: große Klüfte sind schnell gereinigt, danach setzt langsamer diffusiver Prozess in feinkörniger Matrix ein.



Sanierungszielwerte werden oft nicht erreicht.

- 10 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Bebauung: 

Bebauungen sind in der Regel kein Hindernis.

Praxiserfahrung: 

Verfahren wurde häufig eingesetzt. Zu Beginn erfolgt meist eine starke Abnahme der LCKW-Konzentrationen; danach stellen sich konstante Gehalte in der Abluft ein.



Eine Anlagenoptimierung durch Auswahl geeigneter Gebläsetypen ermöglicht in vielen Fällen Einsparung von Energie und Betriebskosten.

Sanierungszeit: 

Wie bei hydraulischen Verfahren werden wegen diffusionslimitierender Schadstofffreisetzung oft mehrere Jahre bis Jahrzehnte zur Reinigung benötigt.

Rebound-Effekte: 

Wird nach Beendigung der Maßnahme aufgrund von Diffusionseffekten vielfach beobachtet.

Nachsorge: 

Es wird untersucht, ob die entnommene Schadstoffmenge noch im Verhältnis zu den Kosten steht und welcher Sanierungswert erreicht werden konnte.

Kosten: 

Je länger die Sanierung dauert, desto höher die Kosten im Verhältnis zum Austrag von Schadstoffen

Zusammenfassung: 

Zu Beginn ein meist effizientes Sanierungsverfahren, bei einem Vorliegen der Schadstoffe in der Gasphase.



Zum Erreichen der Sanierungsziele sollte das Verfahren mit anderen kombiniert werden.

Quellen: – Bericht aus TerraTech 2/1998: Bodenluftsanierungen – Theoretische Grundlagen und Praxiserfahrungen – Dr. Hans Dieter Stupp

- 11 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart – Fachhochsschule Bochum: Vorlesung Pneumatische Verfahren; Prof. Dr. Rolf Bracke. http://www.hochschulebochum.de/fileadmin/media/fb_b/Skripte/Bracke/bodenluftbehandlung.pdf

2.4

Zwei-Phasen-Extraktion



Herdsanierung



Kombination von Pump & Treat und Bodenluftabsaugung in einem Brunnen. Entstehende Druckgradienten verursachen Gasströmungen, die zum Ort des erzeugten Unterdrucks gerichtet sind.



Aktives Verfahren, bei die gelösten Schadstoffe über die wässrige Phase entnommen und schadstoffbelastete Gase als Gasphase aus dem oberen Teil des Brunnens abgesaugt werden. Dazu wird ein Unterdruck im Brunnen oberhalb des abgesenkten Grundwasserspiegels erzeugt, der eine Luftströmung aus der (durch Grundwasserabsenkung vergrößerten) ungesättigten Bodenzone zum Brunnen hin bewirkt.



Die Schadstoffe werden mit dem Grundwasser- und dem Luftstrom aus Grundwasser und Boden befördert. Insbesondere zur Reinigung des Kapillarsaums geeignet.



Kontaminiertes Grundwasser und kontaminierte Abluft werden durch geeignete Sorbentien (z.B. an Aktivkohlefiltern) gereinigt.

Anwendungsbereich: 

Geeignet auch in Böden mit geringer Durchlässigkeit.

Vorteile: 

Technisch einfach und erprobt.

Einschränkungen: 

Sanierungszielwerte werden nur langfristig oder nicht erreicht.

Bebauung: 

Bebauungen sind in der Regel kein Hindernis.

- 12 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Praxiserfahrung: 

Erfahrungen mit Einsatz des Verfahrens liegen vor. Zu Beginn erfolgt meist eine starke Abnahme der LCKW-Konzentrationen; danach stellen sich konstante Gehalte in der Abluft ein.

Sanierungszeit: 

Wie bei hydraulischen Verfahren werden wegen diffusionslimitierender Schadstofffreisetzung oft mehrere Jahre bis Jahrzehnte zur Reinigung benötigt.

Rebound-Effekte: 

keine Erfahrung

Nachsorge: 

Es wird untersucht, ob die entnommene Schadstoffmenge noch im Verhältnis zu den Kosten steht und welcher Sanierungswert erreicht werden konnte.

Kosten: 

Je länger die Sanierung dauert, desto höher die Kosten im Verhältnis zum Austrag von Schadstoffen.



Durch den Einsatz geeigneter Aggregate zur Bodenluftabsaugung erhebliche Energie- und Kosteneinsparung möglich.

Zusammenfassung: 

Ein meist effizientes Sanierungsverfahren, insbesondere bei hohem Schadstoffgehalt im Kapillarsaum.

Quellen: – Arbeitshilfe – H1 – 13: Innovative In-Situ-Sanierungsverfahren. Hrsg.: Ingenieurtechnischer Verband für Altlastenmanagement und Flächenrecycling e.V. (ITVA); Juni 2010 – ARCADIS 2008: Projekt Altstandort „Rotax-Stehle“ Stuttgarter Str. 10, Stuttgart Feuerbach. Weitere Vorgehensweise im Rahmen der Detailuntersuchung; Empfehlungen zur Sanierungsuntersuchung. ARCADIS CONSULT GmbH, Stuttgart, 26.08.2008

- 13 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 3

Innovative In-situ-Sanierungsverfahren

Seit Beginn der Altlastensanierung werden in Stuttgart innovative Sanierungsverfahren angeboten und diskutiert. Bereits Ende der 1980er Jahre kamen solche Verfahren auch zum Einsatz. Bekannt geworden sind Versuche mit 

In-situ-Stippung (nachfolgend als „Airsparging“ bezeichnet, siehe Kap. 3.4.2), wobei seinerzeit nur ein Ausstrippeffekt, nicht jedoch eine biologische Behandlung angestrebt wurde, und



Unterdruck-Verdampfer-Brunnen, in denen eine Ausstrippung der LCKW in einem Grundwasserbrunnen selbst erreicht wurde.

Diese Verfahren konnten sich auf dem Sanierungsmarkt jedoch nicht durchsetzen. Die hohen Kosten und Risiken angesichts der komplexen Geologie in Stuttgart standen einer weiteren Anwendung entgegen. Versuche mit ISCO (in-situ-chemischer Oxidation) und einer reaktiven Wand im Neckartal kamen nicht zur Ausführung. Trotzdem sollen im folgenden Möglichkeiten der In-situ-Sanierung aufgezeigt werden, denn in Feuerbach wurden in den Jahren 2013/2014 mit der thermischen In-situ-Sanierung durch feste Wärmequellen (TCH, siehe Kapitel 3.1.1) erste positive Erfahrungen mit einer erfolgreichen Dekontaminierung gemacht. Die Beschreibung ist begrenzt auf 

die Sanierung von LCKW-Schäden, da diese im Fokus des MAGPlan-Projektes stehen und



Verfahren, die in Kluftaquifersystemen anwendbar sind.

3.1

Thermische In-situ-Sanierung

3.1.1

Erwärmung mittels Heizsonden (konduktiv; TCH: thermal conductiv heating, auch als ISTD – in situ thermal desorption)



Herdsanierung



Durch Heizsonden wird der Boden konduktiv erhitzt, wodurch die LCKW in die Gasphase übertreten, Porenräume durch Trocknung erweitert werden und die Gasphase anschließend z.B. mit Vakuumpumpen abgesaugt wird (siehe Abb. 3.1 und 3.2). - 14 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Durch einen exponentiellen Anstieg des Dampfdrucks und des Henry-Koeffizienten mit der Temperatur erhöht sich die Löslichkeit der Schadstoffe, deren Viskosität sinkt und die wässrige Diffusionsrate steigt. Bei der Erwärmung des Bodens kommt es folglich zu einer Verdampfung der Schadstoffe, so dass sie mit einer Bodenluftabsaugung (BLA) entfernt werden können.

Abb. 3.1



Verfahrensschema „Feste Wärmequellen“ (Quelle: VEGAS, Universität Stuttgart)

Insbesondere in bindigen Böden entsteht auch eine nicht-isotherme zirkulierende LuftWasser Strömung, der sog. Heat-Pipe-Effekt. Der warme Gasstrom bewegt sich mit dem Temperaturgradienten weg von der Wärmequelle, wobei er abkühlt und zuvor verdampfte Flüssigkeit wieder kondensiert. Durch die Kapillarkräfte des Bodens wird das Kondensat zurück in den heißen Bereich transportiert. Dieser Effekt ist in sandigen Böden wegen geringer Kapillarkräfte vernachlässigbar. In gering durchlässigen Böden dagegen breitet sich die Wärme schnell aus, so dass zum konduktiven Wärmetransport ein konvektiver Wärmestrom hinzu kommt. – In bindigen Böden erwärmt sich der Boden schnell und mit wenig Energieaufwand. – Aufgrund der Kondensation der Schadstoffe bei Abkühlung besteht die Gefahr möglicher LCKW-Verlagerungen in zuvor nicht kontaminierte Bereiche. - 15 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart – Dieser negative Effekt kann durch eine optimierte Anordnung der Heizelemente verhindert werden. 

Bei nicht mischbaren Flüssigkeiten kommt es zum Gemischsieden bzw. zur Wasserdampfdestillation: Wenn DNAPLs (dense non-aquos phase liquids) mit Wasser gemischt werden, sinkt Siedepunkt im Vergleich zu dem der einzelnen Komponenten. – Schon bei Temperaturen unter 100°C verdampfen das Wasser und die Schadstoffe, wodurch der Energieinput geringer wird und sich der Zeitraum für die Erhitzung verkürzt. Dies führt zu geringeren Kosten. Zudem trocknet der Boden weniger aus, womit sich das Risiko für Setzungen verringert. Siedetemperatur

Gemischsiedetemperatur

des Schadstoffes [°C]

mit Wasser [°C]

1,2-cis-Dichlorethen

60

55

Trichlorethen

87

73

Tetrachlorethen

121

88

Schadstoff



Durch Austrocknung erhöht sich der Anteil an luftgefüllten Poren und die pneumatische Permeabilität. Die Gesamtdiffusion der im Porenwasser gelösten Schadstoffe in die Gasphase nimmt zu. Dieser Effekt ist vor allem in bindigen Böden groß. – Mit der Zeit nimmt die Austrocknung des Bodens zu, was zu einem vermehrten gasförmigen Vorliegen der Schadstoffe führt. Dadurch wird der Schadstoffaustrag über die Bodenluftabsaugung (BLA) verbessert. – Mit zunehmender Austrocknung erhöht sich aber auch die Gefahr von Setzungen an Gebäuden.



Die in der gesättigten Zone verdampften Schadstoffe werden wegen einer wärmeinduzierten Bodenluftströmung in die ungesättigte Zone getragen, die gasförmigen Schadstoffe werden dort von der BLA erfasst.



Abiotische Reaktionen wie die Hydrolyse werden erst bei höheren Temperaturen im Boden verbessert. Bei Temperaturen über 100°C werden Stoffe chemisch umgewandelt (Verga-

- 16 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart sung, Hydrolyse, Steamcracking, Torrefizierung, anaerobe Pyrolyse). Zur LCKW-Entfernung reichen geringere Temperaturen aus, deshalb spielen diese Prozesse keine Rolle. 

Die Abluft wird in einer nachgeschalteten Reinigungsstufe behandelt.



Wasserkondensation auf der Luft-Aktivkohle zum Reinigen der Abluft ist zu vermeiden. Daher ist eine Trocknung der Luft durch Kondensation und eine Abscheidung des Kondensats aus dem Luftstrom nötig. Bei hohem Wasserdampfanteil in der Abluft muss diese mehrmals behandelt werden, um den Wasseranteil zu reduzieren. Ansonsten muss der LuftAktivkohlefilter sehr oft gewechselt werden, was zu erhöhten Kosten führt.

Abb. 3.2

Heizlanzen (rote Pegelköpfe), Messsonden und Bodenluftabsaugung Stuttgarter Str. 10

Anwendungsbereich: 

Für ungesättigte Bodenzone geeignet, in der gesättigten Zone noch wenig Praxiserfahrung; anwendbar bei den meisten hydrogeologischen Bedingungen. - 17 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Für Lockergestein (Sand, Schluff), auch für gering durchlässige Böden (Lehm, Ton).



Heterogenität des Untergrunds ist nicht einschränkend, da sich die Wärmeleitung verschiedener Boden- und Gesteinsarten nur gering unterscheidet.



Eine geringe hydraulische Durchlässigkeit verringert den lateralen Zutritt von Wasser, was im Sanierungsbereich eine Wärmeanreicherung begünstigt.



Pilotversuche zur Prüfung der Anwendbarkeit des Verfahrens sind notwendig.

Vorteile: 

Für leichtflüchtige organische Schadstoffe gut geeignet.



Im Vergleich zum Bodenaushub kann eine Dekontamination tiefer liegender Bodenschichten auch unter Beibehaltung der Bebauung erreicht werden.



Bis in große Tiefen anwendbar (max. Länge der Wärmeelemente kann einschränkend sein). Temperaturen unter 100°C bei der LCKW-Behandlung ausreichend.

Einschränkungen: 

Gering Reichweite des Verfahrens.



In der gesättigten Zone kann Wasser das Erhitzen über den Siedepunkt verhindern. Dadurch treten die Schadstoffe nicht in die Gasphase über.



Bei Anwendung des Verfahrens in der gesättigten Zone kann der Wasserdampf zur einer stark verminderten Adsorptionskapazität der Aktivkohlefilter führen.



Bei weit verteilten Kontaminationen ist Verfahren ineffektiv wegen Hitzeverlusten.



Genaue Schadstofflage muss bekannt sein.



Vorhandene residuale Phase kann durch die Bodenerwärmung mobilisiert werden, was zu erhöhten Schadstoffgehalten im Grundwasser führen kann. Daher ist eine hydraulische Abstromsicherung notwendig, wobei aber ein erhöhter Grundwasserumsatz im Sanierungsbereich wegen Wärmeverlusten vermieden werden sollte. Hohe Grundwasserumsätze machen das Verfahren ineffektiv.



Es muss verhindert werden, dass unterirdische Leitungen und Einbauten durch erhöhte Temperaturen beschädigt werden.

- 18 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Bebauung: 

Bebauungen stellen zunächst kein Hindernis dar. Das Verfahren ist geeignet, Kontaminationen unter Gebäuden zu entfernen.



Bei Sanierungen unter Gebäuden muss geprüft werden, ob Schadstoffe in die Innenräume gelangt sind.



Ein Einsatz von Heizlanzen in Gebäuden kann schwierig werden, da sie nicht geknickt werden dürfen.



Bei bindigen Böden besteht Setzungsgefahr (durch Wassergehaltsänderungen).

Praxiserfahrung: 

Es gibt schon einige durchgeführte Projekte mit Sanierungserfolg, allerdings auch mit Setzungsschäden.

Sanierungszeit: 

Kurzer Sanierungszeitraum, einige Monate bis max. 2 Jahre.

Rebound-Effekte: 

Keine Angaben verfügbar.

Nachsorge: 

Überwachung der Abkühlung des Bodens mittels Temperatursonden.



Grundwasser muss über einen längeren Zeitraum auf den Rückgang der Schadstoffkonzentrationen überwacht, ggf. abgepumpt werden.

Kosten: 

Hohe Sanierungskosten durch zahlreiche Bohrungen (Wärmelanzen, Absauglanzen, Messsonden) und aufwändige Anlagentechnik.



Kosten bei zwei Projekten in den USA waren 200 €/m³ bzw. 170 €/m³, in Stuttgart 4.500 €/m³ bei sehr beengten Platzverhältnissen und kleiner Kubatur (ca. 230 m³).



Aufwändige Sanierungsbegleitung und Überwachung, hoher Kapitaleinsatz.



Pilotversuche zur Prüfung der Anwendbarkeit des Verfahrens sind notwendig. - 19 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Zusammenfassung: 

Das Verfahren weist ein weites Anwendungsspektrum auf und verspricht eine nahezu vollständige und schnelle Dekontamination des Bodens.

Quellen: – ARCADIS 2008: Projekt Altstandort „Rotax-Stehle“ Stuttgarter Str. 10, Stuttgart Feuerbach. Weitere Vorgehensweise im Rahmen der Detailuntersuchung; Empfehlungen zur Sanierungsuntersuchung. ARCADIS CONSULT GmbH, Stuttgart, 26.08.2008 – Ondreka, J. et al. 2014: Erfolgreicher Pilotversuch. Thermische In-situ-Sanierung eines CKW-Schadens mittels fester Wärmequellen. TerraTech 2/2014 – VEOLIA 2014: Durchführung einer thermischen in-situ Sanierung einer LCKWBodenverunreinigung. Altstandort „Rotax-Stehe“ Stuttgarter Straße 10 (ISAS-Flächen-Nr. 2497) in Stuttgart-Feuerbach. Endbericht vom 14.11.2014 (unveröffentlicht) – Länderfinanzierungsprogramm „Wasser, Boden und Abfall“ 2007: Auswertung internationaler Fachliteratur zu In-Situ-Anwendungen in der gesättigten Zone bei der Altlastenbearbeitung; November 2008 – Task Leitfaden: Thermische in situ-Sanierungsverfahren (TISS) zur Entfernung von Schadstoffherden aus Boden und Grundwasser

- 20 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 3.1.2

Erwärmung mittels Dampf-Luft-Injektion (konvektiv; SAI: steam air injection, auch: SEE - steam enhanced extraction)

Abb. 3.3

Verfahrensschema „Dampf-Luft-Injektion“ (Quelle: VEGAS, Universität Stuttgart)



Herdsanierung



Dampf-Luft-Gemisch wird ins Schadenszentrum oder in dessen Rand in die ungesättigte oder gesättigte Zone injiziert. Der Boden wird über Kondensationsprozesse erwärmt, die Schadstoffe gehen in die Gasphase über und werden über eine BLA entfernt (siehe Abb. 3.3).



Strömung und Ausbreitung des Dampfes bestimmen den konvektiven Wärmeeintrag. Die Dampfausbreitung ist abhängig von der Bodenstruktur.



In der ungesättigter Zone kondensiert der injizierte Dampf am kalten Boden und gibt Energie an ihn ab (Verdampfungsenthalpie). Je nach zugeführter Dampfmenge bildet sich eine räumlich mehr oder weniger ausgedehnte, vertikale Wärmefront aus, die sich horizontal und radialsymmetrisch ausbreitet (bei homogenen Verhältnissen). Die Dampfmenge richtet sich nach der Ausbreitung des Schadstoffherdes. Die durch die Bodenerwärmung verdampften Schadstoffe werden mit dem zugeführten Luftanteil transportiert und von der BLA erfasst.

- 21 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

In der gesättigten Zone breitet sich ein geschlossener Dampfraum um die Injektionsstelle aus, das Grundwasser wird teilweise verdrängt. Der Dampfraum sollte den Schadstoffherd komplett erfassen, weshalb dessen genaue Lage bekannt sein sollte. Die Möglichkeit, dass große Grundwassermengen ein Erhitzen der Schadstoffe über den Siedepunkt verhindern, wird durch dessen Verdrängung reduziert.



Wenn der Dampf in die ungesättigte Zone durchgebrochen ist, erfolgt keine starke horizontale Ausbreitung mehr. Wenn dies zu früh der Fall ist, werden nicht alle Schadstoffe vom Dampfraum erfasst, so dass diese nicht in die Gasphase übergehen. Der Effekt, dass durch das Verdampfen mehr Poren luftgefüllt statt wassergefüllt sind, wird durch das Zuführen von Wasserdampf kompensiert. Dadurch wird die Setzungsgefahr reduziert.



Eine Wasserkondensation auf der Luft-Aktivkohle zum Reinigen der Abluft ist zu vermeiden. Daher ist eine Trocknung der Luft durch Kondensation und eine Abscheidung des Kondensats aus dem Luftstrom nötig. Bei hohem Wasserdampfanteil in der Abluft muss diese mehrmals behandelt werden, um den Wasseranteil zu reduzieren. Ansonsten muss der LuftAktivkohlefilter sehr oft gewechselt werden, was zu erhöhten Kosten führt.

Anwendungsbereich: 

Für die ungesättigte und gesättigte Bodenzone geeignet.



Für Lockergestein (Kies, Sand, sandiger Lehm), also gut durchlässiges und permeables Gestein geeignet.



Bevorzugt bei homogenen Böden, ungeeignet bei heterogener Geologie, da höher permeable Zonen zur Kanalbildung führen können.



Pilotversuche zur Prüfung der Anwendbarkeit des Verfahrens sind notwendig.

Vorteile: 

Entfernung leicht- bis mittelflüchtiger organischer Schadstoffe.



Bis in große Tiefen anwendbar.

Einschränkungen: 

Genaue Lage des Schadstoffherdes sollte bekannt sein.



Für kleine Schadstoffherde mit geringen Schadstoffkonzentrationen nicht ökonomisch.

- 22 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Wegen der geringen Reichweite kann eine Kombination mit anderen Verfahren im Randbereich nötig werden.



Gering permeable Böden verhindern eine Dampfinjektion. Höhere Drücke bei der Injektion können zu Brüchen im Bodengefüge und zu einem Dampfaustritt an der Oberfläche führen.



Bei sehr oberflächig und weit verteilten Kontaminationen wegen der Hitzeverluste ineffektiv.



Spezifischer Energieeintrag ist höher als bei TCH.



Vorhandene residuale Phase kann durch die Bodenerwärmung mobilisiert werden, was zu erhöhten

Schadstoffgehalten

im

Grundwasser

führen

kann.

Daher

kann

eine

Abstromsicherung notwendig werden, wobei aber ein erhöhter Grundwasserumsatz im Sanierungsbereich wegen Wärmeverlusten vermieden werden sollte. Hohe Grundwasserumsätze machen das Verfahren ineffektiv. 

Es muss verhindert werden, dass unterirdische Leitungen und Einbauten durch erhöhte Temperaturen geschädigt werden.

Bebauung: 

Bebauungen sind in der Regel kein Hindernis, Kontaminationen unter Gebäuden können entfernt werden.

Praxiserfahrung: 

Es gibt einige dokumentierte Projekte mit Sanierungserfolg (z.B. LCKW, Karlsruhe, VEGAS Universität Stuttgart).

Sanierungszeit: 

Kurzer Sanierungszeitraum, einige Monate bis max. 2 Jahre.

Rebound-Effekte: 

Keine Angaben.

Nachsorge: 

Das Abkühlen des Bodens muss mittels Temperatursonden überwacht werden.



Das Grundwasser muss über einen längeren Zeitraum auf den Rückgang der Schadstoffkonzentrationen überwacht werden. - 23 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Bei Sanierungen unter Gebäuden muss geprüft werden, ob Schadstoffe in die Innenräume gelangt sind.

Kosten: 

65 €/m³ bei Projekten Biswurm und Villingen-Schwenningen (gesättigte und ungesättigte Zone in gebrochenem Sandstein).



300 bis 600 €/m³ bei einem Bodenvolumen von 850 m³ (VEGAS in ARCADIS 2008).



Aufwändige Sanierungsbegleitung und –überwachung, hoher Kapitaleinsatz.



Große Anzahl an benötigter Bohrungen und Einbauten.

Zusammenfassung: 

Das Verfahren verspricht eine effiziente und schnelle Sanierung bei homogen aufgebauten und gut durchlässigen Böden.



Pilotversuche zur Prüfung der Anwendbarkeit des Verfahrens sind notwendig.

Quellen: – Task Leitfaden: Thermische in situ-Sanierungsverfahren (TISS) zur Entfernung von Schadstoffherden aus Boden und Grundwasser – Länderfinanzierungsprogramm „Wasser, Boden und Abfall“ 2007: Auswertung internationaler Fachliteratur zu In-Situ-Anwendungen in der gesättigten Zone bei der Altlastenbearbeitung; November 2008 – Arbeitshilfe – H1 – 13: Innovative In-Situ-Sanierungsverfahren. Hrsg.: Ingenieurtechnischer Verband für Altlastenmanagement und Flächenrecycling e.V. (ITVA); Juni 2010 – ARCADIS 2008: Projekt Altstandort „Rotax-Stehle“ Stuttgarter Str. 10, Stuttgart Feuerbach. Weitere Vorgehensweise im Rahmen der Detailuntersuchung; Empfehlungen zur Sanierungsuntersuchung. ARCADIS CONSULT GmbH, Stuttgart, 26.08.2008

- 24 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 3.2

ISCO: In-situ chemische Oxidation



Herdsanierung



Oxidativer Abbau von organischen Schadstoffen durch die Injektion von starken Oxidationsmitteln in den Grundwasserleiter beginnend vom Rand des Belastungsareals zum Zentrum hin. Einsatz der Permanganate Kalium- (KMnO4) und Natriumpermanganat (NaMnO4), Persulfat, Ozon oder Fenton`s Reagenz zur Oxidation der Schadstoffe (siehe Abb. 3.4).



Der Abbau der natürlichen organischen Bodenfraktion führt zu einer deutlichen Verminderung der Schadstoffretardierung. Daher kommt es zu Beginn der Sanierung zu einem erheblichen Anstieg der Schadstoffgehalte in der Wasserphase. Die Schadstoffe liegen dadurch in einer für die Sanierungsaktivitäten verfügbarer Form vor.



Zur Entfernung von LCKW-Kontaminationen wird vor allem Permanganat eingesetzt. Es erfolgt eine chemische Umwandlung der Schadstoffe in unschädliche Verbindungen wie CO2, H2O und sonstige Reste wie Cl- oder NO3.



Permanganate sind im Grundwasserleiter chemisch stabil, bis sie auf die zu oxidierenden Substanzen treffen. Eine Zugabe in den Oberstrom des Herdes in Form von Injektionen ist möglich, eine direkte Injektion in den Herd also nicht notwendig.



Fenton`s Reagenz: H2O2 und Fe-II-Lösungen werden mit Injektionsmischlanzen in den Grundwasserleiter eingebracht. Fenton`s Reagenz ist sehr reaktiv, weshalb die Injektionspegel dicht gesetzt werden, um in einem kurzen Zeitraum das benötigte Volumen injizieren zu können. Die Lösungen werden deshalb auch erst im Injektionspegel gemischt oder sie werden alternierend injiziert. Das Reagenz dringt kaum in gering permeable Bereiche ein, so dass nicht alle Schadstoffe erreicht werden. Bei der Fenton’s Reaktion kommt es zu einer Erwärmung des Grundwasserleiters und zu einem Ausstrippen leichtflüchtiger Schadstoffe.



Der Bedarf an Oxidationsmitteln ist abhängig von den hydrogeologischen Bedingungen.



In der Regel ist eine begleitende Abstromüberwachung, ggf. auch eine BLA erforderlich, um die Schadstoffe aus der Bodenluft zu entfernen. (Diese Anlagenteile fehlen in Abb. 3.4).



Labor- und Pilotversuche zur Prüfung der Anwendbarkeit des Verfahrens und der Oxidationsmittel sowie zur Prozesskinetik sind notwendig.

- 25 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart

Abb. 3.4

ISCO-Verfahren am Beispiel Permanganat (Quelle: ITVA Arbeitshilfe H1-13, Juni 2010)

Anwendungsbereich: 

Geeignet zum Entfernen von Schadstoffphasen in homogenen Böden bzw. Gesteinen.



Anwendung auch in Kluftgesteinen möglich (Grenzen bei Persulfat beachten).



Labor- und Pilotversuche zur Prüfung der Anwendbarkeit des Verfahrens und zur Untersuchung der Prozesskinetik sind notwendig.

Vorteile: 

Schnell wirkendes Verfahren.

Einschränkungen: 

Bei Heterogenitäten im Boden bzw. Gestein erreichen die Oxidationsmittel nicht alle Schadstoffe.



Gefahr eines Schadstoffabstroms im Grundwasser. - 26 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Reaktionen des Oxidationsmittels mit der Bodenmatrix beeinflussen den Verbrauch an Permanganat und somit die Sanierungseffizienz. Die erschwert die Abschätzung des Oxidationsmittelverbrauchs.



Ein hoher Gehalt des Bodens an organischem Kohlenstoff bzw. anderen oxidierbaren Verbindungen kann die Effizienz des Verfahrens stark verringern.



Eher geeignet für räumlich begrenzte Bereiche mit hoher Schadstoffbelastung.



Gefahr der Braunsteinbildung (Eisenmanganausfällung) bei Permanganateinsatz. Dadurch verringern sich die hydraulische Leitfähigkeit und der Stoffumsatz der LCKW-Oxidation. Pools (Schadstoffe in Phasentröpfchen) können mit einer Braunsteinschicht eingekapselt werden, und eine erfolgreiche Sanierung wird zeitaufwändig. Eine Rücklösung von Braunstein mit Oxalsäure möglich, aber unwirtschaftlich.



Entstehendes CO2 kann Porenräume blockieren, so dass die Permanganatlösung nicht mehr in Kontakt mit Schadstoffen kommt.



Problematisch beim Vorhandensein von Schadstoffphasen, da die Phasenkörper eingekapselt werden können und ein hoher Oxidationsmittelbedarf sehr hohe Kosten verursacht.



Die benötigte Menge an Reagenz wird eher unterschätzt.



Zeitweise kann es zu einer Mobilisierung bodengebundener geogener Schwermetalle kommen.



Da die komplexen Reaktionen des oxidativen Abbaus noch nicht vollständig aufgeklärt sind, besteht die Befürchtung, ISCO könnte zur Bildung von Metaboliten führen, die toxischer sind als die Ausgangsprodukte.

Bebauung: 

Mit dem Verfahren können Kontaminationen unter Gebäuden entfernt werden, wenn ein enges Bohrraster möglich und eine Gasbildung ausreichend kontrollierbar ist.

Praxiserfahrung: 

Verfahren wurde in der Praxis noch nicht oft angewandt.



Die im Boden stattfindenden Reaktionen sind noch nicht vollständig geklärt.

- 27 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Sanierungszeit: 

Deutlich kürzerer Sanierungszeitraum als bei einer hydraulischen Sanierung. Die Sanierungszeit ist abhängig von der Konzentration der Oxidationsmittel, wobei eine hohe Konzentration zu einer Erhöhung der Kosten führt (höherer Verbrauch durch organische Bodenbestandteile und schnellere Braunsteinbildung).

Rebound-Effekte: 

Es sind starke Konzentrationsanstiege nach Beendigung der Injektion zu verzeichnen, weshalb die Oxidationsmittel auf mehrere Injektionskampagnen verteilt werden sollten.

Nachsorge: 

Nach Beendigung der Maßnahme nehmen Schadstoffkonzentrationen durch die noch bestehenden Bedingungen weiter ab.



Nachdem Abbaureaktionen nicht mehr beobachtet werden, erfolgt eine Nachüberwachung der Schadstoffkonzentrationen im Boden über etwa zwei Jahre.

Kosten: 

Die Kosten werden leicht unterschätzt, da die benötigte Menge der Oxidationsmittel oft zu gering veranschlagt wird.



Spezifische Kosten sind bei NaMnO4 höher als bei KMnO4.



Je nach Standort (Bodenart (bindige Böden haben höheren Permanganatverbrauch), Schadstoffmenge, Gehalt an organischer Substanz) entstehen Kosten zwischen 40 und 170 €/m³ saniertem Boden.



50 €/m³ beim Projekt mit Kaliumpermanganat: USG Corporation Facility, La Mirada, California (Pilot Test), Aquifer mit relativ hoher hydraulischer Leitfähigkeit.

Zusammenfassung: 

Die Risiken des Verfahrens können aufgrund komplexer Reaktionen nicht genau abgeschätzt werden.



Der organische Gehalt im Boden bestimmt die Effizienz des Verfahrens.



Braunsteinbildungen müssen minimiert werden.



Derzeit ist die kontrollierte Verteilung des Oxidationsmittels im Boden noch schwierig. - 28 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Das Verfahren verspricht hohe und schnelle Reinigungserfolge in homogenen Böden.



Labor- und Pilotversuche sind notwendig.

Quellen: – Länderfinanzierungsprogramm „Wasser, Boden und Abfall“ 2010: Auswertung von Fällen mit In‐situ‐Anwendungen in der gesättigten Zone bei der Altlastenbearbeitung (Folgeprojekt) (Projekt B 3.10); Juli 2012. Auftraggeber: Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz Mecklenburg Vorpommern – N. Klaas, J. Braun, O. Trötschler, S. Hetzer Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau, VEGAS: Machbarkeitsstudie zum Einsatz von chemischer Oxidation zur Sanierung von CKW-Kontaminationen (Quellensanierung), Mai 2007 – Länderfinanzierungsprogramm „Wasser, Boden und Abfall“ 2007: Auswertung internationaler Fachliteratur zu In-Situ-Anwendungen in der gesättigten Zone bei der Altlastenbearbeitung; November 2008 – The Interstate Technology & Regulatory Council, In Situ Chemical Oxidation Team: Technical and Regulatory Guidance for In Situ Chemical Oxidation of Contaminated Soil and Groundwater; Second Edition; Januar 2005 – Arbeitshilfe – H1 – 13: Innovative In-Situ-Sanierungsverfahren; Hrsg.: Ingenieurtechnischer Verband für Altlastenmanagement und Flächenrecycling e.V. (ITVA); Juni 2010 – SKB Netherlands Centre for Soil Quality Mamnagement and Knoledge Transfer: ISCO Insitu chemical oxidation. Gouda, NL, 2006 – CityChlor: Code of good practice: In-situ chemical oxidation. 2013

- 29 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 3.3 

Nano-Eisen Injektion Speziell behandelte, hochreaktive Nanoeisenpartikel werden in wässriger Suspension in die gesättigte Bodenzone injiziert, wo sie mit den Schadstoffen reagieren. Die Injektionslanzen werden in einem Abstand von einem bis wenigen Metern niedergebracht.



Das nullwertige Eisen reagiert direkt mit chlorierten Ethenen. Es werden anaerobe Verhältnisse geschaffen bzw. verstärkt. Die im Grundwasser gelösten LCKW werden in kurzer Zeit reduktiv abgebaut. Als Abbauprodukte entstehen Ethen und Ethan.

Anwendungsbereich: 

Sowohl zur Anwendung im Herd als auch in der Fahne geeignet.



Eher für gut durchlässige und homogen aufgebaute Böden geeignet. Anwendung in Kluftaquifersystemen ist im Einzelfall zu prüfen.



Labor- und Pilotversuche zur Prüfung der Anwendbarkeit des Verfahrens und zur Untersuchung der Prozesskinetik sind notwendig.

Vorteile: 

Es gibt keine Probleme mit Anreicherungen des toxischen VC.



Durch direkte Reaktion des Eisens mit LCKW erfolgt eine vollständige Dechlorierung.



Erzeugte reduzierende Verhältnisse können durch die Freisetzung von Wasserstoff anaerobe mikrobielle Abbauprozesse (reduktive Dechlorierung) fördern.

Einschränkungen: 

Geringe Reichweite bei geringer hydraulischer Durchlässigkeit und geringer Fließgeschwindigkeit, weshalb die Lage des Schadstoffherdes hinreichend genau bekannt sein sollte.



Ungleichmäßige Verteilung des Nanoeisens bei heterogenen Verhältnissen mindern die Sanierungswirkung.



Gefahr einer Freisetzung von Nanomaterialien, die zu schädlichen Umwelt- und Gesundheitswirkungen führen kann.



Gefahr des Austrags der Nanopartikel mit dem GW-Strom bei ergiebigen GW-Leitern.

- 30 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Kalkulation der benötigten Menge an Nano-Eisen ist schwierig. Es können mehrere Injektionskampagnen nötig sein. Geringere Effizienz bei Agglomeration der Partikel, Adsorption an Bodenmatrix oder durch Reaktionen mit Wasserinhaltsstoffen.



Agglomerierte Nanopartikel können Poren der Bodenmatrix verstopfen und somit ein Durchströmen des kontaminierten Grundwassers verhindern.



Langfristiges Verhalten und Nachweis über Verbleib der Nanopartikel kann derzeit noch nicht sicher überwacht werden.



Homogene Verteilung der Partikel kann noch nicht gewährleistet werden.



Lebensdauer und Reaktivität ist begrenzt.



Es ist noch nicht geklärt, ob residuale Phasen beseitigt werden können.

Bebauung: 

Kontaminationen unter Gebäuden können entfernt werden, wenn in den Gebäuden gebohrt werden kann und Injektionslanzen eingebaut werden können.

Praxiserfahrung: 

Die Nano-Eisen-Injektion kann noch nicht als etablierte Methode zur Grundwassersanierung bei LCKW-Schäden eingesetzt werden.



Es überwiegen Ergebnisse aus Feldversuchen, kaum großtechnische Einsätze, daher ist der Erfahrungsstand noch unzureichend.

Sanierungszeit: 

Reaktionszeit beträgt max. ein halbes Jahr.



Sanierungsdauer wenige Monate.

Rebound-Effekte: 

Sind möglich, wenn Nano-Eisen-Partikel nicht alle Schadstoffe erreicht haben.

Nachsorge: 

Nachüberwachung der Schadstoffkonzentrationen ist über mehrere Jahre erforderlich.

Kosten: - 31 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Keine genauen Angaben verfügbar.

- 32 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Zusammenfassung: 

Das Verfahren ist noch nicht ausgereift und kann auch noch nicht sicher überwacht werden.



Das Umweltbundesamt schätzt die Wahrscheinlichkeit als gering ein, dass Verfahren mit unvertretbaren negativen Auswirkungen auf die Umwelt verbunden ist.



Labor- und Pilotversuche sind notwendig.

Quellen: – Umweltbundesamt: Datenblatt Nanoprodukte Stand 11.12.2012. http://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/datenblatt_ein satz_von_nanoeisen_bei_der_sanierung_von_grundwasserschaedenlangfassung_dubbert.pdf – Länderfinanzierungsprogramm „Wasser, Boden und Abfall“ 2007: Auswertung internationaler Fachliteratur zu In-Situ-Anwendungen in der gesättigten Zone bei der Altlastenbearbeitung; November 2008 – Arbeitshilfe – H1 – 13: Innovative In-Situ-Sanierungsverfahren. Hrsg.: Ingenieurtechnischer Verband für Altlastenmanagement und Flächenrecycling e.V. (ITVA); Juni 2010

3.4

Mikrobielle In-situ Verfahren



In gesättigter Zone.



Mikrobieller Abbau von LCKW entweder aerob durch Sauerstoffzufuhr oder anaerobreduktiv bei Sauerstoffdefizit.



Die Wirkstoffe können dem sanierungsbedürftigen Bereich entweder aktiv durch unterstützende hydraulische oder pneumatische Maßnahmen oder aber passiv mit dem natürlichen Grundwasserstrom zugeführt werden.

3.4.1 

Reduktiver LCKW-Abbau

Zur Verstärkung des anaeroben, mikrobiellen reduktiven Abbaus werden organische Verbindungen (Elektronendonatoren), wie z.B. Melasse, Lactat, Ethanol als HCR (Hydrogen Release Compound), unter hydrostatischem Druck als wässrige Lösungen in den Grund- 33 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart wasserleiter injiziert. Dadurch wird Wasserstoff erzeugt und im anaeroben Milieu die reduktive Dechlorierung der LCKW bewirkt. 

Das injizierte organische Material dient den Bakterien als Kohlenstoff- und Energiequelle und wird von ihnen abgebaut.



Beim Abbau wird das Redoxpotential des Wassers abgesenkt und Wasserstoff gebildet. Ein geringes

Redoxpotential

ist

Voraussetzung

für

das

Ablaufen

anaerober

Dechlorierungsreaktionen. 

Wenn sulfatreduzierende bis methanogene Bedingungen erreicht sind, setzt die vollständige Dechlorierung über VC hinaus bis zum Ethen und Ethan ein.



Der freigesetzte Wasserstoff dient den Mikroorganismen als Reduktionsmittel (Elektronendonator) zum Abbau der LCKW (Elektronenakzeptor). Die Chloratome werden schrittweise durch Wasserstoff ersetzt.



Reduktive Dechlorierung: PCE → TCE → cDCE → VC → Ethen

Anwendungsbereich: 

Sowohl zur Anwendung im Herd als auch in der Fahne geeignet.



Eine hydraulische Mindestdurchlässigkeit des Grundwasserleiters ist erforderlich, damit sich das organische Material im Boden verteilen kann.



Guter Sanierungserfolge werden in homogen aufgebauten Aquiferen erzielt werden.



Kluftgrundwasserleiter: Verfahren nur eingeschränkt anwendbar, die Anwendbarkeit ist im Einzelfall zu prüfen.



Labor- und Pilotversuche zur Prüfung der Anwendbarkeit des Verfahrens und zur Untersuchung der Prozesskinetik sind notwendig.

Vorteile: 

Das Bodengefüge bleibt erhalten.

Einschränkungen: 

Bei einem gering reduzierenden Milieu kann es lange Zeit dauern, bis die vollständige Dechlorierung einsetzt.

- 34 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Der Abbau höher chlorierter Ethene PCE und TCE läuft schneller ab als der der niedriger chlorierten Ethene cDCE und VC. Deshalb besteht bei der reduktiver Dechlorierung die Möglichkeit, dass bei nicht stark genug reduzierenden Bedingungen die Ausgangsstoffe in das weitaus toxischere und mobilere VC umgewandelt werden, ohne dass eine vollständige Mineralisierung erfolgt.



Schadstoffphasen sind mikrobiologisch schwer behandelbar.



Da Methan meist in sehr hohen Konzentrationen entsteht, muss geprüft werden, ob Maßnahmen zu dessen Abführung erforderlich sind (Explosionsgefahr).



Schlecht einsetzbar bei Kontaminationen in großer Tiefe (hoher Aufwand zur Wirkstoffeinbringung).

Bebauung: 

Bebauungen sind grundsätzlich kein Hindernis.



Gefahren bei starker Methanbildung.

Praxiserfahrung: 

Die Anzahl großtechnisch durchgeführter Sanierungen mit mikrobiologischen Sanierungsverfahren ist noch gering.

Sanierungszeit: 

Abhängig von den vorherrschenden Bedingungen. Wenn für die reduktive Dechlorierung zu Beginn ein wenig reduzierendes Milieu vorliegt, kann ein Zeitraum bis zu einem Jahr vergehen, bis die Abbaureaktionen einsetzen.



Deutlich kürzere Sanierungszeiten als bei hydraulischen Verfahren: wenige Monate bis wenige Jahre.

Rebound-Effekte: 

Werden nach einer zeitlichen Verzögerung beobachtet, die Stärke ist abhängig von der Menge an gebundenen Schadstoffen im Boden.

Nachsorge: 

Nach Beendigung der Maßnahme nehmen Schadstoffkonzentrationen durch die noch bestehenden Bedingungen weiter ab. - 35 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Nachdem keine Abbaureaktionen mehr beobachtet werden können, erfolgt eine Nachüberwachung der Schadstoffkonzentrationen im Boden über etwa zwei Jahre.

Kosten: 

Reduktiver Abbau bei einem Projekt in Nord-Kalifornien in ungesättigter Zone eines schluffigen Bodens, gefolgt von einer Tonschicht: 71 €/m³.

Zusammenfassung: 

Das Verfahren ist noch nicht ausgereift.



Vor Einsatz des Verfahrens müssen die Milieubedingungen überprüft werden, um festzustellen, ob bei den gegebenen Bedingungen eine reduktive Dechlorierung stattfinden kann.



Labor- und Pilotversuche sind notwendig.

Quellen: – Länderfinanzierungsprogramm „Wasser, Boden und Abfall“ 2010: Auswertung von Fällen mit In‐situ‐Anwendungen in der gesättigten Zone bei der Altlastenbearbeitung (Folgeprojekt) (Projekt B 3.10); Juli 2012. Auftraggeber: Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz Mecklenburg Vorpommern – H.D. Stupp, A. Bakenhus, M. Gass, S. Hüttmann, F.I. Engemann: Biologische Verfahren zur Sanierung von CKW-Grundwasserschäden – Systematik und Beschreibung der In-SituTechniken. Bericht im Altlastenspektrum 03/2007 – Länderfinanzierungsprogramm „Wasser, Boden und Abfall“ 2007: Auswertung internationaler Fachliteratur zu In-Situ-Anwendungen in der gesättigten Zone bei der Altlastenbearbeitung; November 2008 – In-situ anaerobic remediation of perchlorate-impacted soils: Frankel A.J., Owsianiak L.M., Wuerl B.J., Horst J.F.; 2004

- 36 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 3.4.2

Airsparging (gesättigte Zone)



Strippung und Unterstützung eines aeroben Schadstoffabbaus durch Sauerstoffzufuhr.



Injektion von ölfreier atmosphärischer Luft oder technischem Sauerstoff in den Aquifer. Durch den erhöhten Sauerstoffgehalt werden die Schadstoffe besser abgebaut.



Ausgehend von dem Gaseintragspunkt (Spargepunkt) strömt die injizierte Luft in feinen, verästelten Kanälen zur Grundwasseroberfläche, was kurz nach der Injektion zu einem Anheben des Grundwasserspiegels führt. Nur bei homogenen Böden verteilt sich der Sauerstoff gleichmäßig (siehe Abb. 3.5).

Abb. 3.5



Verfahrensschema Biosparging (Quelle: ITVA- Arbeitshilfe H1-13, Juni 2010)

Der Spargepunkt muss in vertikaler Richtung deutlich unterhalb des kontaminierten Bereiches liegen, um einen ausreichend großen Bereich mit Sauerstoff versorgen zu können.



Zu Beginn ist eine BLA erforderlich, da zunächst eine Strippung flüchtiger und eine Desorption bodengebundener Schadstoffe erfolgt. Porositätsbereiche, die nicht durch Luftströmungskanäle erfasst werden, bleiben ungestrippt. Hier findet die Schadstoffverminderung durch aeroben biologischen Abbau statt. Der Grundwasserleiter muss durchlässig sein, damit Bakterien die Schadstoffe erreichen können.

Anwendungsbereich: 

Fahnensanierung, ggf. Herdsanierung im Grundwasser-gesättigten Bereich.



Die hydraulische Durchlässigkeit sollte im Bereich von > 10-4 m/s liegen.

- 37 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Anwendung begrenzt auf homogen aufgebaute Aquifere, da geringdurchlässige Bereiche (z.B. Schlufflinsen) durch die Strömungskanäle umströmt werden, so dass der darüber liegende Bodenbereich nicht erreicht wird. Bereiche mit höherer Durchlässigkeit führen zur Ansammlung der Luft oder des Sauerstoffs.



Labor- und Pilotversuche zur Prüfung der Anwendbarkeit des Verfahrens und zur Untersuchung der Prozesskinetik sind notwendig.

Vorteile: 

Das Bodengefüge bleibt im Vergleich zur thermischen Sanierung erhalten.



Zur Sanierung aerob gut abbaubarer Schadstoffe (cDCE, VC, eingeschränkt TCE) geeignet.

Einschränkungen: 

Bei LCKW überwiegt zunächst der Strippeffekt. Daher sind GW-Abstromsicherung und BLA erforderlich. Mikrobieller Abbau aerob ist ohne Cosubstrat möglich.



PCE sind einem aeroben Abbau nach bisherigem Kenntnisstand nicht zugänglich.



Herdbereiche lassen sich sanieren, solange keine freie Phase vorliegt oder der Boden im gesättigten Bereich durch hohe Phasen-Residualsättigung gekennzeichnet ist.



Wegen einer zunehmenden Unkontrollierbarkeit von Inhomogenitäten sollte die Tiefe der behandelten Zone nicht mehr als 8 m unter Gelände betragen.



Es müssen ungespannte Grundwasserverhältnisse vorliegen.



Durch die Aerobisierung des Grundwasserleiters wird die Eisenreduktion unterbunden, vorhandenes gelöstes Eisen wird gefällt und es kommt zur Verockerung.



Durch die Luftinjektion kommt es zur Kalkausfällung durch Verschiebung des KalkKohlensäuregleichgewichts.

Bebauung: 

Bebauungen sind in der Regel kein Hindernis, sofern in den Gebäuden gebohrt werden kann.

- 38 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Praxiserfahrung: 

Die Anzahl an großtechnisch durchgeführten Maßnahmen mit mikrobiellen Verfahren zur LCKW-In-situ-Sanierung ist in Süddeutschland noch gering.



Der aerobe Abbau von TCE wird erst seit kurzem beschrieben.

Sanierungszeit: 

Die Dauer der Sanierung ist stark von der Durchlässigkeit abhängig, da der Sauerstoff nur sehr langsam in den nicht mit Gas durchströmten Aquiferbereich diffundiert.



Dennoch sind kürzere Sanierungszeit als bei hydraulischen Verfahren zu erwarten (Monate bis wenige Jahre).

Rebound-Effekte: 

Sind nach einer zeitlichen Verzögerung zu erwarten.

Nachsorge: 

Nach Beendigung der Maßnahme nehmen Schadstoffkonzentrationen durch die noch bestehenden aeroben Bedingungen noch weiter ab.



Nachdem keine Abbaureaktionen mehr beobachtet werden können, ist eine Überwachung der Schadstoffkonzentrationen im Grundwasser über mindestens zwei Jahre notwendig.

Kosten: 

Bei geringmächtigen Aquiferen kann der Einflusskegel des Spargingpunktes sehr klein werden, so dass bei einer großflächigen Kontaminationen eine derart große Anzahl an Lanzen erforderlich ist, dass das Verfahren unwirtschaftlich wird.



Airsparging: etwa 18 bis 60 €/m³ laut einer Schätzung von Federal Remediation Technologies Roundtable. Kosten abhängig von der Größe und Tiefe des verunreinigten Bereichs.

Zusammenfassung: 

Vom aerob produktiven Abbau werden nur VC und cDCE erfasst; erste Anzeichen für langsamen TCE-Abbau liegen vor, PCE ist nach bisherigem Kenntnisstand aerob nicht abbaubar.



Das Verfahren ist nur in durchlässigen und homogen aufgebauten Böden anwendbar. - 39 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Labor- und Pilotversuche sind notwendig.

Quellen: – Länderfinanzierungsprogramm „Wasser, Boden und Abfall“ 2010: Auswertung von Fällen mit In‐situ‐Anwendungen in der gesättigten Zone bei der Altlastenbearbeitung (Folgeprojekt) (Projekt B 3.10); Juli 2012. Auftraggeber: Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz Mecklenburg Vorpommern – H.D. Stupp, A. Bakenhus, M. Gass, S. Hüttmann, F.I. Engemann: Bericht im Altlastenspektrum 03/2007: Biologische Verfahren zur Sanierung von CKW-Grundwasserschäden – Systematik und Beschreibung der In-Situ-Techniken – Länderfinanzierungsprogramm „Wasser, Boden und Abfall“ 2007: Auswertung internationaler Fachliteratur zu In-Situ-Anwendungen in der gesättigten Zone bei der Altlastenbearbeitung; November 2008 – FRTR: Federal Remediation Technologies Roundtable. 2001. Air Sparging (In Situ Ground Water Remediation Technology). http://www.frtr.gov/matrix2/section4/4-34.html, Abfrage: 09.04.2014 – Arbeitshilfe – H1 – 13: Innovative In-Situ-Sanierungsverfahren. Hrsg.: Ingenieurtechnischer Verband für Altlastenmanagement und Flächenrecycling e.V. (ITVA); Juni 2010 – Gaza S. (2015) Aerob-produktiver Abbau von Chlorethenen: Nachweis eines neuen Abbauweges für Trichlorethen. Dissertation, Technische Universität Dresden / DVGWTechnologiezentrum Wasser, Karlsruhe. Veröffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser Karlsruhe (ISSN 1434-5765), Band 66 – Schmidt K. R., Gaza S., Voropaev A., Ertl S., Tiehm A. (2014) Aerobic biodegra-dation of trichloroethene without auxiliary substrates. Water Res. 59: 112-118

- 40 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 3.5 

Reaktive Systeme (reaktive Wand) Verfahren zur Abstromsicherung einer Schadstoffquelle mit der Grundwasserströmung, bei dem wandförmige Bauelemente quer zur Strömungsrichtung in den Boden eingebaut werden.



In Abhängigkeit von den gewählten Reaktoren können in Reaktiven Systemen biologische, chemische oder physikalische Verfahren ablaufen.



Die Schadstofffahne durchströmt einen Feststoffreaktor, in welchem durch (bio-) geochemische Prozesse der Fluss der Kontaminanten deutlich reduziert wird (siehe Abb. 3.6).

Abb. 3.6



Prinzip einer durchströmten Reaktiven Wand (Quelle: ITVA Arbeitshilfe H1-13 (Juni 2010)

Die Durchlässigkeit der reaktiven Wand muss geringfügig höher sein als die des Aquifers, da die Wand ansonsten umströmt wird.



5 Reaktortypen: 1) pH-Redox-reaktive Wände: pH-Wert und Redoxpotential werden in der Wand verändert, so dass die Löslichkeit von Stoffen beeinflusst wird sowie die Abbauraten von organischen Substanzen. 2) Fällungs-reaktive Wände: Schadstoffe werden in der Wand gefällt.

- 41 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 3) Bei Nährstoff freisetzenden-reaktiven Wänden wird der mikrobielle Abbau von Schadstoffen durch eine Nährstoffanreicherung des kontaminierten Grundwasserstroms gesteigert. 4) Sorptions-reaktive Wände sorbieren die Schadstoffe an der Wand, wodurch sie aus dem Grundwasser entfernt werden. Anwendungsbereich: 

Abstromsicherung, Fahnensanierung



Auch in inhomogen aufgebauten Grundwasserleitern anwendbar.



Besonders für oberflächennahe Porengrundwasserleiter geeignet.

Vorteile: 

Reaktive Wände haben eine lange Lebensdauer.



Gute Integration in die Umgebung und Folgenutzung möglich.

Einschränkungen: 

Mit reaktiven Wänden können keine großen Mengen an Schadstoffen entfernt werden.



Schadstofffahnen dürfen nicht sehr breit sein, da ansonsten die Kosten für eine größere Wand stark ansteigen.



Bei großer Dekontaminationstiefe ergeben sich wirtschaftliche und bautechnische Grenzen (bis in Tiefen von 15 m ist der Wandeinbau möglich).



Permeabilität der Wände kann wegen Ausfällungsreaktionen abnehmen und eine Regenerierung oder Erneuerung der Wände ist schwer einschätzbar.

Bebauung: 

Bestehende Gebäude oder ähnliches können den Verfahrenseinsatz einschränken, da die Wand in den Boden eingebracht wird, der Standort dafür zugänglich sein muss und der Einbau mit Bodenaushub verbunden ist.

Praxiserfahrung: 

Erste großtechnische und langjährige Erfahrungen liegen vor. - 42 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Sanierungszeit: 

Sanierung nimmt sehr lange Zeit (Jahrzehnte, evtl. sogar Jahrhunderte) in Anspruch, da zunächst keine Dekontamination des Schadstoffherdes erfolgt, natürliche Abbauvorgänge möglicherweise sogar verlangsamt werden.

Rebound-Effekte: 

Keine.

Nachsorge: 

Es muss während der gesamten Standzeit der Anlage überprüft werden, ob die Schadstoffkonzentrationen im Grundwasser nach dem Durchfließen der Wand in der erwünschten Größenordnung abgenommen haben. Dazu ist ein ständiges Monitoring erforderlich.



Die Häufigkeit der Beprobung hängt von der Grundwasserabstandsgeschwindigkeit ab (bei 0,5 m/d anfangs alle drei Monate, dann halbjährig).

Kosten: 

Baukosten auch wegen der reaktiven Füllmaterialien sind hoch. Die Betriebskosten hängen wesentlich vom Standzeit des reaktiven Materials ab.



Auf nicht absehbare Zeit fallen Kosten für Monitoring und Wartung an. Eine Erneuerung der Anlage ist sehr aufwändig.



Kosten sind abhängig von der Breite der Schadstofffahne und dem verwendeten reaktiven Füllmaterial.



Keine Angaben in €/m³ sanierten Boden; 950 bis 1.800 €/m² reaktive Wand laut einer Schätzung von FRTR.

Zusammenfassung: 

Das Verfahren ist in genannten Fällen dazu geeignet, die Ausbreitung von Schadstoffen zu unterbinden.



Wegen fehlenden Langzeitstudien ist das Langzeitverhalten von Reaktormaterialien und die mögliche Bildung grundwassergefährdender Abbau- und Umbauprodukte noch nicht geklärt.

- 43 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Quellen: – Materialien zur Altlastenbehandlung: Entscheidungshilfe Grundwassersanierung: Effizienz von Pump and Treat – Sanierungen. Hrsg.: Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Referat Grundwasser und Altlasten; März 2007 – Fachhochschule Bochum, Institut für Wasser und Umwelt: Vorlesung Grundwassersanierung; Prof. Dr. Rolf Bracke: http://www.hochschulebochum.de/fileadmin/media/fb_b/Skripte/Bracke/skript_grundwasserreinigung.pdf – FRTR: Federal Remediation Technologies Roundtable. 2001. Passive/Reactive Treatment Walls. http://www.frtr.gov/matrix2/section4/4-41.html, Abfrage: 09.04.2014 – Arbeitshilfe – H1 – 13: Innovative In-Situ-Sanierungsverfahren. Hrsg.: Ingenieurtechnischer Verband für Altlastenmanagement und Flächenrecycling e.V. (ITVA); Juni 2010

3.6 

Einkapselung (z.B. durch Dichtwände) Die Verunreinigungen im Boden werden mit einer Dichtung umschlossen. Es erfolgt eine rein bauliche Sicherung einer Kontamination, bestehend aus Oberflächenabdichtung, seitlicher Abschirmung durch Dichtwände und gegebenenfalls horizontaler Sohlabdichtung des Schadstoffherds.



Durch Oberflächenversiegelung soll das Sickerwasser ferngehalten und Schadstoffausträge ins Grundwasser oder Gasemissionen vermieden werden. Wird keine vollständige Oberflächenversiegelung installiert, ist eine Wasserhaltung erforderlich.



Vertikale Dichtwände reichen bis in eine undurchlässige Bodenschicht unter der Altlast.



Die Schadstoffe verbleiben dauerhaft im Untergrund.



Ständige Überwachung der Dichtwirkung erforderlich.

Anwendungsbereich: 

Unabhängig von Boden- und Schadstoffarten.

Vorteile: 

Bei allen Schadstoffarten anwendbar. - 44 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Chemische und physikalische Beschaffenheit des Ablagerungsgutes und des eingekapselten Bodens bleiben unverändert.

Einschränkungen: 

Schadstoffinventar sollte möglichst vollständig erfasst sein.



Hoher bautechnischer Aufwand, unverhältnismäßig hoch bei großer Dekontaminationstiefe.



Dichtwände und Oberflächenabdichtungen sind nicht absolut dicht, eine Restdurchlässigkeit wird beobachtet.

Bebauung: 

Der Standort muss gut zugänglich sein.

Praxiserfahrung: 

Stand der Technik, insbesondere im Deponiebau. Bei LCKW selten eingesetzt.

Sanierungszeit: 

Haltbarkeit der Bausubstanz von etwa 50 Jahren (je nach Wandart verschieden).



Art des Wandmaterials und Wanddicke bestimmen die Durchbruchszeit.

Rebound-Effekte: 

Nach Ablauf der Haltbarkeit der Bausubstanz steigt das Gefährdungspotential wieder an, Schadstoffe können erneut abströmen.

Nachuntersuchung: 

Überwachung in Form von Wasserstandsmessungen, chemische Analysen des Grundwassers, Begehungen/Beobachtungen, Kontrolle der Wasserhaltung.



Es sollte eine kontinuierliche Überwachung stattfinden.

Kosten: 

Je tiefer der Schadstoff liegt, desto höher die Kosten pro m²



Bei einer Schmalwand liegen die Kosten bei etwa 30 €/m²



Gerammte Schlitzwand: ca. 100 €/m² - 45 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 

Einphasen-Schlitzwand: 40-90 €/m²



Zweiphasen Schlitzwand: 100-140 €/m²



Überschnittene Bohrpfahlwand: 235-380 €/m²

Zusammenfassung: 

Es wird verhindert, dass sich Schadstoffe im Untergrund ausbreiten.



Für eine erfolgreiche Anwendung ist eine vorausgehende genaue Erkundung des Untergrundes und des Grundwassers Voraussetzung.

Quellen: – Maßnahmen zum Bodenschutz: Umgang mit schädlichen Bodenveränderungen, Sanierungsverfahren. Hrsg. Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg; 2001 – Handbuch Altlasten: Sanierungstechniken und –verfahren. Hrsg.: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie; 2010 – http://www.lanuv.nrw.de/veroeffentlichungen/malbo/malbo20/malbo20s735s756.pdf

- 46 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart

Teil II: Evaluierung 4

Evaluierung der Anwendung der Sanierungsverfahren in Stuttgart

In Stuttgart kommen auch bei der Sanierung von LCKW-Verunreinigungen im Boden und Grundwasser vorwiegend die in Kapitel 2 beschriebenen „konventionellen Verfahren“ zum Einsatz. Hierfür ist die besondere geologische und hydrogeologische Situation von großer Bedeutung. Bei den Beschreibungen innovativer In-situ-Sanierungsverfahren fällt auf, dass in der überwiegenden Zahl der Fälle „gut durchlässige und homogene Untergrundverhältnisse“ eine wichtige Voraussetzung zur Anwendung darstellen. Genau diese Voraussetzung ist in Stuttgart jedoch nur an wenigen Stellen im Stadtgebiet gegeben. So bleibt es der Risikobereitschaft der Sanierungspflichtigen überlassen, über den Einsatz innovativer Techniken zu entscheiden. Die Anbieter von Sanierungstechniken verstehen sich als reine Dienstleister. Sie übernehmen keine Garantien für den erfolgreichen Einsatz des ausgeführten Sanierungsverfahrens. Ein weiterer Aspekt, der für konservative Sanierungsverfahren spricht, ist der zeitliche Verlauf des Finanzmitteleinsatzes. Pump & Treat und Bodenluftabsaugung wie auch die Zwei-PhasenExtraktion erfordern einen relativ geringen und gleichmäßigen jährlichen Mitteleinsatz: Die Sanierungsbrunnen entstehen im Rahmen der Untersuchung und werden zur Sanierung weitergenutzt. Die Sanierungsanlagen (Pumpen, Rohrleitungen, Filteranlagen) werden gemietet oder geleast, wodurch der jährliche Mitteleinsatz und das einzugehende Risiko gering bleiben. Erst nach mehreren Jahren oder nach Jahrzehnten stellt sich heraus, dass der Mitteleinsatz höher wird als bei einem innovativen Dekontaminierungsverfahren. Der Einsatz des Bodenaushubs bei Bauvorhaben verspricht einen vollständigen Sanierungserfolg. Da die Sanierungskosten im Verhältnis zu den Baukosten meist gering sind (z.B. ca. 3 % beim Bauvorhaben Diakonieklinikum auf dem Standort Gaswerk West, Seidenstraße in Stuttgart-West), sind die Bauherren i.d.R. gerne bereit, die notwendige Aushub-Sanierung durchzuführen.

- 47 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 4.1

Allgemeine Standortverhältnisse in Stuttgart

Wie zuvor beschrieben, ist die geologische Situation für den Einsatz von Sanierungsverfahren von großer Bedeutung. Nachfolgend ein kurzer Überblick über die geologischen Verhältnisse im Stadtgebiet. 

Gesteinsabfolge vom Quartär, Unterjura und Keuper bis zum Oberen Muschelkalk.



Vorherrschend ist ein kleinräumiger Wechsel von harten und weichen Gesteinsschichten. Zahlreiche vertikale Verwerfungen und Verbiegungen, zerscherte und zerbrochene Schichten erhöhen die Komplexität.



Grundwasserführung in Locker- und Festgesteinen. Die Grundwasserleiter unterscheiden sich erheblich in ihrer Mächtigkeit, Durchlässigkeit und in ihrem Speichervermögen.



Grundwasserführende Lockergesteine aus Terrassen- und Talkiesen finden sich in den Talniederungen, insbesondere im Neckartal. Diese sind vielfach von Auenlehmen überdeckt. Charakteristisch sind durch bereichsweise hohe Feinkornanteile bedingte Inhomogenitäten der Flusssedimente.



Auf den Fildern stehen natürlich Löss und Lösslehmschichten an, darunter verbreitet der Unterjura. Dieser besteht aus Ton-, Mergel- und Kalkstein.



In

den

Keuperbuchten

und

–tälern

Hangschutt

und

–lehm,

Wanderschutt

und

Keuperfließerden. 

Der Keuper ist die mächtigste Schicht mit einem Wechsel von Dolomitstein, Tonstein, Sandstein, einzelnen dolomitischen Bänken und Sulfatgestein (im Gipskeuper). Er hat wasserundurchlässige Ränder (in den Hangbereichen des Nesenbachtals) aus Sulfatgestein und wenig verwittertem Tongestein. Im Gipskeuper stehen verschiedene oberflächennahe Grundwasserleiter an, die gegliederte Kluftgrundwasserleitersysteme darstellen, bei denen durchlässige Bereiche kleinräumig mit geringdurchlässigen Schluff- und Tonsteinlagen wechseln. Es handelt sich um geklüftete Festgesteinaquifere. Die Eigenschaften sind durch sekundäre Prozesse mitbestimmt (Verwitterung, Karbonatgesteinslösung (Verkarstung), Gipsauslaugung (Subrosion), Gebirgsauflockerung und –entspannung). Durch den vielschichtigen Aufbau ergeben sich mehrfache Wechsel von grundwasserleitender und –geringleitender Schichten. Diese Gliederung ist wegen Verwerfungen und Kluftzonen örtlich aufgehoben.



Die ausgelaugten Grundgipsschichten des Gipskeupers, lokal der Unterkeuper und flächig der Obere Muschelkalk sind als Karstgrundwasserleiter mit hoher Transmissivität und hohen - 48 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Grundwasserfließgeschwindigkeiten anzusprechen. Der Obere Muschelkalk besteht aus Kalkstein und klüftig-kavernösem Dolomitstein (reich an Hohlräumen). Die kurze Übersicht zeigt, dass in Stuttgart oberflächennah gering mächtige und ergiebige Grundwassersysteme in sehr heterogenen Aquifersystemen vorherrschen. Diese geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse sind für den Einsatz innovativer Sanierungsverfahren eher nachteilig. Quelle: – Schriftenreihe des Amtes für Umweltschutz – Heft 1/2003: Kommunaler Umweltbericht: Das Grundwasser in Stuttgart

4.2

Ideenwettbewerb und Pilotversuch zur Vorbereitung des Einsatzes innovativer InSitu-Dekontaminierungsverfahren in Stuttgart

Von den unter Ziffer 2 beschriebenen konventionellen Verfahren zur Sanierung von LCKWSchadensfällen dienen der Bodenaustausch und die Bodenluftabsaugung der Dekontaminierung des Standortes. Ein Bodenaustausch ist aber vielfach nur begrenzt durchführbar. Eine wesentliche Limitierung stellt im urbanen Raum insbesondere die begrenzte Durchführbarkeit bzw. Wirtschaftlichkeit außerhalb von Baumaßnahmen bzw. Baugruben dar. Die Bodenluftabsaugung stößt an physikalische Grenzen. Während die großporigen Kanäle in der ungesättigten Bodenzone relativ schnell gereinigt sind (meist innerhalb weniger Monate), strömt der Schadstoff aus den vorherrschenden kleinporigen Bereichen in einem sehr langwierigen Prozess diffusiv nach. Dies führt dann nach wenigen Jahren zu Diskussionen über ein Abschalten der Anlagen aufgrund mangelnder Wirtschaftlichkeit. Eine ausreichende Bodensanierung zur Vermeidung weiterer Schadstoffeinträge ins Grundwasser ist zu diesem Zeitpunkt meist jedoch noch nicht erreicht. Bei Pump & Treat und der Zwei-Phasen-Extraktion handelt es sich meist um Sicherungsverfahren. Die Schadstoffe verbleiben im Schadstoffherd, die Sanierung kann nicht in überschaubaren Zeiträumen abgeschlossen werden. Um angesichts dieser Nachteile der konventionellen Sanierungsverfahren zu einer wirkungsvollen Dekontaminierung und damit verbundenen kurz- bis mittelfristigen Reinigung der Standorte zu kommen, wurde im Jahr 2008 ein Ideenwettbewerb für einen kleinen, aber stark LCKWverunreinigten Standort in Stuttgart-Feuerbach durchgeführt. Dieser Standort ist mit seiner Cha- 49 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart rakteristik für Stuttgart repräsentativ. Eine nahezu 20-jährige Pump & Treat Maßnahme mit vorgeschalteter Bodenluftabsaugung hatte zu keiner Reduzierung der Schadstoffemission geführt. Von den angefragten Experten wurden alternativ vier Sanierungstechnologien angeboten (siehe ARCADIS 2008): 

Thermische Sanierung durch Dampf-Luft-Injektion (VEGAS, Universität Stuttgart)



Thermische Sanierung durch Feste Wärmequellen (Reconsite Stuttgart)



Bodenaustausch mit Großlochbohrungen (Züblin Umwelttechnik Stuttgart)



Zwei-Phasen-Extraktion (Alenco Stuttgart)

Aus diesen Vorschlägen wurde die thermische Sanierung mit festen Wärmequellen (TCH, siehe Kapitel 3.1.1) ausgewählt und in den Jahren 2013/2014 nach einem Pilotvorhaben als In-situSanierungstechnik umgesetzt (siehe: Ondreka et al. 2014). Als wichtige Schlussfolgerungen aus diesem Vorhaben können festgehalten werden: 

Die Auswahlmöglichkeiten an Sanierungsverfahren sind begrenzt. Die Experten bieten Sanierungsverfahren nach sorgfältiger Prüfung der Standortverhältnisse an, bieten jedoch für den Sanierungserfolg (die Sanierungszielerreichung) nur in begrenztem Umfang eine Gewährleistung.



Angesichts der komplexen hydrogeologischen Situation können innovative Sanierungsverfahren nur nach detaillierter Untersuchung des sanierungsbedürftigen Bereichs und nach kleinräumiger Pilotanwendung zur besseren Dimensionierung der Anlagenteile und Betriebsführung durchgeführt werden.



Die geringen Standortgrößen führen zu erhöhtem Aufwand und relativ hohen Sanierungskosten.



Mit den innovativen Sanierungsverfahren ist die einzelfallbezogene Mindestanforderung als Sanierungsziel nur schwer erreichbar. Diskutiert werden muss daher das Sanierungsziel von in Schadstoffherd um Zehnerpotenzen geringeren Schadstoffkonzentrationen.



Der Einsatz der innovativen Sanierungstechniken sollte auf besonders problematische Standorte mit hoher Schadstofffreisetzung und/oder großer Bedeutung für das Schutzgut konzentriert werden.

- 50 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Quellen: – ARCADIS 2008: ARCADIS CONSULT GmbH: Projekt Altstandort “Rotax Stehle” Stuttgarter Str. 10, Stuttgart-Feuerbach. Bericht „Weitere Vorgehensweise im Rahmen der Detailuntersuchung; Empfehlungen zur Sanierungsuntersuchung. Stuttgart, 26.08.2008. (unveröffentlicht) – Ondreka, J. et al. 2014: Erfolgreicher Pilotversuch. Thermische In-situ-Sanierung eines CKW-Schadens mittels fester Wärmequellen. TerraTech 2/2014

4.3

Stand der Technik der LCKW-Herdsanierung

Bei einem Seminar des fortbildungsverbundes Boden und Altlasten Baden-Württemberg am 19. November 2013 stand die Entwicklung und Einsatzreife von Sanierungstechnologien sowie Praxiserfahrungen im Vordergrund. Insbesondere die erfahrenen Referenten aus dem Bundesgebiet 

Dr. Hans-Peter Koschitzky, Technischer Leiter der Versuchseinrichtung zur Grundwasserund Altlastensanierung (VEGAS) an der Universität Stuttgart und Leiter des Arbeitskreises H1 „Technologien und Verfahren“ des Ingenieurtechnischen Verbands Altlasten,



Dr. Patrick Jacobs, Tauw GmbH Berlin, Anbieter von Ingenieur- und Beratungsdienstleistungen für Umwelt und Planung im Boden- und Grundwasserschutz,



Dr. Thomas Held, ARCADIS Deutschland GmbH, Autor der Studie „Auswertung von Fällen mit In‐situ‐Anwendungen in der gesättigten Zone bei der Altlastenbearbeitung“, finanziert aus dem Länderfinanzierungsprogramm „Wasser, Boden und Abfall“ 2010 (Projekt B 3.10)



Dr. Wolfgang Kohler, Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Natuschutz BadenWürttemberg, Verteter des Landes in verschiedenen Arbeitsgruppen auch zu Sanierungstechniken

zeigten auf, dass von den in dieser Studie vorgestellten Sanierungstechniken insbesondere die thermischen Verfahren, ISCO und (aufgrund der überwiegend aeroben Milieubedingungen in Stuttgart) das Airsparging soweit entwickelt sind, dass ihre Anwendung im Einzelfall geprüft werden kann.

- 51 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Die Nano-Technologien (vgl. Kap. 3.3 Nano-Eisen Injektion) befinden sich noch im Frühstadium der Entwicklung und sind daher noch nicht einsatzfähig. Der reduktive LCKW-Abbau (Kap. 3.4.1) scheidet wegen der Milieubedingung im Untergrund aus. Weiterhin wurde deutlich, dass Sanierungen nur dann erfolgreich durchgeführt werden können, wenn der Schadstoffherd ausreichend detailliert untersucht worden ist. Außerdem ist die Durchführung von Pilotversuchen in jeden Einzelfall ratsam, um die Anlagenauslegung optimal gestalten zu können.

- 52 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart 5

Zusammenfassung

Die Zusammenstellung verfügbarer Informationen zu den Sanierungsverfahren und die Evaluierung vor dem Hintergrund der spezifischen Stuttgarter Situation macht deutlich, warum bei der Sanierung von LCKW-Kontaminationen in Boden und Grundwasser Stuttgarts in aller Regel keine innovativen Sanierungsverfahren zum Einsatz kamen. Gleichwohl bieten diese Verfahren insbesondere zur Dekontaminierung von Kontaminationen außerhalb von Bauvorhaben die Chance einer weitgehenden Dekontaminierung. Folgende Verfahren sind in jedem Einzelfall auf ihre Eignung hin zu überprüfen: 

Thermische Sanierung durch Erwärmung mittels Heizsonden (TCH, siehe Kap. 3.1.1)



Thermische Sanierung durch Dampf-Luft-Injektion (SAI oder SEE, siehe Kap. 3.1.2)



ISCO: In-situ chemische Oxidation (Kap. 3.2)



Mikrobielle In-situ Verfahren durch Airsparging (gesättigte Zone, siehe Kap. 3.4.2).

Meist sind jedoch Verfahrenskombinationen einzusetzen, z.B. unter Einbeziehung von Hydraulischer Sanierung durch Pump & Treat (siehe Kap. 2.2), Pneumatischer Sanierung durch Bodenluftabsaugung (siehe Kap. 2.3), Zwei-Phasen Extraktion (Kap. 2.4) und, soweit Baumaßnahmen anstehen, durch Bodenaustausch (siehe Kap. 2.1). Reaktive Wände (Kap. 3.5) und Einkapselung (Kap. 3.6) stellen als Sicherungsverfahren keine Dekontaminierungsoption dar. Es ist ratsam, die Einsetzbarkeit der Verfahren aufgrund der lokalen Gegebenheiten, insbesondere der geologischen Verhältnisse, der Auslegung und der geeigneten Kombination sind im Einzelfall durch Pilotanwendungen zu überprüfen. Der finanzielle Aufwand beim Einsatz ist zwar zu Beginn der Maßnahme erheblich höher als bei der konventionellen Sanierung. Als positive Argumente sprechen eine relativ schnelle und nachhaltig positive Auswirkung auf die Schutzgüter und eine überschaubare Sanierungszeit für den Einsatz von Dekontaminierungsverfahren.

- 53 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart Abkürzungsverzeichnis BBodSchG

Bundesbodenschutzgesetz

BL

Bodenluft

BLA

Bodenluftabsauganlage

cDCE

cis-1,2-Dichlorethen

DNAPL

Dense Non-Aqueous Phase Liquid

DOC

Dissolved Organic Carbon

EPA

US-Umweltschutzbehörde (Environmental Protection Agency)

FCKW

Fluorchlorkohlenwasserstoffe

GWM

Grundwassermessstelle

GW

Grundwasser

ISCO

In-situ chemische Oxidation

ITVA

Ingenieurtechnischer Verband Altlasten e.V.

LCKW

Leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe

LUBW

Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg

MAGPlan

Bewirtschaftungsplan zur Sicherstellung eines guten chemischen Grundwasserzustands durch Vermeidung von Schadstoffeinträgen aus Altlasten

MKW

Mineralölkohlenwasserstoffe

PCE

Tetrachlorethen

TCA

1,1,1-Trichlorethan

TCE

Trichlorethen

TOC

gesamter organischer Kohlenstoff (Total Organic Carbon)

VC

Vinylchlorid

- 54 -

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart

Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Gaisburgstraße 4 70182 Stuttgart Telefon: +49 711 216 - 88621 Fax:

+49 711 216 - 88620

Email: [email protected]

Die Autoren tragen die alleinige Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung, die nicht die Meinung der LIFE-Programmbehörde wiedergibt. Die LIFE-Programmbehörde haftet nicht für die etwaige Benutzung der in der Veröffentlichung gemachten Angaben. The paper in hand reflects the author‘s views and the LIFE Programme is not liable for any use that may be made of the information contained therein. Mit Unterstützung des Finanzierungsinstruments LIFE der Europäischen Gemeinschaft

- 55 -