Verfahren zur Sicherung/Sanierung des Grundwassers

Bei den Verfahren zur Sicherung/Sanierung ist im Hinblick auf die relevanten Rezeptoren grundsätzlich zu unterscheiden zwischen solchen, die ausschließlich eine Sicherung im klassischen Sinne, d. h. eine Unterbrechung des Emissionspfades bewirken, und jenen, die zusätzlich neben der Sicherung auch eine Sanierung, d. h. eine Entfernung von Schadstoffen aus dem zu schützenden Medium, herbeiführen. Darüber hinaus können die Verfahren technisch betrachtet in aktive und passive Verfahren differenziert werden. Im Gegensatz zu den passiven Verfahren erfolgen bei den aktiven Techniken induzierende Massnahmen. Hierdurch wird das Grundwasser entweder aktiv zutage gefördert (pump and treat), es werden Strömungsvorgänge ausgelöst (UVB- und GZB-Verfahren) oder es werden durch weitere aktive technische Eingriffe chemisch-physikalische oder biologische Vorgänge im Grundwasser ausgelöst (übrige Verfahren, siehe Tabelle). Im Gegensatz hierzu laufen die passiven Massnahmen ohne induzierende Maßnahmen ab, d. h. ohne zur Sanierung notwendige aktive betriebliche Prozesse.  Einen Überblick über die nach dem Stand der Technik derzeit zur Verfügung stehenden Verfahren gibt die Tabelle.

 

Aktive Verfahren

Passive Verfahren

Pump and treat

UVB-Verfahren

KGB-Verfahren

HA-Verfahren

In-situ-stripping

Geoschock-Verfahren

Elektrokinetische Verfahren

Mikrobiologische in-situ-Sanierung

Auskofferung

 

Vertikale Abschirmung

-  Dichtwand

-  Schmalwand

-  Spundwand

Reaktive Systeme

-  reaktive wall

-  funnel and gate

-  funnel and reactor

Natural Attenuation

 

Verfahren zur Sanierung/Sicherung von mit organischen Inhaltsstoffen verunreinigtem Grundwasser nach dem Stand der Technik 

Aktive Verfahren

„pump and treat“

Das Grundprinzip der hydraulischen Verfahren beruht auf der Entnahme von Grundwasser aus Brunnen oder Drainagen. Durch die Entnahme des Grundwassers bildet sich ein Absenktrichter aus, wodurch die natürliche Grundwasserfließrichtung in der unmittelbaren Umgebung des Brunnens geändert wird und das Grundwasser von allen Seiten dem Brunnen zufließt.

Die Wirkung der hydraulischen Verfahren besteht in dem Herauspumpen von kontaminiertem Grundwasser, wodurch über mehr oder weniger lange Zeiträume eine Reinigung der gesättigten Bodenzone erfolgt. Damit wird gleichzeitig eine mit der natürlichen Fließrichtung des Grundwassers eingehende Schadstoffausbreitung unterbunden.

Zur Reinigung des Förderwassers stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Als wichtigste Verfahren sind Aktivkohleadsorption, Desorption (Stripverfahren), Nassoxidation (UV / Wasserstoffperoxid, Ozon) und Biodegradation zu nennen. Darüber hinaus wurden in den letzten Jahren für bestimmte Anwendungsfälle neuere Verfahren in Form der Harzadsorption (Adsorption an spezielle Harze), des MPPE-Verfahrens (Makro-poröse-Polymer-Extraktion = Flüssig-Flüssig-Extraktion) und des HVEA-Verfahrens (Elektronenstrahlverfahren) entwickelt.

So werden Harzadsorption und MPPE-Verfahren seit längerer Zeit bei entsprechenden Grundwasserschäden, insbesondere unter Kostengesichtspunkten, mit Erfolg eingesetzt. Mit beiden Technologien sind Halogenorganika, die für die konventionellen Verfahren Aktivkohleadsorption und Desorption als Problemstoffe zu bezeichnen sind, sicher bis unter die behördlich geforderten Einleitegrenzwerte beherrschbar. Derartige Problemstoffe sind beispielsweise 1.2-Dichlorethan, Vinylchlorid und chlorierte Ether. Über das HVEA-Verfahren liegen ermutigende Reinigungsergebnisse von Grundwasser komplexer Organika-Zusammensetzung vor, die eine praktische Umsetzung wahrscheinlich machen.

UVB-Verfahren

Das Verfahren der Grundwassersanierung durch das „Unterdruck-Kreislauf-Verfahren in und um Brunnenschächte“, Kurzbezeichnung UVB, wurde von der Firma IEG mbH, Reutlingen, entwickelt und wird seit Ende der 80er Jahre zur Grundwassersanierung eingesetzt. Das patentierte Verfahren wurde bevorzugt zur Sanierung von Grundwasserschäden durch LCKW angewendet. Das Grundprinzip besteht darin, daß ein Brunnenschacht durch einen Ventilator in Unterdruck versetzt wird. Der Wasserspiegel im Brunnen hebt sich dadurch entsprechend an.

Über eine unter dem Brunnen-Wasserspiegel schwimmende Düsenplatte wird Frischluft derart in das Brunnenwasser eingeleitet, daß die Schadstoffe aus dem Grundwasser ausgegast und abgesaugt werden können. Gleichzeitig kann nach Bedarf im ungesättigten Bodenbereich über das Brunnenfilter in größeren Mengen kontaminierte Bodenluft abgesaugt werden.

Das über der Düsenplatte emporgeschleuderte Wasser übt in der vertikalen Ablaufphase an der Brunneninnenwand, in Höhe des äußeren Grundwasserspiegels, einen starken frequentierenden hydraulischen Druck aus, so daß mit Hilfe eines speziellen Kapillarfilters große Mengen gereinigtes und sauerstoff-angereichertes Wassers radial ausgestoßen werden. Die Ausbreitung ist abhängig von der Stärke des hydraulischen Druckes, den mitwirkenden Kapillarkräften des Brunnenfilters und Bodens, den Bodenwiderständen und der entgegenwirkenden Grundwasserströmung.

Durch gezielten Brunnenzufluß der Grundwassersohle über einen besonderen unteren Kapillarfilter beginnt nach vollendeter radialer Ausbreitung der sauerstoffangereichterten Wasserphase in Höhe des oberen Kapillarfilters eine vertikale flächenförmige Absenkung dieser Phase bis zur Grundwassersohle. Nach Erreichen der Sohle fließt das Grundwasser wieder dem Brunnen zu, wodurch der äußere Brunnenkreislauf geschlossen wird.

HA-Verfahren

Beim HA-Verfahren wird im Unterschied zum UVB-Verfahren kein Unterdruck erzeugt, sondern bei prinzipiell ähnlichem Brunnenaufbau durch eine Zuleitungsrohr Luft mit Überdruck unter den Brunnenwasserspiegel eingepreßt. Die eingepreßte Luft bedingt einen ähnlichen Airlift-Effekt wie bei UVB-Verfahren, so daß auch die entsprechende Zirkulationsströmung im Aquifer herbeigeführt wird. Die im Brunnen „gestrippten“ Organika werden abgesaugt und in der Regel über Aktivkohlefilter gereinigt.

KGB-Verfahren

Das Verfahren entspricht weitgehend dem HA-Verfahren. Im Unterschied zu diesem wird die Injektionsluft jedoch nicht in den Brunnen direkt, sondern in die Brunnenfüllung aus Filterkies eingeblasen. Desweiteren werden spezielle Filter zur Abführung der Luft eingesetzt (sog. Doppelmantelfilter).

In-situ-Stripping (Air sparging)

Das Verfahren wurde in Deutschland zu Beginn der 80er Jahre bekannt und bei Grundwasserverunreinigungen durch leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe (LCKW) angewendet. Das in-situ-Strippen ist gekennzeichnet durch die Belüftung der wassergesättigten Zone mittels ölfreier Frischluft. Über Injektionslanzen oder Injektionsbohrungen wird mittels eines geeigneten Kompressors Luft in den kontaminierten Grundwasserbereich gepreßt. Die Luft verdrängt Wasser aus dem nutzbaren Porenraum. Sie kann in Form von Luftbläschen in Richtung Grundwasseroberfläche migrieren, oder es können sich mehrere zeitlich und räumlich konstante, längliche Hohlräume ausbilden, die von der Luftaustrittsstelle bis zur Grundwasseroberfläche reichen. In jedem Fall wird bewirkt, daß zwischen den gaserfüllten Hohlräumen und der weniger mobilen Phase (Flüssigphase, gelöste Stoffe, an Festphase adsorbierte Stoffe) eine Gleichgewichtseinstellung erfolgt, die zu einer Beladung der aufsteigenden Luft führt.

Durch fortgesetzte Nachlieferung von Frischluft wird die wassergesättigte Zone durchlüftet und eine Verringerung der Schadstoffvorräte herbeigeführt. Um zu verhindern, daß die in der wasserungesättigten Zone angelangte, kontaminierte Gasphase unkontrolliert in andere Bereiche der wasserungesättigten Zone oder in die Atmosphäre entweichen kann, ist die begleitende Durchführung einer geeigneten Bodenluftabsaugmaßnahme zwingend erforderlich.

Hydroschock-Verfahren

Das Hydroschock-Verfahren beruht auf dem Konzept einer dynamischen Mobilisierung der in die wassergesättigte Bodenzone eingedrungenen Stoffe durch den Eintrag von kinetischer Energie in den Grundwasserleiter. Dabei werden in einem speziell ausgebauten Bohrloch elastische Wellen erzeugt, die sich in Abhängigkeit von den jeweiligen Eigenschaften des Aquifers mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten können bzw. absorbiert werden. Als Energiequellen können Innenrüttler, Druckluftpulse oder Akustik-Log-Geräte verwendet werden, die ihre Energie in Form von Schwingungen auf das Medium Wasser bzw. das Korngerüst des Gesteins direkt übertragen. Durch die Schwingungen sollen über Umlagerungsvorgänge innerhalb des Korngerüstes von sandig bis kiesig ausgebildeten Grundwasserleitern neue Wegsamkeiten für das Grundwasser geschaffen werden, wodurch in vormals schlecht wasserdurchlässigen Porenräumen angereicherte Schadstoffe erfaßt und anschließend über eine Grundwasserförderung aus dem Untergrund ausgetragen werden. Darüber hinaus ist es möglich, daß durch die künstlich generierten Druckwellen Kavitationseffekte auftreten, die ein Ausgasen von leichtflüchtigen Schadstoffen begünstigen.

Mikrobiologische in-situ-Sanierung

Mit dem Ziel einer Stimulierung des mikrobiologischen Abbaus werden Nährstoffe (Nitrat, Ammonium, Phosphor), Sauerstoffdonatoren (Nitrat, Ozon, Wasserstoffperoxid) und gegebenenfalls Spurenelemente dem Grundwasser zugeführt. Gute Erfahrungen wurden unter Verwendung von Nitrat als Nährstoff- und Sauerstoffspender gemacht. Die Sanierung geschieht durch die Einrichtung eines Spülkreislaufes, indem im Grundwasser-Unterstrom des Schadensherdes über Brunnen Grundwasser gefördert wird, das im Gebiet des Schadenherdes über Schluckbrunnen nach Anreicherung mit Nährstoffen und Sauerstoffdonatoren injiziert oder verrieselt wird. Dadurch werden die mikrobiellen Abbauvorgänge im Grundwasser optimiert. Zur Reinigung des geförderten, kontaminierten Grundwassers und der Zugabe von Bakterien bietet sich der Einsatz eines Bioreaktors an. Neben der Anzüchtung und Injektion der am Schadensort existierenden Bakterien wird auch der Einsatz adaptierter Bakterienstämme praktiziert.

Elektrokinetische Verfahren

In der Sanierungspraxis werden zunehmend die elektrokinetischen Effekte der Elektroosmose und Elektrophorese eingesetzt. Unter Elektroosmose ist die durch ein elektrisches Feld verursachte gerichtete Strömung des Wassers zu verstehen. Die Elektrophorese umfasst die Migration geladener Partikel in der Porenlösung zum entgegengesetzt geladenen Pol. Die elektrischen Felder werden durch das Einbringen von Elektronen erzeugt, an die eine elektrische Spannung angelegt wird. Die organischen Inhaltsstoffe werden bei diesem Prozess oxidativ zerstört.

Auskofferung

Die Herausnahme von kontaminiertem Material als Verfahren zur Sanierung von Boden- und Grundwasserkontaminationen hat vor dem Hintergrund der Entwicklung zahlreicher in-situ-Technologien in den letzten Jahren stark an Bedeutung verloren. Darüber hinaus sind derartige Maßnahmen im Vergleich zu den Alternativen in der Regel mit wesentlich größeren technischen und finanziellen Aufwendungen verbunden. Ein vollständiger Sanierungserfolg kann nur dann erreicht werden, wenn das gesamte kontaminierte Material aus der ungesättigten und insbesondere der gesättigten Bodenzone entfernt wird. Hierbei sind zur vollständigen Erfassung der Grundwasserzone in den meisten Fällen aufwendige Grundwasserhaltungsmaßnahmen erforderlich.

Passive Verfahren

Vertikale Abschirmung

Es handelt sich um eine Isolationsmaßnahme, bei der ein vertikales Element normalerweise bis zur Sohle des Aquifers eingebunden wird. Hierdurch wird eine Unterbrechung des Emissionspfades erreicht. Die Sohle des Aquifers sollte eine stauende oder zumindest stark hemmende Funktion aufweisen. Als vertikale Abschirmsysteme werden in erster Linie Dicht- und Schmalwände auf der Basis der abdichtenden Wirkungen von Tonmineralien bzw. Spundwände aus Stahl eingesetzt. Um eine Reduktion der zu fördernden Grundwassermenge zu erreichen, können vertikale Abschirmelemente können auch in Kombination mit hydraulischen Maßnahmen eingesetzt werden. Hierbei ist es nicht zwingend erforderlich, dass das Vertikalsystem bis zur Basis des Grundwasserleiters eingebaut wird.

Reaktive Systeme

Die Diskussion über den Einsatz von Reaktiven Systemen zur Sicherung / Sanierung von Grundwasserverunreinigungen wird in der BRD seit ca vier Jahren mit zunehmender Intensität geführt. Die Entwicklung von reaktiven Materialien zur Behandlung LCKW-haltiger Grundwässer geht auf die vor ca. 10 Jahren begonnenen Arbeiten von Gillham zurück. Dabei postulierten Gillham und O‘Hannesin den Einsatz von 0-valentem Eisen zur Dehalogenierung von LCKW.

Nach dem heutigen Entwicklungsstand stehen im wesentlichen drei unterschiedliche Verfahren zur Verfügung, die als „reactive wall“, „funnel and gate“ und „funnel and reactor“ bezeichnet werden. Der gemeinsame Ansatz dieser Varianten ist darin zu sehen, dass das Grundwasser nicht gefördert wird, sondern die Reinigung passiv durch Einbauten mit geeigneten Materialien abläuft.

Bei der „reactive wall“ durchströmt das verunreinigte Grundwasser eine vertikal in den Untergrund eingebrachte reaktive Wand. Bei dem „funnel and gate“-Verfahren wird das mit Schadstoffen beladene Grundwasser zunächst durch ein vertikales Dichtelement gefaßt und durch ein mit reaktiven Materialien gefülltes „Tor“ geleitet. Analog hierzu wird beim „funnel and reactor“-Prinzip anstelle des Tors ein Reaktor eingesetzt. Wird dieser Reaktor als Untertagebauwerk vorgesehen, kann das gesamte System passiv betrieben werden. Dagegen ist bei Anwendung von übertage installierten Reaktoren der Einsatz von Pumpen erforderlich, womit bei dieser Variante der vollständig passive Charakter des Gesamtsystems nicht mehr erfüllt ist.

Als reaktive Materialien stehen heute in erster Linie 0-valentes Eisen in Form von Eisengranulat und Eisenschwamm sowie Aktivkohle zur Verfügung. Darüber hinaus werden Entwicklungen mit Adsorberharzen und veredelten Harzen, beispielsweise mit Palladium dotierten Harzen, verfolgt. Eine interessante Entwicklung ist auch in der Kombination von Aktivkohle und Mikrobiologie zu sehen.

Monitored Natural Attenuation (MNA)

In den letzten Jahren ist im Kontext mit dem Begriff „Natural Attenuation“ das Interesse am Verstehen der Stoffausbreitung und Stoffveränderung in Grundwasserleitern und die Anwendung dieser Methode als Sanierungsstrategie stark gestiegen. Erste Artikel zu den Begriffen „Natural Attenuation“ bzw. „Intrinsic Iioremediation“ wurden Anfang der 90er Jahre in den USA publiziert. Gemäß EPA (US Environmental Protection Agency) wird „monitored natural attenuation“ (MNA) heute wie folgt beschrieben (OSWER Directive Initiation Request, directive Number 9200, 21. April 1999):

„The natural attenuation processes include a variety of physical, chemical, or biological processes that, under favourable conditions, act without human intervention to reduce the mass, toxicity, mobility, volume, or concentration of contaminants in soil or groundwater“

In der BRD wird in den letzten beiden Jahren intensiv über die Anwendung von Monitored Natural Attenuation (MNA) bei Sanierungsvorhaben diskutiert. Im Rahmen eines großen BMBF-Forschungsvorhabens sollen die Anforderungen an die Anwendung von MNA bei Sanierungsvorhaben bundeseinheitlich festgelegt werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit MNA als Sanierungverfahren einzusetzen.

Weitere detailliertere Informationen finden Sie in unseren Publikationen:

Vergleich von LCKW-Grundwassersanierungen durch “Pump and Treat” und “Reaktiven Systemen”

-Verfahren und Kosten-

und

Sanierungsverfahren