Vergleich von LCKW-Grundwassersanierungen

durch „Pump and Treat“ und „Reaktive Systeme“

- Verfahren und Kosten -

                                     

Dr. Hans Dieter Stupp

 

           

1.                Einleitung

Das in der Vergangenheit am häufigsten angewandte Verfahren zur Sanierung von LCKW-Grundwasserschäden ist das Pump and Treat-Verfahren („Pump and Treat“ nachfolgend PT). Hierbei wird eine hydraulische Massnahme in Form der Grundwasserentnahme mit der Reinigung des geförderten Grundwassers durch eine geeignete On-Site-Behandlungsanlage kombiniert. Als Reinigungsverfahren werden in den meisten Fällen Aktivkohleadsorption und Desorption (=Strippen) eingesetzt. Kennzeichnend für die PT-Massnahmen sind in den meisten Fällen sehr lange Sanierungszeiträume. Diese sind in erster Linie auf die vergleichsweise geringen Löslichkeiten der meisten LCKW in Verbindung mit dem Auftreten von LCKW-Phasenkörpern in der gesättigten Zone zurückzuführen. Veranlasst durch diese nicht befriedigenden Resultate wurde in den letzten Jahren verstärkt nach neuen Verfahren gesucht. Bei einer vergleichenden Analyse der verschiedenen untersuchten Alternativen haben die Reaktiven Systeme (nachfolgend RS) neben der Sanierungsstrategie „Monitored Natural Attenuation“ die größte Bedeutung erlangt. Bei den RS handelt es sich im Gegensatz zum PT-Verfahren um eine passiv arbeitende Technologie, bei der keine Grundwasserförderung erforderlich ist. Wirkungsbezogen handelt es sich eher um eine Sicherungsmaßnahme, die ein Abströmen von Schadstoffen mit der Grundwasserströmung unterbinden soll.

Neben der Herausarbeitung der technischen Vor- und Nachteile der möglichen einsetzbaren Alternativen haben kostenmäßige Betrachtungen bei Sanierungsvorhaben vor dem Hintergrund der allgemein gestiegenen Anforderungen an Kostenoptimierungen stark an Bedeutung gewonnen. Hierbei sind heute unter einem prognostischen Ansatz alle Kosten, bestehend aus Investitions-, Betriebs- und Finanzierungskosten, in die Entscheidungsfindung über das kostenseitig „optimale“ Sanierungsverfahren einzubeziehen. Als Folge sind nach der Durchführung von Sanierungsuntersuchungen und Machbarkeitsstudien die für die Sicherung/Sanierung einer Grundwasserverunreinigung infrage kommenden Verfahren einer fundierten, kritischen Analyse zu unterziehen. Vor diesem Hintergrund werden PT-Verfahren und die aktuell diskutierten RS einer technisch und kostenmäßig vergleichenden Betrachtung unterzogen. Auszüge dieses Betrages wurden in der TerraTech 2/2000 veröffentlicht.(1).

Verwendete Abkürzungen:

LCKW                     Leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe (C1/C2-Alkane/Alkene mit Siedepunkten < 150 ° C)

DNAPL                    Dense non aquous phase liquids

MNA                        Monitored Natural Attenuation

MKW                       Mineralölkohlenwasserstoffe (hier: Diesel, Heizöl EL)

BTEX                       Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylole (leichtflüchtige aromatische Kohlenwasserstoffe)

PAK                        Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe

PCE                         Tetrachlorethen ( = Tetrachlorethylen =  Perchlorethen = Perchlorethylen = Per)

TCE                         Trichlorethen ( = Trichlorethylen = Tri)

Cis-1.2-DCE            cis-1.2-Dichlorethen

VC                          Vinylchlorid ( = Chlorethen)

TCA                        1.1.1-Trichlorethan

TCM                        Trichlormethan

2.      Problemstellung

Das überwiegend zur Entfernung von schädlichen Grundwasserinhaltsstoffen eingesetzte Verfahren ist PT. Dabei wird durch die Entnahme von Grundwasser über Brunnen oder Drainagen ein Absenktrichter aufgebaut, in dessen Entnahmebereich das kontaminierte Grundwasser strömt.

Heute liegen etwa 20 Jahre Erfahrung über die hydraulische Sanierung (PT) von LCKW-Langzeitsanierungsprojekten vor. Diese Erfahrung lehrt, dass bei vielen und insbesondere grösseren LCKW-Schäden sehr lange Zeiträume zur Sanierung erforderlich sind. Die ältesten von der Gerling Consulting Gruppe (GCG) betreuten LCKW-Sanierungsprojekte sind seit 1982 in kontinuierlichem Betrieb. Der Grund für die lange Dauer der Sanierungen ist darin zu sehen, dass mit fortschreitender Sanierungszeit keine oder nur noch eine langsame Abnahme der LCKW-Gehalte im Förderwasser der Sanierungsbrunnen erfolgt. Dieser Effekt der nur äußerst langsamen Reduzierung der LCKW-Gehalte in Sanierungsbrunnen wird in der Literatur als Tailing-Effekt beschrieben (2). Zur Veranschaulichung ist in der Abb. 1 ein Beispiel eines von der GCG betreuten Projektes gegeben, das die Entwicklung der LCKW-Gehalte eines seit 1983 in Betrieb befindlichen Sanierungsbrunnens zeigt.

Die wesentlichen Gründe für das Tailing sind auf Grund der in den letzten beiden Jahrzehnten gewonnenen Erfahrungen bekannt. Die wichtigsten Erkenntnisse sind nachfolgend zusammengefaßt:

Die wesentliche Problematik der unbefriedigend langen Laufzeiten vieler hydraulischer Sanierungen liegt in dem besonderen Verhalten der LCKW als Schwerphasen begründet. Im anglo-amerikanischen Sprachgebrauch werden organische Stoffe mit über 1 g/cm3 liegenden Dichten (deutsch: Schwerphasen) als dense non aquous phase liquids (DNAPL) bezeichnet. Insofern ist dieser Terminus übergeordnet zu den LCKW zu sehen und beschreibt das Verhalten organischer Flüssigphasen, die schwerer sind als Wasser. Das besondere Verhalten der LCKW-Phasen besteht darin, dass diese bei Überchreitung des Eintrittskapillar-Widerstandes der Gesteine durch entsprechenden Phasennachschub tief in den Grundwasserleiter eindringen und im „Worst Case“ bis auf die Sohle des Aquifers migrieren (Bildung sog. „Pools“). Folge dieser Ausbreitung ist ein räumlich bis an die Grenze des Vorstellungsvermögens differenzierter Phasenkörper mit einem ausgesprochen grossen Verhältnis von Phasenoberfläche zu Phasenvolumen. Darüber hinaus können starke vertikale Zonierungen in der Zusammensetzung der LCKW-Phasen vorliegen, wobei die niedriger viskosen Phasen häufig bis in größere Tiefen gelangt sind. Als Ergebnis des LCKW-Phasenverhaltens entstehen extrem differenzierte Phasenkörper in der gesättigten Zone, deren Abreicherungen im wesentlichen über Lösungsprozesse ablaufen. Für weitergehende Informationen zu den Grundlagen der Stoffausbreitung wird auf die Fachliteratur verwiesen (4).

            Im Gegensatz zu den als Sicherungsverfahren wirkenden RS beinhalten PT-Maßnahmen sowohl die Elemente der Sicherung als auch der Sanierung. Bei Vorliegen von stärkeren Phasenkörpern im Aquifer trägt jedoch auch die PT-Technologie eher den Charakter einer Sicherung als den einer Sanierung. Diese allgemein anerkannte Problematik der sehr langen Betriebszeiträume bei hydraulischen Sanierungen führte zur Entwicklung von alternativen Technologien. Diese Aktivitäten gingen seit Beginn der 90er Jahre insbesondere von Nordamerika aus. Dabei werden als derzeit wichtigste alternative Verfahren die RS diskutiert. In dieser Arbeit werden aus gutachterlicher Sicht die Vor- und Nachteile der PT- und RS-Verfahren unter Berücksichtigung neuer Entwicklungen einander gegenübergestellt. Damit eröffnet sich für die von LCKW - Grundwasserschäden Betroffenen die Möglichkeit zu einem orientierenden Vergleich bei der Planung entsprechender Sanierungsverfahren.

3.      Sanierungsverfahren nach dem Stand der Technik

      
Bei den heute bekannten Sanierungsverfahren können grundsätzlich aktive und passive Verfahren differenziert werden. Die aktiven Verfahren unterscheiden sich von den passiven dadurch, dass hier durch induzierte Maßnahmen unter Einbringung von Energie in verschiedener Form kontinuierliche oder diskontinuierliche Eingriffe auf das Grundwasser erfolgen (z.B. Wasserentnahme durch Pumpen bei PT-Maßnahmen, Injektion von Luft in den Aquifer bei Air Sparging). Eine Zusammenstellung der verschiedenen zur Verfügung stehenden Verfahren zeigt die Tab. 1. Da eine Beschreibung der einzelnen Verfahren den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde, wird der interessierte Leser auf die weiterführende Fachliteratur verwiesen (5, 6).

3.1      Grundzüge des Pump and Treat-Verfahrens

      

            Bei  PT-Maßnahmen wird durch die Entnahme von Grundwasser aus einem oder mehreren Brunnen das Strömungsbild des Grundwassers in der Weise beeinflusst, dass die im Grundwasser enthaltenen Schadstoffe dem Brunnen zufließen. Das verunreinigte Grundwasser wird zutage gefördert und durch eine entsprechende Behandlung gereinigt. Als wichtigste Behandlungsverfahren für LCKW sind Aktivkohlefiltration und Desorption (Strippen) zu nennen. Bei höheren Gehalten an Störstoffen (Eisen, Mangan, Carbonat, Schwebstoffe) kann eine vorherige Entfernung der unerwünschten Inhaltsstoffe notwendig werden. In solchen Fällen steigt der anlagenbedingte Aufwand durch die notwendigen Vorreinigungsanlagen stark an und führt zu einer erheblichen Verteuerung der Investitions- und Betriebskosten.

            Unter dem Gesichtspunkt der Aufrechterhaltung der Grundwasserbilanz wird heute die Wiederversickerung des von Schadstoffen befreiten Grundwassers angestrebt. In den Fällen, in denen eine Reinjektion auf Grund von Standortgegebenheiten oder störender Wasserinhaltsstoffe - beispielsweise hohe Carbonat-, Eisen- und Mangangehalte  -  nicht möglich ist, wird das Grundwasser dem Vorfluter (Direkteinleitung) bzw. dem Regenwasser- oder Schmutzwasserkanal (Indirekteinleitung) zugeführt.

3.2      Grundzüge der Reaktiven Systeme

      

            Die Diskussion über den Einsatz von RS 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 (7).

Nach dem heutigen Entwicklungsstand stehen im Wesentlichen drei unterschiedliche Verfahren zur Verfügung, die als „Reactive Walls“, „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 in Reaktoren mit geeigneten Materialien abläuft.

Bei der Reactive Wall durchströmt das verunreinigte Grundwasser eine vertikal in den Untergrund eingebrachte reaktive Wand (Abb. 2a). Bei dem Funnel and Gate-Verfahren wird das mit Schadstoffen beladene Grundwasser zunächst mittels eines vertikalen Dichtelementes gefasst und durch ein mit reaktiven Materialien gefülltes „Tor“ geleitet (Abb. 2b). Analog hierzu wird beim Funnel and Reactor-Prinzip anstelle des Tors ein Reaktor eingesetzt (Abb. 2c). 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 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 (8). Eine interessante Entwicklung ist auch in der Kombination von Aktivkohle und Mikrobiologie zu sehen (9). Einen Überblick über die im Labor untersuchten Materialien vermittelt die Tab. 2.

            Für detaillierte Informationen über den Entwicklungsstand reaktiver Materialien und die bauliche Ausführung von RS wird auf die weiterführende Literatur verwiesen (10).

4.      Vorteile und Limitierung der Verfahren

4.1      PT-Verfahren

            Die komplette textliche Abhandlung aller Vor- und Nachteile der beiden Verfahren würde den Rahmen dieses Beitrags überschreiten. Infolgedessen wurden die wichtigsten Gesichtspunkte in den Tab. 3 und 4 zusammengestellt. Nachfolgend wird auf einige wesentliche Punkte Bezug genommen.

            Eine vergleichende Betrachtung beider Verfahren führt schnell zu der Erkenntnis, dass das PT-Verfahren seit über 20 Jahren zur LCKW-Sanierung eingesetzt wird und umfangreiche Erfahrungen über diese Technologie vorliegen. PT-Verfahren können grundsätzlich als sichere Verfahren eingestuft werden, mit denen Schadenzentren und Kontaminationsfahnen langfristig saniert und die Schadstoffe unter dem Aspekt der Gefahrenabwehr an der weiteren Ausbreitung im Grundwasser gehindert werden. In Ergänzung hierzu sind PT-Massnahmen mit der Erhöhung der Grundwasserfließgeschwindigkeit im Gebiet des Schadensherdes verbunden. Hierdurch erfolgt gegenüber den natürlichen, unbeeinflussten Verhältnissen eine Beschleunigung der Lösungsprozesse. Im Gegensatz zu den passiv arbeitenden RS-Anwendungen führen PT-Massnahmen zu einer Verkürzung der notwendigen Sanierungszeiträume.

            Der Einsatz ist relativ unabhängig von den lokalen Grundwasserverhältnissen, und jahreszeitliche Variationen der Grundwasserfließrichtung können bei sachgemäßer Konzeption des Sanierungsvorhabens sicher beherrscht werden. Zur grundsätzlichen Anwendbarkeit sind jedoch bestimmte Mindest-Durchlässigkeiten der wasserführenden Sedimente mit kf-Werten von möglichst > 5 x 10 -5 m/s erforderlich, da ansonsten eine unproblematische und kontinuierliche Wasserentnahme nicht gewährleistet ist.

            Ein nicht zu übersehender Vorteil besteht darin, dass ein sehr großes Spektrum von organischen Inhaltsstoffen behandelt werden kann. Hierbei ist hervorzuheben, dass zur Grundwasseraufbereitung bis vor wenigen Jahren im Wesentlichen nur die Standardverfahren Aktivkohle-Adsorption und Desorption zur Verfügung standen.

            Mit diesen Verfahren können jedoch nicht alle chlorierten Verbindungen behandelt werden. In den letzten Jahren wurde das Spektrum der Reinigungstechnologien durch die Verfahren Naßoxidation, Harzadsorption, Flüssig-Flüssig-Extraktion (MPPE) und Elektronenstrahl-Technik (HVEA) ergänzt. Insbesondere bei größeren Schadenfällen und bei Grundwasserschäden mit einem großen Spektrum verschiedener Verbindungen sind diese neuen Entwicklungen interessant.

            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 Grundwässern komplexer Organika-Zusammensetzung vor, die eine praktische Umsetzung wahrscheinlich machen.

            Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass auf Grund neuerer Entwicklungsarbeiten auch mikrobiologische Reinigungsverfahren interessant erscheinen. In diesem Zusammenhang wird auf den Einsatz von Ethen als Hilfssubstrat zur Dehalogenisierung von LCKW verwiesen (11).

             

            Als nachteilig für PT-Verfahren ist zu bewerten, dass bei Vorliegen von signifikanten LCKW-Mengen in der gesättigten Zone von sehr langen Sanierungszeiträumen auszugehen ist. In diesem Kontext betreut die GCG mehrere Vorhaben, die seit Anfang der 80er Jahre saniert werden und für die z. T. noch von Sanierungszeiträumen von über 10 Jahren auszugehen ist. Bei solchen Konstellationen fallen aufgrund der langen Zeiträume sehr hohe Gesamtbetriebskosten an. Als weitere Nachteile sind das anlagebedingte mögliche Auftreten von Restemissionen und das Anfallen von beladenen Sorptionsmitteln bzw. von Schadstoffkonzentraten anzusehen. Unter ungünstigen Standortbedingungen können die Grundwasserabsenkungen auch zu Setzungen und damit zu Schäden an Gebäuden und Anlagen führen. Ein weiterer Nachteil von PT besteht ökologisch in der Entnahme hoher Wassermengen aus der Naturressource Grundwasser.

4.2      Reaktive Systeme

                   Die Erfolg versprechende Anwendbarkeit von RS ist im Vergleich zu den PT-Massnahmen in stärkerem Maße an bestimmte Voraussetzungen und Bedingungen geknüpft. Die wichtigsten derartigen Vorbedingungen und Anforderungen sind nachfolgend zusammengestellt:

·            Der geologische Aufbau des Untergrundes muss so beschaffen sein, dass eine gering durchlässige Schicht bis zu einer Tiefe von ca. 25 m unter Gelände ausgebildet ist, in die das Vertikalsystem eingebunden werden kann.

·                Die jahreszeitlichen Variationen der Grundwasserfließrichtung sollten nur gering sein.

·                Durch Modellierungen ist abzusichern, dass die Vertikalsysteme nicht um -bzw. unterströmt werden.

·           Unter Berücksichtigung des LCKW-Spektrums ist sicherzustellen, dass alle LCKW - Einzelstoffe bis unterhalb der zulässigen Abstromwerte abgereinigt werden können. Als kritischere Komponenten gelten cis-1.2- DCE und Vinylchlorid.

·                Bei der Planung der Systeme müssen im Hinblick auf die meist unregelmäßige dreidimensionale LCKW-Verteilung im Grundwasserleiter die Aquiferpartien mit prädestinierten LCKW-Migrationskanälen („LCKW-Röhren“ mit Maximalfracht !) bekannt sein, so dass das System zielgerichtet auf diese Aquiferabschnitte ausgelegt werden kann.

·                Die Langzeitfunktion des Reaktiv-Systems ist sicherzustellen.

·                Der erforderliche Platzbedarf zur Installation des Systems muss gegeben sein.

·        Es ist durch geeignete Voruntersuchungen abzuklären, ob in Abhängigkeit der Zusammensetzung der reaktiven Materialien oder durch im reaktiven Material ablaufende Reaktionen Freisetzungen von unerwünschten Inhaltsstoffen in den Aquifer auftreten können (Einflüsse auf den Grundwasserabstrom).

·           Es sollte bekannt sein, ob das Reaktive System nach dem Abschluß der Sanierung zurückzubauen ist (wichtiger Kostengesichtspunkt).

            Im Gegensatz zu dem PT-Verfahren bestehen in der BRD mit RS derzeit noch keine Langzeiterfahrungen. Die ersten Systeme wurden 1998 installiert und in Betrieb genommen. Zur Erforschung der ökologischen und ökonomischen Potentiale der RS ist  im Frühjahr 2000 ein großes Forschungsvorhaben des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) angelaufen. Dabei werden insgesamt neun unterschiedlich ausgerichtete Vorhaben gefördert. Detaillierte Informationen hierzu sind der Tab. 5 zu entnehmen (12).

            Da es sich um passiv arbeitende Verfahren handelt, die vom Ansatz eher einer Sicherungs- als einer Sanierungsmaßnahme entsprechen, muss die Funktionsfähigkeit langfristig ausgerichtet sein. Je nach Einzelfall ist hier von Zeiträumen bis zu mehreren Dekaden auszugehen, möglichst, ohne dass ein Austausch des reaktiven Materials erforderlich wird.

            Grundsätzlich sind negative Auswirkungen auf die Langzeitwirkung in erster Linie durch folgende Prozesse denkbar:

·            Verringerung der Aktivität des reaktiven Materials (z. B. 0-valentes Eisen) durch Mineralausfällungen oder organische Beläge. Beispielsweise können höhere Sulfatgehalte des Grundwassers zur Bildung von sulfidischen Mineralien führen, die die Eisenpartikel "umkrusten" und somit die Aktivität der Dehalogenierung reduzieren.

·            Verringerung der Durchlässigkeiten des reaktiven Systems durch chemische Ausfällungen oder biologische Prozesse.

            Schlussfolgernd sollte vor der Umsetzung von RS Sicherheit darüber vorliegen, ob mit funktionsstörenden Prozessen zu rechnen ist. Diese Anforderung setzt eine detaillierte Kenntnis der chemischen Zusammensetzung des Grundwassers und Abschätzung der wahrscheinlichen Reaktionen von Wasserinhaltsstoffen im RS voraus.

            Vorteilhafte Aspekte von RS bestehen auf Grund der unterbleibenden Entnahme und Aufbereitung des Grundwassers darin, dass zu deren Betrieb keine Energie erforderlich ist. Darüber hinaus wird die Bilanz des Grundwasserhaushaltes nicht gestört, und je nach der Art des reaktiven Materials sind keine mit Schadstoffen beladenen Sorptionsmittel oder Schadstoffkonzentrate zu entsorgen (z.B. bei 0-valentem Eisen). Restemissionen in andere Umweltmedien sind ebenfalls nicht gegeben. Im Hinblick auf die Durchlässigkeiten wasserführender Sedimente sind RS im Gegensatz zu PT-Maßnahmen auch und gerade bei deutlich geringeren Kf-Werten als 5 * 10 -5 m/s einsetzbar.

5.      Kosten

      

            In den letzten Jahren haben betriebswirtschaftliche Aspekte bei der Entscheidungsfindung über den Einsatz von "konkurrierenden" Sanierungsverfahren an Bedeutung gewonnen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich unter Bezug auf die komplexe Entwicklung der Weltwirtschaft, gekennzeichnet durch die Schlagworte Globalisierung und Shareholder-Value, die betriebswirtschaftlichen Ansätze für Kostenberechnungen von Sanierungsverfahren geändert haben. Während sanierungspflichtige Unternehmen früher die Entscheidung über ein bestimmtes Sanierungsvorhaben eher unter dem Gesichtspunkt der „Gesamtkosten über den Gesamtsanierungszeitraum“ trafen, steht heute mehr die Bereitstellung des Kapitals unter dem Aspekt eines „möglichst niedrigen Investments“ im Vordergrund. Das zum Betrieb einer Sanierung notwendige Kapital kann somit in Form einer entsprechenden Kapital-Rückstellung als Finanzanlage über die aus dem Kapital erwirtschafteten Renditen finanziert werden. In Ergänzung hierzu spielt die jeweilige steuerliche Situation der sanierungspflichtigen Unternehmen eine wichtige Rolle. Naturgemäß fließen solche Entwicklungen im Sinne einer Optimierung des Kapitalmanagements in sehr starkem Maße in die Sanierungsplanung ein. Dabei sind neben der Definition der Investitionskosten unter Berücksichtigung der Schätzung möglichst realistischer Sanierungszeiträume insbesondere die mit verschiedenen Techniken verbundenen Betriebskosten zu ermitteln. Zu den Investitionskosten zählen alle mit der Errichtung der Sanierungsanlage verbundenen Kosten für Entnahmesysteme (Brunnen, Drainagen), Reinigunganlagen, Leitungen, sonstigen infrastrukturellen Installationen sowie Untersuchungs- und Planungskosten. Die Betriebskosten umfassen die Kosten für Energie, Verbrauchsmaterial, Entsorgung von Konzentraten etc., Personal, Beprobungen, Analysen und Gutachter. Bei den Kostenberechnungen wurde weiter davon ausgegangen, dass in Analogie zu der üblichen Praxis die Betriebskosten aus den Erlösen der Unternehmen erwirtschaftet werden.

            Nachfolgend wird unter Anwendung der vorherigen Erläuterungen für ein konkretes Sanierungsprojekt auf der Grundlage des Ergebnisses einer Machbarkeitsstudie für ein RS und eines Kostenvergleichs mit einer PT-Massnahme das Ergebnis der vergleichenden Kostenbetrachtung vorgestellt. Dabei wurde ein Projekt ausgewählt, das aus der praktischen Erfahrung von den grundsätzlichen Rahmendaten vergleichsweise häufig gegeben ist. Unter Rahmendaten werden die Menge des zu reinigenden Grundwassers, die LCKW-Konzentration und die LCKW-Zusammensetzung verstanden. Im konkreten Fall liegt die erforderliche Fördermenge für die PT-Massnahme bei 6 m3/h, die LCKW-Konzentration beträgt 10 mg/l und als Hauptkontaminant liegt PCE vor. Die Systeme zur Sicherung/Sanierung würden unmittelbar im Abstrom des Schadenherdes installiert. Beide Systeme werden so ausgelegt, dass eine 35 m breite LCKW-Kontaminationsfahne erfasst und ein weiteres Abströmen von kontaminiertem Grundwasser unterbunden wird.

            Da bei PT-Massnahmen grundsätzlich verschiedene Konfigurationen in Abhängigkeit der jeweiligen Standortsituation möglich sind, wurden drei in der Praxis häufiger anzutreffende Sanierungsplanungen kostenmäßig aufbereitet. Bei allen drei Szenarien wurde von Strippanlagen zur Grundwasserreinigung ausgegangen, da dieses Verfahren gegenüber der Aktivkohleadsorption bei derartig gelagerten Schadenfällen kostenmäßig vorteilhaft ist. Die verschiedenen Sanierungskonzepte unterscheiden sich im wesentlichen in den je nach Bedarf notwendigen Vorreinigungen zur Entfernung von Störstoffen sowie in der Art der Ableitung des gereinigten Grundwassers. Dabei handelt es sich um:

·         keine Vorreinigung und Reinjektion in den Aquifer

·         keine Vorreinigung und Ableitung in den Regenwasserkanal

·         Vorreinigung und Reinjektion in den Aquifer

            Beim RS wurde Funnel and Gate kalkuliert, wobei als reaktives Material Eisenspäne geplant wurden.

            Die Rohdaten der Kostenberechnungen sind den Tab. 6 und 7 zu entnehmen.

            Bei den Kostenberechnungen wird sowohl die Frage nach den Gesamtkosten über den Gesamtsanierungszeitraum als auch die Entwicklung der Sanierungskosten bei Vernachlässigung und Einbeziehung kaufmännischer Belange (Kapitaldienst) erfasst. Die Abschreibung unter steuerlichen oder bilanztechnischen Aspekten wurde aufgrund der für die einzelnen Sanierungspflichtigen stark unterschiedlichen Bedeutung und der sich hieraus ergebenden Komplexität nicht berücksichtigt.

            Nach den heutigen Denkmustern werden bei Sanierungsplanungen in der Regel Zeiträume von maximal 10 Jahren betrachtet. Folglich ist das Resultat der Kostenkalkulation in den Abb. 3 und 4 für einem Zeitraum von 10 Jahren veranschaulicht, wobei die Abb. 3 die Kostenentwicklung ohne Kapitaldienst und die Abb. 4 mit Kapitaldienst aufzeigt. 

5.1      Kostenentwicklung ohne Kapitaldienst

            Zunächst ist zu beachten, dass die Investitionskosten des RS mit ca. 212.000 Euro (nachfolgend 212 TEU)  erheblich über den Investitionskosten der verschiedenen PT-Alternativen liegen. Die Spannbreite der Investitionskosten der verschiedenen PT-Verfahren beträgt 59 – 72 TEU.

            Im Hinblick auf die zehnjährige Kostenprognose geht aus der Abb. 3 eindeutig hervor, dass sich das RS im Vergleich mit PT durch signifikant geringere Betriebskosten auszeichnet. Unter Bezug auf die nach 10 Jahren eingetretenen Gesamtkosten würden diese für die verschiedenen PT-Varianten zwischen 603 und 872 TEU liegen. Dagegen würden sich die Gesamtaufwendungen für das RS auf ca. 335 TEU belaufen. Dabei liegt der "Break-Even-Point", d.h. die Zeitspanne ab dem RS günstiger wird als PT, je nach PT-Variante zwischen ca. 2 und 3 Jahren. Diese Befunde indizieren, dass bei der konventionellen Kostenbetrachtung ohne Kapitaldienst die Vorteile des RS offensichtlich sind.

  

5.2      Kostenentwicklung mit Kapitaldienst

            Im Unterschied zu der Abb. 3 ist in der Abb. 4 eine Kreditfinanzierung in Höhe von 6 % bei den vier betrachteten Szenarien berücksichtigt. Das entsprechende Darlehen wird über einen 10-jährigen Zeitraum getilgt (Zinsen und Tilgung, nachfolgend Kapitaldienst). Diese Modalitäten entsprechen den Kalkulationsgrundlagen, wie sie aus der Praxiserfahrung häufig von den betroffenen Unternehmen  für die Berechnung der Kosten zugrunde gelegt werden. Die Berücksichigung von Entwicklungen, die Zeiträume von mehr als 10 Jahren erfassen, treten bei der praktischen Bearbeitung von Sanierungsprojekten in den Hintergrund.

            Eine theoretisch ebenso denkbare Kreditfinanzierung der Betriebskosten spielt in der Sanierungspraxis keine große Rolle, so dass in dem vorgestellten Kostenszenario die Abdeckung der Betriebskosten aus den Betriebsmitteln erfolgt. Die Randbedingungen der gewählten Kostenschätzung dürften somit dem in der Praxis am häufigsten von sanierungspflichtigen Unternehmen eingesetzten Kostenmodell entsprechen.

      

            Die Einbeziehung des Kapitaldienstes führt zu einer Verschiebung des „Break-Even-Points“ über einen Zeitraum von mindestens 2,7 Jahren gegenüber der teuersten PT-Variante (Enteisenung und Reinjektion). Im Vergleich des RS mit der günstigsten PT-Maßnahme (Reinjektion ohne Enteisenung) resultiert eine Verlagerung des „Break-Even-Points“ auf einen Zeitraum von ca. 7 Jahren.

      

            Der wesentliche Unterschied der mit beiden Technologien verbundenen Gesamtkosten über 10 Jahre wird durch die Abb. 5 veranschaulicht. Bei der konventionellen Betrachtung ohne Kapitaldienst besitzt RS gegenüber PT deutliche Kostenvorteile. Weiterhin fällt auf, dass bei den PT-Verfahren der Unterschied zwischen Kalkulation ohne und mit Kapitaldienst  wesentlich geringer ist als bei RS. Der Grund hierfür ist in dem wesentlich höheren Anfangsinvestment für das RS begründet (vergleiche Abb. 3 und 4). Unter Einbeziehung der Kapitalgestehungskosten liegen die Gesamtkosten für das RS im Vergleich zu allen betrachteten PT-Varianten ebenfalls niedriger.

            Diese Ausführungen verdeutlichen, dass die Kostenvorteile des RS bei konventioneller Betrachtung (Kalkulation ohne Kapitaldienst) offensichtlich sind. Bei Einbeziehung des Kapitaldienstes verschiebt sich der Break-Even-Point nach hinten. Folglich ist insbesondere bei dieser Kostenbetrachung ein möglichst genauer Kostenvergleich des RS- und des PT-Verfahrens sinnvoll. Als Ergebnis der Kosten-Analyse von mehreren durchgeführten Machbarkeitsstudien deutet sich an, dass bei einem etwa über dem Faktor fünf liegenden Investment für das RS gegenüber der PT-Massnahme unter Einbeziehung des Kapitaldienstes günstige Optionen der PT-Verfahren auch langfristig Kostenvorteile gegenüber RS besitzen können. Die Verfahrensentscheidung im Anwendungsfall wird davon abhängig sein, welche Option der möglichen PT-Verfahren umsetzbar wäre. Auch die chemische Zusammensetzung der LCKW spielt eine wichtige Rolle. So benötigen die niedriger chlorierten Ethene Cis-1.2-DCE und VC längere Reaktionszeiten zur Dehalogenierung als die höher chlorierten Verbindungen PCE und TCE. Dies führt zu aufwendigeren RS-Anlagen und ist mit höheren Investitionskosten verbunden. Diese Ausführungen verdeutlichen, dass die kritische Kostenprüfung des Einzelfalles immer im Vordergrund von Entscheidungen über Sanierungsverfahren stehen sollte.

6.      Schlussbemerkung

            Eine wesentliche Schlußfolgerung lautet, dass das PT-Verfahren vielseitiger einsetzbar ist und vom Standpunkt der Verfahrenssicherheit weniger Risiken beinhaltet. Ein Vorteil des PT-Verfahrens existiert weiterhin in der wesentlich größeren Anpassungsfähigkeit an die Entwicklung des Sanierungsfortschritts. So kann es bei langlaufenden Sanierungsvorhaben betriebswirtschaftlich sinnvoll sein, bei abnehmenden Stoffkonzentrationen im Rohwasser des/der Sanierungsbrunnen eine Optimierung der Reinigungstechnik vorzunehmen. Auf Grund des weitgehend modularen Aufbaus der Aufbereitungsanlagen ist dies in der Regel ohne größere Probleme möglich. Als Beispiel sei auf abnehmende Gehalte an VC hingewiesen. Hier bietet sich bei Einsatz einer Desorptionsanlage der Austausch einer katalytischen Anlage zur Strippluftreinigung durch eine Aktivkohleanlage an.

            Bei Entscheidungen über die Auswahl eines Sanierungsverfahrens haben ökologische Aspekte in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. So ist die Erfordernis einer Ökobilanzierung bei Bodensanierungen bereits in der 1. Technischen Anleitung (Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung) zum Bundes-Bodenschutzgesetz gefordert.  Bei Grundwassersanierungen sind derartige Pflichten zwar nicht in rechtlichen Vorschriften des Bundes verankert, jedoch ist die Einbeziehung von Ökobilanzierungen in einigen Bundesländern in entsprechenden Regelwerken vorgeschrieben. Es ist davon auszugehen, dass unter Bezug auf die Forderung nach einer „nachhaltigen Entwicklung“ (sustainable development) zukünftig derartige ganzheitliche Betrachtungsansätze in noch stärkerem Maße bei Entscheidungen über Sanierungsmethoden zu berücksichtigen sind. Auf der Grundlage von im Rahmen von Machbarkeitsstudien durchgeführten Ökobilanzierungen kann abgeleitet werden, dass RS im Vergleich mit  PT zu deutlich geringeren sekundären Umweltaus-wirkungen führen. Der wesentliche Grund hierfür ist in dem permanten Energiebedarf (Strom für Anlagenbetrieb) und hohen Ressourcenbedarf (Verbrauch von Grundwasser) der PT-Maßnahmen begründet. Infolgedessen stellen RS- im Vergleich zu PT-Maßnahmen im Hinblick auf  Umweltaspekte schonendere Technologien dar.

            Auf der Grundlage von bisher geprüften Projekten zeichnet sich ab, dass RS unter Berücksichtigung der Anwendungsvoraussetzungen in 10 - 20 % der LCKW Grundwasserschäden eingesetzt werden könnten. Infolgedessen sind RS nicht als universelle Sanierungsverfahren einzustufen. Bei entsprechenden Vorhaben gilt es vielmehr, sorgfältig zu prüfen, ob die in Kap. 3 vorgestellten Voraussetzungen über die geologisch-hydrogeologischen Verhältnisse und die chemische Zusammensetzung des Grundwassers gegeben sind. Bestehen darüber hinaus keine Risiken hinsichtlich der Beeinträchtigung der Aktivität und Durchlässigkeit des reaktiven Materials, kann die Installation von RS gutachterlich befürwortet werden. Da die tatsächlich anfallenden Gesamtkosten immer von den Gegebenheiten eines Einzelfalles abhängen, sind pauschale Aussagen wie „RS ist immer billiger als PT" oder umgekehrt nicht angebracht. Dabei eröffnen sich im Hinblick auf die langfristige Kostenentwicklung interessante Perspektiven für RS. Bei der umfassenden Bewertung der Verfahren sollte jedoch nicht außer Acht gelassen werden, ob nach Beendigung der Sicherungs-/Sanierungsmaßnahme Aufwendungen für einen gegebenfalls erforderlichen Rückbau des RS zu veranschlagen sind.

            Zum besseren Verständnis der mit RS verbundenen risikorelevanten Prozesse ist eine erhebliche Intensivierung der Forschungsarbeiten erforderlich. Darüber hinaus ist eine aussagekräftige Datendokumentation der in der BRD angelaufenen Projekte zur Beurteilung des Sanierungserfolges zwingend notwendig. Bei Erfüllung dieser Anforderungen werden sich RS in den nächsten Jahren als wichtige und sinnvolle Maßnahmen zur Sanierung von LCKW - Grundwasserschäden entwickeln. Dabei sollte nicht vergessen werden, dass unter Bezug auf die anzustrebende ganzheitliche Betrachtung ökologische Aspekte mit der entsprechenden Gewichtung in Entscheidungen über Sanierungsverfahren einfließen sollten. Unter ökologischen Gesichtspunkten sind RS eindeutig zu bevorzugen.

            Im Hinblick auf die Kostensituation sind zwar die hohen Investitionskosten der RS im Vergleich mit PT-Massnahmen zunächst ein erheblicher Nachteil, der sich vor allem bei Berücksichtigung des Kapitaldienstes ungünstig auf dieses Verfahren auswirkt. In den meisten Fällen dürften RS-Systeme dennoch aufgrund der signifikant niedrigeren Betriebskosten kostenmäßige Vorteile gegenüber den PT-Massnahmen bieten. Dies gilt sowohl für die Kostenbetrachtung ohne und als auch mit Kapitaldienst.

            Im Hinblick auf die höheren Investmentkosten hätten weniger kostenintenisve Installationen der RS eine Verschiebung des „Break-Even-Points“ zu Gunsten dieser Technolgie zur Folge. Ein erheblicher Kostenanteil ist in dem Einbau der reaktiven Materialien durch konventionelle Bautechnik zu sehen. Sollte es gelingen, die Einbaukosten der reaktiven Materialien durch innovative Techniken - unter Sicherstellung der nachweisbaren Funktionsfähigkeit - zu reduzieren, würde dies zu einer starken Kostenreduzierung der RS führen. Entsprechende Techniken, beispielsweise in Form von Injektionsverfahren, befinden sich im Erprobungsstadium. Die weitere Entwicklung bleibt abzuwarten und darf mit Spannung verfolgt werden.

            Literaturverzeichnis

(1)  Stupp, H.D. (2000):

     Grundwassersanierung von LCKW-Schäden durch Pump and Treat oder Reaktive Systeme ?

     TerraTech 2/2000, S. 34 – 38

 

(2) Grathwohl, P. (1992):

     Die molekulare Diffusion als limitierender Faktor

     UWSF – Z. Umweltchem. Ökotox. 4 (4), S. 231-236

 

(3) Scholz-Muramatsu, H. & Flemming H.-C. (1991):

       Unter welchen Milieu-Bedingungen erfolgt ein Abbau leichtflüchtiger chlorierter Kohlenwasserstoffe (LCKW) ?

       Wasserkalender 1991, 25. Jahrgang, Hrsg.: R. Wagner, S. 135 – 158

 

(4) Stupp, H. D. & Schmidt, T.:

       Verhalten von DNAPL im Untergrund unter besonderer Berücksichtigung der LCKW.

       Altlastenspektrum, 6/2000 (Teil 1) und 1/2001 (Teil 2)  

 

(5) Edel, H.G. (1997):

       Grundwassersanierung – praxisrelevante Techniken und Verfahren

       Entsorgungspraxis, Heft 7-8, S. 64-68

 

(6) Stupp, H.D. & Eigen, N. (1989):

       Hydraulische Verfahren zur Sanierung von kontaminiertem Grundwasser

              Haus der Technik, Essen, Tagungsunterlagen des workshops vom 18.10.1989

 

(7) Gillham, R.W. & O’Hannesin, S.F. (1994):

       Enhanced Degradation of Halogenated Aliphatics by Zero-valent Iron

       Ground Water, 32 (6), 958-967

 

(8) Schüth, Ch. & Reinhard, M. (1997):

       Catalytic hydrodehalogenation of some aromatic compounds using palladium on different support materials

       213. ACS-Meeting, April 13-17, San Fancisco, Proceedings, Vol. 37, No. 1, 173-175

 

 (9) Werner, P. (1998):

       The impact of microbal processes on the efficiency of reactive walls

       Groundwater Quality: Remediation and Protection

       Proceedings of the GQ’98 Conference held at Tübingen, September 1998,

       IAHS Publ. No. 250, pp. 497-500

(10)    Dahmke, A., Beitinger, E. (1998):

Durchströmte Wände – eine kostengünstige Alternative zu hydraulischen Grundwassersanierungsverfahren

Tagungsunterlagen BEW-Seminar der Veranstaltung vom 17.11.1998

(11)    Koziollek, P.; Bauer, S.; Bryniok, D. & Knackmuss, H.-J. (1999):
Aerobes Verfahren zur mikrobiellen Eliminierung von Dichlorethen und Vinylchlorid
In: S. Heiden (Hrsg.): Innovative Techniken der Bodensanierung – Ein Beitrag zur Nachhaltigkeit
Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg – Berlin, S. 137-151

(12)        Birke, V.; Burmeier, Harald und Rosenau, Diana (2000):
Startschuss für BMBF-Forschungsverbund
„Anwendung von Reinigungswänden für die Sanierung von Altlasten“
TERRA TECH 4/2000, S. 14 - 15


       

Veröffentlicht in: Handbuch der Altlastensanierung

                        Franzius/Wolf/Brandt

                    25. Ergänzungslieferung