Bioremediation (2): Techn. Grundlagen. - Case Studies

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1 Bioremediation (2): Techn. Grundlagen - Case Studies

2 Übersicht: in-situ Bioremediation (= BR) 1. Techn.-gesteuerte BR 2. Ausnutzen von intrins. Prozessen = Engin. BR = Enhanced BR = Intrinsic BR = Monitored Natural Attenuation (NA) 3. Phyotoremediation Injektion von EA s, ED s + Nährstoffen Vorlesung: NA Flüssigphasen- Injektion O 2, H 2 in gelöster Form H 2 O 2 -Injektion, Injectionsbrunnen Gasphasen- Injektion Bioventing (unges. Zone) Biosparging (ges. Zone) O 2, H 2 im gasförmigen Zustand Über Injectionsbrunnen Injektion über Festphasen Reaktive Wände ORC s, HRC s

3 In situ - Bioremediation: Technische Realisierungen

4 Luftinjektion zur Stimulierung des aeroben Abbaus Vorlesung: Reaktive Wände Gaswand

5 Welche Prozesse? Charakterisieren Sie Injektion!

6 H 2 O 2 -Injektion zur Stimulierung des aeroben Abbaus

7 Welche Prozesse? Charakterisieren Sie Injektion!

8 Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers

9 [MCB](out/[MCB](in) Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers UFZ: Degradation of chlorobenzene by autochtonous bacteria 1,2 1,1 Start NO Dosage Start H 2 O 2 -Dosage 1 0,9 End H 2 O 2 -Dosage to reactor A 0,8 0,7 0,6 0,5 Reactor A Reactor B 0, Welche Prozesse? Welche Elektronenakzeptoren? MCB - Monochlorobenzene

10 Kombinierte Technologien: Nährstoffinjektion + Biosparging + Bodenluftabsaugung (SVE)

11 Welche Prozesse? Charakterisieren Sie Injektion!

12 Bioremediation: Case Study Auensee Gekoppellte ED-EA-Technologie zur Sanierung eines PCE/TCE-Schadens - aktuelles Kooperationsprojekt zwischen UFZ + 2 KMU s - Wollen Schritt für Schritt Sanierungsprojekt verstehen! - aktuelles und applikationsnahes SAN-Forschungsprojekt - Exkursion: 22./23.6.

13 PCE TCE TCA

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16 Übungsaufgabe: Bioremediation Dechlorierungsreaktion: PCE + 2e - + H + TCE + Cl - : (k PCE ) TCE + 2e - + H + DCE + Cl - : ( TCE ) Differentialgleichungen für Parents-Daughter-Reaction : Reine Advektion: C t PCE u R PCE C x PCE k R PCE PCE C PCE C t TCE u R TCE C x TCE R TCE TCE C TCE F k R TCE PCE C PCE

17 Steady-state-Lösung: Keine Zeitabhängigkeit! C PCE ( x) C PCE ( x 0) exp k u PCE x C TCE ( x) F kpce C k TCE PCE ( x PCE 0) exp k u PCE x exp u TCE x TCE k PCE C TCE ( x) F k PCE t C PCE ( x 0) exp k u PCE x TCE k PCE C(x,t) Konzentration (mg/l), k Abbaurate (1/Tag), u Abstandsgeschwindigkeit (m/tag) EXCEL-file: steady-state (siehe ÜA25 Bioremediation!) Klausuraufgabe: Berechnen Sie die Länge einer stationäre Benzenfahne, die als Fahnentyp III klassifiziert wurde? u = 0.1m/d, C max = 1750 mg/l, k = 0.1 1/day

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19 Bioremediation: Case Study Auensee

20 Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes, Projektunterlagen

21 Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse 1 : cm : 100 m PCE-Quelle Naherholungsgebiet 500 m - Abbildung zeigt PCE-Quelle (ehem. Chem. Reinigung) und Isohypsen (GWL 1) - Wie führen Sie eine Risikoeinschätzung durch? - Zeitskalen? Welche Parameter benötigen Sie? Qualitative Diskussion!

22 Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse Geologische Struktur Quelle Rezeptor? - Abbildung zeigt: Aquifer-Aquitard-Schichtung - Charakterisieren Sie mögliche Kontaminationen (Quelle, Fahnentyp) für die geologische Schichtstruktur! (PCE/TCE) - Welche Sanierungstechnolgien sind ungeeignet und welche schlagen Sie vor?

23 Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes, Projektunterlagen

24 Case Study: 2.2. LHKW-Kontaminationsuntersuchungen Grundwasser Rezeptor Quelle? Schadstoffszenario: Infiltration von DNAPL, kontinuierliche Quelle: Kohleflöz, Vermutlich DNAPL-Pool an Aquiferbasis (Aquitard: Rupelton)

25 Oberer GWL Unterer GWL C PCE max = 155 mg/l! Was vermuten Sie für C PCE > 100 mg/l?

26 Case Study: 2.3. Ergebnisse der Quelltermuntersuchungen

27 Case Study: : Transportzeiten, Schadstofffrachten, Risikoabschätzungen, Sanierungsziele - Warum ist Transportzeit und Schadstofffracht notwendig, um das Risiko abzuschätzen und realistisches SAN-Verfahren/Ziel festzulegen? qualitative und quantitative Diskussion!

28 Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse hydraulische Leitfähigkeit (k f -Wert) - Schätzen Sie lokale Ausbreitungsgeschwindigkeit für oberen GWL ab! - Welchen Prozeß, welches Gesetz? - Welches sind realistische kf-werte (Unsicherheit)? - Woher eff. Porosität?

29 Totale und effektive Porosität Skript

30 Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse 1 : cm : 100 m Naherholungsgebiet 500 m - Schätzen Sie lokale Ausbreitungsgeschwindigkeit für oberen GWL ab!

31 Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes, Projektunterlagen

32 Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten nur mit Hilfe des Schadstoffszenarios (Quellen- und Fahnentyp) und der Schadstofffracht können geeignete Sanierungsverfahren rational festgelegt werden letztes Kriterium: Kosten-Analyse Rechnung und Formeln! 2 Methoden: 1. Abschätzung über Feldmessungen (q und c S ) 2. Säuleneperimente mit Bohr-Liner (q und c S (t) )

33 Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten: Bilanzebenen und Hauptstrombahnen

34 Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten Ist diese Annahme zulässig?

35 Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten: Retardationsfaktoren Sorption an OC! K d R Beachte: Retardation reduziert q und damit Schadstofffracht!

36 Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten: Retardationsfaktoren Sorption an OC! Beachte: Retardation reduziert q und damit Schadstofffracht! Berechnen Sie die spezifische Schadstofffracht für oberen GWL und BK-Flöz!

37 Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes, Projektunterlagen

38 Case Study: 2.6 Gefährdungsabschätzung (ÜA 1, 22), Festlegung von Sanierungszonen und Sanierungszielen Diskussion des Risikos für Schutzgut Grundwasser (Zeitskalen, siehe ÜA) entlang des Bewertungsprofils (Quelle Rezeptor) d.h. entlang der Hauptstrombahn und Betrachtung verschiedenen Gefährdungszonen ( Sanierungszonen)

39 Case Study: 2.6 Gefährdungsabschätzung (ÜA 1, 22), Festlegung von Sanierungszonen und Sanierungszielen

40 Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes, Projektunterlagen

41 Case Study: 3. Vorauswahl grundsätzlich geeigneter Sanierungsverfahren

42 Case Study: 3. Vorauswahl grundsätzlich geeigneter Sanierungsverfahren entspricht den Vorlesungsthemen!

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45 Case Study: Gekoppellte ED-EA-Technologie zur Sanierung eines PCE/TCE-Schadens - aktuelles Kooperationsprojekt zwischen UFZ + 2 KMU s

46 2-Stufen-Durchfluß-Reaktor Aerober Gaswandbereich Abbau cdce und VC mit Hilfe von O 2 Anaerober Gaswandbereich Abbau PCE und TCE mit Hilfe von H 2 Mixed Reaktor Redoxgesteuerte hydro- dynamische Fluidzone (RHDF) Einbringung Cosubstrate, Nährstoffe, Hilfsstoffe Legende: Zirkulationsbrunnen Gasinjektionslanze Filterbereich Schematische Ausbreitung H 2 Schematische Ausbreitung O 2 In-situ Sensor Projekt: Leipzig, Friedrich Bosse Str. 71 Darstellung: Sanierungsprinzip Erstellung: Dipl.-Ing. A. Vossen Datum:

47 Aerober Gaswandbereich Abbau cdce und VC mit Hilfe von O 2 Anaerober Gaswandbereich Abbau PCE und TCE mit Hilfe von H 2 Redoxgesteuerte hydro- dynamische Fluidzone (RHDF) Einbringung Cosubstrate, Nährstoffe, Hilfsstoffe Legende: Zirkulationsbrunnen Gasinjektionslanze Filterbereich Schematische Ausbreitung H 2 Schematische Ausbreitung O 2 In-situ Sensor Projekt: Leipzig, Friedrich Bosse Str. 71 Darstellung: Sanierungsprinzip Erstellung: Dipl.-Ing. A. Vossen Datum:

48 Prinzip der mikrobiellen reduktiven und oxidativen Dechlorierung Bestimme EA + ED für rd und od von TCE! Sequentielle Anaerob-Aerob Technologie zum reduktiven und oxidativen LCKW- Abbau: Wasserstoff-Sauerstoff-Gasproduktion mittels Elektrolyse.

49 Sequentiell-Gekoppelte Wasserstoff (ED)-Sauerstoff (EA)-Direktgasinjektion zur reduktiven und oxidativen Dechlorierung von PCE H 2 /Ar-Direktgasinjektion in 3 Lanzen O 2 -Direktgasinjektion in 3 Lanzen 3D-Sensornetz Temp. TDR Optode H 2 Ar O 2 O 2 O 2 Redox, ph H 2 H 2 Ar Ar O 2 Ar O 2 O 2 PCE H 2 H 2 H 2 H 2 Ar Ar Ar DCE, VC O 2 O 2 O 2 O 2 O 2 CO 2, Cl H 2 Ar O 2 O 2 O 2 O 2 O 2 2 ROI Anaerober Reaktionsraum Mikrobiologischer Abbau: Reduktive Dechlorierung Aerober Reaktionsraum Mikrobiologischer Abbau: Oxidative Dechlorierung Die heterogene Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Gasverteilung sind als irreguläre Flächen dargestellt. Die jeweiligen Kontrollräume zur Dimensionierung (Massenbilanz) sind durch die gestrichelten Rechtecke dargestellt. Um jede Lanze ist ein 3D-Sensornetz installiert.

50 Probleme bei der Dimensionierung abstromseitige Ausdehnung des reduktiven Reaktionsraumes stationäre Lösung aus ÜA 25 (PCE TCE DCE) keine Überlappung (Vermischung) der REAKTIONSRÄUME H 2 -O 2 : Knallgas Explosionsgefahr stöchiometrische Nachlieferung der EDs/EAs entsprechend der Schadstofffracht (Massentransfer von Gasphase zu Wasserphase Kinetik) Vorlesung: Reaktive Gaswände ÜA16 zur nächsten Vorlesung!

51 Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes, Projektunterlagen

52 nachträgliche Installation von Edelstahlelektroden mit hohen Investitionskosten verbunden. Neben den Investitionskosten müssen auch die Betriebskosten (i.w. Stromkosten) Thiem et al. (2008) schätzen für die vollständige Dechlorierung von 1 mg PCE Stromkosten von 5 Euro pro Tag ab. OXYWALL: Kosten für technischen Sauerstoff für eine einjährige Sauerstoffbegasung zur Stimulation des aeroben BTEX-Abbaus im Rahmen des OXYWALL-Projektes bei ca Euro. Die BTEX-Grundwasserkontamination betrug ca. 100 mg/l. Die Sauerstoffgaswand bestand aus drei sequentiellen 5- Lanzen-Galerien und erstreckte sich über eine Länge von ca. 35 m. Damit kommt das Bio-Elektrolyse-Verfahren für Standorte mit hohen PCE- Konzentrationen (> 10 mg/l) aus Kostengründen nicht in Frage. Ein weiteres Problem ist die Korrosionsanfälligkeit von Edelstahlelektroden in aggressiven Grundwässern ehemaliger Chemiestandorte.

53 ÜA/Klausur: Kostenschätzung Bio-Elektrolyse-Verfahren Für die Kostenabschätzung wurde eine durchflossene Querschnittsfläche von 10 m 50 m, eine Porosität von 45 % und eine mittlere Grundwassergeschwindigkeit von 1 m pro Tag angenommen. Überträgt man diese Kosten auf einen Schadensfall mit 100 mg PCE und einer Strömungsgeschwindigeit von ca. 2 m pro Tag (standorttypische Daten des beantragten Projektes), dann erhöhen sich die Kosten auf 1000 Euro pro Tag, d.h. für eine Standzeit von einem Jahr wären Euro allein an Stromkosten notwendig.