State-of-the-art bei in situ-sanierungen-

Transkript

1 State-of-the-art bei in situ-sanierungen- Vergleichende Untersuchungen mehrerer innovativer Sanierungsverfahren an einem Raffinerie-Altstandort Holger Weiß, UFZ und Jochen Großmann, GICON 1

2 Der Standort 2

3 Der Standort Quelle: Stadtarchiv Zeitz 3

4 Der Standort Ehem. Benzolanlage 4

5 Der Standort Benzolproduktion Benzol-Lagertanks während der Bauphase Quelle: Stadtarchiv Zeitz 5

6 Der Standort 6

7 Die Sanierungsuntersuchung 7

8 Standorterkundung Detaillierte und strukturierte Standorterkundung mit direkten und indirekten Verfahren Architektur des Untergrundes Hydraulik Chemismus Menge und Verfügbarkeit der Schadstoffe Sonderfrage: Phasenbereiche incl. überströmte Phasen Bioverfügbarkeit/Abbaubarkeit der Schadstoffe 8

9 9 9

10 Standorterkundung 10

11 Der Standort Leitparameter Benzen 11/ Quartäre GWL + GWL

12 Benzolfabrik Standorterkundung Abstrom GWL 18/50 Auffüllung/Mutterboden GWL 15 GWL 18 GW-Geringleiter GWL 50 Kohle-Ton-Komplex GWL 61 GW-Geringleiter GW-Geringleiter/Gesteinszersatz GWL 62 Benzolfabrik Abstrom GWL 61 12

13 GWL 18/50 GWL 61 Benzolanlage 13

14 Standorterkundung Fahne Schadstoffquelle 100 m GICON,

15 Standorterkundung 15

16 Sanierungsverfahren Untersuchung verschiedener Sanierungsverfahren 16

17 Sanierungsverfahren Fahnenbilder bei unterschiedlichen Quellensanierungen und Ausbreitungsbedingungen 17

18 Maßnahmeerfordernis Sanierungsverfahren Verhinderung einer weiteren Schadstoffausbreitung, Erreichen einer Stagnation und langfristig einer Rückentwicklung der Fahnen (Fahne im GWL 6.1 ist ca m lang!) Maßnahmen Gezielte Quellensanierung in einem solchen Maß, dass langfristig das Sanierungziel im Abstrom mit NA-/ENA- Ansätzen erreicht werden kann Defizite Bewertung der Wirksamkeit von Quellensanierungsmaßnahmen in Bezug auf ihre Auswirkung auf die Fahnen 18

19 Untersuchung verschiedener Sanierungsverfahren Dampf-Luft-Injektion zur partiellen Quellensanierung eines Benzol- Schadens (MOSAM) (UFZ, Universität Stuttgart, VEGAS) In situ- Grundwassersanierung durch Air Sparging im Rahmen des ÖGP Hydrierwerk Zeitz (LAF, MDVV, ZSG, MDSE, CDM, Z-DESIGN, GICON) In situ-grundwassersanierung durch pump & treat (LAF, MDVV, ZSG, MDSE, CDM, Z-DESIGN, GICON) Pilotanlage zur Reinigung von Boden- und Grundwasserkörpern durch Erwärmung mittels Radiowellen (UFZ) Vakuumstrippen mit Konditionierung (VSK) (DGFZ,UFZ) Sanierungsverfahren 19

20 Sanierungsverfahren 20

21 Sanierungsverfahren Air Sparging 21

22 Air Sparging Auswahl SBB Planung geeigneter und Durchführung Einsatzbereiche abfallarmer Bodensanierung ; für 8. Air-Sparging Oktober

23 Air Sparging Zielstellung der Untersuchungen Bestimmung des direkten Wirkungsbereiches des in situ-strippens Bestimmung des indirekten Wirkungsbereiches durch die Aerobisierung des Grundwassers Bestimmung der Schadstoffaustragsraten aus dem Grundwasser (Abgrenzung vom Austrag aus der Bodenluft) Bestimmung stimulierender und begrenzender Faktoren für das Air-Sparging Bestimmung der Grundwasserbeschaffenheit im Übergangsbereich aus dem Air-Sparging in die Fahne (Eingangsparameter für die Fahnenmodellierung) 23

24 Air Sparging Einblasen von sauberer Luft in den kontaminierten Aquifer Ausstrippen flüchtiger Stoffe (org. Kontaminanten) Anreicherung des Grundwassers mit Sauerstoff Parallel betriebene Bodenluftabsaugung zur Schadstoffeliminierung Prinzip des Air-Sparging 24

25 Air Sparging Vorteile Air-Sparging ist ein kostengünstiges Verfahren zur in situ-behandlung. Es ist geeignet, flüchtige Schadstoffe aus dem Grundwasser auszutreiben und ohne hydraulische Eingriffe das Schadstoffpotential zu reduzieren. Die Förderung der Desorption erhöht zusätzlich die Geschwindigkeit der Schadstoffelimination. Neben dem Strippen kommt es zu einer Aerobisierung des Grundwassers und somit zu einer Unterstützung des mikrobiellen Abbaus (der Sekundäreffekt der Aerobisierung ist (in der gesättigten Zone) durch die Sauerstofflöslichkeit begrenzt (1 Mol Benzol : 9 Mol Sauerstoff) Weiterhin kommt es zu einer Aerobisierung in der ungesättigten Bodenzone und somit zu einer Förderung des mikrobiellen Abbaus. 25

26 Air Sparging Nachteile Inhomogenitäten innerhalb des Aquifers vermindern die Effizienz. Bei geringmächtigen Aquiferen wird der Einflussbereich sehr klein. Zur Behandlung eines definierten Volumens kann dann eine so hohe Anzahl an Pegeln erforderlich werden, dass das Verfahren unwirtschaftlich wird. Bei hohen Konzentrationen an gelöstem Eisen oder auch bei einem effizienten mikrobiellen Schadstoffabbau im Untergrund kann es zu einer Verblockung des Aquifers durch Eisenoxid bzw. Biomasse kommen. Das Austreiben des gelösten CO 2 verschiebt das Kalk-Kohlensäure- Gleichgewicht und führt zu Carbonat-Ausfällungen 26

27 Air Sparging GW-Beschaffenheit TF1: vertikal-ebener Schnitt, Parameter Benzen BEOQUE TF 1 - Erkundung GW-Beschaffenheit: Benzenkonzentration Ordinary Kriging, Filled Contour Plot Profil quer zur GW-Fließrichtung logbenzen (mg/l) [mhn] ASBr1a Profil in GW-Fließrichtung ASBr1a Distanz vom ASBr1a [m] 27

28 Air Sparging GW-Beschaffenheit TF1: vertikal-ebener Schnitt, Parameter O 2 -Gehalt Tiefenorientierte GW-Beschaffenheit: BEOQUE TF 1 ohne GWM Classed Post Plot Sauerstoffgehalt [mg/l] M 1:250 h M 1:150 v ASBr1a/04 0 to 1 1 to 5 5 to 8 [mhn] TF201/7 TF201/6 TF201/5 TF107/6 TF107/5 TF107/4 TF107/3 TF107/2 TF107/1 TF103/4 TF103/3 TF103/2 TF103/1 TF100/3 TF100/2 TF100/1 TF109/3 TF105/4 TF109/2 TF101/4 TF105/3 TF101/3 TF109/1 TF105/2 TF101/2 TF105/1 TF101/1 TF110/3 TF110/2 TF110/1 TF111/1 TF111/2 TF111/ Horizontaler Abstand zu TF201 [m] 28

29 Air Sparging Die dekontaminierende Wirkung der Air-Sparging-Sanierung war auf Grundlage der Ergebnisse der komplexen Untersuchungen / Datenanalysen erstmals eindeutig im Feldmaßstab nachweisbar. Ohne die Ergebnisse der Prozessuntersuchungen wäre dieser Nachweis nicht möglich gewesen. Der maßgebliche Prozess der BTEX-Reduzierung im Grundwasser (vor allem Benzol als Hauptschadstoff) ist im Abstrombereich der Air-Sparging-Brunnen die Elution / Desorption. Der Anteil der mikrobiellen Transformation ist demgegenüber zu gering, um in der ersten Phase des Air-Sparging-Betriebes einen signifikanten Anteil an der BTEX-Reduzierung zu erbringen. Bedingt durch die nachträglich mittels sequenzieller Extraktion im Sanierungsbereich nachgewiesenen überströmten Phasen konnte keine nachhaltige Wirkung der Air-Sparging-Sanierung erzielt werden. Daraus ergab sich die Fragestellung nach Möglichkeiten einer in situ-detektion von überströmten Phasenanteilen. 29

30 Air Sparging Vergleich Ergebnis Air-Sparging- und Sanierungspumpversuch Air-Sparging zur Zeit 200 kg/monat, nach Erweiterung ca kg/monat; Kosten /Woche (nur Anlage) Pump & Treat bei 10 m³/h und 200 mg/l ca kg/monat; bei Reinigungskosten von 1 /m³ ergeben sich Kosten von /Woche Kritischer Punkt ist Frage der Reinigungskosten (Reinigung + Infiltration) P&T vor allem dort, wo hohe Schadstoffgehalte und gute Ergiebigkeiten (ggf. Ansanieren ) 30

31 Sanierungsverfahren Dampf-/ Luftinjektion 31

32 Dampf-/Luft-Injektion GICON, 2005 Bereiche für thermische Sanierungsverfahren 32

33 Dampf-/Luft-Injektion Anwendungsgebiete Ł Sanierung von hot spots (LNAPL and DNAPL) in ungesättigter und gesättigter zone Ł für volatile Kontaminanten Ł für hoch- bis mitteldurchlässigen Untergrund VEGAS Ł schnelle und kosteneffiziente Sanierungsmethode Modifiziert nach: Koschitzky,

34 Funktionsprinzip Dampf-Luft-Injektion Dampf-/Luft-Injektion 3 Injektionsbrunnen (2 Teufen) 6 BLA-Brunnen mit GW-Haltung 8 elektrische Heizelemente (1,5 kw, Feste Wärmequelle ) 20 Temperaturmesslanzen zur Temperaturüberwachung insgesamt 121 Messstellen 16 x 9 m, Tiefe 11,5 m 1600 m³ Boden 34

35 3 Seecontainern (20 ft.) in Ex-Schutz-Ausrüstung mit Fernüberwachung Dampf- und Drucklufterzeugung, Leistungsregelung Heizelemente Grundwasserlagerung und Aufbereitung (Aktivkohle) Dampf-/Luft-Injektion Bodenluftbehandlung: Kondensation heiße Bodenluft, Phasenseparation (Gas, Wasser, organischer Schadstoff), Kühlwassersystem (Rückkühler) Abluftbehandlung: thermische Nachverbrennung (Außenbereich) 35

36 Dampf-/Luft-Injektion BLA kalt AS DLI UZ DLI GZ DLI G+UZ DLI UZ 09. Phase Phase Phase Phase Phase Phase BLA: AS AS AS I1 I2 DLI Feld 1-3 +EK3 DLI (I1u) DLI (I1u+I2u) --> ges. Feld UZ (Schluff) >200 kg/h Fel Fel Fel o (I1o + I2o + BLA + AS Abkühlung 07. Phase AS - AV - AS BLA + AS Benzol Bodenluftpegel [g/m³] Zeit [d] I1 I2 I3 I1 I1+I2 Regressionsgerade "kalte" Bodenluftabsaugung I1 - I3 BL-Pegel Benol (g/m³) BL-Pegel Benzol (g/m³) extr. Masse Benzol [kg] Logarithmisch (BL-Pegel Benzol (g/m³)) I1u I1u+ I2u Taktung DLI 7h ein, 1 h aus I1u+ I2u I1o+ I3o I1o + I3o I2u + EK3 Phase 1: Phase 2: Phase 3.1 (UZ): Phase 3.2 (GZ): Phase 3.3 (GZ+UZ): Phase 3.4 (UZ): Phase 4 (AS): Taktung Luftinjektion Air Venting Air Sparging 2130 kg 4050 kg 6330 kg 6630 kg 6710 kg 6766 kg 6871 kg Austrag Benzol [kg] 36

37 Erwärmung Untergrund Dampf-/Luft-Injektion Ungesättigte Zone - Dampffortschritt und Erwärmung entsprechend dem Energieeintrag, Reichweite unbegrenzt - Zieltemperatur (>75 o C) um 10 K übertroffen in 5 Wochen Gesättigte Zone - Reichweiten der Dampfausbreitung größer 5,5 m, d.h. ca. doppelt so groß als für anisotrope Verhältnisse berechnet (2,5 m) - Zieltemperatur (>75 o C) nach 6 Wochen um 15 K übertroffen Dampfausbreitung - Asymmetrisch, d.h. kein voller Dampfdurchbruch am EK3 - Exaktes 3D-Monitoring nur durch geophysikalische Verfahren möglich 37

38 Dampf-/Luft-Injektion Sanierungsfortschritt Schadstoffaustrag über kalte Bodenluftabsaugung und Air-Sparging Entfernung von ca kg Benzol (~ 59% der Gesamtmasse) in 5 Wochen Ł sehr effektiv Schadstoffaustrag über DLI, ungesättigte Zone - mehrtägige Erhöhung des Schadstoffaustrags - ca kg Benzol (~ 35%) in 13 Wochen Betrieb Schadstoffaustrag über DLI, gesättigte Zone - ca. 300 kg Benzol (~ 4%) in 7 Wochen, Ł nicht sehr effektiv mehr als 96% der gesamten Schadstoffmasse stammt aus ungesättigter Zone 38

39 Sanierungseffizienz Dampf-/Luft-Injektion Schadstoffaustrag - mehr als 99% des Schadstoffs entfernt, Nachweis über Bodenluft und Bodenprobenahme Grundwasser - Rückgang der Benzolkonzentrationen um 75% im Grundwasser, noch hohe Restkonzentrationen - komplexes hydraulisches System, Langzeitmonitoring angeraten Kostenschätzung - Kosten DLI auf Pilotfeld (1600 m³): 165 EUR / Tonne Boden - projektierte Kosten für Tanklager ( m³): 81 EUR / Tonne Boden - Schaden primär in ungesättigter Zone kalte Bodenluftabsaugung effizient 39

40 Sanierungsverfahren Erwärmung mittels Radiowellen 40

41 m FRP pipe Ø 237 mm Concrete Bentonite Filtration sand -3.8 m Bore hole Ø273 mm RW electrode and extraction section (200 mm diameter) -5.3 m m 41

42 Radiowellen RF unit Flexible PE - Hose KNV Catalytic oxidation Measuring sectionv, T, p, c Radiowellen- RF Generator unit Manifold Process control system RF generator Fibre-optical (15 kw, MHz) sensors PLF supply Power (12 kw, 50 Hz) measurement Cooling system Gas analysis Coaxial cable - Matchbox Electrode E5 Electrode E1 RF Shielding Test site for RF / PLF heating Radio-wave heating of the transition zone from 7 to 10 m depth Ground water at 8.5 m Lignite at 9 m Approx. 200 m³ soil volume Flexible electrode and extraction levels Test site for RF heating of the unsaturated zone Radio-wave heating of the unsaturated zone up to 6 m depth Approx. 150 m³ soil volume 4 combined RF-electrodes / extraction wells in a triangular arrangement with 3 m electrode distance Measuring points for up to 50 temperature sensors 9 measuring points for soil vapour sampling 42

43 Elektronisches Anpassnetzwerk Koaxialkabel Abschirmung 43

44 Tiefe / m Temperatur / C Entfernung / m Temperaturverteilung in einem Bodenvolumen von ca. 180 m 3 nach 23 Tagen Radiowellen-Erwärmung mit einer Leistung von 15 kw 0 44

45 Mittelwerte BLI.2 und BLI.3 Radiowellen Temperatur / C Tiefe: 3 m 5 m 7 m Beginn Radiowellenerwärmung VOC-Konzentration / g org. C/m³ I. BLA Beobachtungsdauer / Tage 45

46 Spezialproblematik- Phasenbereiche 46

47 Bedeutung der Erkundung überströmter Phasenbereiche 1 m² aufschwimmende Phase = mm² Kontaktfläche mit dem Grundwasser 1m überströmter Phasenbereich = mm² Kontaktfläche mit dem Grundwasser fache Kontaktfläche bei überströmten Phasenbereich 47

48 Sequenzielle Elutionsversuche mittels Intermittierend betriebene Säulenversuche (entsprechen einem statischen Batchtes) Verwendet wurde gestripptes Grundwasser und in Edelstahllinern ungestört entnommenes kontaminiertes Grundwasserleitersubstrat SV 2 (LB 2, 9,1-10 m): Verlauf der Eluatkonzentrationen der Kontaminanten Ergebnisse Benzol [mg/l] Toluol, Ethylbenzol, m-p-xylol, o-xylol. [µg/l] Elutionskurve typisch für vorhandene überströmte Phasenanteile! Keine nachhaltige Wirkung der Air-Sparging-Sanierung ausgetauschte Porenvolumina 0 Benzol Toluol [µg/l] Ethylbenzol o-xylol m-p-xylol [µg/l] 48

49 Sequenzielle Elutionsversuche mittels Intermittierend betriebene Säulenversuche (entsprechen einem statischen Batchtes) Verwendet wurde gestripptes Grundwasser und in Edelstahllinern ungestört entnommenes kontaminiertes Grundwasserleitersubstrat SV 4 (LB 2b, 8-9 m): Verlauf der Eluatkonzentrationen der Kontaminanten Ergebnisse Benzol [mg/l] ausgetauschte Porenvolumina Benzol Toluol [µg/l] Ethylbenzol o-xylol m-p-xylol [µg/l] Toluol, Ethylbenzol, m-p-xylol, o-xylol. [µg/l] Elutionskurve typisch für nicht vorhandene überströmte Phasenanteile! Elutionsfaktor = 4: 4-facher Porenvolumenaustausch im zu betrachtenden Sanierungsbereich ist erforderlich um darin enthaltene BTEX-Belastung zu eluieren 49

50 Niederfrequentes Vakuumminitron: - D/T-Reaktion: - 3 H + 2 H 4 He + n + 14,1 MeV - Output > 10 8 n/s - Kein Vorheizen - Frequenzbereich 5-40 Hz mit - Optimum bei 20 Hz INN-Logging-Technik:physikalische Neutronenquelle 50

51 Tiefe[m] WS 8 10 WS Phase Vermutlich Phasenreste Keine Phase [cps] [cps] [cps] 6m174 6m174 6m174 (Tiefe auf GWS nivelliert) [cps] [cps] [cps] [cps] 6m174 6m174 6m174 6m174 51

52 Danke für die Aufmerksamkeit! Das Vorhaben BEOQUE wurde vom BMBF im Rahmen des KORA-Verbundprojektes gefördert. Förderkennzeichnen: 02WN0651 (Teilprojekt 1) 02WN0653 (Teilprojekt 2) 02WN0652 (Teilprojekt 3) 52