XXII. Sächsisches Altlastenkolloquium

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1 XXII. Sächsisches Altlastenkolloquium Dresden, 08./ ZIM-Kooperationsprojekt Sequentielle Direktgasinjektion zur Steuerung anaerober und aerober Reaktionsräume zur mikrobiologischen in-situ-sanierung am Beispiel eines LCKW-Grundwasserschadens in Leipzig Dr. Karsten Menschner, CDM Smith Consult GmbH, Leipzig Prof. Dr. Helmut Geistlinger, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Halle-Leipzig Dr. Stephan Hüttmann, Sensatec GmbH, Kiel FuE-Projekt Anaerob-Aerob-Gaswandtechnologie (AGaTe)

2 Gliederung I. Einleitung / Zielstellung II. Technologische Grundlagen III. Ausgangssituation und Standortbeschreibung IV. Entwicklungsschritte: Labortests, Betrieb Sanierungstestfeld, Modellierungen V. Ergebnisse VI. Fazit / Ausblick

3 I. Einleitung / Zielstellung AiF-gefördertes Kooperationsprojekt im Rahmen des Förderprogramms Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand FuE-Thema Anaerob-Aerob-Gaswandtechnologie(AGaTe) Ziel: Verfahren entwickeln, mit dem LCKW mittels gekoppelter anaerober und aerober Prozesse in-situ vollständig zu sanieren sind Besonderheit: Für die anaeroben Prozesse finden nicht konventionelle Elektronendonatoren wie Melasse, Lactatund andere organische, flüssige Stoffe, sondern gasförmige Elektronendonatoren Verwendung Mehrstufige Direktgasinjektion zur sequentiellen reduktiven und oxidativen LCKW-Dechlorierung als flexible effiziente in-situ Technologie entwickeln und testen

4 I. Hauptarbeitspakete 1. Mikrobiologische Laborexperimente zum quantitativen Nachweis des sequentiellen Abbaus der einzelnen LCKW (UFZ) 2. Durchführung von Feldexperimenten mit feinskaligerhydrogeologischer Erkundung (CDM), Gasinjektion und 3D-Gas-Monitoring (Sensatec), GW- Monitoring(CDM) und Gastracertests(UFZ, Sensatec) 3. Entwicklung von 3D-Berechnungsmodellen als notwendiger Technologie- Bestandteil: Heterogenes Fernfeld-Strömungsmodell (CDM) Reaktives Transport-Modell für das Nahfeld(UFZ) 4. Prüfung der Übertragbarkeit der innovativen Anaerob-Aerob- Gastechnologie auf andere Standorte (CDM)

5 II. Technologie einer gekoppelten Anaerob-Aerob-Gaswand: Basiert auf Mischgas-Injektionen (H 2, O 2, Ar, ggf. Propan, Butan, N 2 O) Soll gezielt Gasverteilungen im heterogenen Grundwasserleiter über Injektionsdruck, Injektionsrate und Intervalllänge steuern mit in-situ-3d-sensor-array aus Optoden, ph-sensoren, Redox-Sensoren, Temperatursensoren und TDR-Sensoren zur zeitlichen und räumlichen Messung der Gasverteilung auf Basis von Labortests Dimensionierung und Optimierung der getrennten Reaktionsräume. Dynamische Massenbilanzierung mit einem reaktiven 2-Phasen- Computermodell Test an einem Modellstandort im Abstrom eines massiven LCKW-Schadens in Leipzig

6 II. Teilreaktionen der reduktiven und oxidativen Dechlorierung Durch Zugabe von Wasserstoff kann der vollständige reduktive LCKW-Abbau vom Perchlorethen bis zum Endprodukt Ethen erfolgen Dechlorierungsschrittvon PCE zu TCE verläuft offenbar nur reduktiv, die anderen Schritte auch oxidativ Vollständiger Abbau von PCE zu CO 2 kann nur über eine Kombination von reduktiver und oxidativerdechlorierungeffizient (im Sinne von ENA) durchgeführt werden Sequentielle in-situ-technologien kommen in heterogenen Strömungsfeldern nicht zum Stillstand Zentrales Ziel der zu entwickelnden Technologie

7 II. Teilreaktionen der reduktiven und oxidativen Dechlorierung Abbildung 2 : Schematische Darstellung des sequentiellen mikrobiellen Chlorethen-Abbaus (aus THIEM et al. 2008).

8 Zu II) Verfahrensprinzip Direktgasinjektion DGI Schematische Darstellung einer sequentiellen mehrstufigen Direktgasinjektion zur reduktiven und oxidativen Dechlorierung von PCE

9 Zu II) Verfahrensprinzip / Grundlagen

10 Zu II) Verfahrensprinzip / Grundlagen

11 Zu II) Verfahrensprinzip / Grundlagen

12 III. Standortsituation Abstromeiner ehem. Chemischen Reinigung und Textilpflege im Nordwesten von Leipzig mittlere Grundwassergeschwindigkeit 1 10 m pro Tag LCKW-Konzentrationen zwischen mg je Liter. Versuchsareal Fläche von ca. 15 m x 15 m Tiefe bis zur Basis des GWL 1 in ca. 6-8 m Tiefe Einwirkradius (ROI) der Injektions-Lanzen ca. 5 m

13 Zu III) Übersichtslageplan Testfeld DGI-Testfeld Anlagencontainer (eingezäunt)

14 Zu III) Geologische Standortsituation Basis des quartären Grundwasserleiters, relevante Aufschlüsse

15 III. Strukturmodell und LCKW-Belastung Strukturmodell mit Hydrogeologischen Einheiten (Modellschichten) stark heterogene Verteilung der Produkte der LCKW-Abbaureihe µg/l LCKW gesamt, davon µg/l PCE, µg/l TCE, µg/l DCE, µg/l VC; stark schwankende Sauerstoffverhältnisse Nach Standorterkundung: Keine optimalen Voraussetzungen für die sequentielle Direktgasinjektion.

16 IV.1) Entwicklungsschritte: Labortests (BTU Cottbus) Batchversuche mit Standortsediment (authochtone Mikroben) Erfolgreicher anaerober PCE-Abbau Optimiertes Ar-H 2 -Gemisch gefunden CO 2 -Zugabe kann Abbau fördern

17 IV.1) Entwicklungsschritte: Labortests (BTU Cottbus) Batchversuche mit Standortsediment (authochtone Mikroben) Erfolgreicher anaerober TCE-Abbau Optimiertes Ar-H 2 -Gemisch gefunden CO 2 -Zugabe kann Abbau fördern

18 IV.2 Entwicklungsschritte: Feldtechnik, Testfeld und Messkampagnen Feldarbeiten mit innovativer Sonic-Drill-Bohrechnik(wesentlich schneller) 5 Grundwassermessstellen (Monitoringmessstellen MP-A1 bis MP-B3), 5 Gasmonitoringelemente(GM-A1 bis GM-A5), 6 Gasinjektionslanzen (Gas-A1 bis Gas-B3), 5 Sensorketten mit Redox-Sensoren (Sensor A1 bis Sensor B2), 3 TDR-Meßrohre(TDR-A1 bis TDR-B1), 1 Gasdosierstation mit Steuertechnik.

19 IV.2) Testfeld Lageplan und Bau Img_0097.mov

20 Zu IV.2) Gasinjektions-und Monitoring-Testfeld

21 Zu IV.3) Begleitende Modellierungen UFZ Lupenmodell (rot; 60 x 60 x ~12 m) CDM Fernfeldmodell (grau; 100 x 150 x ~12 m)

22 Zu IV.3) Begleitende Modellierungen 3D-Reactive Transport Modeling: Nested Approach 10m 10m CDM GMS-Modflow (>100m x >100m x 15m) UFZ GMS-Modflow (~20-30m x 40-50m x 15m) UFZ TOUGH2 2-Phase-Flow (~10m x 10m x 15m)

23 Zu IV.3) Begleitende Modellierungen 3D-Reactive Transport Modeling: Nested Approach 100m 10m 100m ~40-50m 10m TOUGH2 UFZ 10m ~20-30m RT3D_UFZ RT3D_CDM

24 Zu IV.3) GMS - Modellstruktur 1 -Auffülle 2 -Auelehm L-fHo 3-7 -GWL 1.5; 1.0; 1.1; 1.8 8a -Elsterz. Geschiebemergel 8b -BIO2 9 -Tonfolge 10 -BIO1 = Modellbasis bei 90mNN ohne GWL5.

25 Zu IV.3) TOUGH-2 UFZ-Modellierung SF6_Tracertest Gasphase Gelöstgasphase (a) 10 min, (b) 60 min, und (c) 100 min tracer gas injection an LanzeA2

26 IV.2 Entwicklungsschritte: Sanierungstests in 3 Feldphasen Gasart/-menge, Injektionsdauer für die wesentlichen Feldversuche

27 Zu IV.2) Testphase 2: Übersicht Analysen LHKW Injektion Sensatec (jeweils 3m³ Gasgemisch) Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Probenahme UFZ x x x x x x x (x) Probenahme CDM x x x x x 4 Tage 9 Tage 4 Tage 8 Tage 2 Tage

28 Zu IV.2) Injektionstestphase III Injektion anaerob Gas-A2+A3+B2 02./ Injektion aerob Gas-A Probenahmen CDM Probenahmepunkte MP-A1 MP-A2 MP-B1 MP-B2

29 Zu IV.2) Testphase III: Konzentrationsverlauf MP A2 Lage: Direkter Abstromzur Anaeroben Injektionslanze Gas-A2 MP A2 LHKW in µg/l VC in µg/l cis-1,2-dichlorethen in µg/l Trichlorethen in µg/l Tetrachlorethen in µg/l , , , , , , , , , ,

30 Zu IV.2) Testphase III: Konzentrationsverlauf MP A2 Lage: Direkter Abstrom zur Anaeroben Injektionslanze Gas-A2 MP A2 [mol/l] Tetrachlorethen Trichlorethen cis-1,2-dichlorethen VC MP A2 [mol/l] Tetrachlorethen Trichlorethen cis-1,2-dichlorethen VC 4,50E-04 4,00E-04 3,50E-04 3,00E-04 2,50E-04 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 0,00E % 80% 60% 40% 20% 0% Phase 3 Phase 3

31 Zu IV.2) Testphase III: Konzentrationsverlauf MP B1 Lage: Entfernter Abstromzur Aeroben Injektionslanze Gas-A1 MP B1 LHKW in µg/l VC in µg/l cis-1,2-dichlorethen in µg/l Trichlorethen in µg/l Tetrachlorethen in µg/l , , , , , , ,

32 Zu IV.2) Testphase III: Konzentrationsverlauf MP B1 Lage: Entfernter Abstromzur Aeroben Injektionslanze Gas-A1 MP B1 [mol/l] Tetrachlorethen Trichlorethen cis-1,2-dichlorethen VC MP B1 [mol/l] Tetrachlorethen Trichlorethen cis-1,2-dichlorethen VC 6,00E % 5,00E-04 4,00E-04 3,00E-04 2,00E-04 1,00E-04 80% 60% 40% 20% 0,00E % Phase 3 Phase 3

33 Zu IV.2) Testphase III: Weitere Parameter Analysenergebnisse Eisen ges./gel. Eisen gesamt in mg/l MP A1 9,20 8,90 8,30 8,50 MP A2 1,90 1,90 12,10 1,60 MP B1 14,20 12,60 2,00 12,00 MP B2 6,40 6,20 5,80 5,70 Eisen gelöst in mg/l MP A1 0,07 8,90 7,60 8,50 MP A2 0,11 1,80 11,40 1,50 MP B1 4,40 11,90 2,00 11,00 MP B2 0,18 5,90 5,40 5,10 vor Injektion Anteil Fegelöst: ca. 3 bis 6 % (B1: 31%) nach Injektion Anteil Fe gelöst: ca. 95 %

34 Zu IV.2) Testphase III: Weitere Parameter Analysenergebnisse Nitrat: Nitrat-Gehalt direkt nach Injektion / Reaktion angestiegen Nach 16 Tage Ausgangszustand wieder erreicht A1 -Nitrat A2 -Nitrat B2 -Nitrat B1 -Nitrat 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0, Nitrat in mg/l

35 Zu IV.3) TOUGH-2 UFZ-Modellierung Intervallbegasung H2

36 Zu IV.3) TOUGH-2 UFZ-Modellierung Parallelinjektion H2 an A2 und O2 an A2

37 Zu IV.3) Simulation + Dimensionierung des Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen PCE [mg/l] t = 0d vor Injektion

38 Zu IV.3) Simulation + Dimensionierung des Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen PCE [mg/l] t = 4d nach Injektion 1

39 Zu IV.3) Simulation + Dimensionierung des Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen PCE [mg/l] t = 8d nach Injektion 1

40 Zu IV.3) Simulation + Dimensionierung des Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen H 2 [mg/l] t = 21d nach Injektion 1 40

41 Zu IV.3) Modellszenario 5.x H 2 -Injektion parallel in 10 Lanzen (H 2 in mg/l) 1d 2d 5d 10d

42 Zu IV.3) Modellszenario 5.x PCE-Verteilungin der Fahne bei H 2 -Injektion (PCE in mg/l) 1d 2d 4d 5d

43 V. Ergebnisse Laborexperimente zeigten den erfolgreichen mikrobiologischen PCE-bzw. TCE-Abbau bei H 2 -Begasung Und lieferten die kinetischen Abbaufaktoren und Dimensionierungsgrundlagen. Direkt messbare minimale horizontale Injektionsreichweiten ca. 2,5 m Technologische Umsetzung des Gaseintragsverfahrens sowie der Gasinjektions- und Überwachungstechnik erfolgreich Verschiedene Teilmodelle als zuverlässiges Modellwerkzeug entwickelt Der durch die H2-Niederdruckinjektion initiierte LCKW-Abbau nach den Injektionsphasen wurde generell nachgewiesen im konkreten durch starke Schadstoffdynamik, keine streng anaerobe Situation und Konkurrenzprozesse (z.b. Nitrat) im Testfeld überprägt

44 VI. Fazit/ Ausblick Die Direktgasinjektion verspricht wegen ihrer hohen Flexibilität, den geringen Installationskosten und geringen Betriebskosten große Vorteile, wenn die Anwendungsbedingungen stimmen insbesondere für diffuse Schadstoffquellen, großflächige Kontaminationen und Langzeit-Schadstoffquellen geeignet Funktionalität des Gasinjektionsverfahrens grundsätzlich nachgewiesen Quantifizierung der einzelnen Prozesse im heterogenen Testbeispiel war schwierig, da von anderen Konkurrenzprozessen stark beeinflusst Z.B. ist eine C-Limitierung im Aquifer speziell zu untersuchen Laborabbauversuche : Mit höheren H 2 -Überschüssen arbeiten als stöchiometrisch berechnet (mit Feldtests überprüfen, zunächst anaerob) Weitere Entwicklungsarbeiten für diese vielversprechende effiziente ENA- Technologie sind erforderlich. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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