Anwendung innovativer praxisorientierter Technologien am Beispiel des OSBO -Verfahrens

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1 2. TASK-Symposium vom bis in Leipzig Auf Altlasten bauen, Strategien und Technologien Made in Germany Session VI Technologien Präsentation Revitalisierung des Schwellenwerks Zernsdorf Vortrag: Co-Autoren: Dipl.-Ing. Wilko Werner, GKU GmbH Planungs- und Sanierungsgesellschaft Dr. Johannes Arens, GBU - Gesellschaft für Brachflächensanierung und Umweltschutz mbh Dipl.-Geol. Gert Gruner, GKU GmbH Planungs- und Sanierungsgesellschaft Inhalt 1 Einführung in das OSBO -Verfahren 2 2 Anwendung des OSBO -Verfahrens am Beispiel des ehemaligen Schwellenwerks Zernsdorf 3 3 Anwendungsbereich des OSBO -Verfahrens 6 4 Qualitätsmanagement 7 5 Fazit 7 6 Ausblick 7

2 1 Einführung in das OSBO -Verfahren OSBO steht für On-Site-Separation, Biodegradation, Oxidation und vereint die Wirkungsweisen bewährter in- und ex-situ-sanierungsverfahren. OSBO umfasst mobile Technologien zur On-Site-Bodenwäsche inkl. der Aufbereitung von Ölphasen, Feststoffen und Waschwässern sowie Verfahren zur Bioremediation (biologische Bodenkonditionierung im Mietenverfahren). Die On-Site-Bodenwäsche beruht auf der nassmechanischen Abtrennung der Kontaminanten vom Bodenkorn. Durch Energieeintrag mit Hilfe des OSBOmaten (modifizierter Schaufelseparator) wird die Bodenmatrix aufgespreizt. Die Scherkräfte lösen die Schadstoffe vom Bodenkorn und überführen sie in die wässrige Phase. Die On-Site-Bodenwäsche kann direkt in der Kontaminationskernzone aber auch in speziellen Waschcontainern erfolgen und gewährleistet eine Schadstoffentfrachtung des Sanierungsstandortes bei gleichzeitiger Aktivierung der natürlichen Abbaumechanismen (ENA = Enhanced Natural Attenuation). Das Prozesswasser wird über Trennstufen (Ölabscheidung, Sedimentation) und eine biologisch-oxidative Aufbereitungsanlage im Kreis geführt. Die einzelnen Module werden abhängig von der Schadstoffart und Schadstoffmenge zusammengestellt. Nach der Analyse des Waschbodens wird über die weitere Vorgehensweise entschieden (siehe Abbildung 1). Ziele sind der Wiedereinbau des gewaschenen Bodens bzw. eine kostengünstigere Entsorgung. Bei hohen Ausgangsbelastungen muss daher der Waschvorgang gegebenenfalls wiederholt werden. Bei geringfügiger Überschreitung des angestrebten Zielwertes wird der Boden durch biologische Konditionierung im Mietenverfahren weiterbehandelt (Bioremediation). Abbildung 1: OSBO -Verfahrensfliessbild.

3 2 Anwendung des OSBO -Verfahrens am Beispiel des ehemaligen Schwellenwerks Zernsdorf Im ehemaligen Schwellenwerk Zernsdorf wurde über 100 Jahre Eisenbahnschwellen mit Steinkohleteeröl imprägniert. Aufgrund der langen Nutzung wies das Gelände in den Produktions- und Lagerbereichen extreme Belastungen an PAK, MKW und Phenolen auf, vor allem in den Kernbereichen Schwellentränkhalle, Schiebebühne, Drehbühne und Havariebecken. Laut Voruntersuchung lag der Maximalwert des Leitparameters PAK bei mg/kg Boden. Bei Böden mit dieser Ausgangsbelastung wurde der Sanierungszielwert für den Wiedereinbau nach zwei bis drei OSBO -Waschgängen erreicht. Geringer belastete Böden konnten je nach PAK-Gehalt durch einmalige OSBO -Wäsche bzw. OSBO -Bioremediation unter Vermeidung einer externen Bodenwäsche einem Wiedereinbau oder einer Deponierung zugeführt werden. In den Kontaminationskernbereichen wurden aber auch Böden mit PAK-Werten über mg/kg ausgehoben. Bei diesen konnte die Schadstofffracht durch bis zu vier Bodenwaschschritte unter mg/kg gesenkt werden. Diese Böden wurden anschließend entweder im Mietenverfahren bis zum Erreichen des Sanierungszielwertes weiterbehandelt oder einer externen Bodenwaschanlage zugeführt. Die folgenden Abbildungen zeigen das Wirkprinzip und den Reinigungserfolg der On-Site- Bodenwäsche in Zernsdorf. Abbildung 2: On-Site-Bodenwäsche nach dem OSBO -Verfahren mit nachgeschalteter multifunktionaler Trennstufe. Abbildung 3: Überführung der Schadstoffe in das Prozesswasser (links vor und rechts nach der Bodenwäsche).. Abbildung 4: Ungewaschener Boden. Abbildung 5: Gewaschener Boden.

4 Abbildung 6: Beispielhafte PAK-Reduktion im Boden durch die OSBO -Wäsche in Zernsdorf. Um die enormen Schadstoffbelastungen bewältigen zu können, wurde die Technologie ständig weiterentwickelt und an die Standortbedingungen angepasst. So wurde die Phasenund Feststofftrennung durch zusätzliche Module ergänzt. Die Prozesswasserfracht konnte durch den Einbau eines weiteren Ölabscheiders und eines multifunktionalen Trenncontainers von mg/l über 335 mg/l auf maximal 62 mg/l PAK reduziert werden. Abbildung 7: Optimierung der Trennverfahren zur Prozesswasseraufbereitung. Die nachfolgende Wasseraufbereitungsanlage besteht aus einer Kombination von drei aeroben Festbettreaktoren und zwei Oxidationsstufen. Letztere werden über einen Sauerstoff- / Ozongenerator versorgt. Durch die biologisch-oxidative Aufbereitungsanlage wurde das Prozesswasser im Mittel auf Σ EPA-PAK < 2 mg/l abgereinigt. Der einzuhaltende Grenzwert lag bei 5 mg/l PAK.

5 Abbildung 8: Schwerölfraktion aus dem Ölabscheider. Abbildung 9: Biologisch-oxidative Prozesswasserreinigung. Abbildung 10: Reinigungsleistung der biologisch-oxidativen Prozesswasserreinigung. Die folgende Abbildung zeigt die beispielhafte PAK-Reduzierung eines trocken ausgehobenen Bodens durch biologische Konditionierung im Mietenverfahren.

6 Abbildung 11: Beispielhafte PAK-Reduktion im Boden durch Bioremediation in Zernsdorf. 3 Anwendungsbereich des OSBO -Verfahrens Der ideale Anwendungsbereich für das OSBO -Verfahren liegt in der Behandlung von Mineral- und Teerölschäden in grob- und feinsandigen Böden mit einem Schluffanteil < 10%. Höhere Schluffanteile erfordern wegen der veränderten Sedimentationseigenschaften, Adsorptionseffekte und Schlammbildung einen Mehraufwand durch Zusatzmodule in der Prozesswasseraufbereitung. Der Flurabstand beträgt 1 bis 8 m,: Ein kontinuierlicher Grundwasserzufluss oder Grundwasserbrunnen mit Q 3,5 m³/h ist zu gewährleisten, da dieser als Prozesswasser genutzt wird. Abbildung 12: Anwendungsbereiche des OSBO -Verfahrens.

7 4 Qualitätsmanagement Über die obligatorische Qualitätssicherung hinaus wurden im Vor-Ort-Labor der ARGE GKU / Halter standortspezifische Labor- und Pilotversuche zur Verfahrensoptimierung durchgeführt. Schnellanalysen und deren wissenschaftliche Bewertung ermöglichten zudem eine schnellere Reaktion auf Veränderungen im Verfahrensprozess. Abbildung 13: Pilotreaktor zur biologisch-oxidativen Prozesswasserreinigung im Baulabor Zernsdorf. 5 Fazit Durch Optimierung der Prozesswasseraufbereitung ist das OSBO -Verfahren mittlerweile für die Sanierung von Böden etabliert, die auch Kontaminationen von langkettigen MKW und höher kondensierten PAK aufweisen. Im ehemaligen Schwellenwerk Zernsdorf wurden Böden mit einer Gesamtbelastung von Σ MKW > mg/kg und Σ EPA-PAK > mg/kg auf die geplante Zielwerte gereinigt. In Zernsdorf war das OSBO -Verfahren Voraussetzung für eine kostendeckende integrierte Standortentwicklung (siehe Session II Strategien). Durch die erfolgreiche Bodensanierung vor Ort konnte eine erhebliche Reduzierung der Entsorgungskosten und eine gleichzeitige Verbesserung der Nachhaltigkeitsaspekte durch die aerobe Aktivierung des Grundwasserwechselbereiches erreicht werden. 6 Ausblick Der Anwendungsbereich der On-Site-Bodenwäsche nach dem OSBO -Verfahren soll auf die Behandlung schwermetallbelasteter Böden ausgeweitet werden. Um die Metalle besser vom Bodenkorn lösen zu können, ist eine Wäsche im sauren Milieu erforderlich, so dass für diesen Fall nur eine Containerlösung in Frage kommt. Für die Zukunft ist auch eine Aufbereitung der Öle und Schlämme aus der Phasen- und Feststofftrennung geplant, da diese üblicherweise in die kostenintensive thermische Entsorgung überführt werden müssen. Erste Laborversuche weisen hohe Abbauraten auf.

8 Revitalisierung des ehemaligen Schwellenwerks Zernsdorf Rückbau und Sanierung: ARGE GKU / Halter Bodenwäsche und Bioremediation: GBU mbh On-Site-Separation Biodegradation Oxidation Dipl.-Ing. Wilko Werner, Dr. Johannes Arens, Dipl.-Geol. Gert Gruner 2. TASK-Symposium im Volkspalast Leipzig Gliederung Verfahrensbeschreibung Wirkprinzip Anwendungsbereich Anwendungsbeispiel: ehemaliges Schwellenwerk Zernsdorf Schadensbild In-Situ-Bodenwäsche On-Site-Bodenwäsche Waschergebnisse Wasseraufbereitung Bioremediation Wissenschaftliche Projektbegleitung 1

9 Das OSBO -Verfahren Vereinigung der Wirkungsweisen bewährter Sanierungstechnologien On-Site-Verfahren in situ ex situ aktive Elektrokinese Bodenluftreinigung Pump + Treat mit/ohne Reinfiltration passive Thermische Verfahren Biologische Verfahren Miete Reaktor Bodenwäsche Funnel + Gate Durchströmbare Wände Natural Atternuation OSBO -Verfahren Verknüpfung von mechanischer, biologischer und oxidativer Wiederaufbereitung Das OSBO -Verfahrensprinzip Wiedereinbau On-Site-Bodenwäsche im Grundwasseranschnitt im Spezialcontainer Waschboden Bioremediation Entsorgung Wasser Wasserkreislauf Feststoff- und Phasentrennung Grob- und Feinsedimentation Phasenabschöpfung Wasser Öle + Sedimente Konditionierung (in Entwicklung) = Analyse Prozesswasseraufbereitung aerobe Biodegradation chemische Oxidation 2

10 Aufbau des OSBOmaten Das Wirkprinzip des OSBOmaten Kontaminierter Boden in Ruheposition: Schadstoffe am Bodenkorn assoziiert und größtenteils in der Bodenmatrix umschlossen Luftporen Bodenkorn Schadstoff Grundwasser Energieeintrag Schadstofftransport Wirkung des OSBOmaten : Ablösung der Kontamination vom Bodenkorn durch Scherkräfte und Überführung in die wässrige Phase Resultat: Erhöhung der Bioverfügbarkeit der Schadstoffe Druckluft Wasserstrom 3

11 Anwendungsbereiche der OSBO -Bodenwäsche Bodenmatrix Grob- und feinsandiger Boden mit einem Schluffanteil <10% Schluffanteil > 10%: Mehraufwand durch Zusatzmodule in der Wasseraufbereitung wegen der veränderten Sedimentationseigenschaften, Adsorptionseffekte und Schlammbildung erforderlich Art der Kontamination Ursprünglich entwickelt für kurzkettige Mineralöle sowie Mono- und Diaromaten Mittlerweile erweitert auf langkettige MKW und höher kondensierte PAK durch Optimierung der Prozesswasseraufbereitung Schwermetalle in der Entwicklungsphase (Containerwäsche im sauren Milieu) Geologisch-hydrogeologisches Umfeld Flurabstand 1-8 m Kontinuierlicher Grundwasserfluss, da Nutzung als Prozesswasser: Q 3,5 m³/h Anwendungsbereiche des OSBO -Verfahrens 4

12 Schadensbild im ehemaligen Schwellenwerk Zernsdorf PAK-Belastung bis 1 m unter GOK Bodenaushub bis Grundwasseranschnitt 5

13 In-Situ-Bodenwäsche On-Site-Bodenwäsche Abtrennung der Teerölfracht vom Bodenkorn Bodenwäsche im Spezialcontainer Bodenwäsche im alten Havariebecken 6

14 On-Site-Bodenwäsche Abtrennung der Teerölfracht vom Bodenkorn und Überführung in die wässrige Phase Gewaschener Boden Unbehandelter Boden Überführung der Schadstoffe in die wässrige Phase OSBO -Verfahren im Bodenwaschcontainer 7

15 On-Site-Bodenwäsche - PAK-Reduktion im Boden Maximalwert der Voruntersuchung: mg/kg PAK Zernsdorf Baugrube A2 (Sommer 2008) On-Site-Bodenwäsche - PAK-Reduktion im Boden Maximalwert der Voruntersuchung: mg/kg PAK Zernsdorf Baugrube B2 (Herbst 2008) 8

16 On-Site-Bodenwäsche - PAK-Reduktion im Boden Maximalwert der Voruntersuchung: mg/kg PAK Zernsdorf Baugrube D2 (Frühjahr 2009) On-Site-Bodenwäsche - Wasseraufbereitung Phasen- und Feststofftrennung: Feinsediment-Problematik Sedimentation nach 3 Tagen Schluff im Hellfeld bei 400-facher Vergrößerung 9

17 On-Site-Bodenwäsche - Wasseraufbereitung Maximale PAK-Konzentrationen nach den Trennverfahren Einfache Phasen- und Feststofftrennung mit Skimmer und Sedimenter 1. Verbesserung: zusätzlicher Ölabscheider 2. Verbesserung: zusätzlicher multifunktionaler Trenncontainer On-Site-Bodenwäsche - Wasseraufbereitung Phasen- und Feststofftrennung Vorlagebehälter Multifunktionaler Trenncontainer 10

18 On-Site-Bodenwäsche - Wasseraufbereitung Phasen- und Feststofftrennung Schwerölfraktion Wassergehalt: max. 10 % Ölabscheider On-Site-Bodenwäsche - Wasseraufbereitung Biologisch-oxidative Prozesswasserreinigung 3 aerobe Festbetten 2 Ozonstufen Sauerstoff- und Ozongenerator Mobilität 11

19 On-Site-Bodenwäsche - Wasseraufbereitung Abbau in µg/l Zulauf Biologie 2 Ablauf Oxidation 1 Oxidation Zulauf Ablauf PAK MKW Alkyphenole Biologisch-oxidative Prozesswasserreinigung: maximale Zulaufwerte vom Bioremediation Biologische Bodenkonditionierung zur Reduzierung organischer Schadstoffe Animpfen von Haufwerken mit speziellen Mikroorganismen und Nährstoffen Belüften der Haufwerke durch Umsetzen mit dem OSBOmaten 12

20 Bioremediation - Beispiel Waschboden PAK-Mischkonzentration = arithmetisches Mittel aus Sanierungsboden und Animpfmaterial Bioremediation - Beispiel Trockenaushub PAK-Mischkonzentration = arithmetisches Mittel aus Sanierungsboden und Animpfmaterial 13

21 Wissenschaftliche Begleitung und Technologieentwicklung Standortspezifische Labor- und Pilotversuche zur Verfahrensoptimierung Schnellanalysen vor Ort Wissenschaftliche Bewertung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Beispiel des OSBO -Verfahrens Dipl.-Ing. Wilko Werner Dr. Johannes Arens Dipl.-Geol. Gert Gruner 14