Voraussetzungen für die Anwendung von ISCO (In-situ Chemische Oxidation) Hans-Georg Edel

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1 Voraussetzungen für die Anwendung von ISCO (In-situ Chemische Oxidation) Hans-Georg Edel Tagung Altlastensanierung am 24. September 2015 in Flintbek, Veranstalter LLUR ZÜBLIN Umwelttechnik GmbH Stuttgart Berlin Chemnitz Dortmund Hamburg Nürnberg Frankreich Italien Schweiz Polen Rumänien Fon Fax

2 Inhalt Einleitung / Prinzip ISCO-Grundwassersanierungen - Übersicht Oxidationsmittel - Schadstoffe Wann, wie und warum? Aktuelles Praxisbeispiel Ehemalige Silberwarenfabrik Zusammenfassung und Ausblick DrEd Sep

3 Prinzip Prinzip Schadstoffe werden in-situ d.h. an Ort und Stelle oxidiert Voraussetzung Oxidationsmittel trifft auf Schadstoff Vollständige Oxidation rasche Zerstörung der Schadstoffe Verkürzung der Sanierungsdauer Kosteneinsparung Quellensanierung - mittel/hoch belastete Bereiche DrEd Sep

4 ISCO-Projekte der Züblin Umwelttechnik seit 2003 Jahr Projekt Oxidationsmittel Schadstoffe seit 2003 ca. 20 Pilotversuche, diverse Standorte NaMnO 4, KMnO 4, NaS 2 O 8, Fenton s Reagens, O 3, u.a. LHKW, PAK, BTEX seit 2015 Sachsen, ehem. Braunkohlestandort Fenton s Reagens PAK, BTEX 2015 Frankreich, Immobilien NaS 2 O 8 PAK seit 2014 Bremen, Öffentliche Hand NaMnO 4 LHKW 2014 Schweiz, Immobilien NaMnO 4 LHKW 2014 NRW, ehem. Chemische Reinigung NaMnO 4 LHKW Brandenburg, Öffentliche Hand NaMnO 4 LHKW Bremen, Öffentliche Hand NaMnO 4 LHKW Bietigheim, Ingenieurbüro NaS 2 O 8 LHKW Rheinland-Pfalz, Militärstandort KMnO 4 /NaMnO 4 LHKW Bürstadt, ehem. Chemische Reinigung NaMnO 4 LHKW Berlin, Ingenieurbüro NaMnO 4 LHKW Sachsen, ehem. Chemische Reinigung NaMnO 4 LHKW 2009 Hanau, Ingenieurbüro KMnO 4 LHKW Nordrhein-Westfalen, Metallindustrie KMnO 4 LHKW Schweiz, Tierkörperverwertung NaMnO 4 LHKW Baden-Württemberg, Automotive NaMnO 4 LHKW DrEd Sep

5 Wann, wie und warum? Oxidationsmittel Schadstoffe Schadstoffquelle / -fahne Geologie / Hydrogeologie / Geochemie Wie kommt das Oxidationsmittel zum Schadstoff? Sanierungsziele DrEd Sep

6 Praxisrelevante Oxidationsmittel DrEd Sep

7 Oxidierbarkeit von Schadstoffen verändert nach: HULING, S.G., PIEVITZ, B.E. (2006) In-Situ Chemical oxidation, 1-58, Engineering issue, EPA Inited States Environmental Protection Agency DrEd Sep

8 Oxidationsmittel Fenton s Reagens Behandelbare Schadstoffe Chlorierte Ethene (PCE, TCE, cdce, VC) BTEX, Phenole, PAK, MKW, MTBE TNT, div. Sprengstoffe, div. Pestizide, u.a. Vorteile Reaktionsprodukte: O 2, H 2 O (aber Fe 2+, Fe 3+ ) ggf. Förderung des aeroben biologischen Abbaus Mögliche Nachteile / Einschränkungen sehr instabiles Oxidationsmittel (katalyt. Zersetzung) Persistenz: Minuten-Stunden geringer ROI (radius of influence) ph-optimum (ph 3-4) Radikalfänger (CO 2-3, HCO 3- ) starke Gasentwicklung (O 2, CO 2 ) massive Wärmeentwicklung DrEd Sep

9 Oxidationsmittel Permanganat Behandelbare Schadstoffe Vorteile Chlorierte Ethene (PCE, TCE, cisdce, VC) Phenole, aktivierte Aromaten, PAK TNT, div. Sprengstoffe, div. Pestizide stabiles Oxidationsmittel Persistenz: Wochen-Monate großer ROI (radius of influence) neutraler ph-bereich, von ph 3-12 wirksam Mögliche Nachteile / Einschränkungen MnO 4- MnO 2 Mn Schritt schnell, 2. Schritt langsam erhöhte Affinität zu organischen Bodenbestandteilen geringere Effizienz erhöhter NOD (natural oxidant demand) ggf. Mobilisierung von Schwermetallen, z.b. Cr 3+ DrEd Sep

10 Oxidation LCKW - Reaktionsgleichung Anmerkung Bei der Umsetzung von MnO 4- wird unlöslicher Braunstein (MnO 2 ) gebildet: 0,73 kg MnO 2 / kg MnO 4 - Ein Verblocken des Aquifers lässt sich durch eine angepasste Injektionstechnologie wirkungsvoll verhindern. MnO 2 lässt sich mit Hilfe geeigneter Reduktionsmittel in lösliches Mn 2+ umwandeln. DrEd Sep

11 Oxidation von PCE, Reaktionsmechanismus gut untersuchter Reaktionsweg verläuft über Carbonsäuren zu CO 2 Unterschied zur reduktiven Dehalogenierung keine VC-Bildung aus PCE, TCE, cdce! verändert nach U.S. DOE. (2000) DrEd Sep

12 Oxidationsmittel Persulfat Behandelbare Schadstoffe Vorteile Chlorierte Ethene (PCE, TCE, cisdce, VC) BTEX, Phenole, PAK, MKW, MTBE TNT, div. Sprengstoffe, div. Pestizide, u.a. stabiles Oxidationsmittel ( SO 4- stabiler als OH) Persistenz: Stunden-Wochen großer ROI (radius of influence) geringe Affinität zu organischen Bodenbestandteilen höhere Effizienz Mögliche Nachteile / Einschränkungen ggf. Wärme bzw. Katalysator erforderlich Sulfat-Anreicherung, ggf. Sulfat-Fällung DrEd Sep

13 Geologie / Hydrogeologie / Geochemie Geologie - Durchlässigkeit (gut mittel gering) Hydrogeologie - ungesättigte / gesättigte Bodenzone - Abstandsgeschwindigkeit - Aquifermächtigkeit Geochemie - oxidierendes / reduzierendes Milieu - ph-wert / Pufferkapazität - natürlicher Organikgehalt NOD (Natural oxidant demand) Quelle: GEOTEST DrEd Sep

14 Wie kommt das Oxidationsmittel zum Schadstoff? Injektion - Lanzen - Brunnen - Soil mixing Konzentration Oxidationsmittel angepasst an - Schadstoffgehalte - Untergrund Transport - passiv mit GW-Strömung - aktives hydraulisches Regime Dosierung Oxidationsmittel - Kampagnen - kontinuierlich DrEd Sep

15 Ehem. Silberwarenfabrik in Bremen Quelle: Umtec DrEd Sep

16 Hydrogeologie Wesersande (Hauptgrundwasserleiter) Mächtigkeit: 14 m Teilgespannte Grundwasserverhältnisse Grundwasserflurabstand: ca. 2 m generelle Grundwasserfließrichtung: Nordnordost Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte (k f ): ca. 1 x 10-3 bis ca. 5 x 10-4 m/s Mittlere Abstandsgeschwindigkeit (v a ): ca. 30 m/a Lauenburger Schichten (grundwasserführend) Mächtigkeit: ca. 19 m Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte (k f ): ca. 1 x 10-6 bis 5 x 10-5 m/s mittlere Abstandsgeschwindigkeit (v a ) : < 10 m/a hydraulisch nicht getrennt, aber unterschiedliche Fließdynamik des Grundwassers Quelle: Umtec Miozäne Tone und Schluffe (Grundwasserstauer) DrEd Sep

17 Sanierungskonzept Züblin ISCO-Verfahren hohe LCKW-Gehalte ISBR-Verfahren mittlere, geringe LCKW-Gehalte GZB (Grundwasserzirkulations-Brunnen) hydraulische Unterstützung - vertikale Durchströmung - Kapillarsaum (keine GW-Absenkung) - Mobilisierung von LCKW - Transport und Verteilung von Permanganat bzw. Melasse spezifisches Redoxmilieu DrEd Sep

18 Feldversuch Zielsetzung Überprüfung Sanierungskonzept Machbarkeit und Effizienz Reichweite GZB Berechnung Bestimmung Transport / Verteilung Permanganat / Melasse Etablierung Redoxzonen Entwicklung LHKW-Gehalte DrEd Sep

19 Gesamtsanierung Ziele des Feldversuchs wurden erreicht Sanierungskonzept machbar und effizient Optimierte Gesamtsanierung ISCO/ISBR läuft seit September 2014 DrEd Sep

20 Zusammenfassung und Ausblick ISCO effiziente Technologie - rasche Schadstoffzerstörung geeignet für Quellensanierung, mittel/hoch belastete Bereiche große Bandbreite an Schadstoffen Einschränkungen gering durchlässige Böden Böden mit hohem NOD erfolgreiche Anwendung detaillierte Standortuntersuchung ggf. Feldversuche empfehlenswert Know-how Erfahrung DrEd Sep

21 Erste großtechnische ISCO-Sanierung in Deutschland Standort: Automotive, Sindelfingen Gutachter: BfAG, Tübingen Dauer: Sept Mai 2008 (30 Monate) Schadstoffe: LCKW, v.a. PCE Maßnahme: - GW-Sanierung, ISCO NaMnO 4-30 to MnO 4 - Ergebnisse (Stand 10/2014) - ca. 10 to oxidierte LCKW - Schadenszentrum: Abnahme ca % LCKW: 0,01-1,5 mg/l - Abstrom Abnahme ca %, LCKW: 0,2-0,4 mg/l Erster großtechnischer Einsatz in Deutschland, erfolgreich abgeschlossen Akzeptanz und Verbreitung von ISCO DrEd Sep

22 ISCO-Sanierung, Hessen Kunde: Gutachter: Standort: Ort: HIM-ASG Hydrodata, Oberursel Ehem. Chem. Reinigung Bürstadt Beginn: Mai 2009 Dauer: Maßnahme: 36 Monate Grundwassersanierung Verfahren : ISCO mit NaMnO 4 Schadstoffe: LCKW, v.a. PCE max µg/l Fläche: ca m 2 Aquifer Ergebnis: Besonderheit: Sand, Kies ca m ugok k f -Wert: ca m/s Schadstoffreduzierung unter Sanierungsziel - Sanierungsgarantie! - innerstädtische Lage DrEd Sep

23 ISCO-Sanierung, F-Straßburg Kunde: Stadt Straßburg Standort: Straßburg, ehem. Gaswerk Ausführung Apr.-Aug Maßnahme - ISCO Persulfat (Soil mixing) - Hydraulische Sicherung - Teilaushub (Partnerunternehmen) Schadstoffe PAK, z.t. Teeröl in Phase Ergebnis - Eliminierung von ca. 3,5 to PAK (lt. Berechnung Gutachter) Besonderheit Soil mixing in offener Baugrube DrEd Sep

24 Noch Fragen? ZÜBLIN Umwelttechnik Dr. Hans-Georg Edel Tel Oliver Hutschenreuter Tel DrEd Sep

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