Natural Attenuation -

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1 Natural Attenuation - eine Erweiterung des Optionsraumes Prof. Dr. Georg Teutsch, Wissenschaftlicher Geschäftsführer Prof. Dr. Holger Weiß; Leiter Department Grundwassersanierung Natural Attenuation - Working with nature St. Gallen, Schweiz, 15. April 2010

2 Übersicht Wie hat es in den 90er Jahren angefangen? Was hat KORA gebracht? Was kommt danach? Was sind noch offene Fragen? SEITE 2

3 Schadstoffe bei Grundwasserschadensfällen in Baden-Württemberg (LfU, 09/96) Mineralölkohlenwasserstoffe: Tankstellen, Tanklager, Raffinerien 64,8% 20,3% Chlorierte Kohlenwasserstoffe: Metallverabeitende Betriebe Elektronik/Leiterplattenentfettung Chemische Reinigungen 8,0% 4,5% Benzol, Toluol, Xylol Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe: Gaswerke, Kokereien Anorganika 0,4% Schwermetalle 1,0% Sonstige Sonstige organische Verbindungen 1,0% SEITE 3

4 Auftreten von Schadstoffen im Grundwasser Tetrachlorethen Trichlorethen Dichlorethen (cis 1,2) Benzol Vinylchlorid Trichlormethan Trichlorethan (1,1,1) Xylol Dichlorethen (trans 1,2) Toluol Ethylbenzol Deutschland (verändert aus Arneth et al. 1989) Dichlormethan Dichlorbenzol Chlorbenzol Tetrachlormethan Tetrachlorethen Dichlorethen (trans Trichlormethan Dichlorethen (1,1) Dichlormethan Trichlorethan (1,1,1 Dichlorethan (1,1) Dichlorethan (1,2) Phenol Aceton Toluol DEHP Benzol Vinylchlorid USA (nach Plumb&Pitchford 1985, verändert aus Arneth et al. 1989) Trichlorethen Relative Häufigkeit [%] [1989] SEITE 4

5 Fahnenlängen-Statistik CKW N=106 Hohe Löslichkeit, kaum Rückhalt, langsamer Abbau Phenole N=16 Benzen N=30 Hohe Löslichkeit, kaum Rückhalt, schneller Abbau BTEX N=94 5-Ring 2-Ring PAK?? 3-Ring Löslichkeit, Rückhalt und Abbau umfassen mehrere Größenordnungen, wenig verläßliche Felddaten Feldbeobachtungen maximaler Fahnenlängen [m] Schiedek et al in 75% der betrachteten Fälle SEITE 5

6 (Monitored) Natural Attenuation - Definition Natural Attenuation bezeichnet die Eigenschaft eines Aquifers, durch Prozesse wie biologischer Abbau, Dispersion, Verdünnung, Sorption, Verflüchtigung, und/ oder chemische oder biochemischer Stabilisierung die Masse, Toxizität, Mobilität oder das Volumen der Schadstoffe so weit zu reduzieren, dass die menschliche Gesundheit und das Ökosystem nicht gefährdet sind. US-EPA, 1997 MNA als Element des risk based contaminated land management (RBCA) (ASTM 1995/2000, US-EPA, 1996, Wiedemeier et al. 1995, 1998, US-EPA 1999, US-NRC 2000). SEITE 6

7 Natural Attenuation als Entscheidungsoption in der Altlastenbearbeitung Industriestandort Wasserwerk Natural Attenuation LNAPL Sorption Retardation Degradation Advektion Dispersion Diffusion Lösung aus Phase Desorption Natürlicher Abbau und Rückhalt DNAPL Wasserversorgung (Rezeptor) Abstromfahne im Grundwasser (Pfad) Schadensherd (Quelle) SEITE 7

8 Altlastenbearbeitungs- und MNA-Konzepte: risk-based vs. limit-based Staat USA UK NL DK D Behörde US-EPA / ASTM UK-EA NOBIS DK-EPA LABO / LfU-BW Altlastenbearbeitung: Rezeptor (human health) Grundwasser -orientiert Prinzipielles Konzept orientiert (risk-based) (limit-based) Max. Fahnenlänge < d Rez. < d Rez. < d Rez. 1 a / 100m Verhältnismäßigkeits Zeitliche Vorgaben Vgl. aktive Maßnahme (UK: 30 a) -- Maßnahmen im impliziert -- entscheidung Schadensherd Quantifizierung von NA-Prozessen 3-lines of evidence 3-lines of evidence+ Abnahme der Fracht Wesentliche Unterschiede: Rügner et al Gewinnung von Trinkwasser aus Grundwasser GW als Ressource (Vorsorge, Wasserschutzgebiete) Verhältnismäßigkeitsprinzip SEITE 8

9 Konzept der stationären Fahnen Quelle Grundwasserströmung Fließstrecke 1. t 1 Schadensereignis (t1): Lösung u. Ausbreitung der Schadstoffe im Grundwasser 2. t 2 Einsetzen des biologischen Schadstoffabbaus (t2 wenige Monate): Langsame Ausdehnung der Fahne 3. t 3 Erreichen der Stationarität (t3 - wenige Jahre): Gleichgewicht zw. Zulieferung und biol. Abbau t 4 t 5 Anhalten der Stationarität über einen langen Zeitraum (t4 - viele Jahre): Masse in der Quelle nimmt ab, aber Emission bleibt auf hohem Niveau. Schadstoff-Emission lässt nach (Alterung der Quelle; t5): Schadstofffahne schrumpft. Teutsch & Rügner (1999) SEITE 9

10 Überwachung Bewertung NA-Quantifizierung Elemente der Entscheidungsfindung zur Implementierung von NA I) Standortübergreifende Information Vergleich mit bereits untersuchten Standorten (Statistiken) Schadstoffspezifische Fahnenlängen Metabolite + persistente Schadstoffe II) Beobachtungen am Standort Schadstoffinventar Standort-Typ Hydro-/geologische Situation Abbau, Retardation, Metabolite III) Plausibilität Berücksichtigung der Befunde aus I) und II) in einem Modell Konzeptionelles - Numerisches Modell Plausibilität Quantifizierung des Reaktionsraums Natural Attenuation-Raten IV) Akzeptanzbetrachtung Abwehr von Gefahren für die Umwelt Folgenutzung des Geländes Alternativen/Kombinationsmöglichkeiten V) Monitoringkonzept Kontrolle: Langzeit-Monitoring Ersatzstrategien [1999] SEITE 10

11 Übersicht Wie hat es in den 90er Jahren angefangen? Was hat KORA gebracht? Was kommt danach? Was sind noch offene Fragen? SEITE 11

12 Was hat KORA gebracht? Konzeptionell und im Prozessverständnis nicht allzu viel! aber, die Praxis mußte sich ernsthaft mit den wissenschaftlichen Grundlagen auseinandersetzen und vice versa! SEITE 12

13 Struktur des Förderschwerpunktes KORA Lenkungsausschuss Leitfaden TV TV 1 Raffinerien, Raffinerien, Tanklager, Tanklager, MTBE MTBE Leitfaden TV TV 3 Chemische Chemische Industrie, Industrie, Metallverarbeitung Metallverarbeitung Leitfaden TV TV 5 Rüstungsaltlasten Rüstungsaltlasten Leitfaden TV TV 2 Gaswerke, Gaswerke, Kokereien, Kokereien, Teerverarbeitung Teerverarbeitung Leitfaden TV TV 4 Deponien, Deponien, Altablagerungen Altablagerungen Leitfaden TV TV 6 Bergbau, Bergbau, Sedimente Sedimente Handlungsempfehlungen PüB PüB Projektübergreifende Projektübergreifende Begleitung Begleitung TV TV 7 Prognose, Prognose, Modellierung Modellierung TV TV 8 Bewertung, Bewertung, rechtliche rechtliche Fragen, Fragen, Akzeptanz Akzeptanz Querschnittsthemen Mikrobiologie, Mikrobiologie, Geologie, Geologie, Monitoring Monitoring 26 Mio., 24 Standorte, 6 Leitfäden! 5 Kontrollierter natürlicher Rückhalt und Abbau von Schadstoffen b ei der Sanierung kontaminierter Grundwässer und Böden SEITE 13

14 Prozessverständnis wurde wichtig! Tank Experimente, Tübingen VEGAS, Stuttgart Borden, Kanada SEITE 14

15 Funktionsweisen von Schadensherden wurden wichtig! Residual Blobs Model Length of Mass Transfer Zone C/Co Flow Distance [m] Control Plane 1: Mass Transfer Limited 1 m C e k t 10 cm 0,5 m Control Plane 2: Equilibrium 10 cm R 1 NAPL S ( scl) NAPL S ( scl) S n n S e 1 m t dis x kont v a R C. Eberhard, 2001 SEITE 15

16 Schadensherd- Lebenszeiten wurden wichtig! Zeitskalen für Blobs Zeitskalen für Pools SEITE 16 Grathwohl et al., 2001

17 SEITE 17 Aquifer-Heterogenitäten wurden wichtig!

18 Fahnenerkundung und Langzeitmonitoring wurden wichtig! source area SEITE 18

19 Meine These: Die hohen wissenschaftlichen und behördlichen Ansprüche erzeugten einen erheblichen Innovationsdruck, der teilweise zu wegweisenden Lösungen in den KORA-Projekten geführt hat. SEITE 19

20 "Direct Push" Techniken Geoprobe 66DT SEITE 20

21 Prinzipielles Vorgehen bei Direct Push-Untersuchungen + Sanierung bis 50 m! SEITE 21 (nach Weiß et al. 2006)

22 Depth [m] D [ ] Depth bgs [m] Geochemie-Mikrobiologie-Entwicklung der Fahne Natural Attenuation x10 7 3x Toluen Isotopenbiogeochemie Reaktive Transportmodellierung A B C D E 7 8 Sulfid Anzahl Abbauer B C D E anaerobic aerobic Distance from the center of the plume [m] B [%] C [ ] 0% 50% 100% SEITE 22

23 Gesamtkosten [Tausend ] Modellierung mit Ökonomie! Zeitliche Entwicklung der Sanierungskosten für die Schadstofffahne 0. So kann es sein, so soll es sein. Gesamtkosten ca Gesamtkosten ca Monitored Natural Attenuation Enhanced Natural Attenuation Ex-situ Verfahren (biologisch) 200 Gesamtkosten ca Betriebszeit [Jahre] SEITE 23

24 Compartment Transfer - Pilotanlage in Leuna A3 Strohfilter A7.1 Tunnelhauben für die Emissionsbestimmungen A1 A2 A1 A3 Vertikale mineralische Bodenfilter A5 Aerobes Grabensystem zur Förderung des Bioabbaus A1 Horizontale Bodenfilter A2 Horizontale Bodenfilter mit offenem Wasserkörper (Öko-Wetland) A4 Aerobes Grabensystem zum Ausstrippen der Schadstoffe Foto: M. Kästner SEITE 24

25 SEITE 25 Einzugsgebiets-Maßstab

26 Übersicht Wie hat es in den 90er Jahren angefangen? Was hat KORA gebracht? Was kommt danach? Was sind noch offene Fragen? SEITE 26

27 Verbleibende Aufgaben Schadensherdsanierung Stoffflußmanagement im Einzugsgebietsmaßstab Grundwasser-Oberflächenwasser-Wechselwirkungen Ganzheitliche Bewertung (Fläche, CO 2.) SEITE 27