Anregung natürlicher Abbauprozesse bei LCKW-Schäden

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1 NATURAL ATTENUATION Working with nature bei der Erkundung und Sanierung von kontaminierten Standorten St.Galler Pfalz, Klosterhof, April 2010 Anregung natürlicher Abbauprozesse bei LCKW-Schäden Dr. Thomas Held

2 MNA: Fahnenentwicklung (vereinfachtes Schema) NA wirksam, wenn aerobe A Mineralisierung nachweisbar ist PCE cdce/vc Einflussparameter Auxiliar-Substrat Eintragsmassen (LCKW) Eintragsmassen (C org ) Redoxmileu (Hintergrund) Sekundäreinträge Art der Abbauprozesse Log (Konzentration) NA uneingeschränkt wirksam B cdce/vc Ethene NA nicht wirksam C Entfernung von der Quelle

3 Ausgangssituation LCKW-Abbau In-situ Reaktive Zone (IRZ) Solubilisierungs-Effekt IRZ-Elemente Sanierungshydraulik Pilotversuch Full-Scale Sanierung (Beispiel)

4 Biologischer Abbau (Redoxreaktion) Mineralisierung MKW, AKW, PAK, nieder-chlorierte LCKW LCKW, Chloraromaten,.. C org + E ox + H 2 O CO 2 + E red + H 2 O + Biomasse C org E ox E red = Elektronendonator (z.b. nicht-chlorierter Schadstoff oder Melasse) = Elektronenakzeptor = Verbrauchter (reduzierter) Elektronenakzeptor

5 Reduktive Dechlorierung von Tetrachlorethen (PCE) Dehalorespiration Cl Cl C C Methanogene Bedingungen Cl Cl Tetrachlorethen (PCE) 2 H +, 2 e - HCl H Cl C C Cl Cl Trichlorethen (TCE) 2 H +, 2 e - PCE PCE TCE TCE cdce cdce VC VC Ethen Ethen 100 µg/l 79 µg/l 59 µg/l 38 µg/l 17 µg/l PCE.CW µg/l 79 µg/l 59 µg/l 38 µg/l 17 µg/l 0,61 0,61 µmol/l µmol/l HCl H Cl H Cl C C C C Cl H trans-1,2-dichlorethen (trans-1,2-dce) + 2 H +, 2 e - H Cl cis-1,2-dichlorethen (cis-1,2-dce) Cl Cl C + C H H 1,1-Dichlorethen (1,1-DCE) HCl H Cl 2H +, 2 e - C C H H Vinylchlorid H H C (VC) C Ethen HCl H H PCE TCE cdce VC Ethen Ethan CO 2

6 TEA-Bilanz Terminale Elektronenakzeptoren TEA ox TEA red Prozess O 2 H 2 O Aerobe Atmung - NO 3 N 2 Denitrifikation Mn(IV) Mn(II) Manganreduktion Fe(III) Fe(II) Eisenreduktion 2- SO 4 S 2- Sulfatreduktion CO 2 CH 4 Methanogenese Fett = Analysierte Substanzen

7 Vollständige reduktive Dechlorierung Dehalococcus ethenogenes PCE TCE cdce VC Ethen Stamm 195 Stamm BAV 1 Stamm FL 2 Stamm GT Stamm CBDB1 Stamm VS tdce Elektronendonator: H 2 Elektronenakzeptor: LCKW C-Quelle: CO 2 LCKW als Elektronenakzeptor genutzt Cometabolische Transformation

8 Aerober Abbau (Laborversuch) Concentration [mg/l] ' 1,50 1,20 0,90 0,60 0,30 cdce Control Concentration [mg/l] ' 1,50 1,20 0,90 0,60 0,30 cdce VC Ethene Aerobic VC 0, Time [d] 0, Time [d] Concentration [mg/l] ' 1,50 1,20 0,90 0,60 0,30 Aerobic + Mixed Culture cdce VC Ethene 0, Time [d]

9 Ausgangssituation LCKW-Abbau In-situ Reaktive Zone (IRZ) Solubilisierungs-Effekt IRZ-Elemente Sanierungshydraulik Pilotversuch Full-Scale Sanierung (Beispiel)

10 In-Situ Reaktive Zone (IRZ)... Etablieren einer Zone innerhalb des Aquifers, in der die biogeochemischen Bedingungen so geändert sind, dass natürliche Prozesse, die zu einem Abbau oder einer Immobilisierung führen, beschleunigt ablaufen.

11 Mobiles Melasse-Injektionssystem

12 Beispiel: Injektionskreisläufe pìäëíê~í pìäëíê~í pìäëíê~í

13 Substrate (anaerob) Melasse (Endsirup der Zucker-Produktion) ca. 50 % Zucker ca. 30 % Proteine, Nährsalze ca. 20 % Wasser Lösliche Substrate Slow Release Substrate Melasse Lactat HRC Speiseöl-Suspension CAP-18

14 Lösliche und Slow-Release Substrate pìäëíê~íjhçåòéåíê~íáçå i ëäáåüé=pìäëíê~íé päçï oéäé~ëé=pìäëíê~í jáåáã~äé=pìäëíê~íj hçåòéåíê~íáçå=òìê= ^ìñêéåüíéêü~äíìåö=çéê= e O JpÅÜïÉääÉåïÉêíJ hçåòéåíê~íáçå A B båíñéêåìåö=îçã=fåàéâíáçåëéìåâí

15 Ausgangssituation LCKW-Abbau In-situ Reaktive Zone (IRZ) Solubilisierungs-Effekt IRZ-Elemente Sanierungshydraulik Pilotversuch Full-Scale Sanierung (Beispiel)

16 Mobilisierung von LNAPL mg/l PPM PCE Concentration Konzentration (umol/l) [µmol/l] PCE TCE cis-dce VC Ethene Ethane PCE solubility limit Sanierungsdauer Elapsed Time (days) [Tage]

17 Desorption von LCKW Biotenside Erhöhter f OC -Gehalt in der Wasserphase Fermentationsprodukte (Alkohole, Fettsäuren etc.) erhöhen Löslichkeit Transformationsprodukte haben geringere Tendenz zur Bindung an die Bodenmatrix (K OC )

18 Sorptionseffekte an der Aquifermatrix Koc = 1,191 (Naphthalene) Koc = 265 (PCE) K oc = 94 (TCE) Koc = 36 (cis-1,2-dce) Koc = 19 (vinyl chloride) Sorbierte Percent Masse Sorbed [%] blanking Fraktion Organic Organischer Carbon Kohlenstoff Fraction (foc) [f OC ]

19 Ausgangssituation LCKW-Abbau In-situ Reaktive Zone (IRZ) Solubilisierungs-Effekt IRZ-Elemente Sanierungshydraulik Pilotversuch Full-Scale Sanierung (Beispiel)

20 IRZ-Elemente Sanierungshydraulik Biogeochemisches Baseline-Monitoring (Schadstoffe, Feldparameter, DOC, Redoxindikatoren) Pilot-Test Prüfung der Machbarkeit Optimale Injektionsfrequenz und -volumen Substratkonzentration, Substratmasse Einflussradius Abbauraten Sanierung im technischen Maßstab Prozessmonitoring (z.b. Redoxkartierung, DOC-Monitoring) Erfolgsmonitoring

21 Ausgangssituation LCKW-Abbau In-situ Reaktive Zone (IRZ) Solubilisierungs-Effekt IRZ-Elemente Sanierungshydraulik Pilotversuch Full-Scale Sanierung (Beispiel)

22 Injektionsradius Injektionsbrunnen Gewünschter Injektionsradius r inj r inj = V inj π h θ M

23 Aquifer Matrix Mobile und Immobile Fraktionen Organische Materie Bodenpartikel Bewegung Migratorische Wasser Unbewegliches Wasser Residuale NAPL

24 IRZ Planung der Injektionen Wechselwirkung von Injektionsvolumen und -häufigkeit Grundwassermigrationszeit [d] R inj = 15 Tage R inj = 5 Tage λ Melasse = 0,035 d -1

25 IRZ-Sanierungskonzept Reaktive Zonen Migrationszeit (Jahre) Desorptionszonen

26 Retardierung der Fahnenausdehnung Konzentration im Wasser K OC = OC L/kg L/kg f OC f = OC 0,001 0,001 V A = 11 m/d m/d V A Abstand [m]

27 Symmetrische Retardierung nach der Quellenentfernung Grundwassermigration 100 Tage 500 Tage Konzentration im Wasser K OC = OC L/kg L/kg f OC f = OC 0,001 0,001 V A = 11 m/d m/d V A Abstand [m]

28 Wachstum der Sanierungs-Front mit Hilfe des Retardierungsfaktors V = C V R A C V C V A = Geschwindigkeit der Sanierungsfront [m/d] = Grundwasser-Abstandsgeschwindigkeit [m/d] R C = Zusammengesetzter Retadierungsfaktor* [-] *Bindung an Bodenmatrix + Diffusion aus statischem Wasser

29 Ausgangssituation LCKW-Abbau In-situ Reaktive Zone (IRZ) Solubilisierungs-Effekt IRZ-Elemente Sanierungshydraulik Pilotversuch Full-Scale Sanierung (Beispiel)

30 Verfahrensprüfungen erfordern Pilotversuche fåàéâíáçå EłoÉ~ÖÉåò F hçåâìêêáéêéåçé= bj^âòééíçêéålbjaçå~íçêéå oé~âíáçåëê~ìã łdêìåçï~ëëéê déêéáåáöíéê= ^Äëíêçã aéëçêéíáçå EłoÉÄçìåÇ F

31 Pilotversuch (schnellfließender Aquifer) Konzentrationen [µmol/l] 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 Dechlorierung_Verlauf.xls cis-1,2-dichlorethen Vinylchlorid Ethen + Ethan Summe C2 0,

32 Pilotversuch (Fe-reicher Aquifer) 700 Fe (gelöst) [mg/l] ' IRZ-2 (Injektion) IRZ-3 Methan [mg/l] ' IRZ-2 (Injektion) IRZ IRZ-1 (Background) IRZ-2 (Injektion) IRZ-3 IRZ-5 IRZ-4 Grundwasser

33 Ausgangssituation LCKW-Abbau In-situ Reaktive Zone (IRZ) Solubilisierungs-Effekt IRZ-Elemente Sanierungshydraulik Pilotversuch Full-Scale Sanierung (Beispiel)

34 Infiltrationsbrunnen Injektion Monitoring

35 IRZ-Sanierung Frankfurt LCKW-Konzentration [µg/l] ' 300 Melasseinjektionen Sanierungszielwert: 80 µg/l 50 0 Jan. 02 Jan. 03 Jan. 04 Jan. 05 Jan. 06 Jan. 07 Jan. 08 Jan. 09 DOC-Konzentration [mg/l] ' Melasseinjektionen Jan. 02 Jan. 03 Jan. 04 Jan. 05 Jan. 06 Jan. 07 Jan. 08 Jan. 09

36 IRZ-Sanierung Frankfurt LCKW LCKW-Konzentration [µg/l] ' Sanierungszielwert: 80 µg/l Melasseinjektionen Grundwasserfließrichtung 0 Jan. 02 Jan. 03 Jan. 04 Jan. 05 Jan. 06 Jan. 07 Jan. 08 Jan. 09 DOC-Konzentration [mg/l] ' Melasseinjektionen Jan. 02 Jan. 03 Jan. 04 Jan. 05 Jan. 06 Jan. 07 Jan. 08 Jan. 09

37 Tel.: +49(0) Imagine the Result Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

38 Klassischer Transport und Schadstoffverminderung

39 Transport und Schadstoffverminderung Realistisches Konzept

40 Transport und Schadstoffverminderung Erweitertes realistisches Konzept Frühes Stadium der Fahnenentwicklung Gereifte Fahne Nach der Entfernung der Quelle