+ ESV + alts + fb Das BioLift -Verfahren: Anwendung eines mikrobiologisch-hydraulischen in situ-sanierungsverfahrens

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1 Das BioLift -Verfahren: Anwendung eines mikrobiologisch-hydraulischen in situ-sanierungsverfahrens für die Sanierung eines Kabelisolierölschadensfalles Mark Zittwitz, Matthias Gerhardt, Rüdiger Helbig, Uwe Sperlich + ESV + alts + fb Zusammenfassung Bei einer Boden- und Grundwasseruntersuchung einer Altlastenverdachtsfläche in Berlin Lichtenberg im Jahr 1992 hatte sich der Verdacht einer Bodenkontamination bestätigt. An dem Standort wurde eine Schadensstelle lokalisiert, an der massiv Kabelisolieröl in den umgebenden Boden ausgetreten war und das Grundwasser kontaminiert hatte. Gemessen an den Bewertungskriterien der Berliner Liste ergab sich die Notwendigkeit von Sanierungsmaßnahmen. Auf der Grundlage entsprechender Voruntersuchungen erfolgte die Auswahl des BioLift-Verfahrens. Der Anlagenbetrieb wurde im September 2002 begonnen und im September 2005 beendet. Mit dem Einsatz des BioLift-Verfahrens konnte die Ölkontamination des Grundwassers beseitigt und im Boden soweit abgereinigt werden, dass von dem im Boden verbliebenen Restschaden keine weitere Gefährdung für das Grundwasser zu erwarten ist. Einleitung Das Stromverteilungsnetz wird in Großstädten wie Berlin und Hamburg überwiegend unterirdisch realisiert. Für den Stromtransport im 110-kV Übertragungsnetz sind neben den modernen, kunststoffisolierten Hochspannungskabeln auch noch ältere, ölisolierte Kabel im Einsatz. Der Aufbau eines solchen Kabels ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Öl ist sowohl im inneren Kern als auch in der ölgetränkten Papierisolierung enthalten. Die vom Einsatz dieser Kabel herrührenden Kontaminationen durch Leckagen im Außenmantel bzw. durch Undichtigkeiten an den Muffenverbindungen wurden in einem Altlastenkataster aufgenommen. Diese Verdachtsflächen sind zu untersuchen und ggf. zu sanieren. In diesem Beitrag wird exemplarisch ein Standort vorgestellt, an dem sich der Verdacht einer Bodenkontamination bestätigt hatte. An dem Standort wurde eine Schadensstelle lokalisiert, an der massiv Kabelisolieröl in den umgebenden Boden ausgetreten war und das Grundwasser kontaminiert hatte. Die Ergebnisse waren anhand der Prüfwerte der Bundes-Bodenschutzverordnung [1] für den Wirkpfad Boden Grundwasser sowie der Geringfügigkeitsschwellenwerte, der sanierungsbedürftigen Schadenswerte sowie der Beurteilungswerte für Feststoffgehalte der Berliner Liste [2] zu bewerten. Eigenschaften des Kabelöls Die Alterungs-, Verweil- und Migrationseigenschaften von Kabelisolieröl im Boden wurden untersucht [3, 4]. Es wurde festgestellt, dass Ölkabeln entstammende Proben unterschiedlichen Alters sich in ihrer Zusammensetzung grundsätzlich vom ursprünglich eingesetzten Ausgangsöl unterscheiden. Während das Ausgangsöl überwiegend aromatische Komponenten aufweist, ist allen in Ölkabeln eingesetzten Ölen eine Zusammensetzung aus paraffinischen Ölen, deren Hauptbestandteile Cycloalkane sind, gemeinsam. Die Veränderung wird auf einen durch elektrische Felder in den Kabeln hervorgerufenen Hydrierungs- und Oxidationsprozess zurückgeführt. Diese Veränderungen bewirken ein von anderen Mineralölen abweichendes Verhalten im Untergrund. Zum einen weisen zahlreiche Vertreter der oxidierten Cycloalkane Dichten in der Größenordnung der Dichte von Wasser auf, zum anderen begünstigt die hydrierte und oxidierte Struktur der Öle eine Emulsions- und Lösungsbildung. Diese Ergebnisse bestätigen sich in der Praxis. Bei der Erkundung von mehreren Kabelisolierölschadensfällen, hat sich gezeigt, dass die Tiefenverlagerung von Kabelisolierölkontaminationen nicht im Übergangsbereich zwischen gesättigter und ungesättigter Bodenzone endet, sondern dass sich die Kohlenwasserstoffe in den gesättigten Horizonten ausbreiten. Die Bildung stabiler Emulsionen wurde festgestellt. Kabelisolieröl neigt nicht zur Ausbildung freier, zusammenhängender Phasen. Versuche Kabelisolieröl in Phase zu gewinnen, führten auch nach mehrmonatigem Betrieb von Entnahmebrunnen zu keiner abschöpfbaren Phase. Abbildung 1: Aufbau eines ölisolierten Hochspannungskabels altlasten spektrum 5/2006 1

2 Das BioLift -Verfahren: Anwendung eines mikrobiologisch-hydraulischen in situ-sanierungsverfahrens. Abbildung 2: Sanierungsstandort in Berlin-Lichtenberg Eigenschaften des Sanierungsstandortes Der Sanierungsstandort befindet sich in Berlin-Lichtenberg. Der unmittelbare Standort wird als Grünfläche im Eingangsbereich einer Kirche genutzt. Das Umfeld wird neben der Nutzung durch die Kirche durch öffentliche Verkehrswege, eine Schule sowie durch Wohnbebauung genutzt. Regionalgeologisch ist der Bereich dem Warschau-Berliner-Urstromtal zuzuordnen. In der geologischen Übersichtskarte von Berlin sind für das Untersuchungsgebiet Talsande als Bildungen der letzten Eiszeit (Weichselglazial) ausgewiesen. Das Untersuchungsgebiet liegt außerhalb von Grundwasserschutzzonen. Der Grundwasserabstrom erfolgt nach Süden zur in ca. 400 m Entfernung gelegenen Rummelsburger Bucht. Der Grundwasserstand schwankt zwischen 1,7 und 2,4 m unter GOK. Die Grundwasserfließgeschwindigkeit beträgt ca. 0,5 m/d. Im unmittelbaren Schadensbereich wurden zur Bewertung der Kontaminationssituation sowie zur Untersuchung der aktuellen horizontalen und vertikalen Ausdehnung des Schadens elf Trockenbohrungen abgeteuft. Zur Abgrenzung der horizontalen Ausdehnung und zur orientierenden Beprobung des näheren Umfeldes wurden des Weiteren 13 Rammkernsondierungen durchgeführt. Im Ergebnis konnte neben der Erfassung der geologischen Schichtfolge für den für die Sanierung relevanten Bereich eine horizontale und vertikale Eingrenzung der Schadstoffausbreitung im Boden vorgenommen werden. Das Gelände ist flächendeckend von einer zwischen 1,2 m und 1,8 m mächtigen Aufschüttung überdeckt, die durch Mittel- und Feinsande charakterisiert wird und teilweise erhebliche Beimengungen von Bauschutt aufweist. Unterhalb des Aufschüttungshorizontes schließt sich eine vorwiegend durch Mittelsand charakterisierte Schicht stark schwankender Mächtigkeit, die bei einer Tiefe von 3 bis 4 m unter GOK in mittelsandigen bis feinkiesigen Grobsand übergeht. Während der ungesättigte Bodenbereich im Zuge der Entfernung des erdverlegten Hochspannungskabel 2 bis in eine Tiefe von 1,5 m unter GOK ausgetauscht wurde, belegten die Ergebnisse der Bodenuntersuchungen vor Beginn der Sanierung eine erhebliche Kontamination des Bodens und des Grundwassers durch Kabelisolieröl im gesättigten Bereich. Der Schadenswert der Berliner Liste [2] in Höhe von 500 mg/kg wurde auf einer Fläche von ca. 400 m 2 überschritten. Die maximale Belastung des Bodens im gesättigten Bereich betrug > mg/kg TS. Die höchsten Konzentrationen wurden in 2 m bis 4 m Tiefe unter GOK gefunden. Die Verunreinigung reichte bis in eine Tiefe von 8 m unter GOK. Zur Überwachung des Grundwassers vor, während und nach der Sanierungsmaßnahme wurden im Abstrom, Anstrom und im Schadenszentrum Grundwassermessstellen als Unterflurpegel ausgebaut. Die im Vorfeld der Sanierung aus der im Schadenszentrum errichteten Grundwassermessstelle ermittelte Ausgangsbelastung des Grundwassers mit Kabelöl war mit 180 mg/l extrem hoch. Die abstromig errichtete Grundwassermessstelle war mit 9 mg/l ebenfalls deutlich belastet. Gemessen an den Bewertungskriterien der Berliner Liste [2] ergab sich die Notwendigkeit von Sanierungsmaßnahmen zur Unterbindung der Ausbreitung des Kabelisolieröls im Boden und Grundwasser sowie zur Reduzierung der Grundwasserbelastung und zur Abwehr der Grundwassergefährdung. Biologischer Abbau des Kabelöls Die mikrobiologische Charakterisierung des Standorts belegte das Vorhandensein einer arten- und zahlreichen autochthonen Mikroflora, die in der Lage ist, Kabelisolieröl als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle zu verwerten und vollständig zu Kohlendioxid und Wasser umzusetzen. Kabelisolieröl verwertende Mikroorganismen wurden aus Proben aus dem Schadenszentrum, dem Anstrom und dem Abstrom des kontaminierten Geländes isoliert. Selektierte Mikroorganismen zeichneten sich durch die Fähigkeit zur Bildung von Biotensiden aus, die altlasten spektrum 5/2006

3 zu mobilisieren und einen effektiven biologischen in situ-abbau zu ermöglichen. Kernstück des Verfahrens sind speziell ausgebaute Brunnen, in die eine BioCoal- Filterschicht eingebaut wird, die auf Aktivkohle basiert und Schadstoffe aus dem umlaufenden Wasser filtert. An der Aktivkohle werden Mikroorganismenmischkulturen immobilisiert, die in Voruntersuchungen gezielt für die Sanierung selektiert und vermehrt werden. Die Mikroorganismen bauen die an der Aktivkohle adsorbierten Schadstoffe ab, eine oberirdische Reinigung des umlaufenden Grundwassers ist nicht erforderlich. Abbildung 3: Mikroskopische Aufnahme der Besiedlung eines Kabelöltropfens durch selektierte Mikroorganismen vom Sanierungsstandort in Berlin-Lichtenberg eine Mobilisierung des Kabelisolieröls bewirken und die nicht gelösten, an die Bodenmatrix gebundenen Schadstoffe dem biologischen Abbau verfügbar machen. Eine Mischkultur wurde für die Herstellung des Inokulum dargestellt. Verfahrensbeschreibung Auf der Grundlage der Voruntersuchungen erfolgte die Auswahl des BioLift-Verfahrens der Biopract GmbH mit der Zielstellung, die Reinigung des Bodens und des Grundwassers unter Einbindung des in situ- Abbaus der Schadstoffe durch adaptierte Mikroorganismen zu erreichen. Mit der Entscheidung für eine in situ-sanierung konnten oberirdische Installationen minimiert und die Weiternutzung des Grundstücks während der Sanierungsausführung ermöglicht werden. Das BioLift-Verfahren verbindet hydraulische und mikrobiologische Prozessstufen der in situ-sanierung. Das Verfahren basiert auf einer intensiven Grundwasserumwälzung sowie dem Eintrag von Nährstoffen (stickstoff- und phosphorhaltige Salze), Mikroorganismen und Luftsauerstoff mit dem Ziel, die Schadstoffe Abbildung 5: Brunnenkopf eines BioLift-Brunnens Im Schadenszentrum wurden vier BioLift-Kombinationsbrunnen mit einer Tiefe von 7,20 m installiert. Je zwei Brunnen bilden einen Kreislauf, der zyklisch mit wechselnder Fließrichtung betrieben wird (Wechsel jeweils nach 48 h), um eine intensive Mobilisierung zu ermöglichen und die Bildung bevorzugter Fließwege zu minimieren. Abbildung 4: Prinzip des BioLift-Verfahrens Abbildung 6: Darstellung der horizontalen Schadstoffverteilung im Sediment und der Installationen in einem Lageplan altlasten spektrum 5/2006 3

4 Das BioLift -Verfahren: Anwendung eines mikrobiologisch-hydraulischen in situ-sanierungsverfahrens. Abbildung 7: Anschluss eines Belüftungspegels Darüber hinaus wurde in Richtung des Grundwasserabstroms ein weiterer Brunnen installiert, der ebenfalls mit einer BioCoal-Filterschicht ausgerüstet wurde. Er dient ausschließlich zur Grundwasserförderung. Das aus diesem Brunnen geförderte Grundwasser wird anstromig in einer Rohrrigole versickert, die mit BioCoal als Filtermaterial ausgebaut wurde. Gelöste Nährstoffe werden direkt in den Brunnen eingetragen und mit der Grundwasserumwälzung verteilt. Als Nährstoffe werden vor allem Stickstoffverbindungen und in geringem Maße Phosphate eingesetzt. Die Nährstoffe werden so dosiert, dass stets ein maximales Angebot im Wirkungsbereich der Sanierungsmaßnahme besteht, ohne das geltende Schadenswerte (bspw. Nitrat 40 mg/l) überschritten werden. Acht Bohrungen wurden zu Bodenbelüftungspegeln mit einer Tiefe von 7,20 m (Filterstrecke 1 m) ausgebaut. Der Boden und das Grundwasser werden so mit Sauerstoff, Nährstoffen und Mikroorganismen versorgt. Ergebnisse Im Rahmen der externen Sanierungsüberwachung wurden die Grundwassermessstellen regelmäßig beprobt und auf den Gehalt an Kabelisolieröl sowie auf die Parameter DOC, Ammonium-, Eisen- und Phosphatgehalt sowie ph-wert, Leitfähigkeit und Temperatur untersucht. Im Abstrombereich wurde über den gesamten Zeitraum der Sanierung der Zielwert von 0,4 mg/l im Grundwasser eingehalten. Die Belastung im Schadenszentrum nahm zu Beginn der Sanierung verursacht durch die verfahrensbedingte Mobilisierung deutlich zu (Maximalwert im Schadenszentrum 939 mg/l). Die aus der Mobilisierung resultierenden Belastungsspitzen wurden im Sanierungsverlauf durch den fortschreitenden biologischen Abbau kontinuierlich reduziert. Die Belastung lag im letzten Jahr der Sanierung dauerhaft unterhalb des Zielwertes von 0,4 mg/l. Die Ergebnisse werden in Abbildung 8 dargestellt. Abbildung 8: Belastung des Grund- und Umwälzwassers im Sanierungsverlauf Die Belastung des Umwälzwassers mit Kabelisolieröl wurde nach Inbetriebnahme der Sanierungsanlage im September 2002 durch die Reinigung in den BioCoal- Filterschichten schnell und deutlich reduziert, im weiteren Verlauf der Sanierung war keine Belastung des Umwälzwassers mehr nachweisbar. Die zudosierten Nährstoffe wurden stets vollständig im Einflussbereich der Sanierungsmaßnahme abgebaut. Gelegentlich auftretende abstromige Ammoniumbelastungen lagen im Bereich der Hintergrundbelastung. Eine Beprobung des Bodens im Schadenszentrum erfolgte im Juni Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben, sie belegen den biologischen Abbau des Kabelisolieröls im Untergrund. Zur Bewertung der Mobilisierbarkeit und zur Abbaubarkeit der bei der Beprobung festgestellten Restbelastung des Bodens erfolgten Säulenversuche im Labor der Biopract GmbH. Zur Untersuchung der Mobilität der Restbelastung des Sedimentes wurde gemäß BBodSchV Anhang 1 [1] ein Elutions-Säulenversuch durchgeführt. Da keine validierten Prüfverfahren vorliegen, wurde als Grundlage für die Durchführung die Vornorm DIN V Tabelle 1: Beprobungen des Bodens im Schadenszentrum im Verlauf der Sanierung Bohrung SKS 5/02 TB 1/05 Datum Jun Jan Belastung [mg/kg TS] [mg/kg TS] 1 2 m ugok m ugok m ugok m ugok m ugok m ugok m ugok m ugok m ugok 10 4 altlasten spektrum 5/2006

5 [5] und die Arbeit von ODENSAß / SCHROERS [6] verwendet. Die Elutionssäule wurde über einen Zeitraum von sieben Tagen kontinuierlich im Durchfluss von unten nach oben betrieben. Dabei wurde täglich der Auffangbehälter gewechselt und das Eluat auf den Gehalt an Kabelisolieröl analysiert. Der Kabelisolierölgehalt nahm im Versuchsverlauf kontinuierlich ab. Es stellte sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem kein Kabelisolieröl mehr nachweisbar war. Insgesamt wurden ca. 1: des insgesamt enthaltenen Kabelöls eluiert. Der Versuchsaufbau zur Untersuchung der Abbaubarkeit der Restbelastung des Sedimentes basierte auf der Versuchsbeschreibung der DECHEMA [7]. Es wurden drei parallele Säulen angesetzt, die über unterschiedlich lange Zeiträume betrieben wurden (ein, zwei, drei Monate), um zusätzlich den Verlauf der Schadstoffreduktion zu erfassen und Aussagen über die Restdauer der Sanierung am Standort abzuleiten. Der Kabelisolierölgehalt des Sediments nahm im Versuchsverlauf nur geringfügig ab. Nach einer Versuchsdauer von drei Monaten wurde eine Reduktion um ca mg/kg festgestellt, die in einer über den gleichen Zeitraum betriebenen abiotischen Kontrolle nicht auftrat. Die Ergebnisse belegten ein nach wie vor vorhandenes, jedoch geringes Abbaupotenzial. Bewertung Basierend auf den im Sanierungsverlauf durchgeführten Untersuchungen zur Bewertung der Sanierungsmaßnahme (Untersuchungen des Grundwassers, des Sediments, Säulenversuche) konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz des BioLift-Verfahrens die Ölkontamination des Grundwassers beseitigt werden konnte und im Boden soweit abgereinigt wurde, dass von dem im Boden verbliebenen Restschaden keine weitere Gefährdung für das Grundwasser zu erwarten ist. Die Belastung des Grundwassers konnte innerhalb von zwei Jahren auf Werte unterhalb des Zielwertes von 0,4 mg/l abgesenkt werden. Die Belastung des Bodens wurde im gesamten Sanierungszeitraum von drei Jahren deutlich reduziert. Die durchgeführten Untersuchungen zur Mobilität der verbliebenen Restschadstoffe haben ergeben, dass unter Standortbedingungen nur eine geringe Elution der Restschadstoffe (< 1:10.000) erfolgt. Andererseits bedeutet dies auch, dass die Schadstoffe nicht mobilisierbar sind und somit dem biologischen Abbau nur in begrenztem Maße zur Verfügung stehen. Die Ergebnisse der Abbauversuche haben gezeigt, dass nur noch ein geringes biologisches Abbaupotenzial vorhanden ist und der weitere Abbau unter optimalen Bedingungen nur noch sehr langsam voran schreitet. Die Geschwindigkeit und der Grad des biologischen Abbaus von Mineralölkohlenwasserstoffen hängen von der Verfügbarkeit der Kontaminanten und einer optimalen Versorgung der mikrobiellen Abbauprozesse mit Sauerstoff sowie Stickstoff- und Phosphorquellen ab. Es ist davon auszugehen, dass mit fortschreitender Sanierungsdauer unter verfahrenstechnisch optimierten Bedingungen die Verfügbarkeit der Mineralölkohlenwasserstoffe die Geschwindigkeit des Schadstoffabbaus und somit den Grad der mit vertretbarem finanziellen Aufwand erreichbaren Sanierungsziele bestimmt. Es kann erwartet werden, dass das am Standort vorhandene, durch adaptierte Mikroorganismen etablierte Selbstreinigungspotenzial zu einer weiteren in situ Abreinigung der Schadstoffe führen wird, die Abbaugeschwindigkeit jedoch durch technische Maßnahmen nicht mehr gesteigert werden kann. Literatur [1] BUNDESMINISTERIUM DER JUSTIZ (Hrsg.) (1999) Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung, Bundesgesetzblatt Nr. 36, S1554 [2] SENATSVERWALTUNG FÜR STADTENTWICKLUNG UND UMWELT- SCHUTZ (HRSG.) (1994) Bewertungskriterien für die Beurteilung stofflicher Belastungen von Böden und Grundwasser in Berlin (Berliner Liste) [3] ADOLPHI, P. (1992) Kurzbericht zur Bewertung von Analysen unterschiedlich alter Isolieröle aus dem Einsatzgebiet Kabelöl der EBAG. Bergakademie Freiberg [4] GEOCONSULT GESELLSCHAFT FÜR GEOLOGIE, HYDROLOGIE UND UMWELTFRAGEN MBH (1993) Gutachten zur geochemischen Charakterisierung des EBAG Kabelöls hinsichtlich seiner Alterungs-, Verweil- und Migrationseigenschaften im Boden von Kabelöl-Havariebereichen [5] DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG (Hrsg.) (1998) DIN V Bodenbeschaffenheit, Ableitung von Konzentrationen organischer Schadstoffe im Bodenwasser [6] ODENSAß, M. / SCHROERS, S. (1998) Säulenversuche eine geeignete Methode zur Ermittlung der Sickerwasserkonzentration organischer Schadstoffe nach Bodenschutz- und Altlastenverordnung. In: Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen (Hrsg.) Jahresbericht 1998 [7] KLEIN, J. (Hrsg.) (1992) DECHEMA - Fachgespräche Umweltschutz, Laboratory Methods for the evaluation for biological soil cleanup processes. Anschrift der Autoren Dipl.-Ing. Mark Zittwitz; Ingaas GmbH, Bismarckstr. 1, Berlin Tel. / Fax: 030/ / zittwitz@ingaas.de Dr. Ing. Matthias Gerhardt, Biopract GmbH, Rudower Chaussee 29, Berlin Tel. / Fax: 030/ / gerhardt@biopract.de Uwe Sperlich, Vattenfall Europe Berlin AG & Co KG, Puschkinallee 52, Berlin Tel. / Fax: 030/ / uwe.sperlich@vattenfall.de Rüdiger Helbig, Vattenfall Europe Berlin AG & Co KG, Puschkinallee 52, Berlin Tel. / Fax: 030/ / helbig.ruediger@vattenfall.de altlasten spektrum 5/2006 5