SICHERUNG DER EHEM. TEERFABRIK LANG IN OFFENBACH

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Ida Kappel
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1 SICHERUNG DER EHEM. TEERFABRIK LANG IN OFFENBACH Voruntersuchungen, Technische Auslegung und Anlauf-Phase Dipl.-Geol. Axel Müller, Dr. Andreas Tiehm

TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser Einrichtung des DVGW Zielgerichtete Praxisforschung für das Wasserfach: Expertisen, Studien, Prüfungsleistungen Unabhängig und gemeinnützig Hauptsitz Karlsruhe

2 TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser Einrichtung des DVGW Zielgerichtete Praxisforschung für das Wasserfach: Expertisen, Studien, Prüfungsleistungen Unabhängig und gemeinnützig Hauptsitz Karlsruhe Außenstellen in Dresden und Hamburg Heinrich-Sontheimer-Laboratorium (gemeinsame Einrichtung mit den Stadtwerken Karlsruhe) Insgesamt 150 Vollzeitmitarbeiter Jahresumsatz ca. 13 Mio. Finanzierung - 35 % Forschungsprojekte - 65 % Kooperationen mit Wasserwerken 2

UMWELTBIOTECHNOLOGIE UND ALTLASTEN Fachliche Begleitung zur Altlastensanierung (Erkundung, Bewertung, Sanierungskonzept) Natürliche Selbstreinigungsprozesse (Natural Attenuation) Mikrobieller Abbau

3 UMWELTBIOTECHNOLOGIE UND ALTLASTEN Fachliche Begleitung zur Altlastensanierung (Erkundung, Bewertung, Sanierungskonzept) Natürliche Selbstreinigungsprozesse (Natural Attenuation) Mikrobieller Abbau organischer Schadstoffe Kombination von mikrobiologischen und physikalisch/chemischen Verfahren Passive Abstrombarrieren Toxizitätsuntersuchungen Molekularbiologische Methoden (Bakterien, Viren) Abwasser- und Klärschlammbehandlung Abwassernutzung und Grundwasser-Anreicherung Integrated Water Resources Management (IWRM) 3

4 GLIEDERUNG Verfahren zur Schadstoff-Elimination Voruntersuchungen Konsequenzen für das Reaktordesign & Technische Auslegung Anlauf-Phase zur Etablierung der Mikroflora 4

5 SCHADSTOFFENTFERNUNG (BIOLOGISCH / ADSORPTIV) Schadstoff Konzentration Aerober Abbau Aktivkohle- Adsorption BTEX-Aromaten µg/l ++ + Übrige AKW µg/l Naphthalin µg/l kernige PAK 400 µg/l kernige PAK 5 µg/l +/- +++ NSO-Heterozyklen µg/l gut +/- mittel / nicht abbaubar + mittel ++ gut +++ sehr gut 5

6 BEHANDLUNGSKONZEPT (2002) Aquifer Zugabe H 2 O 2, NO 3 PO 4 Bioreaktor aerober Abbau der Schadstoffe Aktivkohle Sorption der nicht-abbaubaren Schadstoffe Aquifer 6

SCHLÜSSELFRAGEN BIOREAKTOR & DIE SUCHE NACH ANTWORTEN Welche Kontaminanten werden durch die autochthone Mikroflora abgebaut? Wie lange dauert der Abbau?

7 SCHLÜSSELFRAGEN BIOREAKTOR & DIE SUCHE NACH ANTWORTEN Welche Kontaminanten werden durch die autochthone Mikroflora abgebaut? Wie lange dauert der Abbau? Welche Mengen an Sauerstoff (H 2 O 2 ) und Nährstoffen werden benötigt? Wie entwickeln sich die Keimzahlen und die Toxizität während des biologischen Abbaus? Schritt 1: Batchversuche im Labor Schritt 2: Säulenversuche im Labor Schritt 3: On-site Säulenversuch System wird komplexer und nähert sich den Standortbedingungen an 7

8 ERGEBNISSE DER BATCHVERSUCHE (2003) Abbau der Aromaten Benzene Ethylbenzene m-xylene p-xylene o-xylene Naphtalene Methane 1 c/c steril [-] 1 Abbau der NSO-Heterozyklen Benzofuran Benzothiophene Dibenzofuran Dibenzothiophene Carbazole Zeit [d] vollständiger Abbau unter aeroben Bedingungen (Zugabe von 50 mg/l H 2 O 2 ) Zeit [d] O 2 -Verbrauch durch Methan-Abbau ist zu berücksichtigen 8

9 VERSUCHSAUFBAU SÄULENVERSUCH Bioreaktor Anaerob-Behälter Standortgrundwasser Aktivkohle 9

10 ERGEBNISSE DER SÄULENVERSUCHE (2004) steigendes H 2 O 2 -Angebot [mg/l] Nitrat Angebot: konst. 40 mg/l 1, Benzene Ethylbenzene m-xylene p-xylene Ethylbenzene o-xylene Naphthalene c/c 0 [-] 0,8 0,6 Methane 0,4 0, Time [d] wenige Kontaminanten auch unter denitrifizierenden Bedingungen abbaubar für vollständigen Abbau zwei Dosierungsstellen notwendig Eisen-Ausfällungen setzen Hydraulische Durchlässigkeit herab 10

11 ON-SITE-SÄULENANLAGE (2004) Schrägklärer Schrägklärer Bioreaktoren on-site-container (air-conditioned) 11

12 ABBAULEISTUNG MIT VORGESCHALTETEM SCHRÄGKLÄRER 20 Einbau Schrägklärer Summe BTEX + NAP [mg/l] Rohwasser Ablauf Schrägklärer Ablauf Fe(III)-Filtration Ablauf Bioreaktor 1 Ablauf Bioreaktor Betriebsdauer [d] 12

13 contaminants Mikrobielle Abbauleistung biodegraded [%] ABBAULEISTUNG BIOREAKTOR substantieller Abbau der meisten Kontaminanten 13

14 Mikrobielle Abbauleistung [%] ABBAULEISTUNG BIOREAKTOR Bioreaktor Bioreaktor Abbau aller Kontaminanten zu mehr als 90 % 14

15 ENTWICKLUNG DER BAKTERIENZAHLEN Keime/mL Grundwasser 1E+07 1E+06 1E+05 1E+04 1E+03 1E+02 Gesamtkeimzahl BTEX-Verwerter 2- und 3-kernige PAK-Verwerter steigende Gesamtkeimzahlen und aerobe Schadstoff-Verwerter 1E+01 Rohwasser Ablauf Schrägklärer nach 1. H 2 O 2 - Zugabe nach 2. H 2 O 2 - Zugabe Ablauf Ablauf Aktivkohle Bioreaktor 15

AUSLEGUNG UND BETRIEBSFÜHRUNG DES PILOTREAKTORS (ERSTE AUSBAUSTUFE) Enteisenung im Schrägklärer 3-stufig gegliederter Bioreaktor (einschließlich Mehrfachdosierung) mit einer Verweilzeit von 72

16 AUSLEGUNG UND BETRIEBSFÜHRUNG DES PILOTREAKTORS (ERSTE AUSBAUSTUFE) Enteisenung im Schrägklärer 3-stufig gegliederter Bioreaktor (einschließlich Mehrfachdosierung) mit einer Verweilzeit von 72 Stunden Teerölphase Pilotreaktor Dosierung mind. rd. 180 mg H 2 O 2 pro Liter zu behandelndes Rohwasser zwischengeschaltete Freiwasserzonen zur optimalen Verteilung des mit Sauerstoff und Nährstoffen konditionierten Grundwassers nachgeschaltete Aktivkohlezone nur optional stufenweise und moderate Steigerung der Dosierung in der Anlaufphase 16

17 BEHANDLUNGSKONZEPT PILOTREAKTOR (2004) Zugabe H 2 O 2 Zugabe H 2 O 2, NO 3 PO 4 Aquifer Kiesfilter, Zulauf Sedimentation Bioreaktor (Aktivkohle) Kiesfilter, Zulauf Teerölphase Enteisenung und aerober Abbau aerober Abbau (3-stufig) Pilotreaktor (Sorption nur als Rückfalloption) Aquifer 17

18 REAKTORDESIGN (LÄNGSSCHNITT) D1 D2 D3 D4 18

19 vor Reaktorbau STÖRUNG DER HYDROGEOCHEMISCHEN BEDINGUNGEN GWM 19 PAK 2-16 Störung nach etwa 2 Jahren abgeklungen keine Daten Zulauf Schrägklärer 19

20 ANLAUF-PHASE ( ) STEIGERUNG DER GESAMTDOSIERUNGEN H2O2 (Vorgabe) H2O2 (gemessen) Dosierung H 2 O 2, Nitrat [mg/l] Nitrat (Vorgabe) Phosphat (Vorgabe) Nitrat (gemessen) Phosphat (gemessen) Betriebsdauer [d] Dosierung Phosphat [mg/l] 20

21 ANLAUF-PHASE ( ) ABBAU EPA-PAK ,00 PAK o. Naphth. [µg/l] 100,00 10,00 1,00 0,10 0,01 Sanierungszielwert ( 50 m Linie ) Betriebsdauer [d] Ende der Anlauf-Phase: Adaption auch der Bioreaktoren 2 und 3 21

ANLAUF-PHASE (2007-2009) TOXIZITÄT Ende der

Reaktorablauf 1/EC 20 = Kehrwert aus dem

22 ANLAUF-PHASE ( ) TOXIZITÄT Ende der Anlauf-Phase: keine Hinweise auf toxische Substanzen Ablauf Schrägklärer Ablauf Bioreaktor 1 Ablauf Bioreaktor 2 Rohwasser Reaktorablauf 1/EC 20 = Kehrwert aus dem Anteil Grundwasser, bei dem die Hemmung der Biolumineszenz 20 % beträgt 22

23 ENDE DER ANLAUF-PHASE (2009) SCHADSTOFF-ELIMINATION Contaminants, Methane [µg/l] Schadstoffe, Methan Schadstoffe, Methan [mg/l] Contaminants, Methane [µg/l] [mg/l] ,1 0, Schrägklärer Schrägklärer Bioreaktor 1 Bioreaktor 2 Bioreaktor Bioreaktor 1 Bioreaktor 2 Bioreaktor 3 23

24 ENDE DER ANLAUF-PHASE MIKROBIOLOGISCHE BESIEDELUNG Aerobe Schadstoff- Verwerter, Methanotrophe Nitrifikanten Keimzahlen [Keime / g Boden TS] 1,E+07 Dosierung 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 B1 vorne Dosierung B1 mitte B2 vorne Dosierung B2 mitte BTEX-Verw. PAK(GI)-Verwerter PAK(GII)-Verwerter Methanotrophe B3 vorne B3 mitte Bio 1 Bio 2 Bio 3 Biomassewachstum im vorderen Bereich der Reaktoren Nitrifikation in Bio 2 und 3 Keimzahlen [Keime / g Boden TS] 1,E+07 Dosierung 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 B1 vorne Dosierung B1 mitte B2 vorne Nitrifikanten (Ammonium-oxidierer) Dosierung B2 mitte B3 vorne B3 mitte Bio 1 Bio 2 Bio

25 ENDE DER ANLAUF-PHASE BIOABBAU INNERHALB DER REAKTOREN Schadstoff-Abbau im vorderen Bereich der Reaktoren O 2 -Limitierung in den hinteren Bereichen 25

26 Fazit Labor-/On-site-Versuche sind Voraussetzung für eine Standort-angepasste Auslegung des Bioreaktors adaptierter Reaktor baut BTEX, PAK, NSO-HET & Phenole zu fast 100% ab: Sanierungszielwerte (50 m-linie) werden bei Störungs-freien Betrieb bereits im Reaktor eingehalten keine Hinweise auf toxisch wirkende Substanzen im Gate-Ablauf (keine messbare Toxizität im Leuchtbakterienhemmtest) Nebenprozesse: Aerober Abbau von Methan, Ammonium und unspezifischen organischen Stoffen (Huminstoffe etc.) Biomonitoring beweist den aeroben Abbau Gleichmäßiger Bewuchs über den gesamten Querschnitt verringert Bio- Fouling Abbauaktive Bereiche mit stärkstem Bewuchs im vordersten Teil der Module, zur Verfügung stehende Dimensionen decken erforderliche Mindest- Verweilzeiten/Reaktorvolumina großzügig ab: Optimierungspotential zukünftiger Reaktorsysteme 26

27 DANKE dem BMBF (RUBIN-Verbundprojekte) dem BMWi (ZIM-Förderprogramm) für die finanzielle Förderung den Projektpartnern den Kollegen am TZW Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dipl.-Geol. A. Müller

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