FORSCHUNGSVORHABEN ZUR ABSCHÄTZUNG DER SANIERUNGSDAUER

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1 FORSCHUNGSVORHABEN ZUR ABSCHÄTZUNG DER SANIERUNGSDAUER Dr. T. Held, Dr. E. Goldbach (Arcadis Germany GmbH) P. Kahl, A. Sohr (LfULG) XXV. Sächsisches Altlastenkolloquium, 07./ Ballsaal Lindengarten, Quality Hotel Plaza Dresden

2 Altlastenbearbeitung Detailuntersuchung Sanierungsuntersuchung Sanierungsplan Ausschreibung / Durchführung Nachüberwachung Abschätzung der Sanierungsdauer auf der Stufe der Sanierungsuntersuchung erforderlich Limitierte Daten verfügbar Vereinfachtes Abschätzungsmodell erforderlich Verwendung von Voreinstellungen erforderlich

3 Kosten Kosten = Investitionskosten + Jährliche Betriebskosten * Zeit Sanierungsdauer = Schadstoffinventar* Entfernung- / Abbaurate Ungenaue Schätzung der Sanierungszeit Kostensicherheit gering Reputation des Verfahrens (funktioniert nicht) Eventuell Auswahl suboptimaler Technologie * Abzüglich akzeptierter residualer Belastung am Sanierungsende

4 Kosten bis zum Erreichen des Sanierungsziels [ ] Kostenstruktur Projektierte Zeit und Kosten Projektlimits Unsicherheitsbereich Thermisch ISCO Optimierung Biologischer Abbau Zeit bis zum Erreichen des Sanierungsziels [a]

5 EXCEL-basierte Tools Abschätzung der Sanierungsdauer Tools für Elektronenakzeptor-Injektion (Nitrat, Sulfat) Airsparging Anaerober LCKW-Abbau Enhanced Reductive Dechlorination (ERD) ISCO (Permanganat, Persulfat) Thermische Desorption (ECH) Pump & Treat Bodenluftabsaugung

6 SCHADSTOFFINVENTAR

7 Schadstoff-Konzentration Die Modelle rechnen mit einer einzigen Konzentration, wahlweise Mittel wert Flächengewichteter Mittelwert

8 Schadstoffe [mg/kg] Schadstoff-Verteilung Mittel wert (MW) Konvention: Verwendung von MW + 2s s = Standardabweichung Probe (sortiert nach Größe)

9 Flächengewichteter Mittelwert m B Flächeninventar einer Bohrung [mg/m²] n Anzahl der beprobten Horizonte einer Bohrung [-] c i Schadstoffgehalte im Boden des Horizonts i [mg/kg] ρb Schüttdichte des Bodens [kg/m³] (1.800 kg/m³) M i Mächtigkeit des Horizonts i [m] m B = n i=1 c i ρ B M i M I Schadstoffmasse im gesamten kontaminierten Bodenkörper (Inventar) [mg/m²] FR i Flächenrepräsentanz für die Fläche i [m²] m B,i Gewichtete Schadstoffkonzentration der Fläche i [mg/m²] n Anzahl der Flächen (Bohrung) [-] M I = n i=1 m B,i FR i Mittlere Konzentration: M I /Volumen kontaminierter Boden

10 Flächenrepräsentanz: Thiessen-Polygone Kann manuell berechnet werden (Halblänge zu benachbarten Punkten) Kann über GIS berechnet werden Maximale Entfernungen anwenden (wo keine Nachbarn existieren)( ) FR i

11 HETEROGENITÄT

12 Heterogenität (Lorenz-Kurve, Gini-Koeffizient) Kumulierte Dk f Index Inkremente Heterogenität = Verteilung der hydraulischen Permeabilität (Speicherung vs. Mobilität) (skalenabhängig) Definition des Modellraumes Beeinflusst die Sanierungszeit Relation? Modellierung (virtueller Grundwasserleiter) "Korrekturfaktor" ( 1) Alle kinetischen Parameter werden mit dem Korrekturfaktor multipliziert Dominierend: Mächtigkeit der interkalierenden geringpermeablen Schicht

13 Tiefe (m) Kumulierte Rf Berechnungen Import Data Generate Raw Data Calculate Gini Coefficient Probing Mean Value Standard Gini Area Deviation Coefficient DP-12 2,434 2,261 0,879 0,759 DP-13 3,174 2,360 0,865 0,731 DP-14 3,045 2,282 0,867 0,734 DP-15 3,984 12,323 0,916 0, Rf (%) ,8 4 0,6 6 0, , ,2 0,4 0,6 0,8 1 Kumulierte Increment Tiefe

14 TOOLS

15 Startseite Berechnung der Sanierungsdauer Mikrobiologische Sanierung durch Injektion von Elektronenakzeptoren Version 1.0 Schadstoffbelastung Heterogenität Boden- Charakterisierung Sanierungsdesign Grundwasser- Charakterisierung Schadstoff- Datenbank Berechnung Sanierungsdauer

16 Schadstoffbelastung MB + 2 s Inventar Schadstoff Geometrie des Schadensherdes Einheit Wert Schadstoffstatistik Einheit AKW Oxigenate n-alkane [mg/m² OS] [kg] Benzol B 6 0 Mittlere Länge (Schadensherd) m 20 Minimum mg/kg OS Toluol T 6 0 Mittlere Breite (Schadensherd) m 10 Maximum mg/kg OS Ethylbenzol ETBE 6 0 Fläche der Belastung m² 200 Median mg/kg OS o-xylol ox 6 0 Oberkante der Belastung m u. GOK 5 Mittlere Konzentration (arithm.) mg/kg OS m-xylol mx 38 0 Unterkante der Belastung m u. GOK 10 Standardabweichung mg/kg OS p-xylol px 6 0 Mittlere Mächtigkeit (Schadensherd) m 5 MW + 2 s mg/kg OS n-propylbenzol npb 6 0 Bodenlagerungsdichte kg/l 1,5 Schadstoffinventar (mittelwertbezogen) kg Isopropylbenzol ipb 6 0 m³ Schadstoffinventar (flächengewichtet) kg Volumen kontaminierter Boden o-ethyltoluol oet 6 0 t m-ethyltoluol oet 6 0 Grundwasserflurabstand m u. GOK 5 p-ethyltoluol pet 6 0 1,2-Diethylbenzol 12DEB 6 0 1,3-Diethylbenzol 13DEB 6 0 1,4-Diethylbenzol 14DEB ,2,3-Trimethylbenzol 123TMB 6 0 1,2,4-Trimethylbenzol 124TMB 6 0 1,3,5-Trimethylbenzol 135TMB 6 0 AKW n-pentan nc n-hexan nc n-heptan nc n-octan nc n-nonan nc n-decan nc n-alkane MTBE (Methyl-tert-butylether) Schadstoffkonzentrationen im gesättigten Boden (sedimentbezogene Werte) Schadstoffkonzentrationen im gesättigten Boden (nur Konzentrationen im Grundwasser) Startseite Tabelle löschen

17 Bodencharakterisierung Parameter Einheit Hauptbodenart Nebenbodenart Sondierung Gini-Koeffizient Grobsand Feinsand Startseite Relativer Anteil (geschätzt) % Wassersättigung (ungesättigter Boden) S W - 0,26 0,26 Durchlässigkeitsbeiwert (k f ) k f m/s 2,00E-04 1,00E-05 5,0E-02 Nutzbare Porosität (n eff ) n eff - 0,20 0,10 Gesamtporosität (Hohlraumvolumen) n - 0,33 0,33 Organischer Kohlenstoffgehalt f OC - 0,01 0,01 Korndichte ρ s kg/m³ Lagerungsdichte d kg/l 1,52 1,52 Anteil (Bodenkorn) n M kg/m³ 1015, ,05 Mittlerer Kornradius (d 50 ) d 50 m 1,32E-03 1,32E-04 Tortouistät in der Wasserphase (t w ) t w - 5,0 10,0 Wärmeleitfähigkeit (l) l W/(m K) 3,72 2,75 Temperaturleitfähigkeit (a) Gering 0,1 1,49E-03 1,10E-03 Untergrundtemperatur (T 0 ) T 0 K 283,15 283,15 Spezifische Wärmekapazität (Bodenkorn) c M kj/(kg K)

18 Konzentration sorbierte Phase [mg/kg] Konzentration Residualphase [mg/kg] Berechnung Anzahl der Injektionen Konzentration im Grundwasser [µg/l] Parameter Einheit Wert Ergebnisparameter Einheit Wert Schadstoffbelastung Sanierungserfolg Relevante Konzentration Grundwasser C w µg/l Gesamtdauer der Sanierung Tage 2088 Mittlere Konzentration Boden C ges mg/kg 0,00E+00 Schadstoffendkonzentration µg/l 99 Grenzkonzentration Boden C grenz mg/kg 1707 Dimensionierung Injektionen Konzentration Residualphase C res mg/kg 0 Infiltriertes Volumen pro Pegel m Konzentration Sorbierte Phase C s mg/kg 0 Injektionsradius (ROI) m 8,0 Sanierungszielwert - µg/l 100 Dauer eines Injektionszyklus h 25,8 Stoffparameter Durchflussrate pro Pegel L/s 2,1 Verteilungskoeffizient Boden-Wasser K D L/kg 6,5 Injektionen unproduktiver EA-Verbrauch Anzahl 38 Abbaurate l d -1 0,068 Injektionen Schadstoffaustrag für betrachteten Stoff Anzahl 29 Modifizierte Reynoldszahl Re' - 1,0E-03 Gesamtinjektionen für betrachteten Stoff Anzahl 67 Dichte des Schadstoffes ρ O kg/l 0,87 Diffusionskoeffizient (in Wasser) D w m²/s 6,37E-10 Betrachteter Schadstoff Summe AKW Stöchiometrischer Abbau-Faktor - g/g 4,94 Startseite Kumulierte Anzahl der Injektionen Konzentration in der wässrigen Phase Zeit [d] Zeit [d] Abbau der sorbierten Phase Abbau der Residualphase 3 1 2,5 0,9 0,8 2 1,5 1 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Kein Abbau von Residualphase berücksichtigt! 0,5 0, Zeit [d] 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Zeit [d]

19 VALIDIERUNG

20 Validierungsergebnisse Abgeschlossene Sanierungsprojekte Fall Reale Sanierungsdauer [a] Berechnete Sanierungsdauer [a] Bodenluftabsaugung 0,9 0,97 Airsparging (Grid!) 7,4 4,1 ISCO (2 Injektionen) 0,4 > 10 P&T 9,0 12,3 Thermal (ECH) (Pilotversuch) 0,75 0,22

21 Validierung Herausforderung, unregelmäßiges Pegelnetz in ein reguläres umzuwandeln Im Rückblick kann ein unzureichendes Sanierungsdesign nicht mit dem Tool modelliert werden Ältere Projekte sind in der Regel nicht ausreichend erkundet

22 Sanierungsdauer: Einflussfaktoren Die Festlegung des Sanierungsziels hat entscheidende Auswirkung auf die Sanierungsdauer Literaturrecherche: es gibt nahezu keine Literatur zu diesem Thema

23 Sanierungsdauer: Einflussfaktoren Kontamination Schadstoffphasen (gelöst, sorbiert, Produktphase: mobil od. residual) Heterogenität Aquiferpermeabilität, Schadstoffverteilung Stofftransferprozesse Advektion Desorption, Diffusion, Solubilisierung Kinetik der Reagenzien Dominanz des hydraulischen Austrags gegenüber der Reaktion Nebenreaktionen (nicht produktiver Verbrauch) Sanierungsdesign Injektion/Lieferung (Temperatur, Sauerstofflieferung via Airsparging) ROI (vollräumlich vs. Barriere) Sanierungszielwerte

24 FAZIT

25 Fazit Viele Sanierungsuntersuchungen basieren auf der Analyse von Schadstoffkonzentrationen im Grundwasser, so dass keine Inventarberechnung möglich ist (K OC -Konzept wegen residualer Produktphase nicht gültig) Ohne Inventare kann die Sanierungsdauer nicht berechnet werden (Bedarf an Elektronenakzeptoren, Oxidantien, Pumpvolumina etc.) Tools helfen bei der Erstellung einer angepassten Sanierungsauslegung (Design) Werte für einige Grundeinstellungen fehlen (z. B. unproduktiver Verbrauch von Elektronenakzeptoren; nichts aus der Literatur verfügbar) Geringfügig erhöhte Anforderungen an die Untersuchung während der Sanierungsbegutachtung Nichtbeachtung einiger Operating Windows" bei der Sanierungsuntersuchung ausgeschlossen (z. B. 3 g/kg Aromaten erfordern > 100 E A -Injektionen) Tools erlauben größere Kostensicherheit Tools erlauben die Auswahl des am besten geeigneten Verfahrens

26 Arcadis. Improving quality of life.