Optimierte Entscheidungsfindung bei Verfahrenskombinationen

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1 Infoveranstaltung der SBB und der IHKs in Brandenburg Planung und Durchführung abfallarmer Bodensanierung Kosten- und abfalloptimierte Methoden der In-situ-Sanierung 08. Oktober 2009, IHK Potsdam Optimierte Entscheidungsfindung bei Verfahrenskombinationen Dr. Thomas Held

2 Warum Verfahrenskombinationen? Konzeptionelles Standortmodell Prozesse Sanierungsverfahren: Einige Designkriterien Genehmigungsaspekte Nachhaltigkeit

3 Asymptotischer Zielwert (Pump & Treat) Jedes Jedes Verfahren hat hat einen einen definierten optimale Kosten/Wirksamkeits-Bereich Entfernte LCKW-M asse. (kumuliert) [kg] SZW: 80 µg/l 100 Entfernte LCKW-Masee Mittlere Konzentration 0 Jan 89 Jan 90 Jan 91 Jan 92 Jan 93 Jan 94 Jan 95 Jan 96 Jan 97 Jan 98 Jan 99 Jan Mittlere LCKW-Konzentration [µg/l] Abfallproduktion (Eisenschlamm) und und Betriebskosten (Energie) steigen nahezu nahezu linear linear mit mit der der Zeit Zeit

4 Schadstoffverteilung Grundwasserstömung kg 1 g Schadstoffmasse im Auifer [kg/m 3 ] SZW mobil residual NAPL-Masse Sorbierte Masse Migrierende gelöste Masse Statische gelöste Masse Gesamte nicht-wässrige Masse (Phase) Gesamte Masse in der Wasser-Phase Effizient: > 99,99 % m glich? Effizient: > 99,99 % m glich?

5 1,E+03 Benzene 1,E+02 Toluene 1,E+01 Ethylbenzene p-xylene F [mg/d] 1,E+00 1,E-01 o-xylene Propylbenzene 1,2,4-Trimethylbenzene Zeitskalen: Schadstoff- Freisetzung (NAPL- Blobs) 1,E-02 1,E-03 1,E-04 0,001 0, Time [years] 1,E+03 1,E+02 1,E ,2,3-Trimethylbenzene 1,3,5-Trimethylbenzene Benzofuran Indane Indene F total Naphthalene 2-Methylnaphthalene 1-Methylnaphthalene Acenaphthylene Acenaphtene Fluorene F [mg/d] 1,E+00 1,E-01 Phenanthrene Anthracene Fluoranthene Pyrene Quelle: Grathwohl, ,E-02 Benz(a)anthracene Chrysene 1,E-03 Benzo(b)fluoranthene Benz(a)pyrene 1,E-04 0 Dibenz(a,h)anthracene F total 0,001 0, M/Mo Time [years]

6 Sanierungsabfolge (Treatment Train) Verfahren 1 Verfahren 2 Verfahren 3 MNA? Konzentration Desorption Generell: Ein Ein Verfahren wird wird stets stets mit mit einem einem milderen 0 Verfahren 1 ersetzt ersetzt Zeit

7 Technologie-Folgen (theoretisch) ISCO Tensid Flushing? Tensid Flushing IRZ MNA EZVI IRZ MNA

8 Sanierungsabfolge Kombination aufgrund unterschiedlicher Kosten/ Wirksamkeits-Bereiche Kombinierbarkeit Generelle Machbarkeit am Standort

10 The World is Heterogeneous

11 Schadstoffverteilung Bioscreens Bioventing Natural Attenuation Bioslurping Hydraulical Circuits Groundwater Circulation Wells Biosparging Funnel and Gate

12 Konzeptionelles Standortmodell Stoffeigenschaften Transportprozesse Geologie Hydrogeologie Konzentrationsverminderungsprozesse Abbau (biologisch, chemisch) Sorption Immobilisierung

13 Verteilung von LCKW-Phasen im Grundwasserleiter DNAPL Z [m] Pooling -Effekte infolge der gering durchlässigen Sandlinsen Schichteffekte im homogenen Sand infolge von kleinskaligen Heterogenitäten X [m] Quelle: H. Sheta Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung

14 Datenintegration Inverse Distance Methode

15 Konzeptionelles Standortmodell (CSM) Definition CSM ist ein Zusammenstellung von regionalen und standortspezifischen Daten zur Beschreibung des Standortes und der äußeren Umstände Zusammenführen aller Daten zur plausiblen Erklärung von Schadstoffverteilungs- und Abbauprozessen Optional wird auf Basis der erhobene Daten eine mathematische Modellvorstellung generiert. Darauf baut eine Modell-Evaluierung (analytisch oder numerisch) des Systemverhaltens und der Systemleistungen auf Ein konzeptionelles Modell kann ualitativ oder uantitativ sein

16 Konzeptionelles Standortmodell: Beispiel

18 Klassischer Transport und Schadstoffverminderung

19 Transport und Schadstoffverminderung Realistisches Konzept

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

21 Rückdiffusion

22 Zeitskalen: Diffusion in Tonschichten TCE MNA immer letztes Verfahren? MNA immer letztes Verfahren? Quelle: Grathwohl, 2001

23 Sanierungsverfahren: Fixpunkte Ende: MNA Start: Quellensanierung Wie weit muss die Quellensanierung reichen, damit ein Schutz sensitiver Rezeptoren gewährleistet ist oder Wie weit muss die Quellensanierung reichen, damit MNA ausreichend effektiv ist?

24 Effekt der Quellensanierung Abnahme der Schadstoffkonzentration im Grundwasser [%] Surfactant Flushing ISCO Thermal Treatment Biodegradation Massenreduktion Reduction in the der Source Quelle [%] Ref.: McGuire et al., GWMR 26 (1), 73-84

25 Rebound-Effekt Länge Länge der der Massentransferzone Massentransferzone 1,0 C/C Strömungsstrecke [m] Ref.: C. Eberhard, 2001

26 Rebound-Effekt Legende Maximum 75. Percentil Median 25. Percentil Minimum Relative Abnahme der Konzentrationen der Ausgangs- Schadstoffe (LCKW) [%] Sanierungsende End of Ende of Über- after Sanierungs- End of End Ende of Über- after Sanierungs- End of Ende of Über- after Sanierungs- End of Ende of Über- after remediation carewachung monitoring remediation ende carewachung monitoring remediation ende care wachung monitoring remediation ende carewachung monitoring Biosanierung (n = 10) ISCO (n = 7) Tensid / L sungsvermittler (n = 2) Thermische Behandlung (n = 1) Ref: McGuire et al., GWMR 26 (1), 73-84

28 Sanierungsverfahren (Überblick) Quellensanierung Phasenentfernung Ex-situ-Verfahren In-situ-Verfahren Fahnensanierung Aktive Verfahren MNA In-situ-Verfahren Mikrobielle Verfahren Chemische Verfahren Physikalische Verfahren Mechanische Verfahren

29 Marktrends in den USA P&T als Sanierungsverfahren In-situ-Reaktive Zone als alleiniges Sanierungsverfahren Kombiniertes Verfahren: Physikalische Quellensanierung und In-situ- Reaktive Zone für die Fahne P&T als Sicherungsverfahren Nat l Nat lacad. Sci. Sci. Bericht Bericht zu zu Pumpand-Treat Pumpand-Treat US-EPA US-EPA Bericht Bericht zu zu DNAPL-Sanierbarkeit DNAPL-Sanierbarkeit Nat l Nat lacad. Bericht Bericht zu zu DNAPL-Sanierbarkeit DNAPL-Sanierbarkeit

30 Sanierungsverfahren: Auswahlkriterien Verfügbarkeit Machbarkeit am Standort Kosten Nachhaltigkeit

31 Adaptive-Design-Konzept Inverse Distance Methode Adaptive Design Flexible Infrastruktur Anpassbare Betriebsweise Daten fi Design -Abhängigkeit Daten fi Entscheidung -Abhängigkeit Daten-Disziplin Entscheidungsfreude

32 In-situ-Sanierungs verfahren Airsparging ISCO (In-situ Chemical Oxidation) Alkohol-Spülung Tensid-Spülung Mikrobieller Abbau (IRZ, In-situ Reactive Zone) (aerob oder anaerob) nfe 0 (Eisen-Nanopartikel) Emulsified Zero-Valent Iron (EZVI) (nfe 0, Tenside, Speiseöl, Wasser) Thermische Technologien (Dampfinjektion, Erhitzen) Monitored Natural Attenuation (MNA)

33 Sanierungsverfahren Für alle Injektionsverfahren hängt der Erfolg ab von: Heterogenität In-situ-Mischung (Preferential Flow) Schadstoffmobilität (Verfügbarkeit) Kontakt mit DNAPL Rebound-Effekten Reaktivität des Bodens (ph, TOC) Verblockung (Braunstein, Eisenoxide) Reichweite der Injektion (Pressure Pulse Technology) Mangelnde Abbauaktivität Risiko unerwünschten Schadstofftransportes Genehmigungsfähigkeit

34 Risikoprofil einer Sanierung Fundamentales Problem: Abweichungen von den Schätzungen Nominal-Schätzung Wahrscheinlichkeit Minderkosten Mehrkosten Zeit und Kosten

35 Projektrisiko Design auf Basis weniger Punktinformationen Detailliertes Verständnis der Prozesse ist erforderlich Heterogenität offenbart sich bei flächiger Behandlung In-situ-Sanierungen erfordern umfangreiche Kenntnisse (knowledge-intensive)

36 Risikoprofil einer Sanierung NPK = Nominale Projektkosten Kosten (NPK) bis Sanierungsende Projektgrenzen Zeit bis Sanierungsende

37 Risikoprofil einer Sanierung Mögliches Mögliches Risiko Risiko für für erhöhte erhöhte Kosten Kosten und und Zeit Zeit bis bissanierungsende Kosten bis Sanierungsende Nominalschätzung Nominalschätzung Zeit Zeit und und Kosten Kosten Zeit bis Sanierungsende

38 Vergleich dreier Risikoprofile Kosten (NPK) bis Sanierungsende ISCO IRZ MNA Zeit bis Sanierungsende

39 Verantwortlichkeiten In-situ-Verfahen erfordern hohe Detailkenntnisse (knowledge-intensive) Klassische Aufteilung ungeeignet (Ausführende Firma = Sanierer, Ingenieurbüro = Überwacher) Sanierungssteuerer nötig Realisierbar z.b. als GU mit/ohne GRiP

40 GRiP Guaranteed Remediation Program Sanierung des Standorts zum vorher vereinbarten Festpreis Garantie der behördlich genehmigten Altlastenfreistellung Versicherung der Sanierung gegen unvorhergesehene Mehrkosten Hohe Qualität und Terminsicherheit durch innovative Verfahren

42 Sanierungsabfolge (Treatment Train) Konzentration Problem: Jeweils Individuelle Diskussion der Verfahrenswechsel mit den Behörden? Zeit

43 Wechsel der Sanierungsverfahren (Bsp.) Beenden von Pump & Treat c < 5 % (3 Monate) M F < 5 % (3 Monate)* Beenden der mikrobiellen In-situ-Sanierung c < 5 % (6 Monate) M F < 5 % (6 Monate)* Letzter Schritt: MNA M F (max) < 20 g/d Aromaten, < 20 g/d LCKW (min. Monitoringdauer für einzelne Quellbereiche 1 Jahr) c Abstrommessstelle < 20 µg/l Aromaten, 10 µg/l LCKW, 0,2 g/l PAK # 15 M F = Schadstofffracht *) 5 einzelne Quellbereiche mit verschiedenen hydrogeologischen Bedingungen # ) Kontrollwerte gem. BBodSchG

45 Nachhaltigkeit Ökonomische Aspekte Öko-ökonomische Indikatoren Sozio-ökonomische Indikatoren Ökologische Aspekte Soziale Soziale Aspekte* Sozio-ökologische Indikatoren *) incl. demografischer Wandel Quelle: NICOLE, SAGTA, Brundtland-Report, 1987

46 Nachhaltigkeit (einige Elemente) Mehr als Kosten-Nutzen-Vergleich oder spezifische Sanierungskosten ( /kg oder /m³) Grundstein: Risikoabschätzung Aber: Grundwasser = Quelle für Trinkwassergewinnung (fi Grundwasser als Schutzgut) Betrachtung in einem räumlich größeren Maßstab CO 2 -Emission Künftige städtebauliche Entwicklung Umfassende Betrachtungsweise

47 Volkswirtschaftliches Optimum 1,0 0,5 Volkswirtschaftlicher Nutzen [ M] 0,0-0,5-1,0 Nur Überwachung Sicherung Beseitigter Schadensherd Komplettsanierung -1,5 Quelle: UK Environmental Agency 2000

48 Tel.: / Imagine the Result Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit