V9: Reaktive Wände (1)

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Jonas Holst
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1 V9: Reaktive Wände (1) Internet: Google & keyword 1. Remediation Matrix: 2. UFZ-Leitfaden Biologische Verfahren zur Bodensanierung (Literatur) 3. Altlastenfachinformationssystem Baden-Württemberg ALFA-WEB 4. RUBIN-Handbuch Skripte 1

2 1. Remediation Matrix: 2

3 2. UFZ-Leitfaden Biologische Verfahren zur Bodensanierung 3. Altlastenfachinformationssystem Baden-Württemberg ALFA-WEB 3

4 Bioindikatoren 4

5 RUBIN-Handbuch! 5

6 6

7 Konzept der passiven Grundwassersanierung 7

8 Die heute am häufigsten praktizierte Sanierungsmaßnahme für kontaminiertes Grundwasser ist das Abpumpen des kontaminierten Wassers im Abstrom des Schadensherdes mit anschließender on-site-reinigung und Entsorgung. Pump-and-Treat (siehe V 3 +4): sehr lange Betriebszeiten, hohe Betriebskosten um die Gesamtkosten langwieriger Sanierungsmaßnahmen zu senken Passiven Grundwasser-Abstromreinigung durch Reaktive Wände 8

9 Was sind Reaktive Wände? Einsatz im Grundwasserabstrom von kontaminierten Standorten Fahnensanierung! technisch: konventionellen Methoden des Tiefbaus Reaktive Wand senkrecht zur Grundwasserfließrichtung Reaktion in der gesamten Wand oder im Gate (Funnel-and-Gate-Konstruktion) wesentlich: keine hydraulische Blockierung: gut durchlässigen Material (siehe Hydraulisches Kriterium) Grundwasser durchströmt mit natürlichem Gefälle die Reaktive Wand, d.h. kein PUMPEN deshalb PASSIV 9

gesamten Wand oder im Gate (Funnel-and-Gate-Konstruktion) wesentlich: keine hydraulische Blockierung: gut durchlässigen

10 Fahnensanierung im Abstrom der Schadstoffquelle! 10

11 Fahnensanierung im Abstrom der Schadstoffquelle! 11

12 Fahnensanierung im Abstrom der Schadstoffquelle! RW 12

13 Wie funktioniert eine Reaktive Wand? Beim Durchgang des kontaminierten Grundwassers durch die Reaktive Wand werden die gelösten Schadstoffe abgebaut, gefällt oder fixiert. Es lassen sich nicht alle Schadstoffe behandeln. Zur Zeit kommerziell grundsätzlich einsetzbar sind: A) Physiko-chemische Prinzipien: 1. Abbau halogenierter organischer Lösemittel (LCKW) durch Reduktion an nullwertigem Eisen in Form von Eisenspänen, 2. Fixierung hydrophober Schadstoffe (z.b. PAK) durch Sorption an Aktivkohle (s. Sorptionsverhalten chlorierter KWs) 3. Immobilisierung von Metallen (z.b. CrIV) durch Reduktion an nullwertigem Eisen. B) Biologische Prinzipien: Bioremediation, EA-ED-Technologie, Reaktion im abstromseitigen Reaktorraum (L c )! 13

Abbau halogenierter organischer Lösemittel (LCKW) durch Reduktion an nullwertigem Eisen in Form von Eisenspänen, 2. Fixierung hydrophober Schadstoffe (z.b. PAK) durch Sorption an Aktivkohle (s.

14 Konstruktionsprinzipien und hydraulische Dimensionierung von Reaktiven Wänden (RWs) 14

15 1. Vollflächig durchströmte RWs (CRBs Continuous Reactive Barrier) 15

16 2. Durchströmte RWs mit gelenktem Grundwasserstrom (F&G-, F&D-Systeme) 16

17 Funnel-Gate-Konstruktion einer Reaktiven Wand 17

18 Reaktive Materialien für RWs 18

19 Klausur: Ordnen Sie eine EA-(Sauerstoff)-RW ein, z.b. ORC-RW! 19

20 Klausur: Ordnen Sie nach physiko-chemischen Prinzipien und Bioremediation! 20

21 Feldanwendungen von RWs für typische GW-Kontaminationen 21

22 Physiko-Chemische Prinzipien 1. Oxidative Verfahren 2. Reduktive Verfahren 22

23 Case study: Auensee-Leipzig 1. Oxidative Verfahren 2. Reduktive Verfahren 23

24 Oxidative Verfahren (in-situ Oxidation) zum Abbau chlorierter Kohlenwasserstoffe Oxidation (ISCO in situ chemical oxidation) R Cl + Oxidationsmittel n H 2 O + m CO 2 + H Cl O 2, Fe 2+ + H 2 O 2, MnO 4 - (ORC: Permanganat), S 2 O 8 2- (ORC: Peroxydisulfat), O 3 (Ozone) Probleme: - Auftreten partiell oxidierter, oft toxischer Zwischenprodukte - parasitärer Verbrauch von Oxidationsmittel, z.b. durch DOM Oxidation: Abgabe von Elektronen Reduktion: Aufnahme von Elektronen Oxidationsmittel/Reduktionsmittel wird reduziert/oxidiert! Beispiel aerober Abbau von TCE : Welcher Reaktionspartner gibt/nimmt Elektronen ab/auf? 24

25 Reduktive Verfahren (reduktive Dechlorierung) zum Abbau chlorierter Kohlenwasserstoffe Elektronentransfermechanismus Elektronen-Übergang und Bildung des Radikalanions R Cl + Fe 0 + H 2 O R H + Fe 2+ + OH - + Cl - Technische Realisierung: Reaktive Eisen-Wand ( rusty wall ) ÜA1: Welcher Reaktionspartner gibt/nimmt Elektronen ab/auf? Umsetzungsgeschwindigkeit: (normiert auf 1 m 2 Fe-OF / ml GW) Halbwertszeit TCE 14 h C 2 H 3 Cl C 2 H 4 C 2 HCl 3 Fe 0 metal C 2 H 4 Cl + 3Cl - für VC 374 h Gillham et al., 1996 ÜA2: Stöchiometrischer Umsatz zu VC mit RW (u = 1m/d)? Anwendung: Probleme: - Erfolgreiche Anwendung beim Abbau von aliphatischen CKW - Zahlreiche Feldapplikationen, vor allem in Nordamerika - Verockerung des Aquifermaterials, Gefahr der Umströmung - Methode scheitert komplett für aromatische CKW: MCB (SAFIRA) - sehr langsamer Abbau niedrig chlorierter Kohlenwasserstoffe, VC 25

26 Katalytische (Reduktive) Verfahren zum Abbau chlorierter Kohlenwasserstoffe Hydrodechlorierung Wasserstoff-Aktivierung an Edelmetallen, z.b. Pd Pd R Cl + H 2 R H + H + + Cl - Anwendung: - einsetzbar zum Abbau von aliphatischen und aromatischen CKW - verschiedene H 2 -Quellen möglich (Gasdosierung, Eisenkorrosion, elektrochemisch) Welcher Reaktionspartner gibt/nimmt Elektronen ab/auf? 26

27 Katalytische (Reduktive) Verfahren zum Abbau chlorierter Kohlenwasserstoffe Pd R Cl + H 2 R H + H + + Cl - Welcher Reaktionspartner gibt/nimmt Elektronen ab/auf? 27

28 Katalytische (Reduktive) Verfahren zum Abbau chlorierter Kohlenwasserstoffe Hydrodechlorierung Wasserstoff-Aktivierung an Edelmetallen, z.b. Pd Pd R Cl + H 2 R H + H + + Cl - Anwendung: - einsetzbar zum Abbau von aliphatischen und aromatischen CKW - verschiedene H 2 -Quellen möglich (Gasinjektion, HRCs, Eisenkorrosion, elektrochemisch) Problem: Vergiftungsanfälligkeit des Katalysators 28

29 Katalytische (Reduktive) Verfahren zum Abbau chlorierter Kohlenwasserstoffe Hydrodechlorierung Wasserstoff-Aktivierung an Edelmetallen, z.b. Pd Pd R Cl + H 2 R H + H + + Cl - Anwendung: - einsetzbar zum Abbau von aliphatischen und aromatischen CKW - verschiedene H 2 -Quellen möglich (Gasdosierung, Eisenkorrosion, elektrochemisch) Problem: Vergiftungsanfälligkeit des Katalysators hydrophobe Polymer- Membran Lösungsansatz: - Schutz des Katalysators durch eine hydrophobe Membran - CKW-Anreicherung als positiver Nebeneffekt Kopinke et al.,

30 4. Hydraulisches und Massenbilanz-Kriterium 30

31 Hydraulisches Kriterium ÜA 17 Massenbilanz-Kriterium ÜA 18 Anwendung: ÜA 30 31

32 Hydraulisches Kriterium (1) Diskussion: Forderung: Der gesamte Schadstoffstrom muss durch RW fließen: Q F = Q RW! 32

33 Hydraulisches Kriterium (2) 33

34 Massenbilanz-Kriterium (1) C(x) C 0 L RW x k f,aquifer, i Aquifer, Aquifer k f,rw, i RW, RW A 1. Gesamtmasse ohne Abbau: M 0 C 0 V C A W 0 L RW urw 2. Masse in Reaktiver Wand: k M RW C0 A 1 exp LRW k u Abbau 3. Abgebaute Masse: RW RW M M0 M 34

35 Massenbilanz-Kriterium (2) 4. Massenbilanzkriterium der Reaktiven Wand: C ( L RW ) C k C Ziel LRW ln 0 urw CZiel A) L RW und u RW vorgegeben Bestimme k! ÜA 20 B) k und u RW vorgegeben Bestimme L RW! ÜA 16 Beispiel ÜA 20: C ziel /C 0 = 1/100 k u RW LRW ln 5. Welche Zeit t RW ist zur Erreichung von C Ziel notwendig? Bedingung: Halbwertszeiten TCE (= 14 h), VC (= 374 h) << t RW 35

36 Vorteile und Nachteile Reaktiver Wände 36

37 Was sind die Vorteile einer Reaktiven Wand? genaue Lage und Ausdehnung des Schadensherdes nicht bekannt sein Fahnensanierung diffuser Quellen Baumaßnahme im Abstrom und nicht im Schadenszentrum (Produktionsstandorte, Gebäude), i.d.r. keine Nutzungsbeschränkung des Grundstücks während der Baumaßnahme i.d.r. keine oberirdischen Installationen notwendig nur (!) Monitoring durchzuführen Bei langen Sanierungszeiten erheblicher Kostenvorteil gegenüber Pump-and-Treat 37

38 Was sind die Risiken und Nachteile einer Reaktiven Wand? Reaktive Wand erfordert eine genaue Kenntnis der lokalen Strömungsverhältnisse des Standortes um ein Um- oder Unterströmen des Systems zu vermeiden. Erfahrungszeitraum mit kommerziell installierten Reaktiven Wänden beträgt bisher nur etwa 10 Jahre. Schadensherd verbleibt im Untergrund und muß bei späteren Tiefbaumaßnahmen berücksichtigt werden. Die einmaligen Investitionskosten sind hoch im Vergleich zu pumpand-treat. 38

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