Die Anwendung forensischer Methoden am Beispiel eines LCKWund eines MKW-/BTEX- Grundwasserschadens

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1 Dr. Helmut Dörr Consult, Wiesloch Die Anwendung forensischer Methoden am Beispiel eines LCKWund eines MKW-/BTEX- Grundwasserschadens Seminar Altlasten und Schadensfälle 12. Juni 2013 Limburg, Stadthalle Dr. Helmut Dörr

2 Inhalt Einleitung Definition Forensik Anwendungsgebiete Anwendungsbeispiele Forensischer Methoden Untersuchungsstrategie Fingerprinting Untersuchung von Additiven und Spurenstoffen Isotopenmethoden Zusammenfassung Dr. Helmut Dörr Consult 2

3 Einleitung

4 Einleitung - Definition Forensik: Methoden, mit denen systematisch kriminelle Handlungen identifiziert bzw. ausgeschlossen sowie analysiert oder rekonstruiert werden. Forensische Umweltwissenschaft: Suche nach dem Zeitpunkt der Entstehung und der räumlichen bzw. stofflichen Herkunft einer erunreinigung und damit die Ermittlung des erursachers. Dr. Helmut Dörr Consult

5 Anwendungsgebiete Untersuchung der räumlichen, stofflichen und zeitlichen Herkunft einer Boden- und Grundwasserverunreinigung (Feststellung der Schadensursache) Feststellung des erursachers Identifikation und Quantifizierung verschiedener Ursachen/erursacher zu einem Gesamtschaden Dr. Helmut Dörr Consult 5

6 Anwendungsgebiete Untersuchung der räumlichen, MKW, BTEX, PAK, LCKW, Schwermetalle stofflichen MKW, BTEX, PAK, Schwermetalle zeitlichen MKW, BTEX, LCKW, Schwermetalle Herkunft einer Boden- und Grundwasserverunreinigung (Feststellung der Schadensursache) Feststellung des erursachers Identifikation und Quantifizierung verschiedener Ursachen/erursacher zu einem Gesamtschaden MKW, BTEX, PAK, LCKW, Schwermetalle Dr. Helmut Dörr Consult 6

7 Die wichtigsten Methoden GC- und GC-MS Analytik (Fingerprinting, z.b. MKW, BTEX, PAK) Isotopenanalytik (z.b. Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel) Spurenstoffe und Tracer (z.b. MTBE, Benzinblei, org. Schwefel) Dr. Helmut Dörr Consult

8 Untersuchungsstrategie

9 Untersuchungsstrategie Forensische Machbarkeitsstudie Welche konkreten Ziele haben die forensischen Untersuchungen? Welche Aussagegenauigkeit müssen die forensischen Ergebnisse haben? Welche forensischen Methoden sind im vorliegenden Fall anwendbar? Wie hoch ist die Chance, dass die vom Auftraggeber vorgegebene Zielstellung erreicht wird? Ist der Aufwand der Forensik (im Sinne von Kosten-Nutzen) verhältnismäßig? Dr. Helmut Dörr Consult 9

10 Untersuchungsstrategie Aufstellung Untersuchungskonzept (stufenweises, adaptives orgehen, Multi-Methoden-Ansatz) Auswertung unter Einbeziehung aller vorliegenden Untersuchungsergebnisse gute erständlichkeit bei der Berichtserstellung Bewertung der Genauigkeit und Aussagekraft sowie der Grenzen und Einschränkungen der angewendeten Methoden und Ergebnisse Dr. Helmut Dörr Consult 10

11 Projektbeispiel ehemaliger Güterbahnhof mit komplexer Nutzungshistorie

12 Standortbeschreibung Ehemaliger Güterbahnhof in Süddeutschland, ca , seit 1912 gewerbliche Nutzung, regionaler Umschlagplatz (Kraftstoffe, Öle) Lagerplätze, Tanklager, Tankstellen, Dr. Helmut Dörr Consult 12

13 Untersuchungen Umfangreiche Erkundung (> 200 Aufschlüsse, Bohrungen, GWMS, Schürfe, Direct Push- Sondierungen und -Probenahme), Detailerkundung abgeschlossen, Schadstoffspektrum MKW und BTEX in Boden und Grundwasser, PAK hauptsächlich im Boden Umfangreiche Forensische Untersuchungen in Boden und Grundwasser Dr. Helmut Dörr Consult 13

14 Beispiel Fingerprinting - BTEX -

15 BTEX - Fingerprinting Benzolgehalt im Benzin bis 1920 ca. 80% ca.40% ab 1940 ca.6% % ab 1998 < 1% ungefähre Zeitangaben BTEX im Benzin Cumol Styrol Benzol Toluol Ethylbenzol o-xylol m-/p-xylol Dr. Helmut Dörr Consult 15

16 BTEX - Fingerprinting Cumol Benzol Toluol Cumol Benzol 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Toluol Styrol Ethylbenzol Styrol Ethylbenzol o-xylol m-/p-xylol o-xylol m-/p-xylol BTEX im Benzin Benzin BTEX im Wasser gelöst Cumol Benzol Toluol Cumol Benzol 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Toluol Styrol Ethylbenzol Styrol Ethylbenzol o-xylol m-/p-xylol o-xylol m-/p-xylol erdunstung Dr. Helmut Dörr Consult Mikrobiologischer Abbau

17 BTEX - Fingerprints reiner Benzolschaden, sehr alt Eintrag in Phase, im Wasser gelöst, abgebaut Eintrag an der Oberfläche, erdunstungseinfluss Dr. Helmut Dörr Consult 17

18 erteilung der BTEX- Fingerprints im Grundwasser Dr. Helmut Dörr Consult 18 B P B P B P B B B B B B B P B BTEX Fingerprinting im Grundwasser Eintrag in Phase, im Wasser gelöst, ± abgebaut Eintrag an Oberfläche, verdunstet, ± abgebaut reiner Benzol- Schaden

19 Beispiel Untersuchung von Additiven - MTBE -

20 Untersuchung von Additiven MTBE löst Benzinblei als Antiklopfmittel ab - Produktionsbeginn in D ab Markteinführung bis Anfang/Mitte 1980er Jahre Findet man MTBE: Schaden ist etwa ab Ende der 1970er Jahre bzw. ab etwa Anfang der 1980er Jahre eingetreten. Findet man kein MTBE: Eintrag ist vor Beginn der 1980er Jahre eingetreten Dr. Helmut Dörr Consult 20

21 MTBE im Schicht- und Grundwasser b 0,87 0, ,08 0,57 0,52 13,0 2,6 64,0 12,0 0, a 0, ,38 0,13 3,0 4,3 12,0 0,37 0,38 0,17 0,75 0,62 0,45 7,0 0,53 9,5 7,0 0,42 0,10 2,2 0,14 0,74 0,42 0,53 2,0 0,86 2,3 3,9 0,82 0,71 0,10 0,11 0,08 0,05 0,09 0,73 0, ,26 < 0,4 µg/l 0,4-2,0 µg/l GW- StM > 2,0 µg/l SW Dr. Helmut Dörr Consult 21 Abbildung 11: MTBE- Konzentrationen im Schicht- und Grundwasser

22 MTBE- Bilanz MTBE- Konzentrationen sind räumlich stark abgegrenzt, auch in der Tiefe. Gesamtmenge MTBE im Grundwasser M = 36 g MTBE- Gehalt im Benzin etwa 2,5 % Mittlere Benzinmenge etwa 1,4 kg bzw. 2 Liter Benzin (ohne die bereits verdunstete Benzinmenge) Dr. Helmut Dörr Consult 22

23 Projektbeispiel Hydraulische Sanierung eines LCKW- Grundwasserschadens. Wird ein Nachbarschaden mitsaniert?

24 Standortbeschreibung Ehemaliger Umschlag und Lagerplatz für Lösungsmittel, Bodensanierung ist abgeschlossen, Am Standort findet eine hydraulische Sicherung eines CKW- Grundwasserschadens statt. Sanierungsüberwachung: erdacht, dass ein Fremdschaden erfasst und mitgesichert wird Dr. Helmut Dörr Consult 24

25 CKW- Konzentrationen im OGWL ΣCKW in µg/l, Juni Schaden Gelb Schaden Blau Dr. Helmut Dörr Consult 25

26 Fragestellung Kann man mit Forensischen Methoden den Fremdschaden identifizieren? Zu welchen Anteilen wird der Fremdschaden mitgesichert? Eingesetzte Methode: Rekonstruktion der 13 C - LCKW Primärsignaturen durch Analysen der 13 C Gehalte der CKW- Einzelsubstanzen Dr. Helmut Dörr Consult 26

27 Grundlagen Rekonstruktion der Primärsignatur = isotopische Zusammensetzung des Schadstoffs beim Eintritt in den Grundwasserleiter. Eingesetzte Lösemittel können eine unterschiedliche Primärsignatur besitzen (anderer Hersteller, andere Produkte) Unterschiedliche Primärsignaturen können trotz gleicher Produkte bei der erwendung, der Lagerung und bei Schadenshergang entstehen - Isotopentrennung bei der erdunstung Dr. Helmut Dörr Consult

28 Bestimmung der Primärsignatur oraussetzung - Massenerhaltung, abgeschlossenes System, - Isotope können nicht aus dem System entweichen. Durch Abbauprozesse werden die C-Isotope auf die einzelnen CKW- Spezies umverteilt. Rechnerische Rekonstruktion der Primärsignatur δ 13 C primär = M PCE δ 13 C PCE + M TCE δ 13 C TCE + M DCE δ 13 C DCE + M C δ 13 C C + M Ethen δ 13 C Ethen M ist der relative Anteil der jeweiligen Einzelkomponente an der molaren Gesamtkonzentration Dr. Helmut Dörr Consult 28

29 Primärsignaturen der beiden Schäden Oberer GWL Schaden Gelb: δ 13 C 1 = -24,5 ± 0,4 B1 B5 M1 A3 A1 Schaden Blau: δ 13 C 2 = -20,6 ± 1, Dr. Helmut Dörr Consult 29

30 Primärsignaturen Oberer GWL -24,5-25,1-24,9-19,3-23,1-21,2-21,7-20,3-23,0-19,3-20, Dr. Helmut Dörr Consult 30

31 Mischungsrechnung x 1 = prozentualer Anteil der LCKW aus dem Schaden 1 x 2 = prozentualer Anteil der LCKW aus dem Schaden 2, x 1 + x 2 =1 x 1 P 1 + (1 - x 1 ) P 2 = P M x 1 = P 1 und P 2 = Primärsignaturen der Schäden P M = Primärsignatur der Mischung Dr. Helmut Dörr Consult 31

32 Schadensanteile Oberer GWL -24,5 100% 100% 100% -23,1 62% -21,2 85% 72% -21,7-20,3 100% -23,062% -19,3 100% -20, Dr. Helmut Dörr Consult 32

33 Ergebnisse Beide Schäden weisen unterschiedliche Primärsignaturen auf. Anteile können mit einer Bestimmungsgrenze von etwa % identifiziert und quantifiziert werden. Anteile von Schaden Blau sind in Brunnen des Schadens Gelb und in Messstellen außerhalb des Areals der Firma Blau vorhanden Dr. Helmut Dörr Consult 33

34 Zusammenfassung Zahlreiche Anwendungsfälle zeigen die Machbarkeit der Ursachen- und erursacherklärung mit Hilfe forensischer Methoden, Dringend zu empfehlen: Kompetente Durchführung aller Untersuchungsschritte, Forensische Machbarkeitsstudie, Anwendung mehrerer unabhängiger Methoden, Einbeziehung aller Untersuchungsergebnisse, Bewertung der Aussagesicherheit Dr. Helmut Dörr Consult 34

35 ielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Die Grundlagen und die Anwendung der forensischen Methoden sind ausführlich beschrieben im Handbuch der Altlastensanierung. Sonderdrucke können per angefordert werden: Handbuch der Altlastensanierung und Flächenmanagement (Franzius,., Altenbockum,M., Gerold, T. (Eds.), 3. Auflage, 66. und 67. Aktualisierung, erlagsgruppe Hüthig Jehle Rehm München, 2012 und 2013