Vom Labor zum Pilottest -am Beispiel einer oxidativen PAK/BTEX Sanierung- Dipl. Geol. Jens Gross Innovative Geobiotechnologien und In-situ-Verfahrenstechniken Sensatec-Workshop November 2014 1 Gliederung 1. Ausgangssituation 2. Laboruntersuchungen 3. Feldtest Einrichtung 4. Gaseintrag und Gasausbreitung 5. Entwicklung Schadstoffgehalte 6. Kosten 7. Vorplanung - Grundlagen 8. Einsatzgebiete 2
1. Ausgangssituation verfüllte Seefläche 45.000 m² Mächtigkeit der Auffüllung: 5-12 m Belastungen: KW bis 14.000 mg/kg, BTEX bis 160 mg/kg, PAK bis 27.000 mg/kg GW-Belastung Abstrom: BTEX bis 300 µg/l (Benzol 65 µg/l), PAK bis 1.500 µg/l (Naphthalin 1.300 µg/l) Sanierung nicht realisierbar Abstromsicherung erforderlich 3 Geologie/ Hydrogeologie Geologie: quartäre Niederterrassenschotter bis 15 m u. GOK Wechselnde Schichten aus Feinsand, Mittelsand und Grobsand bis ca. 11 m u. GOK mit unterschiedl. Anteilen der einzelnen Sandfraktionen ab 11 m u. GOK primär Mittelsand, in Lagen auch Kies ab 13 m u. GOK Kies mit Sandanteilen ab 15 m u. GOK tertiäre Tone Hydrologie: Grundwasserstände schwanken ca. 0,85 m Flurabstand ca. 5-6 m u.gok Fließrichtung SW Abstandsgeschwindigkeit 732 m/a 2,0 m/d 4
Sicherungskonzept Denkbares Verfahren: Injektion von Sauerstoff in den Aquifer Aufbau einer aeroben biologischen Reinigungszone (BIOXWAND-Verfahren) Stimulation der biologischen Abbauprozesse für BTEX und PAK Ggf. ISCO, falls durch Sauerstoff-Eintrag kein relevanter Schadstoffabbau gelingt Geplanter Ablauf: Überprüfung der Sachverhalte im Labor Pilottest Full Scale-Umsetzung 5 2. Laboruntersuchungen 6 BIOXWAND / ISCO Bodenproben und Grundwasserproben Mikrobiologische Untersuchung NPKS-Analyse, Nährstoffscreening Prüfung des biologischen Abbaus der PAK in Mikrokosmen SOD-Test Oxidationsmittelverbrauch (welche Menge wird zur Oxidation der matrixgebundenen reduzierten Verbindungen verbraucht?) Auswahl des Oxidationsmittels / Überprüfung der Reaktionskinetik (welches Oxidationsmittel eliminiert die Schadstoffe am besten?)
Laborergebnisse Mikrobiologie: Keine Limitierung durch Nährstoffmangel feststellbar Sauerstoffoptimierter Ansatz zeigt, dass die Stimulation des mikrobiologischen Schadstoffabbaus funktioniert 7 Laborergebnisse ISCO: SOD < 15 g/kg ISCO empfehlenswert mit aktiviertem Persulfat gelingt eine deutliche Schadstoffelimination 8
Laborergebnisse Welche Variante? Praktische Umsetzung BIOXWAND gegenüber ISCO im Vorteil Kosten BIOXWAND geringer Sicherungseffekt BIOXWAND effizienter Und falls doch kein relevanter Schadstoffabbau gelingt: Durch die Zugabe von O 2 wurde positiv für ISCO vorbereitet, indem die Oxidationsprozesse mit dem deutlich günstigeren Sauerstoff durchlaufen wurden auf ins Feld! 9 3. Feldtest Einrichtung Warum Feldtest / Pilottest? Technologieanbieter für innovative In-situ-Sanierungsstrategien Abgleich der Labordaten mit der Realität Pilottest hilft, die Kosten für die Sanierungs-, Sicherungsanlage zu senken: Einsparung von Gaseintragselementen führt zur Einsparung bei: Bohrkosten, Installationskosten, Einsparung in der Anlagentechnik geringere Ausgasungsverluste Kostenersparnis durch weniger Verbrauchsstoffe passende Auslegung der Sauerstoffversorgung nach dem Pilotversuch Einsparung durch geeignete Lieferform, Liefermenge (200 bar, 300 bar Bündel, Bündelstation, Kleinbehälter für Flüssiggas, Flüssiggastanks oder mobile Tanks mit Verdampferstation) Einsparungen bei Kleinprojekten durch Batchbetrieb mit Kleinbehältern 10
Feldtest Einrichtung 5 Gaslanzen als SIL (Sondierungs-Injektions-Lanzen) Technologieanbieter für innovative In-situ-Sanierungsstrategien Eintrag von Reinsauerstoff Mengen, Drücke, Intervalle an Standort angepasst ohne Randläufigkeit (gasdichte Ringräume) 6 Monitoring-Bohrungen (AISK-Messketten, TDR-Messstellen) für Erkundung von gashydrogeologischen Verhältnissen für Steuerung des Gaseintrags für Monitoring weitere Sondermessstellen möglich bohrtechnische Störstellen sind zu verschließen Gasschlote 11 technische Elemente Platzierung der Eintragselemente nach Lage anhand erwarteten ROI 3-4,5 m erwarteter Wirkstoffverteilung erwartetem Wirkstofftransport 12 entsprechender örtlicher Möglichkeiten
Feldtest Einrichtung Einbau von Gaseintragselementen in ausgewählten Horizonten: unterhalb von Aufstiegsbarrieren Innerhalb von Ausbreitungshorizonten Notwendige Vorkenntnisse wie Profil, kf-werte, Porosität, Frachten, Abstandsgeschwindigkeit, Sensorketten wünschenswert! Gaslanzen TDR-Sonden 13 Gasverteilung 14
Gasverteilung Sensorik 15 Steuerung Gasverteilung Flaschenbündel oder Gastank 16
Gasverteilung Wenn es sein muss auch unter Flur 17 4. Gaseintrag und Gasausbreitung 18
Gasregime sukzessiver Gaseintrag ab 04/2013 Technologieanbieter für innovative In-situ-Sanierungsstrategien Start bei GL4, Reaktion bei Eh4u, Eh2u sowie beide TDR-Messstellen Abschätzung der Reichweite ROI >7-12 m da TDR2 S G - nachgewiesen & Eh2u angeschlagen (Abstand GL s 7,5 m) 3 Wochen später schrittweise Inbetriebnahme der restlichen GL s davon 1. Woche mit 6000 NL/d in GL1, GL2 & GL3 126 m³ Sauerstoff anschließend 3000 NL/d je GL in 6 Injektionen 15 m³ Sauerstoff je Tag ab 02/2014 6000 NL alle 4 Tage (1500 Nl/d) 7,5 m³ Sauerstoff je Tag 29.04.2013 08.05.2013 23.04.2013 05.04.2013 29.04.2013 Erste Eh- Reaktion; nach X m³ Sauerstoff 1o 03.08.2013; 430 m³ 1u 02.12.2013; 430 m³ 2o 15.05.2013; 400 m³ 2u sofort; 2m³ 4o 23.06.2013; 1200 m³ 4u sofort; 2m³ 3o ohne Reaktion 3u ohne Reaktion 19 TDR-Messung TDR = Time Domain Reflectometry 20 Bestimmung der Feuchte im GWL Messung Dielektrizitätskonstanten für Prozess-Steuerung Bestimmung der Gassättigung Bestimmung von Einlösezeiten Bestimmung relevanter gashydrogeologischer Horizonte Durchführung 3 parallele Messungen, 0-Messung 3 Monate nach Errichtung Messabstand 10-50 cm, Ausmessen relevanter Horizonte Ausrichtung bei JEDER Messung einheitlich 100,0 90,0 80,0 70,0 GWL 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 Berechnung der Gassättigung durch Bezug zur 0-Messung Messwert TDR-0-Messungen m u GOK TDR-0-1 TDR-0-2 TDR-0-3 Aufstiegsbarriere Ton/ Schluff Verschraubungen
Ergebnisse TDR Gassättigung TDR2 M u.gok kf-werte 10-4 Bestätigung des Speicherverhaltens, durchschnittliche SG von 2,5% (Balken 1%) Ausbildung von Gaskissen/Speichern bei 11,5 m und 9,0 m u. GOK Reichweite der Gasinjektionen bis TDR2 (ca. 7m) Gassättigung [%] 21 Redoxdaten bis 02/2014 Eh1u & Eh1o signifikanter Anstieg bis auf 600 mv in 7,5 m Abstand inkohärente Gasausbreitung bzw. Verlagerung von aerobisiertem Wasser Eh4u sprunghafter Anstieg auf 300 mv kohärente Gasausbreitung mit der ersten Injektion Eh4o zeitweise kohärenter Gastransport bis zum Sensor, aktuell eher schwache Umströmung mit mäßig aerobisiertem Wasser Lage im ms bzw. fs, TDR-Messung bestätigen Ergebnis 22
5. Entwicklung Schadstoffgehalte nach 9 Monaten Pilotphase Funktioniert es überhaupt? Technologieanbieter für innovative In-situ-Sanierungsstrategien Rückgang im Bereich der GWM 404 (direkter Abstrom 7,5 m von Bioxwand) Rückgang im Bereich der GWM16 Ergebnisse nach 9 Monaten lassen hoffen 23 BTEX und PAK Frachten Direct-Push-Sondierungen im Zu- und Abstrom des Gasspeichers Technologieanbieter für innovative In-situ-Sanierungsstrategien tiefenzonierte Ermittlung der Schadstoffgehalte und frachten Prüfung durchflusswirksamer Horizonte wo muss die Maßnahme greifen? wie gut ist der Bioreaktor wirklich? 24
Ergebnisse DP2 / DP3-02/2014- DP2 5000 1000 20 DP3 500 100-800 400 20 Bei DP3 zwischen 8-12 m keine PN möglich durch Gasverblockung 25 Fracht DP2 [g/a] Fracht DP3 [g/a] Rückgang [%] KW 8.700 1.000 88,5 PAK 8.200 1.200 85,4 BTEX 530 60 88,7-400 400 Ergebnisse DP1 / DP4 5000 1000 20 DP1 500 100-800 400 20 DP4 26 Fracht DP1 [g/a] Fracht DP4 [g/a] Rückgang [%] KW 4.500 60 98,6 PAK 4.400 500 88,6 BTEX 260 15 94,2-400 400
BTEX und PAK 09/2014 99 100 % Abreinigung für BTEX 96 99 % Abreinigung für PAK n. EPA seit > 2 Monaten stabil, seit 04/2014 niedrig Anfangswert PAK ca. 1.000 µg/l Anfangswert BTEX ca. 200 µg/l Beurteilungsmessstellen GWM 404 GWM 16 27 BTEX und PAK 09/2014 KW µg/l 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 404 16 GWM 2 GWM 3 GWM 4 GWM 16 GWM 17 GWM 404 Stichtag 28
BTEX und PAK 09/2014 µg/l 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 404 16 PAK n. EPA GWM 2 GWM 3 GWM 4 GWM 16 GWM 17 GWM 404 Stichtag Naphthalin 1400,00 1200,00 404 µg/l 1000,00 800,00 600,00 400,00 16 GWM 2 GWM 3 GWM 4 GWM 16 GWM 17 GWM 404 200,00 0,00 29 Stichtag BTEX und PAK 09/2014 BTX µg/l 250 200 150 100 50 16 404 GWM 2 GWM 3 GWM 4 GWM 16 GWM 17 0 Stichtag Benzol µg/l 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 16 404 GWM 2 GWM 3 GWM 4 GWM 16 GWM 17 30 Stichtag
7. Vorplanung - Grundlagen Geologie geeignet? Schichtwechsel, vertikal variierende Lagerungsdichten ausreichende Mächtigkeit von relativ homogenen Ablagerungen Ersterkundung Abbauuntersuchungen, Sauerstoff, Ethen, Ammoniak-Gas, sonstige Gase Aufnahme von detaillierten Profilen, Anisotropiefaktoren Fließgeschwindigkeit, kf-werte, Porosität, eff. Porosität Fracht (anorganische, organische) Sicherheitsaspekte, Monitoring Gasmesstechnik, Warnmeldungen, automatische Abschaltung Aquifer integrierte Sensorketten AISK TDR-Messung zur Erkundung, Steuerung und Kontrolle Bodenluftmessstellen Grundwasseraufschlüsse im Abstrom (Aufnahme O 2 -Profilen) raumintegrierte Gas-Messsysteme (ri-gms) mittels Tracer (Engelmann 2011) Sondermessstellen für Bioxwände 31 Grundlagen Anlagentechnik Verfahrensart (HDI, NDI) Bedarfsgerechte Dimensionierung der Bauteile entsprechend der Geologie Materialauswahl (Sanierung oder Sicherung) Standortanforderungen (Ex-Schutz, Diebstahl, ) Art der Gasversorgung (flüssig, gasförmig, kontinuierlich, diskontinuierlich) Zudosierung weiterer Wirkstoffgase oder Zusatzstoffe (z. B. Tenside notwendig? 32
8. Einsatzgebiete Wasserwerke zur Verbesserung der Wasserqualität im Aquifer (Auslagerung der Aufbereitung) Sanierung von Altlasten Sicherung von Altlasten Vorbehandlung bei Pump & Treat Nachbehandlung von anaeroben Sanierungsstrategien Behandlung von: 33 MTBE, LCKW, BTEX, MCB, Alkylphenole, Desinfektionsmittel Pharmazeutische Spurenstoffe Ammonium, Nitrat Vorteile von Direktgasinjektionen große Akzeptanz bei Behörden (vor allem für Sauerstoff,...) hervorragende Betriebssicherheit auch nach über 10 Jahren geringer Wartungsaufwand nach mehr als 10 Jahren keine Verockerung / Verblockung bei Anlagenausfall nur sehr verzögerter Ausfall der Sicherungs-/Sanierungswirksamkeit (= sehr hohe Anlagenverfügbarkeit ) Geringe Betriebskosten, sinken mit zunehmenden Wassermengen 34