CKW-Sanierung im geklüfteten Festgestein: Thermische In-situ … · 2010-12-22 · CKW-Sanierung...

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CKW-Sanierung im geklüfteten Festgestein: Thermische In-situ-Sanierung mit Dampf-Luft-Injektion - Ergebnisse einer Pilotanwendung - Strategien zu Boden- und Grundwassersanierung, 23. – 24.11.2009, DECHEMA, Frankfurt VEGAS Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung Oliver Trötschler 1 , Hans-Peter Koschitzky 1 Bernd Lidola 2 , Michaela Epp 2 , Stefan Schulze 3 Holger Weiß 4 , Martin Bittens 4 1 VEGAS, Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung, Universität Stuttgart 2 Stadtbauamt Villingen-Schwenningen 3 GEOsens, Ingenieurpartnerschaft, Ebringen 4 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ

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CKW-Sanierung im geklüfteten Festgestein:Thermische In-situ-Sanierung mit Dampf-Luft-Injektion

- Ergebnisse einer Pilotanwendung -

Strategien zu Boden- und Grundwassersanierung, 23. – 24.11.2009, DECHEMA, FrankfurtVEGAS

Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung

Oliver Trötschler1, Hans-Peter Koschitzky1

Bernd Lidola2, Michaela Epp2, Stefan Schulze3

Holger Weiß4, Martin Bittens4

1 VEGAS, Versuchseinrichtung zur Grundwasser-und Altlastensanierung, Universität Stuttgart

2 Stadtbauamt Villingen-Schwenningen3 GEOsens, Ingenieurpartnerschaft, Ebringen

4 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ

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VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung

Thermische In-situ-Sanierung im Kluftsandstein mit Dampf-Luft-Injektion - Ergebnisse einer Pilotsanierung - 2

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Historie und SU: Standort Biswurm

ehemalige Städtische Verbrennungsanlage (1960-1974) mit Lager- und Verbrennungsbecken➨ Leckagen von CKW, AKW und MKW in ungesättigte Zone und

Grundwasser, Verdacht auf freie organische Phase

SU 2004-2007: Bestimmung Ausmaß der Kontamination und Nachweis pneumatischer und hydraulischer Sanierungsmöglichkeiten (Grundwasserreinigungsanlage mit P&T, BLA, ML-PV) GEOsens, 2007:

➨ zwei Aquiferstockwerke und UZ betroffen:10 – 100 to CKW, 5 - 50 to AKW und MKW

➨ Sanierungspflicht nach BBodSchV➨ Vorschlag zum Einsatz innovativer In-situ-Sanierungsverfahren

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VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung

Thermische In-situ-Sanierung im Kluftsandstein mit Dampf-Luft-Injektion - Ergebnisse einer Pilotsanierung - 3

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Schadenssituation

Schadensbild 2007 / 2009

➨ ca. 2800 m² Kernbereich (Schadensquelle) bis 40 m Mächtigkeit

➨ CKW bis 40 mg/L im Grundwasser, bis 3000 mg/m3 in der Bodenluft

➨ Länge Schadstofffahne unbekannt,mind. 1 ha Fläche kontaminiertesGrundwasser

➨ Schadstoffe mit hohem Potenzial in UZund geringerem Potenzial in gesättigter Zone

0 20 40 60 80 100

Stichtag: 06.03.2009

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Thermische In-situ-Sanierung im Kluftsandstein mit Dampf-Luft-Injektion - Ergebnisse einer Pilotsanierung - 4

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Motivation: Sanierungsplanung Standort Biswurm

Dampf-Luft-Injektion

Air-Sparging

Komplexer, geklüfteter Festgesteinsaquifer

oberer Plattensand-stein-Aquifermit Tonsteinbasis

unterer Kristallsand-stein-Aquifermit Granitbasis

Dampf-Luft-Injektion- Reichweite und

pneumatische Kontrolle

- Steigerung AustragFeasibility und

Kostenschätzung Sanierung Schadenszentrum

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Planung und Durchführung der thermischen Pilotsanierung und der Eignungstests zum Einsatz von ISCO durch VEGAS

Finanzierung der Bohrmaßnahmen, Verbrauchsstoffen und Energiekosten durch die Stadt Villingen-Schwenningen (Stadtbauamt)

Finanzierung des Anlagenbetriebs und Eigentümer von MOSAM: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ, Leipzig

Fachtechnische Betreuung und Monitoring, Sanierungsplan: Ingenieurpartnerschaft GEOsens

Finanzielle Förderung und fachtechnische Unterstützung: RP Freiburg und LUBW

Einsatz thermischer In-situ-Verfahren (MOSAM) zur partiellen Quellensanierung im Rahmen von SAFIRA II

Aufgabenverteilung Pilotanwendung Dampf-Luft-Injektion

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Pilotanwendung DLI im Rahmen der Sanierungsplanung mit laufenderGrundwassersicherung untergliedert sich in mehrere Phasen (ca. 7 Monate):

Phase 1: Bodenluftabsaugung (BLA) und Grundwasserhaltung, 2 WochenSchadstoffpotential ungesättigte Zone

Phase 2: BLA, Grundwasserhaltung und Air-Sparging, 4 WochenUntersuchung pneumatische Kontrolle (Gastracer) und Effizienz Air-Sparging

Phase 3: Dampf-Luft-Injektion: Start: 16.04.2009 (ca. 19 Wochen)auf 3 Ebenen in serieller Zuschaltung, Reichweitenbestimmung, Nachweis Sanierung GW und UZ im Pilotfeld

Phase 4: Abkühlungsphase, ca. 4 WochenAbschluss und „Sanierungskontrolle“

Pilotanwendung Dampf-Luft-Injektion Biswurm

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Ausstattung Pilotfeld Biswurm

Lageplan12 m Durchmesser,20 m Tiefe,2000 m³ Kluftgesteinmit 100 kW Injektionsleistung

1 Injektionsbrunnen I1 4 Extraktionsbrunnen

E1, E2, D2, GW8 11 Temperatur-

messlanzen T1 - T11117 Temperatur-Fühler8 geo-elektrische

Sonden (Tom)

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D2

E1

E2

GW8

I1

DLI am 19.06.09

Eindrücke vom Testfeld

Inbetriebnahme 26.02.2009

B1B2

B3

GW

GW 8

D2

I1

E2

T1

T2T3

T4

T5

T6

T9

T8

E1T10

T7

T11b

om8

Tom5

Tom6

Tom2

Tom3Tom4 T11a

Tom1

ca. 7 m

GW8

I1 D2E1

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Geologie und thermische Erschließung

Phase 3.1 -3.4

Phase 3.2 -3.4

Phase 3.3 -3.4

Vorlage GEOsens (2007) ©

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Wärmeausbreitung

-20

-15

-10

-5

0

0 2 4 60246810

XY

Z

tem perature100959085807570656055504540353025201510

E 1I1E 2 G W 81 6 8 0 h

-20

-15

-10

-5

0

0 2 4 60246810

e

E 1I1E 2 G W 84 8 h

-20

-15

-10

-5

0

0 2 4 60246810

XY

Z

tem perature100959085807570656055504540353025201510

E 1I1E 2 G W 86 0 0 h

-20

-15

-10

-5

0

0 2 4 60246810

e

E 1I1E 2 G W 81 0 3 2 h

2 Tage DLI 25 Tage DLI

43 Tage 70 Tage DLI

tem p100959085807570656055504540353025201510

Temp. [°C]

B1B2

B3

GW

GW 8

D2

I1

E2

T1

T2T3

T4

T5

T6

T9

T8

E1T10

T7

T11b

om8

Tom5

Tom6

Tom2

Tom3Tom4 T11a

Tom1

ca. 7 m

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Wärmeausbreitung

-20

-15

-10

-5

0

0 2 4 60246810

XY

Z

tem peratu re100959085807570656055504540353025201510

E 1I1E 2 G W 83 1 2 0 h

-20

-15

-10

-5

0

0 2 4 60246810

E 1I1E 2 G W 82 6 1 6 h

-20

-15

-10

-5

0

0 2 4 60246810

XY

Z

tem peratu re100959085807570656055504540353025201510

E 1I1E 2 G W 82 4 7 2 h

-20

-15

-10

-5

0

0 2 4 60246810

e

E 1I1E 2 G W 82 1 6 0 h 90 Tage DLI 103 Tage DLI

131 Tage DLI

tem100959085807570656055504540353025201510

Temp. [°C]

109 Tage

Thermische Reichweite an Aquiferbasis:2 – 3 m Radius

Thermische Reichweite GW-Höhe und UZ: größer 5 m Radius

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Schadstoffaustrag Bodenluft

0

1

2

3

4

5

6

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105

112

119

126

133

140

147

154

161

168

175

182

189

196

203

210

Zeit [d]

Kon

zent

ratio

n C

KW

B

oden

luftp

egel

[g/m

³]

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.3006.03.09 20.03.09 03.04.09 17.04.09 01.05.09 15.05.09 29.05.09 12.06.09 26.06.09 10.07.09 24.07.09 07.08.09 21.08.09 04.09.09 18.09.09 02.10.09

Kon

zent

ratio

n B

TEX

Bod

enlu

ftpeg

el [g

/m³]

CKW (g/m³) BTEX (g/m³)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105

112

119

126

133

140

147

154

161

168

175

182

189

196

203

210

Zeit [d]

Aus

trag

CKW

[k

g/d]

0

70

140

210

280

350

420

490

56006.03. 09 20.03. 09 03.04. 09 17.04. 09 01.05. 09 15.05. 09 29.05. 09 12.06. 09 26.06. 09 10.07. 09 24.07. 09 07.08. 09 21.08. 09 04.09. 09 18.09. 09 02.10. 09

Aus

trag

CK

W, B

TEX

[k

g]

Austrag CKW (BLA) (kg/d)

Summe CKW (kg)

Summe BTEX (kg)

BLA kaltPhase 1

AbkühlungPhase 4

DLI (u)Phase 3.1

DLI (u+m)Phase 3.2

DLI (m+o+(u))Phase 3.3

DLI (u+m+(o))Phase 3.4

AS (u)Ph. 2.1

AS (u+m)Phase 2.2

Hohes Schadstoff-potenzial GW-Wechsel und UZ

Air-Sparging mit zeitlich limitierter, hoher Austrags-leistung

Höchste Austrags-leistungen DLI auf GW-Höhe und in UZ

CKW-Gehalt um Faktor 15 reduziert © VEGAS

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Entwicklung CKW-Gehalte Grundwassersanierung

Rückgang an E1 (Abstrom Pilotfläche) auf 100 µg/l

Kein Rebound-Effekt

Emission Schadensherd bei 1,1 kg CKW je Monat

CKW-Austrag über GW „nur“6% des Gesamt-austrags

10

100

1000

10000

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105

112

119

126

133

140

147

154

161

168

175

182

189

196

203

210

217

224

Zeit (d)

Sum

me

CK

W E

inze

l-br

unne

n (µ

g/l)

1

10

100

1000

Aust

rag

[kg]

und

R

ate

[kg/

Mon

at]

E1, CKW GW10 smk, CKW GW sos, CKWGW-Austrag [kg CKW] GW-Austragsrate CKW [kg/Monat]

BLA kaltPhase 1

AbkühlungPhase 4

DLI (u)Phase 3.1

DLI (u+m)Phase 3.2

DLI (m+o+(u))Phase 3.3

DLI (u+m+(o))Phase 3.4

AS (u)Ph. 2.1

AS (u+m)Phase 2.2

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34/47/5463/61/8654/56/8049/41/3542/19/14(9,5)--Temp im Aquiferbereich der Injektion [°C] I1u/I1m/I1o

4571653924999Temp. Sanierungsfeld [°C]

1,93,68,55,62,13,51,57,5Austrag CKW (GW) [kg]

0,040,61,30,50,90,80,22,1Ges.Austrag BTEX (BLA [kg])

0,73,43,51,82,53,5 1,91,92,8 1,1Austrag CKW (BLA) [kg/d]

191081844554521649Austrag CKW (BLA) [kg]

-55/28/1821/47/2942/41/-43/-/----In I1u / I1m /I1o [kW]

-102958343---Ges. Dampfleistung [kW]

27,029,620,114,09,715,99,2-Luftmenge (Sparging) [kg/h]

140123805984956397BLA Brunnen [kg/h]

0,50,40,50,60,81,00,91,0 ab 20.03.2009

GW-Förderung E1 [m³/h]

Abkühlung, Rebound-Effekte ? Rest-belastung?

DLI, Reich-weite, Injek-tion UZ, GW-Höhe u. Aquifersohle

DLI, Reich-weiten, Injek-tion UZ, GW-Höhe u. Aquifersohle

DLI, Reich-weite, Injek-tion auf GW-Höhe u. Aquifersohle

DLI, Reich-weite, Injek-tion auf Aqui-fersohle

Air-Sparging GW-Wech-selbereich

Air-Aparging, Nachweis pneumat. Sicherung

Hintergrund-belastung,Effizienz„kalte“ BLA

Ziele

293252252215817Dauer [d]

25.08.09 –23.09.09

24.07.09 –25.08.09

02.06.09 –24.07.09

08.05.09 -02.06.09

16.04.09 -08.05.09

01.04.09 -16.04.09

24.03.09 -01.04.09

06.03.09 -24.03.09

Beginn / Ende

43.43.33.23.12.22.11Phase

Ergebnisüberblick aller Versuchsphasen

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Vergleich der Sanierungstechniken während Pilotanwendung

Grundwassersanierung, bzw. -sicherung nicht ökonomisch aufgrund geringer Austragsrate

Air-Sparging für gesättigte Zone als ökonomische Alternative mit Einschränkung DLI (GWW+UZ) = wirtschaftlich BLA um 15% teurer als DLI

54

803

1278

694

402

1 816

393

235 199274

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Grundwasser-sanierung

DLI gesättigte Zone+

GW-Haltung an E1

DLI GW-Wechsel +UZ +

GW-Haltung an E1

Air-Sparging + GW-Haltung an E1

Bodenluftabsaugung+

GW-Haltung an E1

spez

. Kos

ten

(EU

R je

kg

CK

W)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Aus

trag

(kg

CKW

p.a

.)

Prognose Austrag (kg LHKW/a)Kosten netto €/kg LHKWtest

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Zusammenfassung (I)

Eignung der thermischen In-situ-Sanierung mit DLI für den vorliegenden oberen Kluftaquifer (Plattensandstein) wurde bestätigt

Steigerung des Schadstoffaustrags um einen Faktor 2 – 5 im Vergleich zum Air-Sparging, bzw. zur „kalten“ Bodenluftabsaugung

Dampfausbreitung auf Höhe der Aquiferbasis mit 4 – 6 m Durchmesser fiel deutlich geringer aus als für die oberen Bereiche

Im oberen Aquifer und in der ungesättigten Zone thermische Reichweite von mehr als 10 m Durchmesser möglich

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Zusammenfassung (II)

Sanierungsplanung für eine thermische Sanierung des oberen Grundwasserbereichs und der ungesättigten Zone mittels DLI für eine Fläche von ca. 2.800 m² und einer Mächtigkeit von 15 m:Kostenrahmen für ca. 80.000 to Festgestein:2,6 Mio. EUR in 3 Jahren Betriebszeit

Kostenparität der DLI mit der Grundwassersicherungnach 20 – 25 Jahren Betriebsdauer

Geschätzte Betriebsdauer Grundwassersicherung länger als 100 Jahre Im oberen Plattensandsteinaquifer kann eine kosten- und zeiteffiziente

Thermische Sanierung erfolgen Aus Kosten-Nutzen Erwägungen keine Empfehlung für DLI im unteren

Aquiferbereich, wenngleich dies technisch möglich ist

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VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung

Thermische In-situ-Sanierung im Kluftsandstein mit Dampf-Luft-Injektion - Ergebnisse einer Pilotsanierung - 19

Strategien zur Boden- und GrundwassersanierungDECHEMA, Frankfurt, 23.11.2009

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http://www.vegasinfo.deDipl.-Ing. (FH) Oliver Trötschler, BetriebsingenieurVEGAS, Versuchseinrichtung zur Grundwasser-und Altlastensanierung, Universität StuttgartPfaffenwaldring 61, 70569 StuttgartTel.: 0711 685-67021, Fax: 0711 685-67020

Zum guten Schluss