Grundwassersanierung

W. KinzelbachGrundzüge Wasserhaushalt

Altlastenproblematik in der Schweiz

Sanierung: Wiederherstellung der Grundwasserqualität nach Unfällen oder in Verschmutzungsfällen die durch Altlasten verursacht wurden.

In der Schweiz: 20‘000 Altablagerungen14‘000 alte Industriestandorte 1‘500 Unfälle

Sanierungsbedürftig: 3‘000 – 4‘000 StandorteGeschätzte Kosten: 5 Mrd. SFr.

Mögliche Sanierungsziele

• Wiederherstellung der Trinkwasserqualität• Sanierung bis zu einer vorher festgelegten Restkonzentration• Sanierung des leicht mobilisierbaren Anteils der Verschmutzung• Entfernung der Verschmutzungsquelle• Verhinderung der weiteren Ausbreitung• Verhinderung von neuen Einträgen

Sanierungsstrategie

• Sanierungsziel• Art der Schadstoffe• Art des Bodens/Aquifers• Grundwasserströmungsbedingungen• Grösse und Intensität der Verschmutzung• Geologie/Hydrogeologie der Region• Alter der Verschmutzung• Zeithorizont der Schutzmassnahme• Kosten

Sanierungsmethoden• Einschliessung, Immobilisierung• Entfernung der Schadstoffquelle (Aushub)• Hydraulische Sanierung (Pump-and-treat) • Biologische und chemische Sanierung in-situ• Elektrolytische und elektro-osmotische Methoden• Thermische Methoden• Luftabsaugung und „air sparging“• Mobilisierung von Schadstoffen in Phase • Passive Methoden (reaktive Wände, “natural attenuation”)• Reinigung im Wasserwerk

Einschliessung und Immobilisierung• Elemente der Einschliessung: vertikale Wände, horizontale Bodenbarriere, Deckel, Geotextilien, Wasserhaltung• Immobilisierung durch Injektion von Gelen oder anderen Chemikalien, in situ Verglasung • Vorteile: limitiert weitere Ausbreitung von Schadstoffen, Elemente in Grund- und Spezialtiefbau gut bekannt• Nachteile: Verschmutzungspotential nicht beseitigt, horizontale Bodenbarriere noch Fiktion, Wasserhaltung über lange Zeit nötig

Einschliessung und Immobilisierung

• Vertikale Wände, die nicht in einen undurchlässigen Boden einbinden, sind praktisch nutzlos

Entfernung der Schadstoffquelle

• Wirkliche Lösung mit kalkulierbarem Zeithorizont • Behandlung des Aushubs durch thermische, physikalische, biologische Methoden

• Nachteile- Aushub beschränkt auf Quellen sehr begrenzter Grösse- Quellen für CKW (DNAPL) nicht leicht zu finden- Keine Lösung für eine schon vorhandene Fahne, Massnahmen am Wasserwerk immer noch erforderlich.- Teuer falls die Quelle unter wertvoller Überbauung liegt- Residuen aus der Behandlung müssen weiterhin deponiert werden

Hydraulische Sanierung(Pump-and-treat)

• Älteste, direkte Methode, bestehend aus Entnahme- und Infiltrationsbrunnen, kombiniert mit Wasseraufbereitung, Prinzip: Entfernung von Schadstoffen mit Wasser in dem sie gelöst sind • Limitationen: Schadstoffe müssen gut löslich und mobil sein, Durchlässigkeit muss grösser als 10-5 m/s sein• Kann sowohl als Abwehr als auch Beseitigungsmassnahme für eine Fahne eingesetzt werden. • Vorteile: Technisch einfach, Mittel für Dimensionierung vorhanden• Nachteile: Lange Dauer, besonders wenn noch Schadstoffe in freier Phase vorhanden sind, geringe Effizienz wenn Konzentrationen klein werden, negativ beeinflusst durch Heterogenität der Formation

Hydraulische Sanierung

• GrundkonfigurationenVersuche die Fahne so eng wie möglich einzuschliessen durch Minimierung der Pumprate

Reinfiltration nach Behandlung um GW-Bilanz nicht zu stören

Erzeugung einer „Sanierungsinsel“

Hydraulische Sanierung

• Abwehrbrunnen

Richtung der Grundströmung

Gegeben CKW-Fahne von 50 m Breite quer zur Fliessrichtung, Abstands-Geschwindigkeit des Grundwassers 1.5 m/d, Porosität 0.25, Mächtigkeit desAquifers 15 m. Welche Pumprate ist erforderlich, um den Abstrom zu schützen? Wie weit innerhalb der Fahne kann der Brunnen höchstens liegen?

Beispiel:

Asymptotische Breite: b = Q/(unm)

Position des Staupunkts:

xs= Q/(2unm)

b

xs

Hydraulische Sanierung

Wichtiger zu berücksichtigender Umstand: Mögliche Variation der Grundströmungsrichtung

Hydraulische Sanierung• Zu berücksichtigen: Regionale Wasserbilanz, ZeitskalaFall Opel Rüsselsheim:

Hydraulische Sanierung• UVB-Brunnen (Variante: Pumpe im Rohr)

Luft

Wasserspiegel

Druckverteilung im Brunnen

Druckverteilung ausserhalb des Brunnens

Induktion einer WalzeInnerhalb des Brunnens könnenleichtflüchtige Schadstoffe gestrippt werden

Einschränkungen: Walze kann offen sein, wegen Grundströmung, vertikale Kurzschlüsse halten die Walze klein

(alternativ: Pumpe im Brunnenrohr)

Hydraulische Sanierung

• Generelles Problem der Heterogenität: BeispielNiedrige Durchlässigkeit Hohe Durchlässigkeit

Strömungsrichtung

Die durchlässige Schicht wird viel-mal gereinigt bevor die weniger durchlässigen Schichten saubersind. Sauberes Wasser verdünntden Schadstoff und machtSanierung ineffizient

• Durchbruchskurven (1 D Spülung des Blocks)Homogener Block Inhomogener Block wie oben

c

Zeit

c

Zeit

Mit Dispersion

Ohne Dispersion

Biologische Sanierung in situ

• Elemente: Injektionsbrunnen um limitierenden Stoff für bakterielle Aktivität zuzuführen, Entnahmebrunnen um Unterstrom zu schützen (z. B. Metabolite) • Gewöhnlich fehlt Elektronenakzeptor (je nach Redoxpotential: Sauerstoff, Nitrat, Sulfat, Eisen II, „CO2“)• Zugabe von Sauerstoff limitiert (Löslichkeit), 1 kg Mineralöl braucht rund 4 kg Sauerstoff für Abbau/ Oxidation, Alternativen: Reiner Sauerstoff, Ozon• Leichter verabreichbarer Elektronenakzeptor: Nitrat• Die Natur verfügt über Eisen in grossen Mengen, aber benötigtes Kontaktvolumen ist wahrscheinlich goss. • Manchmal ist die Löslichkeit des Substrats limitierend

Biologische Sanierung in situ

Biologische Sanierung in situ

• Vorteil: Methode benutzt natürlichen Reinigungsprozess• Beschränkung: Nur für biologisch abbaubare Schadstoffe und nur ratsam, wenn Abbau komplett ist (d.h. Keine gefährlichen Metabolite)• Kontakt zwischen Infiltrat und Schadstoff gering (da Mischung in Grundwasser gering)•Um Volumenmischung zu erhalten, muss der Schadstoff adsorbieren• Durchlässigkeit des Aquifers muss hoch sein (wie bei Pump-and-Treat)

Biologische Sanierung in situ

Luftabsaugung in der unges. Zone• Künstliche Belüftung der ungesättigten Zone wird am meisten angewandt. Belüftung der ungesättigten Zone kommt in Betracht bei leichtflüchtigen Stoffen (bei CKW am häufigsten)• Billige Methode, Luftabsaugung und –einpressung können kombiniert werden. • Beschränkt auf leichtflüchtige Stoffe, vor allem CKW, Nachteile:

• Kleine Effizienz nach einiger Pumpzeit (Diffusionslimitierter Stoffübergang von Wasser auf Luftstrom)• Kein Reinigungseffekt in der gesättigten Zone• Injektionen mit hohem Druck sind in der Nähe von Gebäuden nicht ratsam

Air sparging• Belüftung der gesättigten Zone um volatile Komponenten auszustrippen• Nachteile: Geringe Effizienz, problematisch in anoxischen Aquiferen (Ausfällungen)

Mobilisierungsmethoden• Schadstoffe in Phase können mobilisiert werden durch Methoden, die aus der tertiären Entölung von Ölfeldern bekannt sind. • Flutung mit Alkohol, Tensiden und Polymeren• Dampfinjektion• Vorteil: Jede Tonne, die entfernt ist verkürzt die Zeit über die der Schadensfall Probleme bereitet• Nachteile: Reinigung auf Trinkwasserstandard nicht möglich, geringe Effizienz, Schadstoff kann verdrängt werden in Zonen, aus denen er nicht zurückgeholt werden kann.

Passive Methoden

• Funnel and gate• Reaktive Wände

Es wurde herausgefunden, dassCKW im Kontakt mit metallischem Eisen dechloriert werden

Undurchlässige Bentonitwand

DurchlässigeEisenfüllung als Reaktor

Einschränkung: Bisher nur Kombination Eisen-CKW erfolgreich, Problem derHeterogenität, Langzeitverhalten noch unbekannt

CKW Verschmutzung

Überwachte natürliche Selbstreinigung (Natural attenuation)• Natürlicher Abbau von abbaubaren

Schadstoffen durch Oxidation• Keine Kosten ausser Monitoring• Derzeit beliebt, da aktive Methoden bisher

nicht sehr erfolgreich waren. Einzelne Erfolgsstories existieren für Pump-and-treat

• Neue und bessere Sanierungsmethoden können immer noch gefunden werden. Aber es gibt keine Alternative zur Vermeidung

Anforderungen und Schritte

• Erkundung und Charakterisierung des Standorts

• Risikoanalyse• Festlegung des Sanierungsziels• Wahl der Sanierungsmethode• Vergleich der Kosteneffizienz der Methoden• Optimierung der Auslegung• Erfolgskontrolle (Monitoring)

Problem: CKW-Verschmutzung Grenchen

Highway A5

FB1-4

Tunnel A5

Nationalstrassenprojekt contra Naturschutzgebiet

2 km

Kompromiss: Untertunnelung der Grenchenwiti

CKW-Verschmutzung Grenchen (g/l)

VinylchloridCis-1,2-Dichlorethylen

TrichlorethylenPerchlorethylen

Perchlorethylen

Trichlorethylen

Cis-1,2-DichlorethylenTrans-1,2-Dichlorethylen

Ethen

Cl Cl

CC

Cl Cl

Cl H

CC

Cl Cl

H H

CC

Cl Cl

H H

CC

H Cl

H H

CC

H H

Cl H

CC

H Cl

Vinylchlorid

2H

HCl

2H

HCl

2H

HCl

2H

HCl

CH4

?

Dechlorierung der CKW

CKW-Verschmutzung Grenchen: Modell

Abwehr-brunnenreihezur Begrenzungder Fahnewährend derBauzeit

Strippanlage in Grenchen