Innovativ dimensionierter In-situ Bioabbau Von CKW und ... · Innovativ dimensionierter In-situ...

Innovativ dimensionierter

In-situ Bioabbau

Von CKW und Chrom VI

Axel Oppermann, Dr. Eugen Martac

geo-log GmbH, Braunschweig / Nehren

Andreas Romey, Herbert Horn

Stadt Braunschweig, Fachbereich Stadtplanung und Umweltschutz

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI

Innovatives Barrierenkonzept

Strategien zur Boden- und Grundwassersanierung

DECHEMA Haus Frankfurt am Main

22. – 23.11.2010

Glie

der

un

g

Rahmenbedingungen und In-Situ Sanierungsmaßnahme

Rahmendaten zum Standort

Hochauflösende Erkundung - Messverfahren

Detaillierte Charakterisierung der Sanierungsebene

Hydraulische Parameter und Schadstoffverteilung

Prinzipmodell

Planung und Bemessung der Behandlungszone

Umsetzung der technischen Installationen

Ergebnisse / Ausblick

Gliederung

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010


CKW- und Chrom VI-Schaden mit saniertem Quellbereich (Großbohrungen)

Abgerissene Schadstofffahne im Bereich von Kleingärten und öffentlichen

Flächen (Grünflächen / Straßen)

Hohe Konzentrationen im GW (CKW bis 35 mg/l, Chrom VI bis 3 mg/l)

Räumlich differenzierte Verteilung der Kontaminanten

Oberer / unterer Aquifer mit unregelmäßigem Zwischenstauer

Relativ hohe Fließgeschwindigkeit im Aquifer (400 - 80 m/a)


Konzept der Fahnensanierung:

In-Situ Behandlung und Beseitigung der Kontamination in einer vertikalen

Fläche = vertikale in-situ Reaktionszone (Biobarriere)

„Abschneiden“ der Fahne beim Durchlauf durch Reaktionszone

Sanierung der Kernfahne durch langjährigen Betrieb der Barriere(n)

Installation weiterer Barrieren in der Fahne

Anforderungen an die Maßnahme:

Differenzierte Behandlung der Schadstoffe (Frachten)

Sanierung in-situ

Langjährig notwendiger Betrieb = geringe Betriebskosten

Lösungsansatz:

In-Situ Biobarriere mit weitestgehend passivem Betrieb

Kostengünstiges (lokales) Substrat (Melasse) zur Behandlung der Schadstoffe

Optimierung der Behandlungsstrategie durch differenzierte Erfassung der Schadstoffbelastung und

der hydraulischen Eigenschaften

Räumliche Begrenzung der Maßnahme - Frachtenorientiert

Weitestgehend passive Herangehensweise aber aktive Unterstützung wenn sinnvoll

Prinzip ähnlich einer „reaktiven“ Bio-Wand aber nicht integrativ sondern räumlich differenziert auf die

örtliche Situation abgestimmt.

Rahmenbedingungen / In-Situ Maßnahme

Glie

der

un

g



Hochauflösende Erkundung - Messverfahren

Detaillierte Charakterisierung der Sanierungsebene


Prinzipmodell




Gliederung

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010


Testfeld West

Testfeld Ost

Ehem. Schadenszentrum

Ehemalige Galvanik – Quellbereich saniert

Pilotversuche zum anaeroben Schadstoffabbau

Pilotversuche in Testfeldern(Betrieb ca. 1 Jahr)

Grundlagen zur Verfahrensauswahl

Ergebnisse Pilotversuche in Testfeldern:

- Chrom-VI ist bereits kurz nach Beginn der Melasse-Infiltration nicht mehr nachweisbar.

- Chromgesamt-Konzentration zum Ende der Infiltrations-kampagnen von anfänglich 230 µg/l auf 14 µg/l verringert.

- Kompletter Abbau des CKW-AusgangproduktesTCE nach 100 Tagen.

- Lag - Phase (cis-DCE) von 200 – 300 Tagen.

- Vollständige Umsetzung der reduktiven Dechlorierungder CKW zum chlorfreien Endprodukt Ethen.


LHKW - Konzentrationen

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Zeit (Tage)

Kon

zent

ratio

n (µ

g/l)

TCA PCE TCE cis-1.2-DCE VC LHKW gesamt

Infiltrationen

Chrom gesamt / Chrom VI

0

50

100

150

200

250

300

350

0 100 200 300 400 500

Zeit (Tage)

Kon

zent

ratio

n (µ

g/l)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Kon

zent

ratio

n (m

g/l)

Chrom gesamt Chrom VI

Mol - Verhältnisse

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 35 61 97 124 151 186 209 246 285 315 342 389Zeit (Tage)

Ein

zels

toff

e [m

ol %

]

TCA PCE TCE cis-1,2-DCE VC Ethen

Sulfat, Eisen, Chlorid

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Zeit (Tage)

Kon

zent

ratio

n [m

g/l]

Gelöstes Eisen II Chlorid Sulfat

Cr-gesamt-Konzentration > 100 µg/l

CKW-Konzentration > 1 000 µg/l

Standort In-Situ Maßnahme

Entscheidungskriterien:

• Maximale Beseitigung von Schadstoffmengen

• Möglichst vollständige Erfassung der Schadstoffahne

• Zugänglichkeit, Befahrbarkeit


Glie

der

un

g


Daten zum Standort

Hochauflösende Charakterisierung / Messverfahren


Prinzipmodell




Gliederung

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

Hochauflösende Erkundung

Wie breiten sich die verschiedenen Schadstoffe innerhalb der Sanierungsebene aus und an welche Horizonte sind die Schadstoffe gebunden?

In welchem räumlichen und funktionalen Verhältnis stehen die Schadstoffe zur Lithologie?

Welche Schadstoffmassenflüsse soll die geplante Sanierungsmaßnahme beseitigen und wie ist die räumliche Verteilung innerhalb der Sanierungsebene?

Wie homogen ist der Aquifer ausgebildet – gibt es präferentielle Fließwege?

Fungiert der Zwischenstauer auch als solcher oder gibt es Wegsamkeiten im Stauer?

Begrenzt der Stauer die Kontamination zum unteren Grundwasserleiter?

Charakterisierung - Fragestellungen:

Gestaffelte Vorgehensweise

1. Detaillierte 2-D Standorterkundung mit hochauflösenden online Messverfahren in Kombination mit punktgenauen Probenahmen

• HPT und EC Sondierungen (Hydraulik / Lithologie)• Punktgenaue Grundwasserprobenahmen und Analytik• In-Situ Slug-Tests

2. Echtzeit – Datenakquisition, Weiterberarbeitung und Übermittlung = Laufende Anpassung der Erkundungsstrategie an Ergebnisse

3. Iterative Erstellung eines 2-D Standortmodells zu Lithologie, Hydraulik und Schadstoffverteilung in geeignetem Detaillierungsgrad.

Charakterisierung / Messverfahren


HPT-System(Hydraulic Profiling Tool)

Kontinuierliche Aufzeichnung der elektr. Leitfähigkeit und Bestimmung der relativen Wasserdurchlässigkeit


In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010




In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

Grundlagen zur VerfahrensauswahlCharakterisierung / Messverfahren

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010



In-Situ Slug Tests Bestimmung der absoluten Durchlässigkeit in tiefen-gestaffelten Intervallen


In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

Legende:

Umfang11 HPT bis max. 23 m u. GOK9 GWS bis max. 20m u. GOK26 tiefenorientierte GW-Proben6 Slug Tests


Rohdaten

Glie

der

un

g


Daten zum Standort



Prinzipmodell




Gliederung

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

Lithologie anhand der EC-Profilierung


Analysenergebnisse CKW: Konzentrationsverteilung im Grundwasser

Legende:

0 - 50

50 - 100 (50 = oberer Maßnahmenschwellenwert, LAWA 1994)

100 - 500

500 - 1.000

1.000 - 5.000

5.000 - 10.000

10.000 - 15.000

15.000 - 20.000

20.000 - 40.000


1.GWL Maximal 35000 µg/l2.GWL Maximal 28000 µg/l

0 - 10

10 - 50 (10 – 50 = Prüfwert, LAWA 1994)

50 - 100

100 - 250 (100 – 250 = Maßnahmenschwellenwert, LAWA 1994)

250 - 500

500 - 1.000

1.000 – 2.000

2.000 – 3.000

Legende:

1.GWL Maximal 3000 µg/l

Analysenergebnisse Chrom (gesamt): Konzentrationsverteilung im Grundwasser


0 - 5

20 - 30

30 - 40 (30 - 40 = Maßnahmenschwellenwert, LAWA 1994)

40 - 100

100 - 500

500 - 1.000

1.000 – 2.000

2.000 – 3.000

5 - 20 (5 - 20 = Prüfwert, LAWA 1994)

Legende:

1.GWL Maximal 2900 µg/l

Analysenergebnisse Chrom (VI): Konzentrationsverteilung im Grundwasser


Relative hydraulische Durchlässigkeitsverteilung (Q/p)


ST HPT 4: 5,0-6,0 m u GOK ST HPT 6: 9,7-10,7 m u GOK ST HPT 6: 9,7-10,7 m u GOK

Durchführung von Slug Tests zur Kalibrierung der relativen hydraulischen Durchlässigkeiten Kalibrierungsbeispiele


Zusammenfassung der Slug Test Ergebnisse

Massenaustrag= Σij (cij. Kij

. Aij) . i

Hydraulische Durchlässigkeitsverteilung


Verteilung der CKW - Frachten


0 – 3

3 – 7

7 – 14

14 – 35

35 – 70

70 – 107

107 – 140

140 – 178

178 – 214

Verteilung der CKW - Frachten

Gesamtmassenaustrag 88,7 g/d


0 – 3

3 – 7

7 – 14

14 – 35

35 – 70

70 – 107

107 – 140

140 – 178

178 – 214

Massenaustrag 5,1 g/d Massenaustrag 64,3 g/d Massenaustrag 10 g/d

Massenaustrag 9,3 g/d

Verteilung der Cr VI - Frachten


0 – 0,7

0,7 – 1,4

1,4 – 3,5

3,5 – 7

7 – 10

10 – 14

14 – 18

18 – 21

21 – 25

Verteilung der Cr VI - Frachten


Gesamtmassenaustrag 2,4 g/d

Massenaustrag 0,13 g/dMassenaustrag 2,22 g/d Massenaustrag 0,05 g/d

Massenaustrag 0 g/d0 – 0,7

0,7 – 1,4

1,4 – 3,5

3,5 – 7

7 – 10

10 – 14

14 – 18

18 – 21

21 – 25

Glie

der

un

g


Daten zum Standort



Prinzipmodell




Gliederung

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

Abstand zwischen Entnahmebrunnen und Infiltrationspegel ca. 4 m.Die Entnahmebrunnen werden gleichzeitig als Monitoringmessstellen genutzt.

3 x 4 Zoll Pumpbrunnen

Gru

ndw

asse

rflie

ßric

htun

g

5 x 1 Zoll Infiltrationspegel7 x 2 Zoll Infiltrationspegel

5 x 1 Zoll Infiltrationspegel

HPT3 HPT6 HPT9 HPT11HPT7

2 1 3

Prinzipmodell in-situ Biobarriere

Prinzipmodell

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

Liefersystem und Zudosierung der Hilfsstoffe entsprechend der ermittelten Frachten und der Ergebnisse der Prinzipmodellierung.

Iterative Bemessung der Liefersysteme mit Hilfe der Prinzipmodellierung ergibt optimale Auslegung:

• Breite des Behandlungsraums

• Anzahl und Ausbaudurchmesser von Entnahmebrunnen

• Anzahl und Ausbaudurchmesser der Infiltrationsbrunnen

• Tiefenlage der Filterstrecken

• Aktives System im Zentralbereich der Fahne mit sehr hohen Frachten

Die Zudosierung des Hilfssubstrates Melasse und von Pufferlösung erfolgt entsprechend der für die Teilbehandlungsbereiche ermittelten Frachten und der Prinzipmodellierung:

• Angestrebte Zielkonzentration des DOC in Abhängigkeit passiv / aktiv

• Dauer der Zirkulation bei aktiv unterstützter Infiltration

• Festlegung der Melassemengen und der Verdünnungsfaktoren

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

Prinzipmodell





Verweilzeit 4 Stunden

Prinzipmodell

Gru

ndw

asse

rflie

ßric

htun

g

2 1 3








Prinzipmodell

Gru

ndw

asse

rflie

ßric

htun

g

2 1 3








Gru

ndw

asse

rflie

ßric

htun

g

2 1 3


Prinzipmodell


Glie

der

un

g


Daten zum Standort



Prinzipmodell




Gliederung

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

Infiltrationspegel Zirkulationswalze:Infiltrationspegel und Pumpbrunnen

Infiltrationspegel

15 m 25 m 15 m

Infiltrationspegel

IP1-6 IP13-19 IP7-12

IP20-22

B1 B2 B3

9 m

3 x 4“ Brunnen7 x 2“ InfiltrationspegelOberer Grundwasserleiter

Unterer Grundwasserleiter 3 x 1“ Infiltrationspegel

Abdeckung

25 m

30 m

9 m

10 x 1“ Infiltrationspegel

Prinzipskizze

in-situ Biobarriere

Planung und Bemessung

Glie

der

un

g


Daten zum Standort



Prinzipmodell




Gliederung

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

P23 (WI-166)

P24/2 (WI-200)

P24/1 (WI-199)

GWS A1/10

GWS A2/10

GWS A3/10

GWS A4/10

GWS A5/10

GWS A6/10

GWS A8/10

GWS A7/10

GWS A9/10

HPT 1

HPT 2

HPT 3

HPT 4

HPT 5

HPT 6

HPT 7

HPT 8

HPT 9

HPT 10

HPT 11

B 1

B 2

B 3

IP 1

IP 2

IP 3

IP 4

IP 5

IP 6

IP 7

IP 8

IP 9

IP 10

IP 11

IP 12

IP 13

IP 14

IP 15

IP 16

IP 17

IP 18

IP 19

IP 20

Bereich

Nord

Bereich

Mitte

Bereich

Süd

Hauptgeschäftsstelle:Volkmaroder Straße 8c38104 BraunschweigTel. 0531/213609-0

CKW / Cr VI - Schaden ArndtstraßeKonzeption Abstrombarriere Klosterkamp

Stadt BraunschweigFB Stadtplanung & Umweltschutz

25.05.2010

Detaillageplan In-Situ Biobarriere

Legende:

25.05.2010

S. THIELECKE 07435-A4_lp-003

DATUM NAME ZEICHNUNGS-NR.

H. LEISTNER

ANLAGE

1.2

PROJEKT-NR. 07435-A/4GEPRÜFT

M 1 : 250

DIN A3

DARSTELLUNG:

GEZEICHNET

AUFTRAGGEBER:

PROJEKT:

Niederlassung Süd:Bahnhofstraße 972147 NehrenTel. 07473/95988-3

GrundwassermessstelleP41 (WI-305)

GWS A1/10 Grundwassersondierung

HPT Hydraulische Profilierung(relative hydraulische Durchlässigkeit in

Kombination mit elektrischem Leitfähigkeitsprofil)

4''-BrunnenFilterstrecke 8 - 13 m u. GOK

1''-InfiltrationspegelIP 1 - 5: Filterstrecke 5 - 10 m u. GOK

IP 6 - 10: Filterstrecke 5 - 12 m u. GOK



B 1 - B 3

IP 1 - 10

IP 11 - 17

IP 18 - 20

Technische Installationen

3 Entnahmebrunnen 4“

ausgestattet mit Tauchmotorpumpen 3“

P23 (WI-166)

P24/2 (WI-200)

P24/1 (WI-199)

GWS A1/10

GWS A2/10

GWS A3/10

GWS A4/10

GWS A5/10

GWS A6/10

GWS A8/10

GWS A7/10

GWS A9/10

HPT 1

HPT 2

HPT 3

HPT 4

HPT 5

HPT 6

HPT 7

HPT 8

HPT 9

HPT 10

HPT 11

B 1

B 2

B 3

IP 1

IP 2

IP 3

IP 4

IP 5

IP 6

IP 7

IP 8

IP 9

IP 10

IP 11

IP 12

IP 13

IP 14

IP 15

IP 16

IP 17

IP 18

IP 19

IP 20

Bereich

Nord

Bereich

Mitte

Bereich

Süd




25.05.2010


Legende:

25.05.2010



H. LEISTNER

ANLAGE

1.2


M 1 : 250

DIN A3

DARSTELLUNG:

GEZEICHNET

AUFTRAGGEBER:

PROJEKT:











B 1 - B 3

IP 1 - 10

IP 11 - 17

IP 18 - 20


7 Infiltrationsbrunnen 2“

(Direct – Push Verfahren)

P23 (WI-166)

P24/2 (WI-200)

P24/1 (WI-199)

GWS A1/10

GWS A2/10

GWS A3/10

GWS A4/10

GWS A5/10

GWS A6/10

GWS A8/10

GWS A7/10

GWS A9/10

HPT 1

HPT 2

HPT 3

HPT 4

HPT 5

HPT 6

HPT 7

HPT 8

HPT 9

HPT 10

HPT 11

B 1

B 2

B 3

IP 1

IP 2

IP 3

IP 4

IP 5

IP 6

IP 7

IP 8

IP 9

IP 10

IP 11

IP 12

IP 13

IP 14

IP 15

IP 16

IP 17

IP 18

IP 19

IP 20

Bereich

Nord

Bereich

Mitte

Bereich

Süd




25.05.2010


Legende:

25.05.2010



H. LEISTNER

ANLAGE

1.2


M 1 : 250

DIN A3

DARSTELLUNG:

GEZEICHNET

AUFTRAGGEBER:

PROJEKT:











B 1 - B 3

IP 1 - 10

IP 11 - 17

IP 18 - 20


14 Infiltrationsbrunnen 1“

10 x flach / 3 x tief

(Direct – Push Verfahren)


Mobile Installation mit fliegenden Leitungen

Glie

der

un

g


Daten zum Standort



Prinzipmodell




Gliederung

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

Zunächst 8 Infiltrationen im Zeitraum eines Jahres und Monitoring

• Erhebung von Daten zur Bemessung des Barrierenbetriebs

• Verifizierung der Wirksamkeit / Optimierung der Effizienz

• Ständiger Abgleich mit Prinzipmodell

Übergang in den dauerhaften Betrieb zur Fahnensanierung

• Festgelegte Verfahrensweise und optimiertes Monitorings

• Angestrebte Betriebskosten ca. 25.000 - 30.000 € pro Betriebsjahr

Ausblick

In-Situ Bioabbau

CKW und Chrom VI




22. – 23.11.2010

IP Nord

IP Mitte flach / tief

IP Süd

Sulfat

0

100

200

300

400

500

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18Zeit (Monate)

Sul

fat

[mg/

l]

0

1

2

3

4

5

Eis

en [

mg/

l]

Sulfat Gelöstes Eisen II

Ergebnisse: Sulfat (Konzentrationen linear)

IP Nord


IP Süd

Sulfat / Eisen

0

100

200

300

400

500

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18Zeit (Monate)

Sul

fat

[mg/

l]

0

1

2

3

4

5

Eis

en [

mg/

l]



IP Nord


IP Süd

Sulfat

0

100

200

300

400

500

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18Zeit (Monate)

Sul

fat

[mg/

l]

0

1

2

3

4

5

Eis

en [

mg/

l]



IP Nord


IP Süd


PufferkampagneInfiltration

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

2.200

2.400

-1 1 3 5 7 9 11 13 15 17Zeit (Monate)

Kon

zent

ratio

n (µ

g/l)

TCA PCE TCE cis-1.2-DCE VC LHKW gesamt Ethen

Ergebnisse: CKW (Konzentrationen linear)

IP Nord


IP Süd


InfiltrationPufferkampagne

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18Zeit (Monate)

Kon

zent

ratio

n (µ

g/l)

TCA PCE TCE cis-1.2-DCE VC LHKW gesamt


IP Nord


IP Süd


PufferkampagneInfiltration

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18Zeit (Monate)

Kon

zent

ratio

n (µ

g/l)

TCA PCE TCE cis-1.2-DCE VC LHKW gesamt Ethen


IP Nord


IP Süd

Mol - Verhältnisse

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0,0 0,2 1,2 2,5 3,8 5,0Zeit (Monate)

Ein

zels

toff

e [m

ol %

]


Ergebnisse: CKW (Einzelstoffverteilungen molar)

IP Nord


IP Süd

Mol - Verhältnisse

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0,0 1,2 2,5 3,8 5,0Zeit (Monate)

Ein

zels

toff

e [m

ol %

]



IP Nord


IP Süd

Mol - Verhältnisse

0%

20%

40%

60%

80%

100%

-0,0328767 1,18356164 2,53150685 3,84657534 4,96438356Zeit (Monate)

Ein

zels

toff

e [m

ol %

]



IP Nord


IP Süd


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-1 1 3 5 7 9 11 13 15 17Zeit (Monate)

Kon

zent

ratio

n (µ

g/l)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Kon

zent

ratio

n (m

g/l)


Ergebnisse: Chrom (Konzentrationen linear)

IP Nord


IP Süd


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18Zeit (Monate)

Kon

zent

ratio

n (µ

g/l)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Kon

zent

ratio

n (m

g/l)



IP Nord


IP Süd


0

50

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Kon

zent

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Innovativ dimensionierter In-situ Bioabbau Von CKW und ... · Innovativ dimensionierter In-situ...

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