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Schlußbericht zum BmBF-Verbundvorhaben:

Erarbeitung eines Leitfadens für die Anwendung elektro-induzierter in-situ-Sanierungsverfahren

für bebaute Altlastenstandorte: Teilvorhaben 3: Einrich-tung und Betrieb eines Testfeldes

„Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzei-chen 02491030A gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröf-

fentlichung liegt beim Autor“

Berichtzeitraum 01.01.2001-30.09.2002

Universität Karlsruhe, Lehrstuhl für Angewandte Geologie, Kaiserstr. 12, D-76128 Karlsruhe

INTUS e.V., Rudower Chaussee 5, Haus 1.7, D-12484 Berlin

Anwaltskanzlei Dr. Sondermann & Steiner Huyssenallee 87, D-45128 Essen

2. Schlussbericht: Kurzfassung

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Kurzfassung

Die elektrokinetische Bodensanierung ist eine innovative in situ-Sanierungsmethode, die sich vor allen Dingen für gering durchlässige Gesteine eignet. An eine Gleichstromquelle ange-schlossene Elektroden induzieren im Untergrund ein elektrisches Feld, das eine Bewegung der Schadstoffe zu den Elektrodenreservoirs verursacht. Als Haupttransportvorgänge treten die elektrochemischen Prozesse Elektroosmose (elektrisch induzierte Wasserströmung) und/oder Elektromigration (für geladene Schadstoffe) auf.

Im Rahmen des Vorhabens wurde auf dem ehemaligen Gelände des VEB Fettchemie (heuti-ges Solaris®-Gelände), Chemnitz ein Elektrokinetik-Testfeld errichtet.

Behandelt wird die Einrichtung, Inbetriebnahme und Betreuung des Elektrokinetiktestfeldes auf dem Solaris®-Gelände in Chemnitz. Dazu wurden sieben Elektrodenbrunnen in hexagona-ler Anordnung mit einer Tiefe von 12 Meter unter Geländeoberkante mittels Rotationsbohr-technik im Trockenbohrverfahren abgeteuft. In diese Brunnen wurden anschließend rohrför-mige Oxidbeschichtete Titanelektroden eingebracht und anschließend mit einer computerge-steuerter Gleichspannungsquelle mit Strom versorgt.

Um eine optimale Betreuung des Testfeldes zu gewährleisten, wurde ein computergestütztes Prozessleitsystem installiert, das durch Fernüberwachung die Steuerung der Anlagentechnik und die Erfassung der Prozess- und Umweltdaten ermöglichte. Über ein Monitorsystem wur-den regelmäßig alle Brunnen des Testfeldes beprobt und wichtige Parameter bestimmt, wie z. B. der pH-Wert, das Redoxpotential, den Sauerstoffgehalt , die Leitfähigkeit, die Gesamtphe-nolkonzentration, die Phenolderivate und Chlorphenol. Durch die Analyseergebnisse der Wasserproben konnte sowohl ein elektroosmotischer wie auch ein elektromigrativer Transport nachgewiesen werden. Der dominierende Prozess stellte dabei der elektomigative Transport negativ geladener Phenolationen zur Anode dar. Nach Abschluss der elektrokinetischen Test-phase wurde das Testfeld auf dem Solaris®-Gelände zurückgebaut. Dabei wurden die nicht mehr notwendigen Grundwassermessstellen gezogen und anschließend sachgemäß verfüllt und die installierte Messtechnik demontiert. Um den Sanierungserfolg wirklich beurteilen zu können, wurden vier Abschlusskontrollbohrungen mittels Rotationskernbohrungen in unmit-telbarer Umgebung der Elektrodenbrunnen niedergebracht. Nach einer detailierten Bohrkern-aufnahme wurden die Kerne über die gesamte Länge beprobt und im Labor auf ihren Phenol-gehalt hin untersucht, um eine Aussage über den Rückgang der Phenolkontamination im Lau-fe der elektrokinetischen Bodensanierung treffen zu können.

Die vorliegenden Ergebnisse aus den Abschlussbohrungen belegen einen Rückgang der Phe-nolkonzentration im Boden von ca. 90 %. Dieses sehr positive Ergebnis wird geschmälert durch die nicht kontrollierbaren Anodenelektrodenreaktionen. Bei größeren angelegten elekt-rischen Feldern wurden an der Anode Chlorphenole gebildet, die aufgrund der hohen Konzen-tartion an Chlorgas entstanden waren. Die Bildung toxischer Chlorphenole sollte in Zukunft bei Anwendung elektrokinetischer Verfahren verhindert werden. Denkbar wäre ein Einsatz chlorselektiver Membranen oder der Einsatz geeigneter chemischer Substanzen (z. B. Amine).

2. Schlussbericht: Kurzfassung

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Die entstandenen Stromvebrauchskosten sind im Vergleich zu den Installationskosten nicht relevant (ca. 4.000,00 €)

Mit Hilfe der Finanzierung seitens eines Industriepartners werden dem Forschungsvorhaben elektrokinetische Untersuchungen zu leicht flüchtigen chlorierten Kohlenwasserstoffen (LCKW) zur Verfügung gestellt. LCKW wurde bislang im Rahmen der Förderung durch BmBF nicht betrachtet. Dieser äußerst wichtige Schadstoff wird nun detaliert im Leitfaden behandelt. Ein sukzessives up-scaling der elektrokinetischen Versuche gewährleistete eine maximale Planungssicherheit für den später durchgeführten Feldversuch. In vorbereitenden Laborversuchen wurde das Transportverhalten und der mögliche Abbau von Tetrachlorethen, einem leicht flüchtigen chloriertem Kohlenwasserstoff (LCKW) untersucht und in anschlie-ßenden Technikumversuchen die Funktionsweise der neu entwickelten Horizontalfiltervarian-ten mit innen- bzw. außenliegendem Elektrodennetz überprüft. Mit den gewonnenen, positi-ven Ergebnissen dieser Versuche und einer detaillierten Voruntersuchung auf dem Betriebs-gelände der Firma Stahl GmbH in Birkenfeld, wo im Bereich einer Lagerhalle ein lokal be-grenzter, kleinräumiger Monoschadenfall mit Tetrachlorethen mit Konzentrationen bis zu 5500 mg/kg vorlag, erfolgte die Planung und Umsetzung eines Testfeldversuchs, der 160 Ta-ge betrieben wurde. In diesem Feldversuch wurden alle relevanten Parameter (Spannung, Stromstärke, Schadstoffkonzentration, usw.) ermittelt. Dabei zeigte sich ein elektroosmoti-scher Schadstoffaustrag von bis zu 10.000 µg/l in Abhängigkeit von der Kathodentemperatur. Insgesamt wurde durch elektrisch induzierte Transportprozesse die Schadstoffkonzentration im Bereich des Testfelds um 60-70 % reduziert, wobei kein Abbau des Tetrachlorethens im Prozesswasser und im Boden beobachtet wurde. Ein signifikanter Anstieg der Bodentempera-tur war zu verzeichnen, der jedoch bezüglich der ablaufenden Transportprozesse als positiv zu bewerten ist. Wesentlich für die Beurteilung des Verfahrens ist die Tatsache, dass keine Ver-schleppung des Schadstoffs in tiefere Bodenhorizonte beobachtet werden konnte. Die reinen Stromkosten (netto) zum Betrieb des Netzgeräts während der gesamten Versuchszeit sind mit 1700 € unerheblich.

Ferner werden in dem vorliegenden Bericht theoretische Aspekte eines möglichen „geoxida-tiv“ Abbau von Schadstoffen beschrieben. Dabei zeigt sich, dass bei allen natürlichen Böden ein „geooxidativer“ in-Situ Abbau von Schadstoffen praktisch nicht möglich ist.

2. Schlussbericht: Inhaltsverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis

KURZFASSUNG ................................................................................................................................................... I

INHALTSVERZEICHNIS.................................................................................................................................III

ABBILDUNGSVERZEICHNIS ........................................................................................................................ VI

TABELLENVERZEICHNIS...............................................................................................................................X

1 KURZDARSTELLUNG ............................................................................................................. 11 1.1 AUFGABENSTELLUNG .................................................................................................................... 11 1.2 VORRAUSSETZUNGEN, UNTER DENEN DAS VERFAHREN DURCHGEFÜHRT WURDE.......................... 13

1.2.1 Der Lehrstuhl für Angewandte Geologie........................................................................................13 1.2.2 INTUS e.V.......................................................................................................................................14 1.2.3 Dr. Sondermann & Partner............................................................................................................14

1.3 PLANUNG UND ABLAUF DER VORHABENS ..................................................................................... 15 1.4 WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHER STAND.................................................................................... 18

1.4.1 Konstruktionen, Verfahren und Schutzrechte, die für die Durchführung des Vorhabens benutzt wurden ...............................................................................................................................18

1.4.2 Verwendete Literatur sowie benutzten Informations- und Dokumentationsdienste .......................21 1.5 ZUSAMMENARBEIT MIT ANDEREN STELLEN ................................................................................... 54

DETAILDARSTELLUNG................................................................................................................................. 11

2 EINFÜHRUNG............................................................................................................................ 55

3 THEORETISCHE GRUNDLAGEN ......................................................................................... 57 3.1 ELEKTROKINETISCH RELEVANTE ELEKTRISCHE GRÖßEN................................................................ 58 3.2 TONMINERALE ............................................................................................................................... 61 3.3 ELEKTROKINETISCHE TRANSPORTPROZESSE.................................................................................. 63

3.3.1 Elektroosmose ................................................................................................................................63 3.3.2 Elektromigration ............................................................................................................................66 3.3.3 Elektrophorese ...............................................................................................................................67

3.4 ELEKTRODENREAKTIONEN............................................................................................................. 67 3.5 ELEKTROKORROSION ..................................................................................................................... 68 3.6 DIFFUSION...................................................................................................................................... 69

4 SCHADSTOFFE ......................................................................................................................... 72

4.1 PHENOL.......................................................................................................................................... 72 4.1.1 Chemische und physikalische Eigenschaften..................................................................................72 4.1.2 Chlorphenol....................................................................................................................................75 4.1.3 Herstellung und Darstellung von Phenol .......................................................................................75 4.1.4 Toxikologie von Phenol ..................................................................................................................76

4.2 LEICHTFLÜCHTIGE CHLORIERTE KOHLENWASSERSTOFFE (LCKW)............................................... 77 4.2.1 Tetrachlorethen (PER) ...................................................................................................................77

5 PHENOL-SCHADENSFALL SOLARIS, CHEMNITZ.......................................................... 79 5.1 ANORDNUNG UND MATERIAL DER TESTFELDEINRICHTUNG .......................................................... 79

5.1.1 Festlegung der exakten Lage der Elektrodenbrunnen....................................................................79


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5.2 EINRICHTUNG DES TESTFELDES ..................................................................................................... 80 5.2.1 Sicherheitsvorkehrungen zum Testfeldbetrieb................................................................................82

5.3 ABLAUF UND FUNKTIONSWEISE DER TESTFELDANLAGE................................................................ 83 5.3.1 Anlagentechnik ...............................................................................................................................83 5.3.2 Spannungsversorgung der Elektroden............................................................................................84 5.3.3 Automatisierte Beprobungseinrichtung..........................................................................................85 5.3.4 Prozesswasseraufbereitung ............................................................................................................86 5.3.5 Monitoringsystem ...........................................................................................................................87

5.4 UNTERSUCHUNGEN ........................................................................................................................ 88 5.5 VORUNTERSUCHUNGEN ................................................................................................................. 89

5.5.1 Geophysikalische Erkundung .........................................................................................................89 5.5.2 Grundwasseruntersuchungen im Vorbereitung des Feldversuchs .................................................89 5.5.3 Angewandte analytische Methoden ................................................................................................89 5.5.4 Bodenluftuntersuchungen...............................................................................................................90 5.5.5 Zusammenfassung der Ergebnisse der analytischen Voruntersuchungen......................................90

5.6 INSTALLATION DER ANLAGENTECHNIK.......................................................................................... 93 5.6.1 Installation des Sensorfeldes ..........................................................................................................93

5.7 ANLAGE ZUR PROZESSWASSERBEHANDLUNG..................................................................................... 94 5.8 TESTFELDMESSUNGEN ................................................................................................................... 98

5.8.1 Testmessungen: Versuch 011010B .................................................................................................98 5.8.2 Testmessungen: Versuch 011010C...............................................................................................101 5.8.3 Elektrokinetischer Dauerversuch .................................................................................................104 5.8.4 Ergebnisse der Testfeldmessungen...............................................................................................106

5.9 CHEMISCHES MONITORING WÄHREND DER FELDVERSUCHE ........................................................ 111 5.9.1 Brunnen DEB 1, DEB 2, DEB 3, DEB 4 ......................................................................................111 5.9.2 Brunnen DEB 5 ............................................................................................................................112 5.9.3 Elektrodenbrunnen A bis F einschließlich Z ................................................................................113 5.9.4 Elektrodenbrunnen B, F, und D ...................................................................................................113 5.9.5 Kathodenbrunnen A, C und E.......................................................................................................114 5.9.6 Anodenbrunnen Z .........................................................................................................................115 5.9.7 Zusammenfassung des chemischen Monitoring............................................................................117 5.9.8 Ausgangssituation ........................................................................................................................118 5.9.9 Mögliche elektrochemische Prozesse während des Feldversuches ..............................................118

5.10 MODELLIERUNG UND BILANZIERUNG .......................................................................................... 119 5.10.1 Bilanzmodell.................................................................................................................................119 5.10.2 Berechnung für das Testfeld Chemnitz.........................................................................................120 5.10.3 Kostenminimierung ......................................................................................................................121

5.11 ZUSAMMENFASSUNG.................................................................................................................... 123 5.12 ERGEBNISSE DES LETZTEM TESTLAUFBETRIEBES......................................................................... 125

5.12.1 Kationenkonzentration der Wasserproben ...................................................................................125 5.12.2 Feldmessparameter ......................................................................................................................127 5.12.3 Ergebnisse der Phenolgehaltsbestimmung...................................................................................129 5.12.4 Diskussion der Ergebnisse ...........................................................................................................131 5.12.5 DOC und TOC Messung...............................................................................................................132

5.13 KOSTEN FÜR EINE ELEKTROKINETISCHE BODENSANIERUNG........................................................ 133 5.14 MESSSTELLENRÜCKBAU UND KONTROLLBOHRUNGEN ................................................................ 134

5.14.1 Abschlusskontrollbohrungen ........................................................................................................134 5.14.2 Geologische und hydrogeologische Verhältnisse .........................................................................135

5.15 ANALYSENERGEBNISSE ABSCHLUSSBOHRUNGEN ........................................................................ 136 5.15.1 pH-Wert........................................................................................................................................136 5.15.2 Karbonatgehalt.............................................................................................................................137


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5.15.3 Wassergehalt ................................................................................................................................138 5.15.4 Phenolkonzentration.....................................................................................................................138 5.15.5 Gesamteisenkonzentration Bohrung S2........................................................................................141 5.15.6 Kationenaustauschkapazität (KAK) .............................................................................................142

6 LCKW SCHADEN IN BIRKENFELD/PFORZHEIM.......................................................... 144

6.1 LAGE UND NUTZUNG DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES................................................................. 144 6.2 GEOLOGISCHER RAHMEN............................................................................................................. 145 6.3 SCHADSTOFFVERTEILUNG............................................................................................................ 147 6.4 TESTFELDEINRICHTUNG ............................................................................................................... 148 6.5 INSTALLATION DES TESTFELDES .................................................................................................. 153 6.6 ERGEBNISSE DES FELDVERSUCHS ................................................................................................ 159

6.6.1 Entwicklung der elektrischen Parameter im Testfeldbetrieb........................................................159 6.6.2 Wasserbilanz ................................................................................................................................164 6.6.3 Verlauf der pysikochemischen Eigenschaften des Prozesswassers ..............................................166 6.6.4 Schadstoff im Prozesswasser........................................................................................................169 6.6.5 Temperaturentwicklung im Eluat .................................................................................................171 6.6.6 Temperatur- und Schadstoffverteilung im Boden nach Testfeldbetrieb........................................172 6.6.7 Schadstoffverteilung in der Bodenluft ..........................................................................................177 6.6.8 Tiefenhorizontierter Verlauf von Karbonatgehalt, pH-Wert und Wassergehalt des Bodens........181

6.7 ZUSAMMENFASSUNG.................................................................................................................... 184

7 ENTWICKLUNGSCHANCEN ............................................................................................... 185

8 IST GEOOXIDATION MÖGLICH ........................................................................................ 186 8.1 ELEKTROCHEMISCHE REAKTIONEN IM BODEN............................................................................. 187

8.1.1 Die Rolle von Mikroleitern in kontaminierten Böden...................................................................188 8.1.2 Redoxreaktionen am Modell-Mikroleiter .....................................................................................190 8.1.3 Mögliche Reaktionswege am Mikroleiter .....................................................................................193

8.2 DIE ELEKTROCHEMISCHE REAKTIVITÄT VON MIKROLEITERN...................................................... 194 8.2.1 Identifikation elektrochemisch aktiver Mikroleiter durch Impedanzspektroskopie ......................195

9 POTENTIELLE ANWENDUNGSBEISPIELE UND AUSBLICK...................................... 201 9.1 LHKW-SCHADENFALL (ALSTOM POWER ENVIRONMENTAL CONSULT GMBH)........................... 201 9.2 CHROMATSCHADENSFALL IN STUTTGART-FEUERBACH (ARCARDIS CONSULT GMBH)................ 202

9.2.1 Kostenabschätzung.......................................................................................................................207 9.2.2 Beschreibung und Bewertung erreichbarer Sanierungsziele .......................................................209 9.2.3 Einschränkungen ..........................................................................................................................209 9.2.4 Sanierungserfolg ..........................................................................................................................210 9.2.5 Nicht-monetäre Beurteilung .........................................................................................................210

9.3 NACL-BEAUFSCHLAGTE BASISABDICHTUNG (DBE GORLEBEN).................................................. 213

10 VORVERSUCHE, VORPLANUNG (ALLGEMEIN FÜR LEITFADEN).......................... 217

11 LITERATUR ............................................................................................................................. 219

ANHANG........................................................................................................................................................... 230

2. Schlussbericht: Abbildungsverzeichnis

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Abbildungsverzeichnis

Abb. 2-1: Anwendungsbereiche der elektrokinetischen Bodensanierung (nach ZORN, 2002). ......................... 55 Abb. 3-1: Schematische Skizze einer elektrokinetischen Bodensanierung........................................................ 58 Abb. 3-2: Feldverteilung unterschiedlicher Ladungsträger (nach VOGEL 1999). .............................................. 60 Abb. 3-3: Feldverteilung punktförmiger Ladungsträger im heterogenen Untergrund (nach KNÖDEL et al.

1997). ................................................................................................................................................ 61 Abb. 3-4: Räumliche Darstellung einer 1:1- und einer 2:1-Basiseinheit von Tonmineralen. T steht für

Tetraederschicht und O für Oktaederschicht (nach LAGALY & KÖSTER 1993). ............................... 62 Abb. 3-5: Protonierung und Deprotonierung der Kanten in Abhängigkeit vom pH-Wert der Porenlösung

(nach LAGALY 1993). ........................................................................................................................ 62 Abb. 3-6: Elektrische Doppelschicht und Zeta-Potential (nach PROBSTEIN 1994);

ψ0 = Oberflächenpotential, ζ = Zetapotential. ................................................................................... 63 Abb. 3-7: Elektrokinetische Transportprozesse (verändert nach PROBSTEIN 1994). ......................................... 64 Abb. 3-8: Porenverteilung in Abhängigkeit von der Korngröße (nach DAVIS & DE WIEST 1966). .................. 65 Abb. 3-9: Elektrokorrosion an elektrischen Leitern im elektrischen Feld. ........................................................ 69 Abb. 4-1: Beispiele für Phenole......................................................................................................................... 72 Abb. 4-2: Acidität von Phenol ........................................................................................................................... 73 Abb. 4-3: Eh/pH Diagramm für Phenol (nach Bailey 1983) ............................................................................. 73 Abb. 4-4: Bildung von Chlorphenolen (GILBERT 1980).................................................................................... 75 Abb. 4-5: Reaktionsschema der Phenolsynthese ............................................................................................... 76 Abb. 5-1: hexagonale Elektrodenanordnung ..................................................................................................... 79 Abb. 5-2: Dreidimensionale Darstellung der Phenolkonzentration im Elektrodenbereich................................ 80 Abb. 5-3: Aufbau der Elektrodenbrunnen auf dem Testfeld Solaris© (nach ZWISCHENBERICHT 2002) ............ 81 Abb. 5-4: Lage der Elektrodenbrunnen und der Bohrungen für die Feldmesstechnik (aus

ZWISCHENBERICHT 2002) .................................................................................................................. 82 Abb. 5-5: Blockschaltplan des Prozessleitsystems (aus ZWISCHENBERICHT 2002). .......................................... 83 Abb. 5-6: Anordnung der Sensortechnik (aus ZWISCHENBERICHT 2002). ......................................................... 84 Abb. 5-7: schematischer Aufbau der Beprobungseinrichtung. ......................................................................... 85 Abb. 5-8: Probensammler im Kühlschrank ....................................................................................................... 86 Abb. 5-9: schematische Darstellung der Prozesswasseraufbereitung. ............................................................... 87 Abb. 5-10: UV-Bestrahlungseinheit .................................................................................................................... 87 Abb. 5-11: Lage der Grundwasserpegel DEB 2, 4 und 5, Lage der Elektrodenbrunnen A, B, C, D, E, F

und Z sowie der Sensoren A1, A2, B1, B2........................................................................................ 88 Abb. 5-12: UV-VIS-Spektren einer Probe aus einem nicht kontaminierten Grundwasserleiter im

Vergleich zu einer stark kontaminierten Probe des Testfeldes Chemnitz und einer definierten Phenollösung ..................................................................................................................................... 91

Abb. 5-13: Anlage zur Prozesswasserbehandlung............................................................................................... 94 Abb. 5-14: Einfluss der Reinigungsstufen auf die UV-Vis Spektren bei pH 7 des Prozesswassers. ................... 96 Abb. 5-15: Einfluss der Reinigungsstufen auf die UV-Vis Spektren bei pH 12 des Prozesswassers. ................ 96 Abb. 5-16: Auswirkungen der Reinigungsstufen auf den Phenolindex und das Extinktionsmaximum. ............. 97 Abb. 5-17: Auswirkungen der Reinigungsstufen auf den TOC- und SAK-Wert. ............................................... 97 Abb. 5-18: Darstellung des elektrischen Potentials zwischen Zentralelektrode Z und Elektrode B.................... 99 Abb. 5-19: Temperaturverlauf in den Elektrodenbrunnen während des Versuchs. ........................................... 100 Abb. 5-20: pH-Wert des Prozesswassers, gemessen bei automatischer Probenahme und (einen Tag

später) im Labor .............................................................................................................................. 101 Abb. 5-21: Stromstärke und Widerstandskurve während der sechstägigen Testmessung ................................. 102 Abb. 5-22: Temperaturverteilung im stromdurchflossenen Kontaminationsherd bei 15 V/m.......................... 103 Abb. 5-23: Zeitlicher Verlauf der Gesamt- und der Teilstromstärke während des Dauerversuchs. .................. 105


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Abb. 5-24: Zeitlicher Verlauf der Elektrodenspannung und der elektrischen Widerstandes der drei Strompfade während des Dauerversuchs......................................................................................... 105

Abb. 5-25: Stromkurve beim Einschaltvorgang (Erläuterung im Text) rot: Gesamtstromstärke in den ersten Tagen des Dauerversuchs (Unterbrechung durch Sicherheitsabschaltung wurde korrigiert) schwarz: Anpassung mit Exponentialansatz .................................................................. 107

Abb. 5-26: Elektrische Leistung und kumulative Energiekurve........................................................................ 108 Abb. 5-27: Zweidimensionale Darstellung des elektrischen Potentials in einer Tiefe von 8m unter GOK....... 109 Abb. 5-28: Zweidimensionales Modell der Temperaturverteilung im Kontaminationsherd nach

mehrstündiger Einspeisung von 0,8 kW über die Elektroden A und Z. .......................................... 110 Abb. 5-29: Verlauf der TOC-Werte, Phenolindizes und Extinktionsmaxima der Proben vor, während und

nach dem Feldversuch. .................................................................................................................... 112 Abb. 5-30: Änderungen des UV-Vis- Spektren während des Feldversuches. ................................................... 113 Abb. 5-31: Rückgang der Extinktion in den UV-Vis Spektren im Wellenlängenbereich bis 260 nm bei

pH 7 im Verlauf des Feldversuches................................................................................................. 114 Abb. 5-32: Verlauf der TOC-Werte, Phenolindizes und Extinktionsmaxima der Proben vor, während und

nach dem Feldversuch im Kathodenbrunnen C............................................................................... 115 Abb. 5-33: Zunahme der Extinktion und Veränderungen im Verlauf der UV-Vis Spektren bei pH 12

während des Feldversuches im Anodenbrunnen Z......................................................................... 116 Abb. 5-34: Zusammenfassung der analytischen Ergebnisse der Elektrodenbrunnenbeprobungen. .................. 117 Abb. 5-35. Interpolation der Phenolkonzentration im Boden der Forschungsbohrung C-BF. .......................... 121 Abb. 5-36: Kationenkonzentration der Grundwassermessstellen und der Elektrodenbrunnen.......................... 126 Abb. 5-37: Phenolkonzentration ermittelt mit Gaschromatograph.................................................................... 130 Abb. 5-38: Phenolkonzentration ermittelt mit Phenolindex .............................................................................. 130 Abb. 5-39: Phenolanalyse mittels GC-MS ........................................................................................................ 131 Abb. 5-40: energetische Grenzstrukturen des Phenolations und des Phenol-Moleküls..................................... 132 Abb. 5-41: DOC/TOC Konzentration................................................................................................................ 133 Abb. 5-42: Lage der Abschlussbohrungen S1-S4 im Testfeldbereich............................................................... 134 Abb. 5-43: pH-Wert über die Teufe der Abschlussbohrungen S1-S4 ............................................................... 137 Abb. 5-44: Karbonatgehalt über die Teufe der Abschlusskontrollbohrungen S1-S4........................................ 137 Abb. 5-45: Wassergehalt über die Teufe der Abschlusskontrollbohrungen S1-S4........................................... 138 Abb. 5-46: Vergleich der dreidimensionalen Schadstoffverteilung vor (links) und nach (rechts) dem

Testfeldbetrieb anhand der Elektrodenbrunnen und der Abschlussbohrungen ............................... 138 Abb. 5-47: Vertikale Verteilung der Phenolkonzentration in den Abschlussbohrungen S1-S4 ........................ 140 Abb. 5-48: Vergleich der tiefenhorizontierten Phenolverteilung vor und nach dem Testfeldbetrieb ................ 141 Abb. 5-49: Vergleich Gesamteisen- und Phenolkonzentration in Bohrung S2................................................. 142 Abb. 5-50: Kationenaustauschkapazität der Abschlusskontrollbohrungen S1-S4............................................ 143 Abb. 6-1: Geographische Lage des Testfeldes, Birkenfeld. ............................................................................ 144 Abb. 6-2: Baugrube (links) und Bohrprofil der Rammkernbohrung B 15 (rechts) aus dem Bereich des

Testfeldes im Rötmergel. ................................................................................................................ 147 Abb. 6-3: Lageplan der Sondierungsbohrungen auf dem Testfeld Birkenfeld. ............................................... 148 Abb. 6-4: Elektrodenanordnung im Testfeld. .................................................................................................. 149 Abb. 6-5: Schemaskizze der Horizontalfilterelektroden (Links Kathodenvariante 1, Mitte

Kathodenvariante 2, Rechts Anode)................................................................................................ 150 Abb. 6-6: Technische Einrichtung und Monitoringsystem des Testfeldes. ..................................................... 151 Abb. 6-7: Statisch bestimmter Holzverbau des Elektrodenkontrollschachtes. ................................................ 153 Abb. 6-8: Horizontalspülbohrung mit der Bohranlage Grundodrill 20 S (TRACTO-TECHNIK)........................ 154 Abb. 6-9: Steuerbarer Bohrkopf mit Sender (links) und Ortungsgerät Digi-Trak (rechts oben) zur

Herstellung der Pilotbohrung und Aufweitbohrkopf (rechts unten) zur Erstellung der Sachlochbohrung. ............................................................................................................................ 155

Abb. 6-10: Durchbruch einer Kathoden-Pilotbohrung (links) und Installation einer Kathode mit Hüllrohr (rechts)............................................................................................................................................. 156


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Abb. 6-11: Montage der Hüllrohre (links) und der Elektroden (rechts). ........................................................... 156 Abb. 6-12: Bauteile der Anoden (links) und installierte Anode (rechts). .......................................................... 156 Abb. 6-13: Bauteile der Kathoden (links oben) Installation (links unten) und fertig montierte Katode

(rechts)............................................................................................................................................. 157 Abb. 6-14: Vorbereitung (links) und verpressen (rechts) der Calzium-Bentonitsuspension. ............................ 157 Abb. 6-15: Installationseinrichtung im Elektrodenkontrollschacht. .................................................................. 158 Abb. 6-16: Ionenbilanz des Leitungswassers von Birkenfeld............................................................................ 159 Abb. 6-17: Entwicklung des spezifischen Widerstands des Bodens, Strom-, Spannungsverlauf während

des Testfeldbetriebs......................................................................................................................... 161 Abb. 6-18: Normierter passiver Spannungsverlauf des Messprofils SA 1-6 (links) und SB 1-5 (rechts).......... 162 Abb. 6-19: Modellierung der normierte Potentialverteilung zu unterschiedlicher Zeitpunkte unter

Berücksichtigung der Messwerte der passiven Spannungssonden SA 1-6 und SB 1-5................... 163 Abb. 6-20: Summenkurve des Stromverbrauchs und Verlauf des täglichen Stromverbrauchs. ........................ 164 Abb. 6-21: Wasserbilanz des Testfelds. ............................................................................................................ 165 Abb. 6-22: Verlauf der täglichen Perkolat- und Eluatmenge............................................................................. 166 Abb. 6-23: Chloridkonzentration im Vorratsfass, Perkolat, Eluat und Leitungswasser. ................................... 167 Abb. 6-24: Konzentrationsverlauf der Hauptkationen (links), sowie die Entwicklung des pH-Werts, der

Leitfähigkeit und des Redoxpotentials im Perkolat......................................................................... 168 Abb. 6-25: Konzentrationsverlauf der Hauptkationen (links), sowie die Entwicklung des pH-Werts, der

Leitfähigkeit und des Redoxpotentials im Eluat.............................................................................. 169 Abb. 6-26: Konzentrationsverlauf der Hauptkationen (links), sowie die Entwicklung des pH-Werts, der

Leitfähigkeit und des Redoxpotentials im Vorratsfass. ................................................................... 169 Abb. 6-27: Tetrachlorethenkonzentration im Eluat. .......................................................................................... 170 Abb. 6-28: Temperaturabhängigkeit der Henrykonstante einzelner LCKW’s. ................................................. 171 Abb. 6-29: Temperaturentwicklung im Testfeld. .............................................................................................. 172 Abb. 6-30: Bohransatzpunkte im Bereich des Testfelds.................................................................................... 173 Abb. 6-31: Tiefenhorizontierte Temperaturverteilung im Untergrund unmittelbar nach Beendigung des

Testfeldbetriebs. .............................................................................................................................. 174 Abb. 6-32: Schadstoffverteilung im Bereich des ehemaligen Tetrachlorethen-Lagers auf dem

Testfeldstandort Birkenfeld in 2,5 m Tiefe; links vor und rechts nach dem Testfeldbetrieb........... 175 Abb. 6-33: Vergleich der tiefenabhängigen Tetrachlorethenverteilung einzelner Sondierungsbohrungen

vor (rote Grafen) und nach (blaue Grafen) dem Testfeldbetrieb. .................................................... 176 Abb. 6-34: Tiefenhorizontierte Tetrachlorethenkonzentrationsverläufe der Sondierungen B7, B11 (vor

Testfeldbetrieb) B32 und B33 (nach Testfeldbetrieb). .................................................................... 179 Abb. 6-35: Tiefenhorizontierte Trichlorethenkonzentrationsverläufe der Sondierungen B32 und B33

(nach Testfeldbetrieb)...................................................................................................................... 179 Abb. 6-36: Verlauf der Tetrachlorethenkonzentration während der Bodenluftabsaugung. ............................... 180 Abb. 6-37: Vergleich des tiefenabhängigen Karbonatgehalts vor (dunkelblau) und nach (rosa, grün) dem

Testfeldbetrieb................................................................................................................................. 182 Abb. 6-38: Vergleich der tiefenabhängigen pH-Werte vor (hellblau) und nach (dunkelblau, rosa, grün

und orange) dem Testfeldbetrieb..................................................................................................... 182 Abb. 6-39: Vergleich des tiefenabhängigen Wassergehalts vor (dunkelblau) und nach (rosa, grün) dem

Testfeldbetrieb................................................................................................................................. 183 Abb. 8-1: Schematische Darstellung des elektrochemisch induzierten Stoffumsatzes 1 – inaktives

Bodenkorn (Sand, Ton ...), 2 – Mikroleiter, 3 – Schadstoff. ........................................................... 189 Abb. 8-2: Ersatzschaltbild für die Messanordnung im Zwei-Elektroden-Betrieb ........................................... 189 Abb. 8-3: Polarisation eines Mikroleiters durch ein äußeres elektrisches Feld .............................................. 191 Abb. 8-4: Potentialdifferenz ∆U über dem Mikroleiter in Abhängigkeit von der angelegten Feldstärke

Elektrolytlösung: H2SO4, pH 3........................................................................................................ 191 Abb. 8-5: Stromfluss durch den Modell-Mikroleiter in Abhängigkeit von der angelegten Feldstärke E in

verschiedenen Elektrolytlösungen................................................................................................... 192


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Abb. 8-6: Polarisation des Mikroleiters in Abhängigkeit vom äußeren elektrischen Feld (1mM Fe3+-Lösung + 1mM Triplex III, pH = 3), belüftet .................................................................................. 193

Abb. 8-7: Nyquist-Darstellung der Impedanz in Abhängigkeit vom Gehalt an Graphit (vermahlen). ............ 196 Abb. 8-8: Nyquist-Darstellung der Impedanz in Abhängigkeit vom Gehalt an Magnetit (vermahlen)........... 196 Abb. 8-9: Abhängigkeit des Elektrolytwiderstandes vom Mikroleitergehalt (Mikroleiter aufgemahlen)

und von der Konzentration an Fe3+-Ionen in der Elektrolytlösung.................................................. 197 Abb. 8-10: Frequenzabhängigkeit des Phasenwinkels in Abhängigkeit vom Gehalt an Graphit

(vermahlen). .................................................................................................................................... 198 Abb. 8-11: Frequenzabhängigkeit des Phasenwinkels in Abhängigkeit vom Gehalt an Magnetit

(vermahlen). .................................................................................................................................... 199 Abb. 8-12: Phasenwinkel in Abhängigkeit vom Mikroleitergehalt (f = 100 mHz). .......................................... 199 Abb. 9-1: Schemaskizze eines LHKW-Schadenfalls mit einer möglichen Elektrodenanordnung. ................. 201 Abb. 9-2: Elektrokinetisches Sanierungskonzept, „Pool Prozess” (Quelle: Geokinetics International

1997). .............................................................................................................................................. 203 Abb. 9-3: Variante eines möglichen elektrokinetischen Konzeptes mit vertikalen Kathoden für den

Standort in Stuttgart-Feuerbach....................................................................................................... 205 Abb. 9-4: Variante eines möglichen elektrokinetischen Konzeptes mit horizontalen Kathoden für den

Standort in Stuttgart-Feuerbach....................................................................................................... 206 Abb. 9-5: Grundkonzept für die Behandlung einer Deponiebasisabdichtung mit einem

elektrokinetischen Verfahren........................................................................................................... 213 Abb. 9-6: „Klassisches” elektrokinetisches Konzept als Möglichkeit der Behandlung der

Deponiebasisabdichtung.................................................................................................................. 214 Abb. 9-7: „Single Management“ Konzept zur Behandlung der Deponiebasisabdichtung............................... 215 Abb. 9-8: Einfaches Konzept ohne Elektrolytmanagement zur Behandlung der

Deponiebasisabdichtung.................................................................................................................. 215 Abb. 9-9: Schematischer Ablauf...................................................................................................................... 216 Abb. 10-1: schematischer Ablauf einer Machbarkeitsstudie. ............................................................................ 218

2. Schlussbericht: Tabellenverzeichnis

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Tabellenverzeichnis

Tab. 1-1: Geplante zeitliche Strukturierung...................................................................................................... 16 Tab. 1-2: Zeitliche Strukturierung im Jahr 2000 und geänderte Planung für das Jahr 2001. (längere

Laufzeiten als ursprünglich angenommen sind dunkelgrau markiert.).............................................. 17 Tab. 3-1: Typische Kenngrößen im Vergleich Elektroosmose, -migration (nach HAUS 2000). ....................... 66 Tab. 4-1 chemische und physikalische Eigenschaften von Phenol ................................................................. 74 Tab. 4-2: Physikochemische Eigenschaften von Tetrachlorethen, Trichlorethen, 1,2-Dichlorethen und

Vinylchlorid. ..................................................................................................................................... 78 Tab. 5-1: GC-MS/GC-MS EPA 604 - Analysen von Grundwasserproben aus dem Kontaminationsherd ....... 93 Tab. 5-2: Vor-Ort-Parameter .......................................................................................................................... 128 Tab. 5-3: anfallende Kosten für eine Elektrokinetische Bodensanierungsanlage ........................................... 133 Tab. 5-4: Laboruntersuchungen des Probenmaterials ..................................................................................... 135 Tab. 5-5: Wasseranschnitte in den Abschlussbohrungen................................................................................ 136 Tab. 6-1: Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile der zwei Elektrodenvarianten. .................................... 149 Tab. 6-2: Relevante Vorschriften zur Errichtung und zum Betrieb des elektrokinetischen Testfeldes........... 152 Tab. 9-1: Nicht monetäre Beurteilungskriterien. ............................................................................................ 211 Tab. A-1: Grundwasser-Untersuchung DEB 1 bis DEB 5............................................................................... 230 Tab. A-2: Zusammenfassung aller Analysenergebnisse zur Phenolgehaltsbestimmung ................................. 252 Tab. A-3: Analysenergebnisse der Chlorphenolbestimmung mittels GC-MS der Anodenflüssigkeit ............. 253

Schlussbericht: Kurzdarstellung

11

1 Kurzdarstellung

1.1 Aufgabenstellung

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden im Altlastensektor mit innovativen Sanierungsmetho-den große Fortschritte zur ökologischen und ökonomischen Bearbeitung gemacht. Trotz die-ser Entwicklung stellen geringdurchlässige Böden mit hohem Tonanteil, sowie Wechsellage-rungen auch heute noch nahezu unlösbare Anforderungen an diese Sanierungsverfahren. Die elektrokinetische Bodensanierung wird aufgrund seiner speziellen Wirkungsweise den beson-deren spezifischen Eigenschaften dieser Problemböden gerecht und schließt damit die beste-hende Lücke bei der Sanierung organischer und anorganischer Kontaminationen in der gesät-tigten und ungesättigten Bodenzone. Dieses neuartige Sanierungsverfahren kann sowohl ei-genständig als auch in Kombination mit gängigen Sanierungsmethoden eingesetzt werden.

Aufgrund der fehlenden Technik sieht die Sanierungspraxis für Schadensfälle in feinkörnigen Böden, alternativ zum kostenintensiven Bodenaushub, eine konventionelle Sicherung in Form der Einkapselung des Schadensherdes vor. Gerade bebaute Altlaststandorte stellen an die Sa-nierungstechnik eine Vielzahl spezifischer und im allgemeinen den Verfahrensspielraum ein-schränkender Anforderungen. Maßgeblich ist dabei die Vorgabe, dass eine Entnahme des Erd-reiches nicht möglich oder zu vermeiden ist. Um eine kostengünstige und dauerhafte Dekon-tamination des Untergrunds zu erzielen, ist die Entwicklung innovativer Sanierungstechnolo-gien notwendig, die insbesondere die spezifischen Eigenschaften des bindigen Bodens be-rücksichtigen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass weitere Fortschritte bei der Entwicklung kostengünstiger und effektiver Sanierungsverfahren nur durch eine Kombination der bekann-ten Verfahren oder aber den Einsatz neuer Wirkungsprinzipien möglich erscheinen.

Die elektrokinetische Bodensanierung stellt eine innovative Alternative zu den derzeit gängi-gen In-situ-Sanierungsverfahren. Das Anwendungsspektrum umfasst ionogene und wasserlös-liche Schadstoffe wie Schwermetalle, Phenole, BTX-Aromate, chlorierte Kohlenwasserstoffe oder Pestizide. Im Rahmen der elektrokinetischen Bodensanierung werden Elektroden in den Untergrund eingebracht und an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Dabei wird ein elektri-sches Feld induziert, das einen gezielten Transport des Porenwassers und der darin gelösten mobilen Schadstoffe parallel zu den Feldlinien bewirkt. Die Kraftwirkung des elektrischen Feldes auf die geladenen Teilchen in der Porenflüssigkeit ermöglicht die gezielte Wanderung positiv geladener Ionen und Moleküle zur Kathode während negativ geladene Teilchen in Richtung der Anode migrieren.

Auf der Basis von Labor- und Technikumsversuchen wurden die Erfolgsolgsaussichten äl eines solchen Verfahrens in Abhängigkeit vom Untergrund (Gefüge, Mineralgehalt, Korngrö-ße, Porenverteilung etc.) und der Schadstoffbelastung quantifiziert sowie die resultierende Sanierungstechnik optimiert. Mit Hilfe dieser vorbereitenden Untersuchungen war eine Pla-nung des elektrokinetischen Feldversuchs auf dem Modellstandort SOLARIS-Gelände Chem-


12

nitz (Phenolschaden) und möglich. Aus juristischer Sicht ist zu untersuchen, ob und welche umweltrechtlichen Genehmigungsverfahren für die Zulassung elektrokinetischer Sanierungs-verfahren auch im Hinblick auf den Arbeitsschutz und den Immissionsschutz der Nachbar-schaft erforderlich sind. Folgende wissenschaftliche und technische Arbeitsziele können zu-sammengefasst werden:

1. Vorbereitende Maßnahmen zur Durchführung des Feldversuchs (Versorgungsleitun-gen, wasserrechtliche Genehmigungen, etc.)

2. Abteufen der Brunnenelektroden

3. Charakterisierung der Ausgangsbelastung

3. Quantifizierung der geologischen Einflussparameter Mineralbestand, Gefüge, Poren-verteilung, Feuchtegehalt und Schadstoffbindung aus den Elektrodenbrunnenbohrun-gen

4. Aufbau des Monitorsystems zur online Überwachung des Sanierungsmaßnahme

5. Erfassung des elektrokinetischen Transportverhaltens von Phenol und im Feldversuch

6. Klärung der Reaktionsmechanismen und sowie der Schadstoffbilanzierung im und Feldversuch.

7. Beurteilung der Teststandorte aufgrund einer geologischen Erkundung unter Berück-sichtigung der erarbeiteten sanierungsrelevanten Parameter

9. Einfluss des elektrokinetischen Feldversuches auf das Grundwasser

10. Ökotoxikologische Bewertung der Sanierungsvarianten

Insbesondere soll mit dem Feldversuch ein wichtiger Impuls für die Weiterentwicklung und spätere industrielle Nutzung der Sanierungsmethode ausgelöst werden.


13

1.2 Vorraussetzungen, unter denen das Verfahren durchgeführt wurde

1.2.1 Der Lehrstuhl für Angewandte Geologie

Der Lehrstuhl für Angewandte Geologie der Universität (TH) Karlsruhe besteht als zweiter Lehrstuhl innerhalb des Geologischen Institutes seit 1965. Die Bezeichnung ,,Angewandte Geologie“ kann weit gefasst werden, doch beinhaltet sie in Karlsruhe zwei klar definierte Schwerpunkte: Ingenieurgeologie und Hydrogeologie. Beide Bereiche sind durch spezialisier-te Professuren abgedeckt, die sich fachübergreifend in Lehre und Forschung auf dem Gebiet der Umweltgeologie ergänzen.

Ingenieurgeologie

Die Möglichkeiten, innerhalb der Ingenieurgeologie Akzente zu setzen und Schwerpunkte zu bilden, sind vielfältig. Im Rahmen umweltgeologischer Fragestellungen spielen in Karlsruhe Deponien und Altlasten innerhalb der ingenieurgeologischen Forschung eine dominante Rol-le. Die starke Verquickung mit der Hydrogeologie, dem zweiten Standbein des Lehrstuhls, wird in all diesen Bereichen deutlich.

Projekte der Grundlagenforschung und angewandte Themen werden in den Bereichen Multi-barrierensysteme für den Deponiebau, Beurteilung geologischer Untergrundverhältnisse beim Einsatz von In-situ-Sanierungsverfahren sowie Entwicklung neuer Sanierungskonzepte für Altlasten behandelt. Dabei spielt die Anwendung und das spezifische Verhalten von Tonmi-neralen eine besondere Rolle.

Hydrogeologie

Zu den vordringlichen Aufgaben der Hydrogeologie als praxisbezogene Wissenschaft gehören die Erkundung der Grundwasservorräte, deren Erschließung und optimale Nutzung sowie der Schutz und die Sicherung dieser Vorkommen. Waren es noch vor zehn Jahren vor allem Fra-gen der Grundwassergewinnung‘ die unter verstärkter Heranziehung hydraulischer und nume-rischer Verfahren einer Lösung zugeführt wurden, so stehen heute, in Zusammenhang mit der anthropogenen Beeinflussung unserer Umwelt, zunehmend Probleme des Grundwasserschut-zes im Vordergrund. Fragen des Transportes und des Verhaltens der verschiedenen Stoffe im Grundwasser sowie deren Wechselwirkungen mit dem Untergrund spielen eine immer größe-re Rolle bei der Lösung hydrogeologischer Aufgaben. Am Lehrstuhl für Angewandte Geolo-gie der Universität Karlsruhe wurden diese drängenden Probleme unmittelbar in der For-schung aufgegriffen und zusammen mit modernen Gelände- und Labormethoden sowie neuen Simulationstechniken in der Lehre einbezogen.

Die oben skizzierte Forschung wird derzeit über das bmb+f (Forschungsministerium), die DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft), das Land Baden-Württemberg, die EU (Europäi-sche Gemeinschaft), die DBU (Deutsche Bundesstiftung Umwelt) und PWAB(Projekt Wasser


14

Abfall Boden) finanziert. Landkreise, Gemeinden, Deponiebetreiber, Ingenieurbüros, Firmen mit Altlastkörpern erteilen Forschungsaufträge in speziellen Fragestellungen.

Vorraussetzungen

Der Lehrstuhl für Angewandte Geologie der Universität Karlsruhe befasst sich seit 1994 mit den Möglichkeiten der elektrokinetischen Bodensanierung. Insbesondere konnte als Beitrag zu dem Forschungsvorhaben elektrokinetische Untersuchungen zu leicht flüchtigen chlorier-tem Kohlenwasserstoffen (LCKW) mit eingebracht werden. So konnte in Birkenfeld (bei Karlsruhe) ein erfolgreich durchgeführter Testfeldversuch dokumentiert werden.

1.2.2 INTUS e.V. Der Anbieter ist ein speziell chemisch orientiertes Umweltinstitut. Speziell auf dem Gebiet der elektrochemischen Verfahren zur Behandlung von kontaminierten Abwässern und Böden liegen umfangreiche Erfahrungen vor. Darüber hinaus verweist INTUS auf eingehende Erfah-rungen und Publikation auf dem Gebiet der Adsorptionstechnologie, speziell zur Entfernung von Phenol aus wässrigen Lösungen mit adsorptiven und oxydativen Methoden.

1.2.3 Dr. Sondermann & Partner Die Anwaltskanzlei Dr. Sondermann & Steiner verfügt über mehrjährige Erfahrungen im Be-reich des Umwelt- und Technikrechts mit Schwerpunkt Bodenschutzrecht. Die Kanzlei arbei-tet auf dem Gebiet des Bodenschutzrecht überwiegend interdisziplinär in Zusammenarbeit mit Ingenieuren und Naturwissenschaftlern. Im Auftrag des Bundesministers für Umwelt, Natur-schutz und Reaktorsicherheit führte die Anwaltskanzlei Dr. Sondermann & Steiner 1993 zu-sammen mit Partnern von zwei Ingenieurbüros ein Forschungsvorhaben zum Thema ,,Möglichkeiten und Grenzen einer umweltrechtlichen Zulassung von Bodenbehandlungsan-lagen oder deren Teilen beim Mehrfacheinsatz ein und derselben Anlage an verschiedenen Standorten in verschiedenen Ländern der Bundesrepublik Deutschland“ durch, erschienen in: Texte des Umweltbundesamts 15/94, Forschungsbericht 1d‘3 60 501/UBA-FB 94-014.


15

1.3 Planung und Ablauf der Vorhabens

Die zeitliche Planung des Vorhabens kann der Tabelle 1-1 entnommen werden. Die tatsäch-lich zeitliche Strukturierung ist dagegen in der Tabelle 1-2 dargestellt.

Die geplante zeitliche Strukturierung konnte nicht bei allen Arbeitspaketen eingehalten wer-den. Teilweise beanspruchte die Durchführung der einzelnen Arbeitspakete etwas mehr Zeit.

Das Problem bestand und besteht darin, dass der zeitliche Ablauf der einzelnen Arbeitspakete abhängig vom Ablauf anderer Arbeitspakete war und ist. Das Arbeitspaket AP112 Geolo-gisch, hydrogeologische Detailkartierung für die Einrichtung der Sanierungstechnik war es-sential für die Planung und Herstellung des elektrokinetischen Testfelds (AP330 Planung und Ausbau des Testfeldes). Nach Fertigstellung der Detailerkundungsbohrung und der daraus resultierenden Grundwassermessstellen konnte erst nach detaillierten Untersuchungen rele-vanter Parameter (z. B. räumliche Phenolverteilung etc.) mit der exakten Planung des Testfel-des begonnen werden. Zum Beispiel ergibt sich dadurch eine zeitliche Verzögerung für das AP 210 Konzeption Monitorsystem, da erst mit genauer Kenntnis der erforderlichen Anzahl der Elektrodebrunnen etc. eine Anpassung des Monitorsystems möglich ist. Zudem war bisher die geologische und hydrogeologische Situation im Testfeldbereich nicht ausreichend geklärt, um z. B. eine sinnvolle Gefährdungsabschätzung erstellen zu können. Da mehrere teilweise zusammenhängende Grundwasserleiter innerhalb des zu sanierenden Areals angetroffen wur-den, musste darauf geachtet werden, dass die geplante Elektrodenkonstruktion hydraulische Kurzschlüsse und somit eine nicht gewollte Schadstoffverfrachtung gewährleisten kann. Des-halb mussten weitere vorbereitende Technikums- und Laborversuche mit einer geeigneten Elektrodenkonstruktion durchgeführt werden. Erst nach erfolgreichen Tests konnte somit mit der eigentlichen Vorplanung und Umsetzung für die eigentliche großmaßstäbliche Versuchs-durchführung auf dem Testfeld begonnen werden. Dadurch, dass die Arbeitspakete AP 112, 330 und 210 weit mehr Zeit in Anspruch nahmen (nehmen) als ursprünglich angenommen, verkürzt sich der Ablauf des AP 350 Versuchsdurchführung.


16

Tab. 1-1: Geplante zeitliche Strukturierung.

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Tab. 1-2: Zeitliche Strukturierung im Jahr 2000 und geänderte Planung für das Jahr 2001. (längere Laufzeiten als ursprünglich angenommen sind dunkelgrau markiert.)

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Kostenneutrale Verlängerung


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Aus den oben beschriebenen Gründen war eine kostenneutrale Verlängerung des Vorhabens angebracht. Die Abschlussarbeiten (Sondierungsbohrungen etc.) AP 360 Bilanzierung, Reststoffbelastunng konnten im Frühjahr durchgeführt werden, denn winterliche Bedingungen hätten einen erheblichen Mehraufwand bedeutet (Bohrarbeiten werden erschwert, bei extrem kalter Witterung sind keine Bohrarbeiten möglich usw.). Zudem hat man mit einer Verlänge-rung bis Ende September auch erreicht, dass das AP 350 Versuchsdurchführung nicht so er-heblich verkürzt wurde.

1.4 Wissenschaftlich-technischer Stand

1.4.1 Konstruktionen, Verfahren und Schutzrechte, die für die Durchführung des Vorhabens benutzt wurden

1.4.1.1 Erfindungen/Schutzrechtangelegenheiten und erteilte Schutzrechte, die vom Zu-

wendungsempfänger oder vom am Vorhaben Beteiligten in Anspruch genommen

wurden, sowie deren standortbezogene Verwertung (Lizenzen u. a.) und erkennba-

re weitere Verwertungsmöglichkeiten

Schutzrechte, die den europäischen Raum betreffen, wurden von den Verbundpartnern nicht in Anspruch genommen. Aber für einen späteren Einsatz des Verfahrens ist es besonders wichtig, einen Überblick über die weltweite Patentsituation in Sachen elektrokinetischer Ver-fahren zu besitzen. In den USA gibt es allein mehr als 100 Patente, die direkt oder indirekt mit elektrokinetischen Verfahren zu tun haben (Anhang). Wichtig sind vor allem folgende US Patente:

• U.S. Patent No. 5,074,986, 06.06.1989: Electroosmosis techniques for removing ma-terials from soil.

• U.S. Patent No. 5,137,608 30.11.1989: Electrochemical decontamination of soils of slurries.

Durch die beiden Patente werden die grundlegenden Anwendungsprinzipien, -bereiche und physikalischen Prozesse (Elektroosmose, Ionenwanderung etc.) geschützt, d. h. die „klassi-sche“ Anwendung elektrokinetischer Verfahren wird durch diese Patente abgedeckt. Alle an-deren US-Patente beschreiben weitere spezielle Anwendungsbereiche und -prinzipien oder auch technische Details (z.B. Elektrodenkonstruktionen etc.). Sie haben aber letztendlich ih-ren Ursprung in den beiden grundlegenden Patenten. Diese Patente sind ausschließlich in den USA geschützt, so dass „klassische“ elektrokinetische Verfahren im europäischen Raum grundsätzlich ohne Schutzgebühren oder Lizenzen angewandt werden können. Wenn man im nordamerikanischen Raum elektrokinetische Verfahren einsetzen möchte, muss man selbst-verständlich die grundlegenden Patente und die im Anhang aufgelisteten Patente beachten.

Ein sehr interessantes US Patent gilt auch in Europa (gleichzeitig world-patent):


19

• U.S. Patent No. 5,398,756, 17.11.1993: In-situ remediation of contaminated soils.

In diesem Patent wird die Kombination elektrokinetischer Verfahren mit reaktiven Wänden beschrieben (sogenannte LASAGNA-Technology). Für viele Schadensfälle scheint eine sol-che Sanierungsstrategie sinnvoll, so dass es für potentielle kommerzielle Nutzer sinnvoll sein könnte, Lizenznehmer dieser Technologie zu werden.

Ferner gibt es sowohl europäische als auch deutsche Patente, die ebenso meist nur spezielle Anwendungsbereiche und -arten elektrokinetischer Verfahren beschreiben. Trotzdem sollen an dieser Stelle folgende Patente genannt werden.

• European Patent Speciation EP 0 312 174 A1/B1, 12.10.1998 (Date of filing): A process for electroreclamation of soil material, an electric current system for applica-tion of the process, and an electrode housing for use in the electric current system.

• Europäische Patentschrift EP 0 578 925 A1/B1, 14.04.1993 (Anmeldetag): Verfahren zur Beseitigung von Schadstoffen, insbesondere im Erdbodenbereich.

• Deutsche Patentschrift DE 43 01 270 A1, 19.01.1993 (Anmeldetag): Verfahren und Einrichtung zur Beseitigung von Schadstoffen, insbesondere im Erdbodenbereich.

• Deutsche Patentschrift DE 43 01 270 A1, 21.06.1989 (Anmeldetag): Verfahren zum Dekontaminieren eines schadstoffbelasteten Erdbodenbereichs.

Sehr kontrovers diskutiert werden die drei zuletzt genannten Patente. Sie beschreiben im We-sentlichen ein elektrokinetisches Verfahren, das eine in-Situ Zerstörung von Schadstoffen ermöglichen soll (Die Autoren benützen hierfür den Begriff der „Geooxidation“). Aus elekt-rochemischer und physikalischer Sicht scheinen solche elektrisch induzierten Abbaureaktio-nen nicht oder nur unter bestimmten Voraussetzungen möglich, deshalb wird im Leitfaden ein Unterkapitel dieses Thema abhandeln („Sind elektrochemisch induzierte Abbaureaktionen im Boden möglich?“). Hinsichtlich einer Verwertung und Verletzung dieser Patente sollte des-halb in Zukunft ein besonderes Augenmerk auf diesen Sachverhalt gelegt werden. Sinnvoll wäre Rechtsklarheit zu schaffen, damit eine kommerzielle Nutzung elektrokinetischer Verfah-ren zukünftig nicht erschwert wird.

Um einen ersten Schritt in Richtung Rechtsklarheit zu machen, wird das EU-Patent EP 0 578 925 A1/B1 noch etwas ausführlicher besprochen.

Das europäische Patent stuft unter Schutz ein, Verfahren zur Beseitigung von Schadstoffen, insbesondere im Erdbodenbereich, wo-

bei an, in den Erdbodenbereich angebrachten Elektroden eine elektrische Spannung angelegt wird (bekannter Stand der Technik)

und bei dem in einem ersten Schritt im Erdbodenbereich zwischen den Elektroden durch Anlegen der Spannung ein Ionisierungskanal erzeugt und in einem zweiten Schritt die Arbeitsspannung durch Einstellen der Stromstärke in Abhängigkeit von der Art der zu zerstörenden Schadstoffe einreguliert wird, wobei die aufgebrachte Energie gleich oder größer als die Elektronenaffinität der die Schadstoffe aufbauenden Atome bzw- Radikale ist (neue erfinderische Schritte, die die Erfindung darstellen sollen).


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In den ursprünglichen Unterlagen, und dort im Anspruch 1, war dagegen als Erfindung her-ausgestellt, dass man zur Beseitigung der Schadstoffe vor Ort durch die elektrische Spannung ein elektrisches Feld aufbaut, das so groß ist, dass nicht elektrokinetisch transponierbare Schadstoffe vor Ort zerstört werden. Vergleicht man dieses Merkmal mit den jetzt den An-spruch 1 bildenden Merkmalen, so stellt man fest, dass eine deutliche Beschränkung vorge-nommen worden ist. Eine Verletzung des Verfahrens ist nämlich jetzt eigentlich nur noch gegeben, wenn im ersten Schritt Ionierungskanäle erzeugt und im zweiten Schritt dann die Arbeitsspannung auf die jeweiligen Schadstoffe eingeregelt wird. Somit hat der Erfinder und Anmelder sich auf eine Beschränkung eingelassen, die die Erzeugung der Ionisierungskanäle zwingend vorschreibt. Werden diese Ionisierungskanäle nicht beim Anlegen einer Spannung im Erdbodenbereich erzeugt, ist auch keine Verletzung gegeben.

Der Patentinhaber muss nachweisen, wenn er einen gewerblichen Verwerter seines Schutz-rechtes angreifen will, dass diese Ionisierungskanäle wirklich entstanden und wirksam ge-worden sind. Kann er dies nicht, kann er auch keine Patentverletzung geltend machen.

Das Problem besteht darin, dass man nicht hundertprozentig ausschließen kann, dass unter bestimmten Vorraussetzungen bei einer elektrokinetischen Bodensanierung das beschriebene Prinzip (das Erzeugen eines Ionisierungskanal EP 0 578 925 B1) stattfinden kann. Anderer-seits kann aber ebenso nicht nachweisen werden, dass bei einer elektrokinetischen Bodensa-nierung Ionisierungskanäle erzeugt werden können. Das Ionisieren in diesem Zusammenhang bedeutet nichts anderes als eine Überführung von Ionen und Radikalen durch Elektronenab-spaltung bzw. -aufnahme in eine andere abbaubare Form. Der Erfinder („Herr Döring“) be-nutzt hierfür eigentlich den Begriff der Geooxidation. Das Patent EP 0 578 925 B1 sagt im Grunde wie das Patent 0 578 925 A1 nicht anderes aus, als dass die Schadstoffe durch das Anlegen einer Spannung zerstört werden. Bei einem Blitz entstehen z.B. Ionisierungskanäle, d. h. ein Ionisierungskanal ist immer an sehr hohe Energien gebunden. Wenn überhaupt Ioni-sierungskanäle bei einer elektrokinetischen Bodensanierung entstehen, dann sind diese nur ein kleiner Randeffekt der eigentlichen Transportmechanismen (Fachlich besprochen in Kapitel ?).

Festzuhalten bleibt, dass alle grundlegenden elektrokinetischen Verfahren durch US-Patente abgedeckt werden. Allerdings ist von den anderen relevanten US-Patenten nur eines (US No. 5,398,756) in Europa geschützt. Eine Lizenzierung dieses Patentes, das die Kombination e-lektrokinetischer Verfahren mit reaktiven und/oder permeablen Wänden beschreibt, kann, wie oben schon erwähnt, unter Umständen sinnvoll sein, um für einen gegebenen Fall ein optima-les Sanierungskonzept anbieten zu können. Das bedeutet aber auch, dass eine Lizenzierung der anderen Patente nicht erforderlich ist, und dass elektrokinetische Verfahren im eigentli-chen Sinne Stand der Technik sind und deshalb in Europa nicht mehr patentierbar als Sanie-rungsverfahren sind. Es kann lediglich sinnvoll sein, bestimmte Verfahrensergänzungen zu patentieren. So wurde vom Verbundpartner INTUS e. V. ein Hilfselektrolysesystem zur Stabi-lisierung, Steuerung und Kontrolle des pH-Wertes zum Patent angemeldet:

• Beschreibung: Verfahren und Einrichtung zur Steuerung und Stabilisierung des pH-Wertes bei elekt-


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rochemisch gestützter Stofftrennung oder Dekontamination in Böden, Schlämmen o-der anderen pastösen Substanzen

• Veröffentlichungsnummer : DE19927227 A

• Veröffentlichungsdatum : 2000-12-14

• Erfinder : GOLDMANN THOMAS (DE)

• Anmelder : INST. TECHNOLOGIE UND UMWELTSCH. (DE)

• Aktenzeichen: (EPIDOS-INPADOC-normiert) DE19991027227 19990610

• Prioritätsaktenzeichen: (EPIDOS-INPADOC-normiert) DE19991027227 19990610

• Klassifikationssymbol (IPC) : B09C1/08 ; B01J19/08

Zudem hat ein Industriepartners die Patentierung einer speziellen Elektrodenkonstruktion an-gemeldet:

• Beschreibung: Verfahren und Elektrode zum elektrokinetischen Sanieren von schadstoffbelastetem, Porenflüssigkeit enthaltenden Erdboden

• Veröffentlichungsnummer : DE10035497 A

• Veröffentlichungsdatum : 2002-01-31

• Erfinder : HAUS REINER (DE); PENZ MICHAEL (DE); FADER HANSJOERG (DE)

• Anmelder : ENBW EN BADEN WUERTTEMBERG AG (DE)

• Aktenzeichen: (EPIDOS-INPADOC-normiert) DE20001035497 20000719

• Prioritätsaktenzeichen: (EPIDOS-INPADOC-normiert) DE20001035497 20000719

• Klassifikationssymbol (IPC) : B09C1/00

Um die Verwertungsmöglichkeiten interessanter Patente bzw. Konzepte zu erhöhen, sollte in Zukunft der Kontakt zum amerikanischen Markt intensiviert werden.

1.4.2 Verwendete Literatur sowie benutzten Informations- und Dokumentationsdiens-te

Bereits im Jahre 1809 beobachtete REUSS beim Anlegen einer elektrischen Gleichspannung eine Veränderung des Flüssigkeitsspiegels zu beiden Seiten eines mit Wasser gefüllten Ton-diaphragmas. 1852 zeigte WIEDEMANN, dass die elektrisch transportierte Wassermenge pro-portional zur angelegten Spannung erfolgt. PERRIN (1904) führte zur Erklärung dieses Phä-nomenes den Begriff „elektrokinetisches Potential“ ein, der später von FREUNDLICH im Jahre 1922 durch das „Zetapotential“ ersetzt wurde (JACOBASCH 1996). SMOLUCHOWSKI (1921) leitete im folgenden, basierend auf dem Kondensatormodell von HELMHOLTZ (1879) und STERN (1913), den mathematischen Zusammenhang zwischen elektrokinetischem Potential und dem beobachteten elektroosmotischen Volumenstrom her.


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Elektrokinetische Verfahren wurden in der Geotechnik bereits von CASAGRANDE (1939, 1952, 1983) zur Entwässerung (GRAY & MITCHELL 1967, LOCKHART 1983 a,b,c,d, SHANG 1997, VEDER 1963), Böschungsstabilisierung (ENDELL 1935), Erhöhung der Tragfähigkeit von Pfäh-len (MITCHELL 1970), dem Dammbau (FETZER 1967) und der Baugrundverbesserung (ESRIG & GEMEINHARDT 1967, GRAY 1970, MITCHELL & BANERJEE 1980) von feinkörnigen Böden beschrieben. BJERRUM et al. (1967) berichten von der Konsolidierung eines norwegischen Quick-Clays dessen Scherfestigkeit in-situ von 9 kN/m2 auf 39 -110 kN/m2 bei einem Strom-verbrauch von durchschnittlich 17 kWh/m3 verbessert werden konnte. Weiterhin sind elektro-kinetische Verfahren bei der geochemischen Prospektion und Exploration verbreitet (SHMA-KIN 1985). Mögliche Anwendungen im Deponiebau werden von MITCHELL (1990 a,b) vorge-schlagen.

Erste Untersuchungen unter einem sanierungstechnischen Aspekt wurden von amerikanischen (ACAR & ALSHAWABKEH 1993, HAMED et al. 1991, KORFIATIS et al. 1990, LINDGREN et al. 1991, MITCHELL & YEUNG 1990, PROBSTEIN et al. 1989, RENAUD & PROBSTEIN 1987, SEGALL & BRUELL 1992, YEUNG 1994) und vereinzelt europäischen (LAGEMANN et al. 1989a,b, LAGEMANN 1991 & 1993, OTTOSEN et al. 1995, TONDORF 1993) Autoren veröffentlicht. Im Rahmen dieser Veröffentlichungen wurde das Transportverhalten von Schwermetallen (ACAR et al. 1994, 1995, ACAR & ALSHAWABKEH 1996, CHUNG & KANG 1999, COX et al. 1996, EYKOHLT & DANIEL 1994, GOLDMANN et al. 1996, HAMED et al. 1991, HANSEN et al. 1997, HAUS 1998, HAUS et al. 1999, HICKS & TONDORF 1994, JENSEN et al. 19994, KAWACHI & KUBO 1999, KHAN & ALAM 1994, LI et al. 1996 & 1997, LINDGREN et al. 1995, OEY & AZZAM 1999, OTTOSEN et al. 1997, PAMUKCU & WITTLE 1992 & 1993, PAMUKCU et al. 1990 & 1997, PROBSTEIN & HICKS 1993, RAHNER et al. 1995, REDDY et al. 1999, REED et al. 1995 & 1996, RIBEIRO & MEXIA 1997, SHAPIRO & PROBSTEIN 1993, SHAPIRO et al. 1989, THORNTON & SHAPIRO 1995, YEUNG et al. 1993 & 1996), Radionukleiden (ACAR & ALSHAWABKEH 1993, ACAR et al. 1995, BIBLER et al. 1992, KHARKATS 1997, UGAZ et al. 1994, VESHEV et al. 1996, YU & NERETNIEKS 1997), Nährstoffen (ELEKTOROWICZ & BOEVA 1996), polaren organischen Kohlenwasserstoffen (SHAPIRO et al. 1989, HAUS & WEILER 1997) aber auch unpolaren Orga-nika, wie chlorierten Kohlenwasserstoffen (HO et al. 1995, HO et al. 1999 a,b), Mineralölen (BRUELL et al. 1992, KIM & KISAY 1999, MARKS et al. 1994, MOL 1999, PAMUKCU 1994), polyzyklisch-aromatischen Kohlenwasserstoffen (CZEDIWODA 1995) und BTX-Aromaten (SEGALL & BRUELL 1992, VAN DOREN & BRUELL 1987, WILSON et al. 1995 & 1996, YANG & LIN 1998) durch elektrokinetisch induzierte Prozesse unter gesättigten und ungesättigten Be-dingungen (MATTSON & LINDGREN 1995) beschrieben und vielversprechend bewertet.

Elektrokinetische Prozesse bewirken einen gezielten Transport des Porenwassers und der dar-in gelösten mobilen (ionaren, polaren) Schadstoffe im Untergrund. Das Anlegen eines elektri-schen Feldes ermöglicht die elektrostatische Anziehung geladener Teilchen. Positiv geladene Ionen, Moleküle und Partikel wandern zur Kathode-, negativ geladene Teilchen zur Anode+. Das Porenwasser fungiert dabei als leitendes Medium durch das die geladenen Stoffe trans-portiert werden. Im Boden gliedern sich die elektrokinetischen Prozesse grundsätzlich in drei verschiedene Mechanismen (PROBSTEIN 1994):


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Elektromigration (Ionentransport)

Bewegung von Ionen und ionaren Komplexen in der Porenflüssigkeit.

Elektroosmose

Einsinnige Bewegung einer stromführenden Flüssigkeit (Porenwasser) und der darin gelösten Schadstoffe über diffusive Ionenschichten an der kapillaren Grenzfläche zwi-schen Porenlösung und Mineraloberfläche.

Elektrophorese

Bewegung von geladenen suspendierten Kolloiden und Bodenteilchen im elektrischen Feld.

Aufgrund der Elektrodenreaktionen kann der Einsatz elektrischer Energie im Untergrund zu Veränderungen im pH-Wert, dem Mineralbestand, der Elektrolytkonzentration, der ionaren Zusammensetzung der Porenlösung sowie der Stabilität und Ladung oberflächenaktiver Mine-rale führen. Um diesen Effekt zu vermeiden, können die Elektroden gespült und, durch Zuga-be von Puffer- oder Neutralisationslösungen, im pH-Wert stabilisiert werden (ACAR & ALS-HAWABKEH 1993, YEUNG ET AL 1996, WILSON ET AL. 1995, WILSON 1996). Bei extrem gerin-gen oder hohen pH-Werten ist darüber hinaus die Freisetzung struktureller Al-Ionen zu beach-ten, die einerseits die Stabilität und Ladung der oberflächenaktiven Minerale angreift und andererseits den Elektrolythaushalt der Porenlösung verändern (DZENITIS 1997). Darüber hinaus können Redoxreaktionen an den Elektroden sowie daraus resultierende Veränderungen im Redoxpotential der Porenlösung die Oxidationsstufe der Inhaltsstoffe und somit deren Mobilität und Bindungsform beeinflussen (PROBSTEIN & HICKS 1993). So zeigt Eisen unter reduzierenden Bedingungen in Form von FeII eine deutlich höhere Löslichkeit als FeIII in oxi-dierendem Milieu (STUMM & MORGAN 1996). Für Chrom beispielsweise gilt, dass die redu-zierte Form, das trivalente Cr3+ nur in saurer Umgebung gut löslich ist, wohingegen die oxi-dierte hexavalente Form als Chromat, CrO42-, in annähernd allen pH-Bereichen eine gute Lös-lichkeit zeigt (PAMUKCU et al. 1997).

Die Löslichkeit von Metallen kann durch Zugabe von Säuren, von Komplexbildnern und Che-laten deutlich erhöht werden. Im Zuge der Elektrolyse des Wassers an der Anode ständig Hydronium-Ionen gebildet, wodurch sich, bei gleichzeitiger Neutralisation des Katholyten, eine Abnahme des pH-Wert im gesamten Bodenbereich erzwingen lässt (ACAR et al. 1995). Als Neutralisationslösung stehen überwiegend schwach dissoziierte Säuren, wie Essigsäure (ACAR & ALSHAWABKEH 1993, REED et al. 1995a, RØDSAND et al. 1995, WILSON et al. 1995) und Zitronensäure (EYKHOLT & DANIEL 1994) in der Diskussion. Neben der erhöhten Mobili-sierung von Schwermetallen und Radionukleidkomplexen unterbindet die Neutralisaton des Katholyten die Fällung schwerlöslicher Metallhydroxide und ermöglicht somit den Schad-stoffaustrag mit dem Kathodeneluat.

Positiver Nebeneffekt der Verwendung von Essigsäure ist die komplexbildende Wirkung der freigesetzten Acetat-Anionen, wodurch ACAR et al. (1995) die erfolgreiche Solubilisierung und elektrokinetische Mobilisierung von Uranyl-Radionukleiden nachweisen konnten. Auf


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die Verwendung von Salzsäure sollte aufgrund der elektrolytischen Freisetzung von Chlorgas bei Erreichen der Anode verzichtet werden. Von ACAR et al. (1997) und WILSON et al. (1995) wurde die Verwendung von Schwefelsäure, von EYKHOLT & DANIEL (1994) auch Salpeter-säure zur kathodischen Neutralisation vorgeschlagen.

An vielen bindigen Gesteinen wurde im Zuge der hydraulischen Durchströmung von Depo-nietonen mit Säurelösungen jedoch gezeigt, dass erhebliche bodenmechanische und mineralo-gische Veränderungen mit einer Versauerung des Untergrundes einhergehen und, wie bereits ausgeführt, ungünstige elektroosmotische Paramter zu bedenken sind. Darüber hinaus ist eine solche Verfahrensvariante in karbonatischen, stark säuregepufferten Böden und Gesteinen, sowie tonigen Sedimenten mit hohem Kationenaustauschvermögen wenig wirtschaftlich ein-setzbar (ALLEN & CHEN 1993, ACAR & ALSHAWABKEH 1993).

Die Vermeidung einer Säurefront kann gerade im Hinblick auf den Austrag von Arsen(V) und Cr(VI)-Verbindungen von besonderem Interesse sein (WILSON 1996, EYKHOLT & DANIEL 1994). Verschiedene Autoren schlagen deshalb eine Anodenneutralisation mit NaOH vor (DZENITIS 1997). Dabei ist zu bedenken, dass verschiedene Schwermetalle mit zunehmendem pH-Wert im Boden anionische Komplexe bilden, der Stofftransport dabei, unabhängig von den Vorzeichen des Zeta-Potentiales der Mineralmatrix, nicht zur Kathode, sondern in Rich-tung der Anode erfolgt.

Die effiziente Mobilisierung von Schwermetallkontaminationen wurde im weiteren durch den Einsatz verschiedener Komplexbildner getestet (PETERS & SHEM 1992, ALLEN & CHEN 1993, U.S. EPA 1994, ABUMAIZAR & KHAN 1996). Unter diesem Gesichtspunkt ist für die elektro-kinetische Sanierung insbesondere die Möglichkeit des ionenmigrativen Eintrages bei gelade-nen Chelaten, beziehungsweise die elektroosmotische Zufuhr bei ungeladenen Spezies von besonderem Interesse. WONG et al. (1997), REED et al. (1995a, 1996) und YEUNG et al. (1996) beschreiben die erfolgreiche Anwendung von EDTA bei der elektrokinetischen Mobilisierung verschiedener Schwermetalle in Quarzsand und tonigem Schluff. Der Schadstoffaustrag lag, je nach Konzentration des Komplexbildners, für Blei und Zink zwischen 68 und 100 %. Zu beachten ist die Ausbildung entgegengesetzt gerichteter elektroosmotischer und ionenmigrati-ver Prozesse durch scheinbare Ladungsumkehr des Schadstoffes im Komplex. Besonderes Augenmerk wurde dabei auch auf die Rückgewinnung der Chelatbildner über elektrochemi-sche Verfahren (ETZEL & TSENG 1987) und ionenselektive Membrantechniken gelegt (ALLEN & CHENG 1993).

Die Möglichkeit der prozesswassergesteuerten Zufuhr von Lösungsvermittlern (Tensiden) zur Steigerung der elektroosmotischen Mobilisierung unpolarer und schwach polarer organischer Schadstoffe wird von ACAR et al. (1995) erwähnt. Die Bildung von Micellen und die damit mögliche Wirkung elektrophoretischer Prozesse ist aufgrund der geringen Porendurchmesser in bindigen Böden nur auf die Schlammbehandlung beschränkt (ACAR & ALSHAWABKEH 1993).

Zusammengefasst sollten die zur Optimierung zuzugebenden Stoffe keine unlöslichen Salze mit dem Schadstoff bilden, die Mobilität der Schadstoffe im elektrischen Feld beispielsweise durch Komplexbildung erhöhen, über einen weiten pH-Bereich chemisch stabil sein, eine hö-


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here und selektive Affinität zum Schadstoff und nicht zur Mineraloberfläche besitzen, preis-wert und recyclingfähig sein, die Stabilität der Bodenminerale nicht beeinflussen und für die Umwelt ungefährlich oder biologisch abbaubar sein (ALSHAWABKEH et al. 1999).

Darüber hinaus werden von MARKS et al. (1994), Ho et al. (1995, 1997, 1999a,b), ACAR et al. (1996) und DEFLAUN & CONDEE (1997) mögliche Kombinationen mit in-situ mikrobiologi-schen Verfahren diskutiert. Die elektrokinetische Zufuhr von Nährstoffen beschreiben E-LEKTROWICZ & BOEVA (1996). ACAR et al. (1997) stellen die Ergebnisse für Ammonium- und Sulfationen in feinsandigen und kaolinitischen Proben vor.

Zu weiteren Literaturrecherche wurden im wesentlichen auf elektronische Dokumentliefersys-teme zurückgegriffen; LEA, das Lokale Elektronische Aufsatzliefersystem für Zeitschriften-aufsätze für Mitarbeiter der Universität Karlsruhe, und der Bundesweite Dokumentlieferdienst SUBITO.

Literaturliste (Stand 04/2003): Acar, Y.B. (1992) Electrokinetic Soil Processing; A Review of the State of the Art, ASCE Grouting Conference,

February 1992, ASCE Special Publication No. 30, v. 2, pp.1420-1432. Acar, Y.B. (1992) Electrokinetic Cleanups. Civil Engineering,

Schlußbericht zum BmBF-Verbundvorhaben: Erarbeitung eines ... · Schlußbericht zum...

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