Grundwassersanierung W. Kinzelbach Grundzüge Wasserhaushalt

Altlastenproblematik in der Schweiz In der Schweiz: 20‘000 Altablagerungen 14‘000 alte Industriestandorte 1‘500 Unfälle Sanierungsbedürftig: 3‘000 – 4‘000 Standorte Geschätzte Kosten: 5 Mrd. SFr. Sanierung: Wiederherstellung der Grundwasserqualität nach Unfällen oder in Verschmutzungsfällen die durch Altlasten verursacht wurden.

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

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

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

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

Einschliessung und Immobilisierung Vertikale Wände, die nicht in einen undurchlässigen Boden einbinden, sind praktisch nutzlos

Entfernung der Schadstoffquelle Wirkliche Lösung mit kalkulierbarem Zeithorizont Behandlung des Aushubs durch thermische, physikalische, biologische Methoden Nachteile Aushub beschränkt auf Quellen sehr begrenzter Grösse Quellen für CKW (DNAPL) nicht leicht zu finden - Keine Lösung für eine schon vorhandene Fahne, Massnahmen am Wasserwerk immer noch erforderlich. Teuer falls die Quelle unter wertvoller Überbauung liegt Residuen aus der Behandlung müssen weiterhin deponiert werden

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

Hydraulische Sanierung Grundkonfigurationen Versuche die Fahne so eng wie möglich einzuschliessen durch Minimierung der Pumprate Reinfiltration nach Behandlung um GW-Bilanz nicht zu stören Erzeugung einer „Sanierungsinsel“

Hydraulische Sanierung Abwehrbrunnen Asymptotische Breite: b = Q/(unm) b Position des Staupunkts: xs= Q/(2punm) xs Richtung der Grundströmung Beispiel: Gegeben CKW-Fahne von 50 m Breite quer zur Fliessrichtung, Abstands- Geschwindigkeit des Grundwassers 1.5 m/d, Porosität 0.25, Mächtigkeit des Aquifers 15 m. Welche Pumprate ist erforderlich, um den Abstrom zu schützen? Wie weit innerhalb der Fahne kann der Brunnen höchstens liegen?

Hydraulische Sanierung Wichtiger zu berücksichtigender Umstand: Mögliche Variation der Grundströmungsrichtung

Hydraulische Sanierung Zu berücksichtigen: Regionale Wasserbilanz, Zeitskala Fall Opel Rüsselsheim:

Hydraulische Sanierung UVB-Brunnen (Variante: Pumpe im Rohr) Luft (alternativ: Pumpe im Brunnenrohr) Wasserspiegel Druckverteilung im Brunnen Induktion einer Walze Innerhalb des Brunnens können leichtflüchtige Schadstoffe gestrippt werden Druckverteilung ausserhalb des Brunnens Einschränkungen: Walze kann offen sein, wegen Grundströmung, vertikale Kurzschlüsse halten die Walze klein

Hydraulische Sanierung Generelles Problem der Heterogenität: Beispiel Niedrige Durchlässigkeit Hohe Durchlässigkeit Die durchlässige Schicht wird viel- mal gereinigt bevor die weniger durchlässigen Schichten sauber sind. Sauberes Wasser verdünnt den Schadstoff und macht Sanierung ineffizient Strömungsrichtung Durchbruchskurven (1 D Spülung des Blocks) Inhomogener Block wie oben Homogener Block c Zeit c Zeit Ohne Dispersion Mit Dispersion

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

Biologische Sanierung in situ

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

Biologische Sanierung in situ

Luftabsaugung in der unges. Zone Künstliche Belüftung der ungesättigten Zone wird am meisten angewandt. Belüftung der ungesättigten Zone kommt in Betracht bei leichtflüchtigen Stoffen (bei CKW am häufigsten) Billige Methode, Luftabsaugung und –einpressung können kombiniert werden. Beschränkt auf leichtflüchtige Stoffe, vor allem CKW, Nachteile: Kleine Effizienz nach einiger Pumpzeit (Diffusionslimitierter Stoffübergang von Wasser auf Luftstrom) Kein Reinigungseffekt in der gesättigten Zone Injektionen mit hohem Druck sind in der Nähe von Gebäuden nicht ratsam

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

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

Passive Methoden Funnel and gate Reaktive Wände Undurchlässige Bentonitwand CKW Verschmutzung Durchlässige Eisenfüllung als Reaktor Es wurde herausgefunden, dass CKW im Kontakt mit metallischem Eisen dechloriert werden Einschränkung: Bisher nur Kombination Eisen-CKW erfolgreich, Problem der Heterogenität, Langzeitverhalten noch unbekannt

Überwachte natürliche Selbstreinigung (Natural attenuation) Natürlicher Abbau von abbaubaren Schadstoffen durch Oxidation Keine Kosten ausser Monitoring Derzeit beliebt, da aktive Methoden bisher nicht sehr erfolgreich waren. Einzelne Erfolgsstories existieren für Pump-and-treat Neue und bessere Sanierungsmethoden können immer noch gefunden werden. Aber es gibt keine Alternative zur Vermeidung

Anforderungen und Schritte Erkundung und Charakterisierung des Standorts Risikoanalyse Festlegung des Sanierungsziels Wahl der Sanierungsmethode Vergleich der Kosteneffizienz der Methoden Optimierung der Auslegung Erfolgskontrolle (Monitoring)

Nationalstrassenprojekt contra Naturschutzgebiet Kompromiss: Untertunnelung der Grenchenwiti Highway A5 FB1-4 Tunnel A5 2 km Problem: CKW-Verschmutzung Grenchen

CKW-Verschmutzung Grenchen (mg/l) Vinylchlorid Cis-1,2-Dichlorethylen Trichlorethylen Perchlorethylen

Dechlorierung der CKW Cl C H C Cl Cl H C H C H C Cl Cl H C Perchlorethylen H C Cl 2H Vinylchlorid HCl 2H Cl H C HCl Trichlorethylen H C 2H Ethen HCl ? H C Cl Cl H C CH4 Trans-1,2-Dichlorethylen 2H Cis-1,2-Dichlorethylen HCl

CKW-Verschmutzung Grenchen: Modell Abwehr- brunnenreihe zur Begrenzung der Fahne während der Bauzeit

Strippanlage in Grenchen