Natürlicher Abbau und Rückhalt von Schadstoffen (Natural Attenuation) Konzept, Kriterien, Grenzen Prinzip Hoffnung oder planbare Alternative in der Altlastensanierung ?

OSWER-Directive 9200.4-17 Der Begriff “Monitored Natural Attenuation” bezieht sich auf das Vertrauen auf natürliche Rückhalteprozesse (innerhalb des Zusammenhangs mit sorgfältig geplanten und überwachten Sanierungskonzepten), um standortspezifische Sanierungsziele innerhalb eines Zeitrahmens zu erreichen, der im Vergleich zu anderen, aktiveren, Methoden vertretbar ist.

OSWER-Directive 9200.4-17 Die Mechanismen umfassen eine Reihe von physikalischen, chemischen und biologischen Einzelprozesse, welche unter günstigen Bedingungen ohne menschliche Eingriffe vonstatten gehen. Es sollen Masse, Giftigkeit, Mobilität, Volumen oder Konzentrationen der Schadstoffe im Boden oder Grundwasser reduziert werden.

OSWER-Directive 9200.4-17 Diese In-Situ-Prozesse umfassen biologischen Abbau, Dispersion, Verdünnung, Sorption, Verflüchtigung und chemische oder biochemische Stabilisierung, Umwandlung und Zerstörung von Schadstoffen.

Deutsche Übersetzung Natürlicher Rückhalt und Abbau von Schadstoffen (NRA) (Förstner, 1998) Umfaßt sowohl destruktive als auch nichtdestruktive Prozesse. Läßt Folgeprozesse bzw. -belastungen zu (z.B. Sekundärbelastung durch Aufhärtung und Aufsalzung. Vermeidet den euphemistischen Begriff “Selbstreinigung

Komponenten des MNA-Konzeptes Das eindeutige Erkennen ablaufender MNA-Prozesse Die Quantifizierende Beschreibung des Schadstoffumsatzes bzw. Abbaus Die längerfristige Prognose des Schadstoffverhaltens Das Langzeitmonitoring

Das eindeutige Erkennen ablaufender MNA-Prozesse

Erkennungsmerkmale für natürlichen Rückhalt und Abbau Konzentrationsänderung gegenüber einem internen, nicht reaktiven Standard Verringerung der Konzentration von Oxidationsmittel in der Belastungszone Erhöhung der Konzentration von Produktphasen in der Belastungszone. Nachweis von Zwischenabbauprodukten in der Belastungszone. Nachweis von Isotopenfraktionierungs-effekten in der Belastungszone.

Verhalten der Schadstoffahne

Die Schadstoffahne schrumpft räumlich: Rückgang in Richtung Schadstoffquelle zeitlich: Konzentration an den Rändern und/oder im Fahnenzentrum nimmt ab Die Schadstoffahne ist stabil räumlich: Schadstoffahne wandert nicht mehr zeitlich: Konzentration an den Rändern und/oder im Fahnenzentrum nimmt ab oder bleibt stabil Die Schadstoffahne breitet sich aus räumlich: Schadstoffahne breitet sich abstromig aus zeitlich: Konzentration an den Rändern und/oder im Fahnenzentrum nimmt zu oder ist stabil

Voraussetzungen für den Einsatz von MNA an einem Standort Die Schadstofffahne sollte stationär sein oder sich zurückziehen. Der weitere Eintrag im Bereich der Schadensquelle sollte unterbunden sein. Es dürfen keine Abbauprodukte entstehen, die toxischer als die Ausgangsprodukte sind. Die Kontaminanten dürfen (wenn möglich) nicht in andere Medien transferiert werden

Voraussetzungen für den Einsatz von MNA an einem Standort Basisdaten Grundwasserchemie Konzentration von gelösten Oxidationsmitteln (O2, NO3-, SO42-) Konzentration der Abbauprodukte (CO2-Species, Mn2+, N2, Fe2+, S2-, CH4, NH4+, DOC und Metaboliten) Geländeparameter (pH, EH, elektr. Leitfähigkeit und Temperatur) sowie weitere Ionenkonzentrationen (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cl-) für die hydrogeochemischen Berechnungen

Die Quantifizierende Beschreibung des Schadstoffumsatzes bzw. Abbaus

Bilanzgrundlage: einfache Stöchiometrie

Sauerstoffreduktion Toluol + 9 O2 Beispiel: Toluol, C7H8 Sauerstoffreduktion Toluol + 9 O2 7 CO2 + 4 H2O Nitratreduktion 5 Toluol + 36 NO3- + 36 H+ 18 N2 + 35 CO2 + 38 H2O Manganreduktion Toluol + 18 MnO2 + 36 H+ 18 Mn2+ + 7 CO2 + 22 H2O Eisenreduktion Toluol + 36 Fe(OH)3 + 72 H+ 36 Fe2+ + 7 CO2 + 32 H2O Sulfatreduktion 8 Toluol + 36 SO42- + 72 H+ 36 H2S + 56 CO2 + 32 H2O Methanogenese 8 Toluol + 40 H2O 36 CH4 + 20 CO2

Bilanzgrundlage: Massenumsatz

Entspricht einem KW-Abbau Beispiel: Benzol, C6H6 Prozeß Verbrauch Entspricht einem KW-Abbau Sauerstoffreduktion 1 mg/ l ca. 0,3 mg/l KW Nitratreduktion ca. 0,2 mg/l KW Manganreduktion 11 mg/ l ca. 1,0 mg/l KW Eisenreduktion 22 mg/ l Sulfatreduktion Methanogenese 0,8 mg/ l

Probleme der Bilanzierung

Nicht-stöchiometrische Umsetzungsprozesse Beispiele: Aufbau von Biomasse bei einer ”jungen” Kontamination Schadstoffe werden lediglich anoxidiert und anschließend ununterscheidbar in Huminstoffe eingebunden In beiden Fällen verläuft der Schadstoffabbau scheinbar unterstöchiometrisch

Geochemischen Zonierung des Untergrundes Oft kleinsträumig außerordentlich heterogen, so daß die ”typische” Zonierung überdeckt wird

Methodische Probleme Außerordentlich schwierig kann die Bilanzierung werden, wenn Mischkontaminationen vorliegen, bei denen im Rahmen einer Zielanalyse nur ein Teil der Kontaminanten erfaßt wurde Schwierig ist die quantitative Erfassung und Bewertung aller Elektronenakzeptoren bzw. –donatoren, insbesondere bei den feststoffgebundenen Eisen- und Schwefelverbindungen

Heterogener Untergrundverhältnisse Ebenso problematisch ist die ausreichend zuverlässige, repräsentative Beprobung

Die längerfristige Prognose des Schadstoffverhaltens

Abbauwege für LCKW

Verhalten von LCKW – Typ 1 bis 3

Typ 1: Primärsubstrat ist anthropogene organische Substanz (z. B Typ 1: Primärsubstrat ist anthropogene organische Substanz (z.B. BTEX oder Karbonsäuren aus Deponiesickerwasser) Reicht die Versorgung mit Elektronendonatoren aus, um eine mikrobielle Reduktion der LCKW zu erreichen? Liegen die Elektronendonatoren im Überschuß vor? Welche Rolle spielen konkurrierende Elektronenakzeptoren (z.B. Nitrat, Eisen(II), Sulfat)? Wird Vinylchlorid oxidiert oder wird es reduziert? Bei Typ 1 werden die hochchlorierten LCKW rasch und vollständig abgebaut.

Typ 2 dominiert in Bereichen mit relativ hohen natürlichen Konzentrationen biologisch verfügbarer organischer Substanz. Die Fragen sind die gleichen wie bei Typ 1: Reicht die Versorgung mit Elektronendonatoren aus, um eine mikrobielle Reduktion der LCKW zu erreichen? Liegen die Elektronendonatoren im Überschuß vor? Welche Rolle spielen konkurrierende Elektronenakzeptoren (z.B. Nitrat, Eisen(II), Sulfat)? Wird Vinylchlorid oxidiert oder wird es reduziert In der Regel langsamerer Abbau als bei Typ 1; unter günstigen Bedingungen auch rascher Abbau möglich

Typ 3 dominiert in Bereichen mit niedrigen natürlichen oder anthropogenen Konzentrationen biologisch verfügbarer organischer Substanz Unter diesen Bedingungen geringer bis kein Abbau. Ausgangsprodukte (PER, TRI) dominieren, Abbauprodukte wie 1,2-cis-Dichlorethen und Vinylchlorid treten nicht oder kaum auf NRA-Mechanismen: Advektion, Dispersion, Sorption. Vinylchlorid kann allerdings rasch oxidiert werden.

Verhalten von LCKW - Mischtypen Eine einzelne Fahne kann mehrere Typen repräsentieren. Günstig: Nahe der Quelle führt Typ 1 oder Typ 2 zu einer raschen Dehalogenierung. Anschließend erfolgt bei Typ 3 eine vollständiger Abbau des verbliebenen Vinylchlorids Ungünstig: Nahe der Quelle führt Typ 2 zu einer Dehalogenierung, die allerdings unvollständig ist, so daß u.a. PER oder TRI übrigbleibt. Anschließend erfolgt bei Typ 3 kein weiterer Abbau der hochchlorierten LCKW

Wo bieten sich NRA-Maßnahmen an ? Es kann gezeigt werden, daß das Sanierung in angemessener Zeit durchführbar ist und daß die Sanierungszielwerte erreichbar sind. NRA-Maßnahmen werden im Regelfall im Zusammenhang mit anderen aktiven Maßnahmen (Quellenbehandlung) als Folgemaßnahme durchgeführt. NRA-Maßnahmen sollten nicht erfolgen, wenn dies zu einer Schadstoffausbreitung führt oder nicht akzeptierbare Belastungen für Rezeptoren eintreten.

Sanierung an der Schadstoffquelle (nach EPA) Die EPA erwartet, daß eine Quellensanierung in allen Fällen geprüft wird und in den meisten - soweit sinnvoll - mit in die Sanierung einbezogen wird. Dies umfaßt Entfernung, Behandlung oder Einschließung der Schadstoffquelle. Die Quellenerfassung ist besonders wichtig, wenn NRA-Maßnahmen Teil des Gesamt-Sanierungskonzeptes sind. Eine geeignete Quellenerfassung ist von hoher Priorität und sollte so früh wie möglich erfolgen.

Das Langzeitmonitoring

Monitoring (nach EPA) ist erforderlich, um die Effektivität der NRA-Maßnahme zu sichern und um die menschliche Gesundheit und die Umwelt zu schützen, ist gerade bei NRA-Maßnahmen von besonderer Bedeutung, da generell längere Zeitrahmen für die Sanierung benötigt werden,

Monitoring (nach EPA) muß zeigen, daß NRA tatsächlich wie erwartet stattfindet, muß Transformationsprodukte identifizieren, eine Ausweitung der Schadstoffahne erkennen und aufzeigen, daß keine Auswirkungen auf Rezeptoren zu finden sind, ist erforderlich, solange die Kontaminationshöhe oberhalb des Sanierungszieles liegt.

Konsequenzen

Intrinsic Remediation-Maßnahmen sollten nicht erfolgen bei besonders sensiblen Nutzungen insbesondere in Kombination mit besonders toxischen Kontaminanten. Es sollte nicht zulässig sein, reine Verdünnungsprozesse zur Handlungsgrundlage von Intrinsic Remediation-Maßnahmen zu machen. Soweit Immobilisierung als Einzelprozeß bestimmend ist, muß die Langzeitwirkung sicher bewiesen sein. Bei biochemischen Abbauprozessen muß die Wirksamkeit unter allen vorherrschenden Bedingungen, insbesondere den jeweiligen Redoxverhältnissen, belegt sein.

Die Übertragbarkeit von Labordaten auf die Natur ist mit scale-up-Versuchen zu belegen Es ist ein so umfassendes Monitoring zu installieren, daß ein unerkanntes Versagen dieses Konzeptes ausgeschlossen ist. So lange die Abbauprozesse nicht abgeschlossen sind und die Ziele erreicht werden, darf das Monitoring nicht beendet werden. Geologische und hydrogeologische Bedingungen im Sanierungsbereich müssen gut bekannt sein und ein effektives Monitoring erlauben. Die Konzepte schließen sich aus, wenn schwierige Untergrundverhältnisse eine zuverlässige Kontrolle verhindern.

Durch entsprechende Analytik ist sicher zu stellen, daß möglicherweise entstehende Reaktionsprodukte zuverlässig erkannt und quantifiziert werden. Die Wirksamkeit ist mit Hilfe vollständiger Bilanzen zu belegen. Es sollten Handlungskonzepte auch für konventionelle Maßnahmem für den Fall bereit stehen und vereinbart werden, daß die Ziele einer Intrinsic Remediation-Maßnahme nicht erreicht werden.

Vom Naturphänomen zur planbaren Alternative in der Altlastensanierung

Was wir benötigen: Eine eindeutige Begrifflichkeit und Definition, Naturwissenschaftliches und technisches Grundlagenwissen zu den Prozessen, Eine klare Abgrenzung zu den “Eingriffsmethoden”, aber Kriterien für das Erforderniß additiver oder alternativer eingreifender Verfahren, Konzepte für die sinnvolle Aufeinanderfolge der Planungsschritte,

Was wir benötigen: Ein Methodenpaket für alle Planungsschritte zum Erkennen, Beobachten und Bilanzieren der natürlichen Rückhalt- und Abbauvorgänge. Arbeitsinstrumente zum sicheren, quantifizerenden Erfassen der Schadstoffquelle und der Fahne, Bewertungsverfahren (Scoring ?), Berechnungsgrundlagen, Prognoseverfahren, Modelle für Transport und Rückhalt, Methoden der Erfolgskontrolle

Was wir benötigen: Regelwerke mit Handreichungen, Anweisungen, Technische Regeln bis hin zu Normen für alle Schritte der Planung und Durchführung, Qualitätsmanagement für das gesamte Verfahren.

Fazit

Biologische Prozesse laufen im Untergrund ab und können genutzt werden, aber zu ihrer Einschätzung ist ein sehr hohes Maß an Spezialkenntnissen erforderlich. Der Aufwand und die Zeitdauer für das erforderliche Monitoring kann unter ungünstigen Fällen sehr hoch werden, was bei Kostenabwägungen berücksichtigt werden muß. Je weniger wir an aktiver Sanierungstechnik einsetzen wollen, desto mehr müssen wir in der Lage sein, zuverlässige Prognosen über die ablaufenden Prozesse abzugeben Nichtstun erfordert andererseits auch Aktivität: Je mehr wir diese Konzepte anwenden wollen desto mehr müssen wir unsere Kenntnisse über natürlicherweise im Untergrund ablaufende Abbau- und Immobilisierungsprozesse vertiefen.