Grundwasser Sanierung und Sicherung Allgemeine Hydrogeologie SS 2013 Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch Thorben Riehm, Yasmin Yazdi

Allgemeine Hydrogeologie Gliederung Gesetzlicher Rahmen Grundwassersituation in Deutschland und Kontaminationsquellen Grundwassersicherung Grundwassersanierung Beispiel Fa. Boehringer Ingelheim Allgemeine Hydrogeologie

Allgemeine Hydrogeologie Gesetzlicher Rahmen WRRL: Guten mengenmäßigen und chemischen Zustand erreichen Sanierung und Verhinderung weiterer Verschmutzungen BImSchG und IED: Ausgangszustandsbericht Rückführungspflicht des Betreibers BBodSchG: Pflicht schädliche Bodeneinwirkungen abzuwehren Pflicht zur Sanierung von Gewässerverunreinigungen WRRL: Sanierung und Verhinderung weiterer Verschmutzungen Einleitung von Schadstoffen verhindern/begrenzen und weitere Verschlechterung verhindern Verschmutzung des Grundwasser schrittweise reduzieren Mengenmäßiger Zustand wird anhand des Grundwasserspiegels gemessen Chemischer Zustand wird anhand der Leitfähigkeit und Konzentration der Schadstoffe gemessen Ausgangszustandsbericht: Seit dem 7. Januar muss bei Neuerrichtung oder wesentlicher Änderung ein Ausgangszustandsbericht über die aktuelle Situation im Boden und Grundwasser erstellt werden Der Ausgangszustandsbericht dient der Rückführung des Bodens in den Ursprungszustand nach der Stilllegung eines Betriebes BBodSchG: Es besteht die Pflicht schädliche Bodeneinwirkungen abzuwehren und dadurch verursachte Gewässerverunreinigungen zu sanieren Allgemeine Hydrogeologie

Grundwassersituation in Deutschland Mengenmäßiger Zustand Chemischer Zustand Mengenmäßig in den meisten Teilen guter Zustand Chemischer Zustand teilweise schlecht Chemisch: Guter Zustand 63%, schlechter Zustand 37% Mengenmäßig: guter Zustand 96%, schlechter Zustand 4% Quelle: BMU Allgemeine Hydrogeologie

Grundwassersituation in Deutschland Der mengenmäßige Zustand wird über den Grundwasserstand bewertet Für den chemischen Zustand gelten folgende Grenzwerte: Nitrat 50 mg/l Pestizide, Biozide und Metaboliten jeweils 0,1 μg/l; 0,5 μg/l in Summe Meist ist Nitrat für die schlechte Bewertung verantwortlich Verunreinigungen großräumig Viele unterschiedliche Quellen Hauptnitratquelle ist die Landwirtschaft Wie auf Bild davor gesehen großflächige verschmutzungen Verfahren der Sicherung/Sanierung hier ungeeignet Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) Die Wasserrahmenrichtlinie – Auf dem Weg zu guten Gewässern http://www.geoportal.de/SharedDocs/Karten/DE/Themenkarte_Nitrat-im-Grundwasser.html Allgemeine Hydrogeologie

Kontaminationsquellen Anders als die großflächigen Verunreinigungen die idR aus der Landwirtschaft stammen, sind kleinräumige Verunreinigungen oftmals auf Industriestandorte zurückzuführen. Zwei Phasen werden unterschieden: LNAPL: Light non-aqueous phase liquids (Leichtphasen) Dichte ist geringer als bei Wasser Bsp. Öl, sonstige nicht-halogenierte Kohlenwasserstoffe DNAPL: dense non-aqueous phase liquids (Schwerphase) Dichter höher als bei Wasser Bsp. Chlorierte Kohlenwasserstoffe, DNAPL verbreiten sich massiv horizontal , schwer bis gar nicht aus dem Untergrund zu entfernen, verbleibt für Jahrzehnte bis Jahrhunderte im Grundwasser Sanierung nur über Pump and Treat oder reaktive Methoden LCKW (Leichtflüchtige Chlorierte Kohlenwasserstoffe) setzen sich in Gestein fest, Entfernung quasi unmöglich http://de.wikipedia.org/wiki/Leichtphase http://de.wikipedia.org/wiki/Schwerphase Quelle: ITVA Arbeitshilfe Allgemeine Hydrogeologie

Anwendungsgebiete der Sanierung/ Sicherung Sicherungs- und Sanierungsmaßnahmen für klar lokalisierbare, kleinräumige Verschmutzungen Hauptanwendungsbereiche: Altstandorte Ehemalige Industriestandorte Defekte Rohre/Leitungen Altablagerungen Ablagerungen von Abfällen Ablagerungen von Produktionsrückständen Altstandorte und Altablagerungen gehen oft miteinander einher Abfälle: Kommunale und Gewerbliche Abfälle Produktionsrückstände aus Industrieprozessen Allgemeine Hydrogeologie

Möglichkeiten bei Schadstoffbelastung Sicherung: Einschluss des kontaminierten Bereichs Schutz des umliegenden Gebietes Reine Gefahrenabwehr Sanierung: Beseitigung der Kontamination im Boden und Wasser Über Sicherung hinausgehende Maßnahme Sanierung: Sanierung Grundwasser nur sinnvoll wenn auch Boden saniert wird; Allgemeine Hydrogeologie

Kriterien für Verfahrenswahl Schadstoffbelastung: Typ des Schadstoffs Konzentration Verteilung des Schadstoffs Örtliche Gegebenheiten und folgende Nutzung Situation im Untergrund Kosten Örtliche Gegebenheiten: Bebauung in der Umgebung und derzeitige Bebauung des Geländes (z.B. Spundwandrammen erschüttert Bebauung) Situation im Untergrund: Geologische Verhältnisse, Überreste von Gebäuden, Kampfmittel Allgemeine Hydrogeologie

Allgemeine Hydrogeologie Sicherungsverfahren Die Sicherung hat zum Ziel, die weitere Ausbreitung der Kontamination zu unterbinden Einkapselung Um dieses Ziel zu erreichen werden Abdichtungsmaßnahmen ergriffen: Oberflächenabdichtung Seitenabdichtung Untergrundabdichtung Zusätzlich wird Wasser aus der Einkapselung abgepumpt Sicherung verhindert nur weitere Ausbreitung. 3 Abdichtungen: Oberflächenabdichtung Seitenabdichtung Untergrundabdichtung Zudem Wasser aus der Einkapselung abgepumpt. Allgemeine Hydrogeologie

Allgemeine Hydrogeologie Sicherungsverfahren Oberflächenabdichtung Bildet die Abdichtung gegen Niederschlagswasser Abdichtung aus Asphalt am weitesten verbreitet Seitenabdichtung Verschiedene Verfahren möglich Spundwände Schmalwände Schlitzwände Auswahl des Verfahrens nach Gegebenheiten vor Ort Asphaltabdichtung für Folgenutzung Spundwand: eingerammtes Stahlprofil Schmalwand: Boden durch Stahlprofil verdrängt und im Zuge des Ziehens des Profils verfüllt Schlitzwand: mit Bagger oder Fräse hergestellter Schlitz wird verfüllt Allgemeine Hydrogeologie

Allgemeine Hydrogeologie Sicherungsverfahren Untergrundabdichtung Abdichtung durch anstehende undurchlässige Böden; wichtig ist die Anbindung der vertikalen Dichtung. Bei nicht undurchlässigen Böden sind zusätzliche Sicherungsmaßnahmen nötig Jet Grounding Einbringen von Dichtungsmitteln ins Grundwasser Abpumpen von Wasser Hydraulisches Gefälle für den Fall einer Undichtigkeit wichtig ist die Anbindung der vertikalen Dichtung an die Untergrundabdichtung Jet Grounding: Einbringen einer Düse bis in die gewünschte tiefe, dann einspritzen der Dichtungsmittel Abpumpen von Wasser Hydraulisches Gefälle für den Fall einer Undichtigkeit Allgemeine Hydrogeologie

Allgemeine Hydrogeologie Sicherungsverfahren Darstellung der Elemente einer Einkapselung Quelle: Script Umweltgeotechnik Uni Kassel Allgemeine Hydrogeologie

Allgemeine Hydrogeologie Sanierungsverfahren In-situ, On-Site oder Off-Site Aktive Verfahren: Schaffung von Strömungen und/oder chemischen o. biologischen Vorgängen Energieeintrag von außen Pump and Treat, Mikrobiologische in-Situ Sanierung Passive Verfahren: Keine Induktion von aktiven Prozessen Reaktive Wände In Situ: im Untergrund, On Site: auf dem betroffenen Gelände, Off Site: Behandlung in externer Behandlungsanlage Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsverfahren – Pump and Treat In-Situ-Verfahren Gezielte Beeinflussung der Wasserströmung/ Stofftransport Anordnung von Brunnen je nach Belastungssituation Sofortmaßnahme zur Verhinderung der Stoffausbreitung Durch Entnahme über einen Brunnen bilden sich Senken um den Brunnen und Wasser fließt zum Brunnen Es können mehrere Brunnen als Gruppen oder auch in Reihen angeordnet werden, je nach Belastungssituation Herausgepumpte Wasser muss behandelt werden und anschließend kann gereinigtes Wasser über Brunnen wieder in den Aquifer eingeleitet werden (aber nicht unbedingt direkt an der verschmutzten stelle eigentlich sauberes Wasser wird wieder kontaminiert und muss wieder gereinigt werden) Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsverfahren – Pump and Treat Durch Entnahme über einen Brunnen bilden sich Senken um den Brunnen und Wasser fließt zum Brunnen Quelle: Handbuch Altlasten und Grundwasserschadensfälle Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsverfahren – Pump and Treat Quelle! Quelle: Handbuch Altlasten und Grundwasserschadensfälle Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsverfahren – Reaktive Wände In-Situ Sanierung Verhinderung der Ausbreitung von Schadstoffen und gleichzeitige Reinigung Reaktive Wand besteht aus Filtermaterial Zwei wesentliche Konstruktionsarten: CRB (Continous reactive barrier) und F&G (Funnel and Gate) Schadstoffe werden zurückgehalten bzw. abgebaut Schadstoffe werden physikalisch, chemisch und/oder biologisch zurückgehalten oder chemisch oder biologisch abgebaut Eignen sich insbesondere bei Verunreinigungen durch gering lösliche, hydrophobe organische Schadstoffe, konventionelle Verfahren wie Pump and Treat liefern nach Jahren und Jahrzehnten oft keine zufriedenstellenden Ergebnisse CRB: Wand ist über gesamte Breite/Länge durchflossen und reaktiv gestaltet, kann beispielsweise durch Verfüllen eines Grabens mit reaktivem Material hergestellt werden. Es können auch mehrere Wände hintereinander „geschaltet“ werden, um mehrere Schadstoffe zu filtern F&G: nur Teil der Wand ist durchlässig, restliche Teil ist undurchlässig und lenkt GW-Strom zum durchlässigen Teil. Durchlässige Wandteil(e) muss so dimensioniert sein, dass mindestens hydraulische Durchlässigkeit des GW-Strom vorliegt, besser höher. Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsverfahren – Reaktive Wände Quelle: Handbuch RUBIN CRB Draufsicht Schadstoffe werden physikalisch, chemisch und/oder biologisch zurückgehalten oder chemisch oder biologisch abgebaut Eignen sich insbesondere bei Verunreinigungen durch gering lösliche, hydrophobe organische Schadstoffe, konventionelle Verfahren wie Pump and Treat liefern nach Jahren und Jahrzehnten oft keine zufriedenstellenden Ergebnisse CRB: Wand ist über gesamte Breite/Länge durchflossen und reaktiv gestaltet, kann beispielsweise durch Verfüllen eines Grabens mit reaktivem Material hergestellt werden. Es können auch mehrere Wände hintereinander „geschaltet“ werden, um mehrere Schadstoffe zu filtern F&G: nur Teil der Wand ist durchlässig, restliche Teil ist undurchlässig und lenkt GW-Strom zum durchlässigen Teil. Durchlässige Wandteil(e) muss so dimensioniert sein, dass mindestens hydraulische Durchlässigkeit des GW-Strom vorliegt, besser höher. F&G Draufsicht Quelle: Handbuch RUBIN Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsbeispiel - Boehringer Ingelheim Rahmenbedingungen: Standort seit 1923 Anfänglich Produktion von Medikamentengrundstoffen Ab 1951 Produktion von Insektiziden Stilllegung 1984 Verschmutzung Boden vor allem mit Chlorbenzolen, Hexachlorcyclohexanen und chlorierten Phenolen belastet Bodenverschmutzung hauptsächlich im Bereich des Werkstandortes, außerhalb nur geringe Belastungen im Boden Große Ausbreitung der Schadstofffahne im Grundwasser Werk in Hamburg-Billbrook Fläche 85.000 m^2 Aus den Abfallprodukten der Insektizidproduktion wurde das Herbizid (Unkrautvernichtungsmittel) „T-Säure“ hergestellt, dessen Herstellung im Jahr 1955 zu Erkrankungen bei den Arbeitern geführt hat; die Produktion von „T-Säure“ wurde 1957 mit einem anderen Verfahren wieder aufgenommen Hexachlorcyclohexanen = Insektizid = Lindan (Markenname) Vorallem im Bereich des Werksgeländes selbst belastet, außerhalb geringe belastungen; zudem belastungen im Sediment des angrenzenden Moorfleeter Kanals Hauptsächlich im Grundwasser ausgebreitet, Schadstoffahne etwa 1km groß !!!!Verschmutzung liegt teilweise in phase vor!!!! Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsbeispiel - Boehringer Ingelheim Sanierungsplan Entwickelt durch DEKONTA und dem Büro IGB Erster Ansatz (Ab 1991) Thermische Behandlung von Gebäudeabbruch und hochbelastetem Boden (Prometheus) Versuche mit mikrobakterieller Reinigung im Boden Zweiter Ansatz (Ab 1994) Sicherung durch Einkapselung der Altlast Sanierung des Grundwassers DEKONTA Tochterfirma von Boehringer Ingelheim Prometheus (Hochtemperaturverbrennungsanlage) hatte probleme im Dauerbetrieb, die mikrobakterieller Versuche scheiterten; daher wird heute der zweite ansatz verfolgt Zweiter ansatz ab 1994; baubeginn dez.1996 Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsbeispiel - Boehringer Ingelheim Sicherung Herstellen einer Dichtwand Einbindung der Dichtwand in natürliche Untergrundabdichtung Untergrund aus Glimmerton Oberflächenversiegelung mit Asphalt Grundwasserabsenkung innerhalb der Einkapselung Dichtwand als schlitzwand ausgeführt; 2m in den anstehen Glimmerton eingebunden; bis zu 50m tief. Zum Moorfleeter Kanal hin eine Spundwand als Ufersicherung eingesetzt. wegen der Straße eine zweiteilige Spundwand, ein teil davon Spundwand Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsbeispiel - Boehringer Ingelheim Quelle: www.bsu.hamburg.de Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsbeispiel - Boehringer Ingelheim Grundwasserförderung mit 8 Brunnen 4 Brunnen innerhalb der Einkapselung (7,5 m³/h) 4 Brunnen innerhalb der Fahne (12 m³/h) Wasseraufbereitung On-Site in 3 Phasen Eisenfällung Biologische Aufbereitung Aktivkohlefilter Durchsatz 20 m³/h, bzw. 150.000 m³/a Einleitung des gereinigten Wassers in den Moorfleeter Kanal Leistungsangabe für alle 4 Brunnen zusammen Eisenfällung da sehr Eisenreich, würde biologische Reinigung stören Biologische Aufbereitung durch adaptierte Mikroorganismen Aktivkohle um die nicht von der Biologie erfassten Restlichen Schadstoffe zu entfernen Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsbeispiel - Boehringer Ingelheim Quelle: BAUER und MOURIK UMWELTTECHNIK GmbH & Co Allgemeine Hydrogeologie

Sanierungsbeispiel - Boehringer Ingelheim Anlage seit 1998 in Betrieb, seitdem keine weitere Ausbreitung der Fahne Rückgang der Belastung in der Fahne kein Schadstoffaustrag aus der Einkapselung Reinigungsleistung liegt für die signifikanten Stoffe bei 99,9% Kosten Ca. 167 Mio.€ für die Herstellung der Anlage und Sicherung Ca. 500.000€ jährliche Kosten Finanzierung der laufenden Kosten durch Verpachtung des Geländes an mehrere Nutzfahrzeughändler Leistungsangabe für alle 4 Brunnen zusammen Eisenfällung da sehr Eisenreich, würde biologische Reinigung stören Biologische Aufbereitung durch adaptierte Mikroorganismen Aktivkohle um die nicht von der Biologie erfassten Restlichen Schadstoffe zu entfernen Allgemeine Hydrogeologie

Allgemeine Hydrogeologie Diskussion Lohnt sich die Grundwassersanierung? Wer bezahlt die Sanierung? Allgemeine Hydrogeologie

Allgemeine Hydrogeologie Quellen http://www.tauw.de/themen/ausgangszustandsbericht/ http://de.wikipedia.org/wiki/Schwerphase http://de.wikipedia.org/wiki/Leichtphase http://www.geoportal.de/SharedDocs/Karten/DE/ Themenkarte_Nitrat-im-Grundwasser.html www.bsu.hamburg.de BMU - Die Wasserrahmenrichtlinie – Auf dem Weg zu guten Gewässern ITVA – Arbeitshilfe Handbuch Altlasten und Gewässerschadensfälle Handbuch RUBIN BAUER und MOURIK UMWELTTECHNIK GmbH & Co Skript Umweltgeotechnik Uni Kassel http://www.tauw.de/themen/ausgangszustandsbericht/ (31.Juli 2013 11:08) http://de.wikipedia.org/wiki/Schwerphase (31.Juli 2013 12:28) http://de.wikipedia.org/wiki/Leichtphase (31.Juli 2013 12:28) Allgemeine Hydrogeologie