Grundwassersanierung

Präsentation zum Thema: "Grundwassersanierung"—  Präsentation transkript:

1 Grundwassersanierung
W. Kinzelbach Grundzüge Wasserhaushalt

2 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.

3 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

4 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

5 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

6 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

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

8 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

9 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

10 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“

11 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?

12 Hydraulische Sanierung
Wichtiger zu berücksichtigender Umstand: Mögliche Variation der Grundströmungsrichtung

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

14 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

15 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

16 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

17 Biologische Sanierung in situ

18 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)

19 Biologische Sanierung in situ

20 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

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

22 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.

23 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

24 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

25 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)

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

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

28 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

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

30 Strippanlage in Grenchen