Pilotanlage „Compartment Transfer“

Zur Untersuchung des Abbaupotentials von organischen Xenobiotika inconstructed wet-lands und verwandten naturnahen Sanierungssytemen wurde vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung das Projekt „Compartment Transfer“ (CoTra) innerhalb der For-schungsplattformSAFIRA II ins Leben gerufen. Im Rahmen dieses Projektes wurde am Standort Leuna in den Jahren 2006/2007 eine Pilotanlage errichtet, welche im Sommer 2007 in Betrieb genommen wurde. Folgende Verfahrensansätze (A1-5) wurden getestet:

• A1: Horizontal durchflossene, bepflanzte Bodenfilter

• A1: horizontal durchflossene, überstaute Pflanzenmatte ohne Bodenmatrix

• A2: Horizontal durchflossene Bodenfilter mit anschließendem offenem Wasserbe-reich

• A3: Vertikal durchflossene Bodenfilter mit vorgeschaltetem Strohfilter

• A4: Aerobe Grabensysteme zur Ausgasung flüchtiger Schadstoffe

• A5: Strukturierte aerobe Grabensysteme zur Förderung des Bioabbaus

Um einen in den Boden eingelassenen Bediengang ordneten sich die unterschiedlichen Verfahrensvarianten in speziellen dichtgeschweißten Edelstahlwannen (Sirch Behälter-technik GmbH, Löbnichau) an, welche bis ca. 15cm unterhalb der Wannenoberkante in den Boden eingelassen waren (Abbildung 3.1). In dem zentralen Bediengang waren das Pump- und Regelwerk sowie Messstellen zur Probennahme untergebracht. Die Prozesssteuerung und -überwachung der Anlage erfolgt computergestützt mit einer speziell entwickelten Software (Systemanalyse & Automatisierungsservice GmbH, Ban-newitz). Über einen Zulaufbehälter, welcher kontinuierlich mit Grundwasser aus einem nahen Entnahmebrunnen (SafLeu67) gespeist wurde, wurden die einzelnen Verfahren mit Grundwasser versorgt. Der Entnahmebrunnen befand sich 30m nördlich der An-lage im Abstrombereich der kontaminierten Grundwasserfahne. In Tabelle 3.1 sind die durchschnittlichen Jahreskonzentrationen der organischen Hauptschadstoffe und deren Konzentrationsverlauf von Juli 2007 bis August 2009 aufgeführt. Mit ca. 3,5 und 20mg L⁻¹ MTBE bzw. Benzol stellen diese Leitsubstanzen die beiden Hauptkontami-nanten im organischen Schadstoffspektrum dar.

An den folgenden der oben aufgelisteten Verfahrensvarianten wurden im Rahmen dieser Dissertation Untersuchungen durchgeführt.

3.1 Beschreibung des Untersuchungsstandortes und der Pilotanlage 27

Abbildung 3.1: Vogelperspektive der PilotanlageCompartment Transfer in Leuna.

S11: Pflanzenmatte, S12/S16: bepflanzter, horizontal durchströmter Bodenfilter, S15: unbepflanzter, horizontal durchströmter Bodenfilter, S51: Strukturiertes Grabensystem, S15/S16: installierte Emissions-messhauben. Foto: M. Kästner

Tabelle 3.1: Durchschnittliche Jahreskonzentrationen von VOCs am Entnahmebrun-nen SafLeu67 von Juli 2007 bis August 2009.

Jahr MTBE Benzol Toluol Ethylbenzol m/p-Xylol o-Xylol (µg L⁻¹)

2007 3.680 18.990 14 450 328 23

2008 3.560 20.300 8 93 76 7

2009 3.350 22.190 9 88 62 8

3.1.2.1 Horizontal durchflossener, bepflanzter Bodenfilter (A1: S15, S16 und S12)

Die für die horizontal durchflossenen, bepflanzten Bodenfilter konstruierte Edelstahl-wanne hatte eine Größe von 5.000 ×2.300× 600mm. Sie war in der Mitte durch eine Scheidewand in zwei gleich große, 1.100mm breite Segmente getrennt. Stirnseitig schloss sich je ein Einstiegsschacht der Größe 800×2.300×600mm an, in dem die

28 3 Material und Methoden

Zulauf- bzw. Ablaufanschlüsse untergebracht waren. Jedes Segment war mit drei im Abstand von 200mmnebeneinander angeordneten Zulauf- bzw. Ablaufstutzen versehen, welche jeweils in 44mmHöhe über dem Wannenboden angebracht waren. Zwei über die gesamte Breite und Tiefe eines Segmentes verlaufende Lochblech-Trennwände (3mm Lochung), jeweils 400mm von den Stirnseiten entfernt, teilten ein Segment in die drei Bereiche Zulaufzone, Testzone und Ablaufzone ein. Zulauf- und Ablaufzone waren bis 100mm unterhalb der Wannenoberkante mit Grobkies (Körnung 8−16mm) befüllt.

Die Testzonen wurden mit Feinkies (Korngröße 2−3,15mm) bis 100mm unterhalb der Wannenoberkante bestückt. Beide Segmente wurden im Untersuchungszeitraum kontinuierlich mit einem Volumenstrom von 6L h⁻¹ mit kontaminiertem Grundwasser aus dem zentralen Zulaufbehälter beschickt. Am 13.07.2009 wurde die Zulaufrate auf 12L h⁻¹ heraufgesetzt. Zur Beschickung und Entnahme von Prozesswasser wurden regelbare Zahnradpumpen (Typ VGS006, Verder Deutschland GmbH, Haan) eingesetzt.

Der Ablauf der Segmente wurde jeweils über einen Schwimmschalter, welcher die Ab-laufpumpe steuert, geregelt. Die gewählte Einstellung des Schwimmers erlaubte eine gesättigte Bodenzone von 0,4m innerhalb des Segmentes, woraus sich eine ungefähre Mächtigkeit der ungesättigten Bodenzone von 0,1m ergab. Das abgepumpte Wasservo-lumen wurde jeweils über Ausliterungsgefäße quantifiziert.

Die Testzone eines der beiden Segmente (S16) wurde im März 2007 mit Schilfrohr (Phragmites australis) bepflanzt. Das zweite Segment (S15) diente als Referenzsystem und wurde daher ohne Bepflanzung belassen. Bis zum Ende der Vegetationsperiode 2007 war die komplette Testzone des Segments S16 mit Schilfrohr bewachsen und das Sediment gleichmäßig mit Wurzel- und Rhizomwerk der Pflanzen durchdrungen. Im Februar 2008 und im März 2009 erfolgte ein Schnitt der Schilfpflanzen auf eine Höhe von ca. 10cm.

Ein weiterer horizontal durchflossener, bepflanzter Bodenfilter gleicher Bauart (S12) und Betriebsweise wurde ebenfalls in diese Untersuchungen einbezogen und kam vorrangig bei der Beprobung der Pflanzen zum Einsatz. Die horizontal durchflossenen Bodenfilter S15 (unbepflanzt) und S16 (bepflanzt) dienten als Hauptuntersuchungsobjekte dieser Arbeit.

3.1.2.2 Horizontal durchflossene, überstaute Pflanzenmatte (A1: S11)

In einem Segment (S11) gleicher Bauart zum horizontal durchflossenen, bepflanzten Bodenfilter wurde eine Pflanzenmatte aus Phragmites australis ohne Bodenmatrix getestet, welche mit Grundwasser überstaut auf dem Wannenboden lag. Der Füllstand

3.1 Beschreibung des Untersuchungsstandortes und der Pilotanlage 29

der Wasserzone betrug ca. 14−15cm. Die Zulaufrate von kontaminiertem Grundwasser betrug 6,9L h⁻¹. Die Pflanzen, welche im März 2007 einzeln in das Becken gestellt wurden, haben im Lauf der Vegetationsperiode 2007 infolge des Verwachsens des Wurzel-und Rhizomwerks eine zusammenhängende Matte gebildet. Durch das Fehlen der Kiesmatrix werden hier im Vergleich zu den im vorherigen Abschnitt beschriebenen Bodenfiltern höhere Volatilisierungsraten erwartet. Aus diesem Grund dienten Versuche an S11 der Validierung der Probennahmetechnik.

3.1.2.3 Strukturiertes aerobes Grabensystem (A5: S51)

Die Edelstahlwanne des strukturierten aeroben Grabensystems (S51), kurz Graben-system, hat eine Größe von 5.000×1.150×2.200mmund ist in drei Zonen unterteilt.

Zwei jeweils 450mmlange, permeable Zonen sind zulauf- und ablaufseitig mit Grobkies der Körnung 8−16mm befüllt und simulieren die Infiltration bzw. Exfiltration des Grundwassers in bzw. aus dem Grabensystem. Zwischen Zu- und Ablaufzone befindet sich ein 4.100mm langer offener Wasserbereich. In diesem leiten fünf Barrieren das durchfließende Wasser, indem sie alternierend 300mm oberhalb des Wannenbodens oder 300mm unterhalb der Wasseroberfläche angebracht sind. Die Barrieren bestehen aus 10−20mmstarken Kokosnussfasermatten, welche den Aufwuchs VOC abbauender Mikroorganismen fördern. Vor der ersten, der dritten und der fünften Barriere sind Belüftungsmodule aus porösem Keramikmaterial installiert, die das Becken mit ange-saugter Umgebungsluft aerobisieren. Jeweils drei Sauerstoffsensoren (TriOxmatic® 700 IQ sensors,WTW GmbH, Weilheim), hinter der ersten, der dritten und der fünften Barriere, welche 600,1.200 und 1.800mm unterhalb der Wasseroberfläche angebracht sind, regeln das Belüftungsmodul vor der entsprechenden Barriere. Durch die unter-schiedliche Belüftung wurde ein Gradient in der Sauerstoffkonzentration von 0mg L⁻¹ in der Einlaufzone, 0,5mg L⁻¹ in der Mitte des offenen Wasserbereichs und 1,0mg L⁻¹ in der Exfiltrationszone eingestellt. Die Zulaufrate an kontaminiertem Grundwasser betrug 2±0,4m³d⁻¹. Der Ablauf wird durch ein Staurohr gewährleistet, welches ei-ne Füllhöhe bis 100mm unter der Beckenkante erlaubt. Die Ablaufmenge wird über Ausliterungsgefäße quantifiziert. Aufgrund der aktiven Belüftung ist für dieses Segment ein signifikant größeres Volatilisierungspotential von Benzol und MTBE als für die constructed wetlands zu erwarten. Die Volatilisierungsmessungen am Grabensystem dienten daher der Validierung der Probennahmetechnik.

30 3 Material und Methoden

3.1.2.4 Wetterstation

Die meteorologischen Parameter Lufttemperatur, Luftfeuchte und -druck, Niederschlag, Windrichtung und -geschwindigkeit sowie Globalstrahlung wurden durch die am Stand-ort der Anlage installierte Wetterstation (Adolf Thies GmbH & Co. KG, Göttingen) bestimmt. Die Wetterstation befindet sich in der Mitte der Anlage. Die Messsysteme sind 2− 3m über dem Grund angebracht. Die ermittelten Messwerte werden mit einer zeitlichen Auflösung von 15min in der Datenbank des elektronischen Leitsystems abgelegt.