1. V1: Overview – Introduction – Definitions

Helmut Geistlinger

e-mail: helmut.geistlinger@ufz.de UFZ-Department Bodenphysik

www.ufz.de  Fachbereiche  Wasserresourcen ... Bodenphysik   Mitarbeiter  H.G.  Vorlesung

1. V1: Overview – Introduction – Definitions

1

Remediation of contaminated sites:

Innovative groundwater remediation methods

Modul description

Die Vorlesung gibt einen Überblick zu modernen Sanierungsmethoden von Boden und Grundwasser.

Neben konventionellen Methoden werden schwerpunktmäßig innovative Ansätze vorgestellt, wie





Eine Vielzahl von Übungen wird in der Vorlesung diskutiert und vorgerechnet und entsprechende EXCEL-work-sheets werden selbstständig erarbeitet.



werden vorausgesetzt, weiterführende Mathematik, wie analytische und numerische Lösung von Differentialgleichungen, Geostatistik und Messwertstatistik, wird in der Vorlesung interaktiv

erarbeitet.



Ausgehend von einem physikalisch-chemischen Prozessverständnis werden die technischen Realisierungen diskutiert.



Die Studenten führen ein Feldexperiment zur Gasinjektion (OXYWALL-Auensee) durch bzw. eine Exkursion zur in-situ Pilotanlage Safira-Bitterfeld



1. Reduktive und oxidative Dechlorierung von PCE/-TCE-Kontaminationen 2. Enhanced Natural Attenuation einer komplexen BETX/MTBE-Schadensfalls 3. GAC/ORC-Reaktive Wände

4. Sequentielle Donator-Akzeptor-Technologie

3

Warum Grundwassersanierung ?

Wasser als Ressource, Schutzgut und Sanierungsobjekt

Wasser als Lebensgrundlage 70 % des Trinkwassers (ca. 230 l pro Kopf u. Tag) werden in Deutschland aus

Grundwasser gewonnen

Wasser als Sanierungsobjekt

Nur noch 40 % der Grundwasservorräte in den NBL sind als anthropogen

unbeeinflusst eingestuft

Quelle: BMU 1998

 1 µg/l Benzol

30 Mio. t/a Kraftstoff enthalten ca. 1 %

Benzol

die jährliche Grundwasser-

Neubildung durch Niederschlag

in Deutschland von 35 x 10¹² l/a 0,01 % dieser

Benzolmenge

kontaminieren

bei einem Grenzwert von

Wasser als

bedrohtes Schutzgut (protected property)

5

Schadstoffhäufigkeit im Abstrom von Schadensfällen

TCE PCE

Dichlorethen (trans) Trichlormethan Dichlorethen (1,1) Dichlormethan

Trichlorethan (1,1,1) Dichlorethan (1,1) Dichlorethan (1,2) Phenol

Aceton Toluol

Diethylhexylphthalat Benzol

Vinylchlorid

Deutschland USA

TCE PCE

Dichlorethen (cis) Benzol Vinylchlorid

Trichlormethan Trichlorethan (1,1,1)

Xylol Dichlorethen (trans)

Toluol Ethylbenzol Dichlormethan

Dichlorbenzol Chlorbenzol Tetrachlormethan

Aromaten ? Aliphaten ? BTEX?

LNAPL ? DNAPL ?

ÜA -Klassifizierung:

Grundwasserkontamination - Beispiel Bitterfeld

Jessnitz

Wolfen

Muldenstein

Rossdorf Burgkemnitz

Schlaitz Altjessnitz

Raguhn

Kledewitz Thurland

Reuben

Thalheim

Sandersdorf

B100 1B 48

> 1000 µg/L AOX 300 - 1000 µg/L AOX 60-300 µg/L AOX 20 - 60 µg/L AOX 10 - 20 µg/L AOX

Bitterfeld

Biedersdorf Mühlbeck

Pouch A 9

5 km Dichloromethan

1,1-Dichlorethen cis-Dichlorethen trans-Dichlorethen

Trichlormethan 1,1-Dichlorethan 1,2-Dichlorethan 1,1,1-Trichlorethan 1,1,2-Trichlorethan Tetrachlormethan

Trichlorethen Tetrachlorethen 1,1,1,2-Tetrachlorethan 1,1,2,2-Tetrachlorethan

Pentachlorethan Hexachlorethan

Vinylchlorid Benzen

Toluen Chlorbenzen 1,2-Dichlorbenzen 1,3-Dichlorbenzen 1,4-Dichlorbenzen

25 km² mit einem geschätzten Volumen von mehr als 200 Mio m³ kontaminiertem Grundwasser

1,2,3-Trichlorbenzen 1,2,4-Trichlorbenzen 1,2,5-Trichlorbenzen 1,3,5-Trichlorbenzen

2-Chlorphenol 3-Chlorphenol 4-Chlorphenol 2,3-Dichlorphenol 2,4-Dichlorphenol 2,5-Dichlorphenol 2,6-Dichlorphenol 3,4-Dichlorphenol 3,5-Dichlorphenol 2,3,4-Trichlorphenol 2,3,5-Trichlorphenol 2,3,6-Trichlorphenol 2,4,6-Trichlorphenol 2,3,4,5-Tetrachlorphenol 2,4,5,6-Tetrachlorphenol

Pentachlorphenol 4-Chlor-3-methylphenol 1-Chlor-3-methylphenol

Sanierungsforschung in regional kontaminierten

Aquiferen

7

Problem with groundwater contamination ?

 Long time nothing

happens!

 If contamination is identified,

then it is often

too late!

Vorlesungen

 Folien z.T. Englisch, Sorry !

 Skripte im Internet

 Fragen immer möglich

 Übungsaufgaben werden in Vorlesung diskutiert!

 Klausur 24.6. 2011: 80% ÜA, 80% Anwesenheit,

Exkursion/Feldexperiment (3 Termine)

Course plan

1. Overview – Introduction – Definitions

2. NAPL-1: Fundamentals, Phase-Partitioning 3. Contaminant Hydrogeology

4. Contaminants, Processes, Time scales 5. NAPL-2: Migration and Distribution 6. Pump and Treat (1)

7. Pump and Treat (2) 8. Bioremediation (1) 9. Bioremediation (2) 10. Reactive Walls

11. Natural Attenuation 12. Soil Vapor Extraction 13. Case Studies

14. Reactive Transport Modeling

2011: 28.10, 4.11., 11.11. 18.11., 25.11., 16.12.

Ablaufplan

Sanierung

kontaminierter Standorte

11

verschiedene PHASEN einer Sanierung

 logische Analyse + angepasste Technologie

 1. Phase: Bestandsaufnahme (inventory)



Historie des Schadens (Verursacher ?)



Schadstoffe, Quelle ?

 2. Phase: Untersuchungsphase



Sanierungsziele, nationale + europäische Gesetze



vorangegangene Untersuchungen



Welche zusätzlichen Untersuchungen (Kosten!) sind notwendig ?



Detaillierte Untersuchungen, chem. Analysen



Risikoanalyse: Schutzgüter ?

12

verschiedene PHASEN einer Sanierung

 3. Phase: Sanierungsphase



Sanierungsmethoden: ex situ, in situ



Physikalisch, chemisch, biologisch



Kosten ?

 4. Phase: Operations-, Monitoring- und Bewertungsphase

 5. Phase: Verteilung von Information:



Wer muß über was informiert werden ?

Detailliertes Protokoll  Vorlesungsskript

13

Literatur

1. Smith and Burns

Physicochemical Groundwater Remediation 2. Domenico and Schwartz

Physical and Chemical Hydrogeology 3. Delleur

The Handbook of Groundwater Engineering 4. Chapelle

Groundwater-Microbiology and Geochemistry 5. Schwarzenbach et al. P.M. Gschwend

Environmental Organic Chemistry

15

Methodisches

 Beispiele aus 3 UFZ-Standorten

 Schadstoffe – physiko-chemische Eigenschaften

 Standortcharakterisierung



Geologie



Heterogenität



Hydraulik



Geochemie

 Prozessmodellierung

Methodisches

17

 SAFIRA 1: Bitterfeld (CKW)

 SAFIRA 2 : Zeitz (BTEX)

 SAFIRA 3 : Leuna (MTBE, BTEX)

 SAFIRA 4 : Auensee (PCE,TCE)

 Beispiele: Feldexperimente des UFZ

SAFIRA – SAnierungsForschung In Regional-kontaminierten Aquiferen

Methyl-tertiary-butyl-ether (MTBE)

• gasoline oxygenate

- enhances octane

- decreases emissions of ozone precursors and CO conc.

• water soluble (50 g/L)

• low acute toxicity

• strong taste and odour (< 10 µg/L)

• biodegradation appears difficult CH

I

H

C

C

O

CH

I

CH

SAFIRA 1:

Bitterfeld (CKW)

19

Chemical Plant from 1920

Open mining pit: Goitsche River Mulde

GW-Flow 2020

GW-Flow 2003 SAFIRA-test site

Zeitliche Entwicklung der Grundwasserströmung: Bitterfeld

Monochlorobenzene (mg-scale!) in the Bitterfeld-City-Region

21

Remediation Research Projects

 Reactive Materials and/or Principles for Reactive Walls

Shaft emplacement

Reactor installation View from above

SAFIRA 3: LEUNA (MTBE, BETX)

23

LEUNA: bis 1990 Benzinproduktion, heute: Tensid-Produktionsanlage

Field experiment: OXYWALL

(A. Beckmann-BioPract, M. Martienssen, M. Schirmer)

 Injection of gaseous oxygen in order to support biodegradation of BETX at the SAFIRA test site in LEUNA

 Geoprobe technology:

Site characterization (EC-logs, injection logging) Installation of monitoring multi-level wells

 Installation of 15 gas injection elements

 Ar – Gastracer for transport characterization

 Development of „realístic“ 3-D Models

1. Einführung

25

Standortcharakterisierung Geologie

Heterogenität Hydraulik

Geochemie

Gasinjektionselemente

27

Definitionen:

3-Phasensystem

„Poröses Medium – NAPL – Wasser“

1. NAPL-1: Fundamentals, Phase-Partioning 2. Contaminant Hydrogeology

3. Contaminants, Processes, Time scales 4. NAPL-2: Migration and Distribution

Idealisierte Migration einer LNAPL-Schadstofffahne (Benzen)

 Ziel: Risikoanalyse + Prozessverständnis  Sanierung

Phasen:

Festphase, Gas,

Wasser, NAPL

Festphase, Wasser, NAPL

Transportpfade:

Prozesse:

- (1) Diffusion - (2) Strömung - (3) Massentransfer

Phasengleichgewichte:

(2) (1)

(3)

29

Idealisierte Migration einer DNAPL-Schadstofffahne (TCE)

Mobilitätsparameter:



 



 _



 ,

NAPL Water

ÜA: LNAPL (BETX)

1 Poise = 1 g/cm/s = 0.1 Pa s

ÜA 22: Risiko-Analyse für SAFIRA-Standort Leuna

ÜA 22:

1. Welche Benzen-Masse gelangt pro Tag in das Grundwasser ?

Transportpfad: Grundwasser – Trinkwasser – Mensch?  EXCEL-Worksheet 2. Welche Benzen-Masse gelangt pro Tag in die Atmosphäre ?

Transportpfad: Bodenluft – Atmosphäre – Mensch

Bevor wir diese schwierige ÜA 22 rechnen können, müssen wir

A) retardierten Transport im GW (ÜA1) und B) Phasengleichgewicht (ÜA2 – 5) verstehen!

31

Definitionen:

- poröses Medium - Mehrphasensystem - Konzentration

- konvektiver Transport - advektiver Transport - Darcy-Gesetz

Definitions:

- porous Media

- Multi-phase-system - Concentration

Porous Media V

V_s V_p

V V_p

 

Porosity

Volumetric Phase content:

V V_w

w 

 V

V_NAPL

NAPL 



Saturation:

p w

w V

S  V

p NAPL

NAPL V

S  V

Molar Concentration in Water:

Multi-phase-system

saturated Zone: Solid, Water, NAPL unsaturated Zone: ???

w i

w V

i C 6Mol( )



Phase-Index Component-Index

Mass-Concentration in Water:

) (i weight Mol

C

c_wⁱ  _wⁱ  

ÜA: Mol-weight of Benzene?

V_s V_w V_N

33

Contaminant Transport:

Mathematical description (1)

1. Convective transport (Darcy law):

dx dp k

dx k dh A

t Q x

q ^w

w w f

W

W      

)  , (

Why minus sign?

Why (Filter)- or Darcy-velocity q_w?

 mean transport velocity:

eff w

w q

u  /



2. Advectiver transport:

i tot i b

Kd

R   

 1 

 Mean particle velocity: ⁱ

w i

w u R

u  /

 retardation coefficient:

 Process: Adsorption  Particles move slower than water  they are „retarded“

 Phasengleichgewicht „Festphase-Wasserphase:

i w i

d i

ads K C

C   K_dⁱ  f_oc K_ocⁱ

 Process: Water flow (Convection)

Definitions:

- convective transport - advective transport - Darcy-law

t V Q_w  _w/ Water volume flux

35

Geschafft!

37

Sanierung von Altlasten:

Innovative Grundwasser Sanierungsmethoden

1. V2: Übersicht – Einführung – Definitionen

ÜA23: Risikoabschätzung für SAFIRA-Standort Bitterfeld

Fragen: 1. Welche Menge Chlorbenzen/TCE löst sich maximal im Grundwasser ?

2. Nach welcher Zeit erreicht ClBz/TCE Vorfluter ‚Mulde‘ mit und ohne Adsorption am Kohleflöz ? 3. Welche Menge ClBz/TCE gelangt pro Tag beim Erreichen der Fuhne-Aue in die Atmosphäre ? 4. Nach welcher Zeit erreicht ClBz durch Kohleflöz den tertiären Aquifer ? ₃₉

Standortcharakterisierung Problem: Heterogenität

Methodisches

Für alle in situ Sanierungsmethoden stellt heterogener Aquifer ein

Herausforderung dar!

Heterogenität am MADE-Standort

Columbus Air Force Base in Mississippi

- 328 Multi-Level Meßstellen

- Netzwerk von 6000 Probenahmepunkten

- 2000 Flowmetermessungen der hydraulischen Leitfähigkeit

- Problem: Heterogener Aquifer:

- Borden-Testfeld:

5 .

2 4

ln_K 



2 0

ln_K 



Macrodispersion Experiment MADE 2: Tritium-Tracertest

41

Heterogenität am Safira-Standort Zeitz

Pump and Treat-Simulation Homogener Aquifer

43

Pump and Treat – Simulation:

Heterogener Aquifer

100m

100m

B) Isohypsen-Plan

A) Capture Zone

Prozessmodellierung

Methodisches

45

geologische Strukturen

Transportmodellierung Prognose-Modell

Parametrisierung:

k_f-Werte

Geologische Erkundung

-Pumptests

-Slug&Bail-Tests -Siebkurven

-Datenbanken

Diskretisierung: BCF, HUF, LPF

Strömungsmodellierung - Kalibrierung

Ablaufschema: Prognose-Modell für den Transport

von Monochlorbenzen (MCB)

Internet:

www.frtr.gov/matrix2

Methodisches

47

Internet

Internet

49

Übersicht: Altlasten/

Sanierungsmethoden

Altlasten



Per Definition BBodSchG § 2 (5)



stillgelegte Abfallbeseitigungsanlagen sowie sonstige

Grundstücke, auf denen Abfälle behandelt, gelagert oder abgelagert worden sind



Grundstücke stillgelegter Anlagen und sonstige Grundstücke, auf denen mit umweltgefährdenden Stoffen umgegangen worden ist

51

Altlasten Schadstoffgruppen

Altlasten Schadstoffgruppen

Mineralölverarbeitung und -lagerung aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe

Gaswerke, Kokereien Phenole, PAK

Güterbahnhöfe, Flugplätze aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe

Zellstoffindustrie Sulfide, Lignin-Derivate, Chlor Milchindustrie organische Stoffe, Tenside,

Waschmittel Chemikalien- und

Pflanzenschutzmittel-Produktion

Chlorkohlenwasserstoffe, PCB

Munitionsfabriken Nitroaromaten (z. B. TNT) Metallverarbeitung Schwermetalle, Cyanide

ungeordnete Deponien, Müllplätze Schwermetalle, Sulfate, Nitrate

52

Verdachtsflächen

Per Definition BBodSchG § 2 (6)

= Altablagerungen und Altstandorte, bei denen der Verdacht schädlicher Bodenveränderungen oder

sonstiger Gefahren für den für den einzelnen oder die Allgemeinheit hervorgerufen werden.

⁵³

Sanierungsmethoden

Sanierung im Sinne des BBodSchG § 2 (7) sind

Maßnahmen zur Beseitigung oder Verminderung der Schadstoffe (Dekontaminationsmaßnahmen), die eine Ausbreitung der Schadstoffe langfristig verhindern oder vermindern, ohne die Schadstoffe zu beseitigen (Sicherungsmaßnahmen),

zur Beseitigung oder Verminderung schädlicher

Veränderungen der physikalischen, chemischen oder

Verfahrensarten

 EX-SITU = Verfahren, bei denen der verunreinigte Boden behandelt wird, nachdem der Boden ausgehoben wurde

 ON-SITE: Aushub des kontaminierten Bodens und Behandlung auf dem kontaminierten Grundstück

 OFF-SITE: Aushub des kontaminierten Bodens, Transport und Behandlung an einem anderen Ort .

 IN-SITU = Verfahren, bei denen der verunreinigte Boden behandelt wird, ohne dass ein Aushub des kontaminierten Bodens erfolgt.

55

57

Bearbeitungsschritte bei der Verdachtsflächenbehandlung

PHASE 1 Bestandsaufnahme/Erfassung der Verdachtsfläche

Ziel

Lokalisierung und Identifizierung aller potentieller Gefahrenherde Dokumentation und Aufbereitung aller bei Verwaltungsbehörden, Betreibern und anderen Stellen vorhandenen Kenntnisse und

Materialien

Fortschreibung der Materialiensammlung während der

Gefährdungsabschätzung (z. B. Verdachtsflächenkataster) und gegebenenfalls der Sanierung

Bereitstellen der Erfassungsunterlagen für die weitere Planung

Erfassungsquellen (historische Erkundung)

Verwaltungsvorgänge (z. B. Bauanträge, Ordnungswidrigkeiten) kartographische Informationen (geologische, hydrologische und topographische Karten)

Nachfragen bei der gewerblichen Wirtschaft (Handelskammer, Betriebsunterlagen, Transport- und Entsorgungsfirmen)

Nachfragen bei Fachbehörden (Wasserwirtschaftsämter, Geologische Landesämter, Ämter für Wasser- und Abfallwirtschaft)

Protokoll: Ablaufplan

PHASE 2 Untersuchungsphase/Vergleichende Erstbewertung

Ziel = Bewertung des Standortes hinsichtlich

Emissionsverhalten (Standorttyp der Ablagerung, Abfallart, Parameter für den Schadstoffinhalt, Zustandsform der Schadstoffe

Transmission (Transportpfade, Faktoren wie z. B.

Wasserdurchlässigkeit, Grundwasser etc.)

Immission (Standorttyp am Immissionsort, Schutzgüter, Art der Schadstoffwirkung)

Datenumfang

allgemeine Angaben

Aufnahmedatum, Anschrift, genaue Lokalisation, Flächengröße, Eigentümer, Zeitpunkt der Ablagerungen / kritische Nutzung, vorhandene Unterlagen, federführende und beteiligte Behörde) Angaben zum Stoffinventar

Ablagerungs-/Branchentyp, Ablagerungs-/ Produktionszeitraum, Menge und Art der abgelagerten / verwendeten Stoffe

Standortkriterien = Art der Geländeveränderung durch Ablagerungen augenblickliche / geplante Nutzung

Umgebungskriterien = Lage zu empfindlichen Bereichen (z. B.

Wohngebiet)

Protokoll: Ablaufplan

59

PHASE 2

Sicherungskriterien = hydro-/geologische Standortsgegebenheiten, Abstand zum Grundwasserleiter

Vorkommnisse = Sickerwasseraustritt, Art der Basisabdeckung

Maßnahmen = bisherige Überwachungsmaßnahmen (Rekultivierung) Bemerkungen / Hinweise = unterschiedliche Informationsquellen = unterschiedliche Qualität

gesicherte Erkenntnisse (z. B. Probebohrung) - Vermutung

Protokoll: Ablaufplan

PHASE 2 Untersuchungsphase / Vergleichende Erstbewertung Analytische Voruntersuchung

Vergleichende Gefährdungsabschätzung

Ziel

Festlegung von Prioritäten, um Stoffe in der Reihenfolge ihrer vermuteten Gefährlichkeit zu untersuchen und ggf.

Sanierungskonzepte zu erstellen

relativ (vergleichend) Gefährdungsabschätzung = Aussagen über die Gefahr von Stoffen unter bestimmten Voraussetzungen, die von der zu beobachteten Fläche ausgehen können

Informationsgrundlage = Bewertung der in Vergangenheit durchgeführten Erfassung

Gefährlichkeit - Schutzgut = Gesundheit des Menschen + der Natur Wirkungspfade - Gefährdungspfade = Übertragungsweg des Stoffes von der Quelle zum Schutzgut:

Luft

Grundwasser

Oberflächengewässer Boden

direkter Kontakt (Atmung, kutan, oral)

Detaillierter Ablaufplan

61

PHASE 2

Analytische Voruntersuchung

Vergleichende Gefährdungsabschätzung

Bewertung

Ziel = Einstufung in eine Gefährdungsklasse akut

höheres gewisses

geringes oder

kein Gefährdungspotential

Protokoll: Ablaufplan

PHASE 2

Detaillierte Einzelfalluntersuchung

(einzelfallbezogen Gefährdungsabschätzung)

Ziel = genaue Angaben über Schadstoffkonzentrationen + Prognosen über zu erwartende Folgen, Grundlage für Risikoabschätzung

Analytische Detailuntersuchung

Art, Lage und Umfang aller auf einem Areal vorhandenen Schadstoffe Probenahme

Ziel = Verteilung, Ausbreitung der Schadstoffe (Fläche, Tiefe) Anspruch: repräsentative Proben (Aussagen über eine Fläche), Minimierung der Probenanzahl

Fehlerquellen

Keine Repräsentanz der Proben

Probe wird durch Fremdmaterial kontaminiert

Stoffverluste (z.B. Verdampfen leichtflüchtiger Verbindungen)

Detaillierter Ablaufplan

63