DE102011005904B4

DE102011005904B4 - Verfahren zur Infiltration von reaktiven Stoffen zur in situ Grundwasserbehandlung

Info

Publication number: DE102011005904B4
Application number: DE102011005904.0A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Nitsche Claus; Prof. Dr.-Ing. habil. Großmann Jochen
Original assignee: BGD BODEN- und GRUNDWASSERLABOR GmbH; Gicon Grossmann Ingenieur Consult GmbH
Current assignee: Bgd Ecosax De GmbH; Gicon Grossmann Ingenieur Consult GmbH
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: DE102011005904A1; WO2011117235A1

Abstract

Verfahren zur Infiltration von reaktiven Stoffen zur In-Situ-Grundwasserbehandlung innerhalb einer Reaktionszone eines porösen Grundwasserleiters, dessen Porenvolumen sich aus einem hydraulisch wirksamen und einem hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen zusammensetzt, wobei sich die Länge LR der Reaktionszone (im Weiteren auch Reaktionsraum genannt) nach Gleichung (1) berechnet LR = va·tR (1)mit der Bedeutung va Porenwassergeschwindigkeit, tR Reaktionszeit bis zum Erreichen der Zielkonzentration der zu behandelnden Stoffe am Ende des Reaktionsraums. bei dem die Konzentration der reaktiven Stoffe am Ende des Reaktionsraumes einen vorgegebenen Zielwert nicht überschreitet und die Infiltration der reaktiven Stoffe in Form einer wässrigen Lösung über Infiltrationsvorrichtungen erfolgt, wobei zunächst die standortabhängigen Werte: die Filtergeschwindigkeit nach Darcy vf, die Porosität des Grundwasserleiters n, der Anteil des hydraulisch wirksamen (n0) und gering wirksamen (nst) Porenvolumens, die Porenwassergeschwindigkeit va, die Konzentration der zu behandelnden Stoffe CI,i, die Abbau- und/oder Reaktionsraten der zu behandelnden Stoffe durch reaktive Stoffe SB,K, SB,B, der Verbrauch reaktiver Stoffe in Nebenreaktionen SZR,K, die Reaktionszeit tR in Vorversuchen ermittelt werden, ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Infiltration von reaktiven Stoffen zur in situ Grundwasserbehandlung. Das Verfahren eignet sich zur Anwendung bei der Behandlung von Grundwasser mit darin enthaltenen Stoffen, wie z.B. gelöstem Eisen, und damit zur in situ Aufbereitung von Grundwasser sowie zur Anwendung bei der Behandlung von Grundwasser mit darin enthaltenen Kontaminanten und damit zur in situ Sanierung von Grundwasser.
Wenn Grundwasser kontaminiert ist oder geogen bedingt erhöhte Konzentrationen an Stoffen enthält, gibt es die Möglichkeit einer in situ Grundwasserbehandlung über die Infiltration reaktiver Stoffe ins Grundwasser. Ziel einer derartigen Behandlung ist die Verringerung der Stoff- bzw. Schadstoffkonzentration im Grundwasser und damit die in situ Grundwasseraufbereitung bzw. die in situ Grundwassersanierung. Daher wird im Sinne der Erfindung unter dem Begriff „Grundwasserbehandlung“ die Grundwasseraufbereitung ebenso wie die Grundwassersanierung verstanden. Durch die Infiltration der reaktiven Stoffe wird die Grundwasserbehandlung gestartet. Unter Infiltration wird im Sinne der Erfindung das Eintragen von Stoffen, insbesondere reaktiven Stoffen, in das Grundwasser verstanden. Die reaktiven Stoffe bezwecken dabei die Auslösung und Aufrechterhaltung von physikochemischen und/oder biochemischen Prozessen, bei denen eine Verringerung der zu behandelnden Stoffe bis auf einen vorgegebenen Zielwert (Zielkonzentration) erfolgt.
Grundlage für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Bestimmung der physikochemischen (abiotischer) bzw. biochemischen (biotischer) Prozessparameter in einem Grundwasserbereich in bekannter Weise in Laborversuchen. Dadurch ist es möglich zu ermitteln, welche Menge reaktiver Stoffe für eine in situ Grundwasserbehandlung verbraucht wird. Die DE 10 2009 038 017 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der mikrobiellen Abbaurate 1. Ordnung in einem naturnah gestalteten Laborversuch. Darin werden in mehreren unterschiedlichen in Reihe geschalteten Reaktoren, die eine Bodenprobe enthalten, die natürlichen Abbauprozesse simuliert. Mit dem Verfahren ist es möglich, eine belastbare Prognose der natürlichen Stoffabbauprozesse im Grundwasser zu erhalten. Es ist mit diesem Verfahren ebenfalls möglich zu prognostizieren, welche Menge reaktiver Stoffe für einen gewünschten Stoffabbau zugeführt werden muss.
In DE 39 38 844 A1 wird ein Verfahren zur Verteilung von reaktiven Stoffen in einem Grundwasserstrom zur Reinigung des Grundwassers beschrieben. Ziel des darin offenbarten Verfahrens ist es, einen oder mehrere Stoffe in den Grundwasserbereich gepulst einzutragen und diesen mit dem natürlichen Grundwasser schnell und gleichmäßig unter Nutzung der hydrodynamischen Dispersion so zu vermischen, dass nach einem Fließweg von 100 m bereits eine homogene Mischung sichtbar ist. Die Menge an reaktiven Stoffen, wie Ethanol, wird vor der Infiltration berechnet. Die Berechnung erfolgt dabei allein unter Berücksichtigung der physikochemischen oder/und biochemischen Prozesse im Grundwasser bezogen auf die nutzbare Porosität, die auch als hydraulisch wirksame Porosität oder mobile Porosität bezeichnet wird. Dabei werden eventuelle Nebenreaktionen nicht berücksichtigt.
Aus DE 10 2004 001 802 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ-Reinigung kontaminierter Grundwasserströme bekannt, bei dem durch Direktinjektion mit Gasinjektionselementen eine reaktive Gaswand und ein reaktiver Abstrom aufgebaut werden. Die Nachspeisung von reaktivem Gas erfolgt dazu in Abhängigkeit vom Verbrauch der gasförmigen Reaktanten im Untergrund ohne Berücksichtigung der Porositätsanteile der Grundwasserleiter. Dabei wird die Ermittlung der für den Verbrauch an reaktiven Gasen (abiotisch und biotisch) erforderlichen Parameter nicht betrachtet.
Gegenstand von DE 600 09 274 T2 ist ein physikalisch-biologisches Verfahren, bei dem eine gepulste Injektion von Sauerstoff in das Grundwasser erfolgt, die zu einem aeroben Bereich in diesem führt. Der aerobe Bereich wird anschließend mit Bakterien besiedelt, die die eigentliche Reinigung des Grundwassers durchführen sollen. Die gepulste Injektion von Sauerstoff erfolgt in Abhängigkeit vom Verbrauch des Sauerstoffs im Untergrund ohne Berücksichtigung der Porositätsanteile der Grundwasserleiter. Auch bei diesem Patent wird die Ermittlung der für den Verbrauch an Sauerstoff (abiotisch und biotisch) erforderlichen Parameter nicht betrachtet.
K.U. Mayer et al beschreiben die Behandlung von Cr(VI)- und Trichlorethylen-belastetem Grundwasser (K.U. Mayer, D.W. Blowes, E.O. Frind; Reactive transport of hexavalent chromium and trichlorethylene in groundwater; Water Resources Research, Vol. 37, Dez. 2001, No. 12, S. 3091–3103). Beschrieben wird die Anwendung des reaktiven Stofftransportmodells MIN3P für die Simulation der innerhalb einer reaktiven Wand und in deren Abstrombereich stattfindenden Prozesse für den hydraulisch wirksamen Porositätsanteil. Durch das in der reaktiven Wand befindliche nullwertige Eisen werden Cr(VI) und und Trichlorethylen aus dem kontaminierten Grundwasser entfernt. Durch die Anwendung von MIN3P konnten die Prozesse in der reaktiven Wand und deren Abstom beschrieben werden. MIN3P ist ein Simulationsprogramm, das nur die hydraulisch wirksame Porosität berücksichtigt sowie stöchiometrische bzw. komplexe Gleichungen mit Kennwerten/Parametern verwendet, für deren Nutzung Literaturdaten verwendet werden. Durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit Messwerten erfolgt deren Anpassung durch eine Variation der Literaturdaten bzw. Kennwerte/Parameter. Da sich diese in ihrer Wirkung überlagern, ist die oben benannte Anpassung nur für den Zeitraum gültig, in dem sich die Messwerte oder/und hydraulischen Randbedingungen nicht ändern.
EP 1 169 271 B1 offenbart ein Verfahren zur in situ Behandlung von tert-Butylmethylether (MTBE) bzw. tert-Butylalkohol-haltigem (TBA) Grundwasser. Dabei wird eine unter aeroben Bedingungen wachsende Mikrobenkultur in das Grundwasser infiltriert, die zum Abbau von MTBE und/oder TBA befähigt ist. Des Weiteren wird ein sauerstoffhaltiges Gas in gepulsten Injektionen in das Grundwasser eingeleitet, um das Wachstum der Mikroorganismen sicherzustellen. Die zu infiltrierende Menge an Sauerstoff wird dabei auf der Grundlage von in situ Sauerstoffmessungen gesteuert, wobei die Berechnung eines jeweiligen Mindestvolumens an Sauerstoff je Injektion allein auf der Grundlage der Gesamtvolumenbetrachtung des zu behandelnden Untergrundes erfolgt.
Die aus DE 39 38 844 A1 und EP 1 169 271 B1 bekannten Verfahren haben ebenso wie weitere bekannte Verfahren die folgenden Nachteile:

– Die Ermittlung des Verbrauchs an reaktiven Stoffen erfolgt entweder auf der Grundlage stöchiometrischer bzw. komplexer Gleichungen mit Kennwerten/Parametern, für deren Nutzung Literaturdaten verwendet werden, oder durch Nachspeisung der zu infiltrierenden reaktiven Stoffe in Abhängigkeit vom Verbrauch der reaktiven Stoffe im Untergrund ohne Berücksichtigung der Porositätsanteile der Grundwasserleiter. In beiden Fällen erfolgt stets ein Vergleich der Simulationsergebnisse bzw. Planungswerte mit den Messwerten mit nachfolgender Anpassung durch eine Variation der Literaturdaten bzw. Kennwerte/Parameter bzw. Planungsmengen. Dabei ist die Anpassung nur für den Zeitraum gültig, in dem sich die Messwerte oder/ und hydraulischen Randbedingungen nicht ändern.
– Die Stoffmenge an reaktiven Stoffen, die für die in situ Grundwasserbehandlung benötigt wird, wird bei Planungen unterschätzt. Es müssen in der Praxis wesentlich größere reaktive Stoffmengen infiltriert werden, als in der Planung ausgewiesen wurden. Häufig wird dieser Mehrverbrauch an reaktiven Stoffen durch Nebenreaktionen, wie beispielsweise die Pyritoxidation begründet.
– Eine räumliche Begrenzung einer Reaktionszone der in situ Grundwasserbehandlung, in der die Stoffumwandlungen vollzogen werden, ist nicht möglich.

Dadurch ist die Endkonzentration der infiltrierten reaktiven Stoffe im behandelten Grundwasser nicht vorhersagbar. Gerade die Einhaltung einer Grenzkonzentration der reaktiven Stoffe im behandelten Grundwasser ist ein wesentlicher Aspekt der Grundwasserbehandlung. Weiterhin ist es nicht nur aus Kostengründen vorteilhaft, die Menge der zugeführten reaktiven Stoffe so gering wie möglich zu halten und diese während der Grundwasserbehandlung zu einem möglichst großen Anteil umzusetzen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein hinsichtlich des Einsatzes reaktiver Stoffe besser planbares Verfahren zur in situ Grundwasserbehandlung bereitzustellen. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem eine in situ Grundwasserbehandlung innerhalb eines abgeschlossenen Reaktionsraumes stattfindet und bei dem eine Verunreinigung des Grundwassers außerhalb des Reaktionsraumes mit reaktiven Stoffen vermieden wird.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Infiltration von reaktiven Stoffen zur in situ Grundwasserbehandlung innerhalb einer Reaktionszone eines porösen Grundwasserleiters, dessen Porenvolumen sich aus einem durchströmten Porenvolumenanteil (mobile Porosität oder nutzbare Porosität, hierin auch als „hydraulisch wirksame Porosität“ bezeichnet) und einem nicht oder nur gering durchströmten Porenvolumenanteil (immobile Porosität, hierin auch als „hydraulisch gering wirksame Porosität“ bezeichnet) zusammensetzt, mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben.
Erfindungsgemäß erfolgt die Infiltration der reaktiven Stoffe über Infiltrationsvorrichtungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Infiltration in einem Regime aus einer Konditionierungsphase und anschließend mindestens einer Bewirtschaftungsphase durchgeführt. Dabei dient die Konditionierungsphase zur initialen Anreicherung der reaktiven Stoffe innerhalb des gesamten Porenvolumens des Grundwasserleiters auf eine zuvor definierte Endkonzentration und zur initialen Reduktion von zu behandelnden Stoffen des Grundwassers auf eine zuvor definierte Zielkonzentration. Die Bewirtschaftungsphase dient zur Aufrechterhaltung des Endzustandes der Konditionierungsphase.
Die Berechnung der innerhalb der Konditionierungsphase zu infiltrierenden Stoffmenge an reaktiven Stoffen erfolgt unter Berücksichtigung

– der diffusiven und strömungsbedingten Stoffaustauschprozesse im Grundwasser zwischen der hydraulisch wirksamen und hydraulisch gering wirksamen Porosität des Grundwasserleiters,
– des Verbrauchs der reaktiven Stoffe bei der Grundwasserbehandlung und
– des Verbrauchs der reaktiven Stoffe in Nebenreaktionen im Grundwasser.

Die Berechnung der in der Bewirtschaftungsphase zu infiltrierenden Stoffmenge reaktiver Stoffe erfolgt unter Berücksichtigung:

– der diffusiven und strömungsbedingten Stoffaustauschprozesse im Grundwasser zwischen der hydraulisch wirksamen und hydraulisch gering wirksamen Porosität des Grundwasserleiters und
– des Verbrauchs der reaktiven Stoffe bei der Grundwasserbehandlung des nachgeströmten Grundwassers.

Bei der Berechnung der in der Bewirtschaftungsphase zu infiltrierenden Stoffmenge reaktiver Stoffe werden Nebenreaktionen nicht berücksichtigt.
Die Ermittlung der für die Berechnung notwendigen Parameter erfolgt in bekannter Weise für den zu behandelnden Grundwasserbereich mit Hilfe von Tracerversuchen (insbesondere für die folgenden Parameter: hydraulisch wirksame und hydraulisch gering wirksame Porosität und Dispersivität) und/oder (vorzugsweise naturnahen) Versuchen im Labormaßstab (physikochemische oder/und biochemische Parameter).
Erfindungsgemäß erfolgt die Infiltration der reaktiven Stoffe in folgenden Schritten:

a) Konditionierungsphase: Infiltration der reaktiven Stoffe mit mindestens der errechneten Stoffmenge für die Konditionierungsphase,
b) Bewirtschaftungsphase:
– Aussetzen der Infiltration der reaktiven Stoffe, so dass unbehandeltes Grundwasser in die Reaktionszone nachströmt,
– Infiltration reaktiver Stoffe mit mindestens der errechneten Stoffmenge für die Bewirtschaftungsphase.

Die Erfindung basiert auf der Beobachtung der Erfinder, dass der bisher festgestellte Mehrverbrauch an reaktiven Stoffen bei der Infiltration im Vergleich zur Planung nicht nur aus dem Verbrauch in Nebenreaktionen, wie beispielsweise der Pyritoxidation, resultierte. Der Mehrverbrauch entsteht vor allem aus der Anreicherung der reaktiven Stoffe in den nicht oder nur gering durchströmten Bereichen des Grundwasserleiters. So diffundieren die infiltrierten reaktiven Stoffe aus dem durchströmten Porenanteil des Grundwasserleiters in den nicht oder nur gering durchströmten Porenanteil und sind daher für physikochemische oder biochemische Prozesse im hydraulisch wirksamen Porenvolumen zunächst nicht mehr verfügbar. Bei bisherigen Planungen stimmte somit der tatsächliche Reaktionsraum nicht mit dem geplanten überein.
Daher erfolgt die Berechnung der zu infiltrierenden Stoffmenge erfindungsgemäß unter Einbeziehung des diffusiven Stoffaustauschs innerhalb des Grundwassers im hydraulisch wirksamen und gering wirksamen Anteil des Porenvolumens. Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die diffusiven Stoffaustauschvorgänge einerseits bei der Planung zu berücksichtigen und gleichzeitig für eine Verbesserung der in situ Grundwasserbehandlung (v.a. hinsichtlich einer verbesserten Mischung der infiltrierten reaktiven Stoffe mit den im Grundwasser befindlichen zu behandelnden Stoffen) zu nutzen. Zudem sollte vermieden werden, dass außerhalb der zuvor definierten Reaktionszone, innerhalb welcher die Grundwasserbehandlung stattfindet, eine Verunreinigung des Grundwassers mit den infiltrierten reaktiven Stoffen auftritt.
Es ist bekannt, dass nicht alle Poren eines Grundwasserbereiches vom Grundwasser durchströmt werden. Ein strömungsbedingter Stofftransport findet lediglich in dem durchströmten Porenanteil statt, welcher daher auch als hydraulisch wirksamer Porenanteil n₀ (oder hydraulisch wirksamer Porenvolumenanteil, durchströmte Porosität, mobile Porosität) bezeichnet wird. Die hydraulisch gering wirksame Porosität n_st (oder hydraulisch gering wirksamer Porenanteil, hydraulisch gering wirksamer Porenvolumenanteil, immobile Porosität) bezeichnet den Anteil des Porenvolumens des Grundwasserleiters, der mit Wasser gefüllt ist, welches nicht bzw. nur mit einem sehr geringen Anteil am Grundwasserfluss teilnimmt. Im Anteil der hydraulisch gering wirksamen Porosität findet der Stofftransport fast ausschließlich aufgrund der Diffusion statt, der strömungsbedingte Stofftransport ist darin vernachlässigbar gering.
Der gesamte Porenanteil (n) eines Grundwasserleiters setzt sich bei einer vorhandenen Grundwasserströmung somit aus dem hydraulisch wirksamen (n₀) und dem hydraulisch gering wirksamen Porenanteil (n_st) zusammen (n = n₀ + n_st). Die hydraulisch wirksame Porosität ist ein Basisparameter für die Berechnung der Porenwassergeschwindigkeit. In durchschnittlichen Grundwasserleitern mit geringen Ungleichförmigkeiten beträgt die hydraulisch wirksame Porosität mindestens 80 % des gesamten Porenvolumens. In Grundwasserleitern mit einer erhöhten Ungleichförmigkeit beträgt die hydraulisch wirksame Porosität weniger als 80 % des gesamten Porenvolumens. Die hydraulisch wirksame Porosität ist nicht wie die Gesamtporosität ein bodentypischer Parameter (je nach Bodenart und Lagerungsdichte), sondern ist zusätzlich von den wirkenden hydraulischen Bedingungen, vor allem der Grundwasserströmungsgeschwindigkeit, abhängig. Bei erhöhter Grundwasserströmungsgeschwindigkeit verringert sich der Anteil der hydraulisch wirksamen Porosität.
Die hydraulisch gering wirksame Porosität ist stark von der Zusammensetzung des Grundwasserleiters abhängig. Bei Grundwasserleitern mit geringer Ungleichförmigkeit (homogene Zusammensetzung) konnte nachgewiesen werden, dass die hydraulisch gering wirksame Porosität (n_st) 10 %–20 % der Gesamtporosität beträgt (0,1 n ≤ n_st ≤ 0,2 n). Bei Grundwasserleitern mit einer erhöhten bis großen Ungleichförmigkeit (erhöht inhomogene bis stark inhomogene Zusammensetzung) ist die hydraulisch gering wirksame Porosität höher, so dass n_st > 0,2 n ist.
Die Zusammensetzung der Porosität des zu behandelnden Grundwasserbereichs und damit die hydraulisch wirksame und hydraulisch gering wirksame Porosität werden in Vorversuchen in bekannter Weise ermittelt. Zu Beginn des Verfahrens zur Infiltration von reaktiven Stoffen zur in situ Grundwasserbehandlung sind diese Parameter somit bekannt. Vorzugsweise wird der Anteil des hydraulisch gering wirksamen Porenanteils durch Tracerversuche ermittelt. Ein Verfahren zur Ermittlung des hydraulisch gering wirksamen Porenanteils ist in der DD 218 681 A1 offenbart.
Die Berücksichtigung der vorgenannten Stoffaustausch- und Stoffumwandlungsprozesse bei der Berechnung der Stoffmenge der zu infiltrierenden reaktiven Stoffe hat den Vorteil, dass das Verfahren hinsichtlich des Einsatzes an reaktiven Stoffen planbar ist. Weiterhin wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden, dass außerhalb einer zuvor definierten Reaktionszone, innerhalb der die Grundwasserbehandlung stattfindet, eine Verunreinigung des Grundwassers mit den infiltrierten reaktiven Stoffen auftritt.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Ansatz, dass die reaktiven Stoffe zunächst innerhalb einer sogenannten Konditionierungsphase (hierin auch als Konditionierung bezeichnet) im gesamten Porenvolumen, also sowohl im hydraulisch wirksamen als auch dem hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen, verteilt werden. Dabei wird die Verteilung der reaktiven Stoffe innerhalb eines abgegrenzten Bereichs des Grundwasserleiters, der sogenannten Reaktionszone (oder auch Reaktionsraum), betrachtet. Die Verteilung von reaktiven Stoffen im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil wird hierin auch als Anreicherung der reaktiven Stoffe im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen bezeichnet.
Der Reaktionsraum umfasst dabei den porösen Grundwasserleiter, dessen Porenvolumen aus einem hydraulisch wirksamen (n₀) und einem hydraulisch gering wirksamen Porositätsanteil (n_st) zusammengesetzt ist. Das Porenvolumen eines Grundwasserleiters ist das Gesamtvolumen des Grundwasserleiters abzüglich des Volumens des Gesteinskörpers. Das Porenvolumen ist somit jenes Volumen, welches innerhalb des Grundwasserleiters mit Grundwasser ausgefüllt ist.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die zu infiltrierende Stoffmenge reaktiver Stoffe vor der eigentlichen Grundwasserbehandlung berechnet. Die zu infiltrierende Menge der reaktiven Stoffe ergibt sich für die Konditionierungsphase aus folgendem Bedarf:

1. Die Stoffmenge, die notwendig ist, um das gesamte Porenvolumen, welches zu Beginn der Grundwasserbehandlung frei von reaktiven Stoffen ist, mit reaktiven Stoffen anzureichern.
2. Die Stoffmenge, die während der Infiltration für Nebenreaktionen im Grundwasser verbraucht wird, insbesondere die Umsetzung weiterer im Reaktionsraum befindlicher Stoffe (beispielsweise die Reaktion von Pyrit oder organischen Stoffen).
3. Die Stoffmenge, die für die Umsetzung der reaktiven Stoffe durch die Stoffumwandlungsprozesse der Grundwasserbehandlung (Zielreaktionen) bis auf eine zuvor definierte Zielkonzentration verbraucht wird. Bevorzugt beträgt die Zielkonzentration der zu behandelnden Stoffe den für den jeweiligen Stoff zulässigen Grenzwert.

Dabei wird im erfindungsgemäßen Verfahren für die Ermittlung der unter Punkt 1 genannten Stoffmenge, die für die Anreicherung des Porenvolumens notwendig ist, sowohl der konvektive als auch der diffusive Stofftransport innerhalb des Grundwassers im hydraulisch wirksamen und hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen betrachtet.
Die Stoffmenge, die für die unter Punkt 2 und 3 benannten Prozesse erforderlich ist, wird vor Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens in bekannter Weise durch Bestimmung der physikochemischen oder/und biochemischen Parameter ermittelt. Vorzugsweise wird zur Bestimmung der Stoffmenge für den Verbrauch bei der Grundwasserbehandlung und in weiteren Nebenreaktionen ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß DE 10 2009 038 017 A1 verwendet.
Während der Konditionierung werden die reaktiven Stoffe sowohl im hydraulisch wirksamen als auch im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil des Reaktionsraums verteilt und reagieren dort mit den zu behandelnden Stoffen sowie ebenfalls mit den weiteren enthaltenen Stoffen, wie beispielsweise Pyrit.
Ziel der Konditionierungsphase ist das Erreichen einer zuvor definierten Endkonzentration der reaktiven Stoffe innerhalb des Grundwassers in der Reaktionszone. Das bedeutet gleichzeitig, dass mit Abschluss der Konditionierungsphase Nebenreaktionen, in denen reaktive Stoffe verbraucht werden, abgeschlossen sind und damit bei der nachfolgenden Bewirtschaftungsphase nicht zu berücksichtigen sind. Mit Abschluss der Konditionierungsphase liegen die reaktiven Stoffe am Ende der Reaktionszone der Länge L_R maximal in der zuvor definierten Endkonzentration vor. Dabei ist es dem Fachmann selbstverständlich, dass bei der Infiltration von reaktiven Stoffen in flüssiger Form die zuvor definierte Endkonzentration kleiner als die Konzentration der reaktiven Stoffe im Infiltrat ist.
Während der Konditionierungsphase finden in einem erfindungsgemäßen Verfahren die folgenden Stoffaustauschprozesse statt:
Zu Beginn der Konditionierungsphase herrscht im zu behandelnden Grundwasserbereich zwischen dem hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil n₀ und dem hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil n_st ein thermodynamisches Gleichgewicht. In beiden Porenvolumenanteilen sind daher die zu behandelnden Stoffe in derselben Konzentration enthalten (siehe 1A).
Die Infiltration der reaktiven Stoffe in das Grundwasser erfolgt ausschließlich über den hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil n₀. Aufgrund des Konzentrationsgradienten der reaktiven Stoffe im hydraulisch wirksamen und hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen finden folgende diffusive Stoffaustauschprozesse statt:

– Diffusion der reaktiven Stoffe aus dem hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil in den hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil,
– Diffusion der zu behandelnden Stoffe aus dem hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil in den hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil (siehe 1B).

Mit Abschluss der Konditionierung herrschen innerhalb des Reaktionsraums folgende Zustände (siehe 1C):

– am Ende des Reaktionsraums L_R liegen die reaktiven Stoffe in maximal der zuvor definierten Endkonzentration vor,
– am Ende des Reaktionsraums L_R liegen die zu behandelnden Stoffe in maximal der zuvor definierten Zielkonzentration vor,
– innerhalb des Reaktionsraums der Länge L_R liegen die zu behandelnden Stoffe im hydraulisch wirksamen Porenvolumen in maximal der zuvor definierten Zielkonzentration vor,
– reaktive Stoffe liegen sowohl im hydraulisch wirksamen als auch im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil des Reaktionsraums in maximal der zuvor definierten Endkonzentration vor.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren findet die Grundwasserbehandlung innerhalb einer der Länge nach begrenzten Reaktionszone in einem Grundwasserleiter statt. Unter der Reaktionszone (oder Reaktionsraum) wird das Volumen des Grundwasserleiters verstanden, welches unter Berücksichtigung der Porenwassergeschwindigkeit und der Reaktionszeit ausgehend vom Ort der Infiltration notwendig ist, um die Behandlung des Grundwassers bis zum Erreichen einer Zielkonzentration an zu behandelnden Stoffen vorzunehmen. In Vorversuchen wird die Kinetik der im Grundwasser stattfinden Stoffaustausch- und Umsetzungsprozesse (Anreicherung, Verbrauch durch Grundwasserbehandlung, Verbrauch in Nebenreaktionen) ermittelt. Die Breite und Mächtigkeit des Reaktionsraumes richten sich dabei nach dem zu behandelnden Grundwasserbereich. Am Ende der Reaktionszone der Länge L_R liegen die zu behandelnden Stoffe in maximal der zuvor definierten Zielkonzentration (vorzugsweise dem zulässigen Grenzwert für den jeweiligen zu behandelnden Stoff) vor.
Die Länge des Reaktionsraums L_R ist der horizontale Abstand vom Ort der Infiltration zum Ende des Reaktionsraums. Sie ist durch die in Gleichung (1) aufgezeigte Beziehung definiert: L_R = v_a·t_R (1) dabei sind

v_a: Porenwassergeschwindigkeit (identisch mit der Abstandsgeschwindigkeit)
t_R: Reaktionszeit bis zum Erreichen der Zielkonzentration der zu behandelnden Stoffe am Ende des Reaktionsraums.

Sowohl die Porenwassergeschwindigkeit als auch die notwendige Reaktionszeit sind umgebungsbedingte feste Parameter, die sich aus der Beschaffenheit des Grundwasserleiters und der im Grundwasser enthaltenen Konzentration an zu behandelnden Stoffen ergeben. Die Ermittlung der Porenwassergeschwindigkeit und der Stoffaustausch- und Umsetzungsprozesse im zu behandelnden Grundwasserbereich werden in Vorversuchen in bekannter Weise, vorzugsweise durch in situ Tracerversuche oder ex situ Untersuchungen entnommener Boden- und Grundwasserproben im Labormaßstab, ermittelt.
Am Ende des Reaktionsraums mit der Länge L_R beträgt die Konzentration der reaktiven Stoffe höchstens die zuvor definierte Endkonzentration. Bevorzugt wird als Endkonzentration eine Stoffkonzentration ausgewählt, die niedriger als die für die reaktiven Stoffe maximal zulässige Konzentration ist.
Der Bedarf der während der Konditionierung (K) zu infiltrierenden Masse an reaktiven Stoffen wird bevorzugt aus folgender Beziehung abgeleitet: S_RS,K = SPV,K + SZR,K + SB,K (2) dabei sind

S_RS,K: Gesamtmasse der in der Konditionierungsphase zu infiltrierenden reaktiven Stoffe,
S_PV,K: Masse reaktiver Stoffe für die Anreicherung der reaktiven Stoffe im gesamten Porenvolumen,
S_ZR,K: Masse reaktiver Stoffe für die Umsetzung in Nebenreaktionen im gesamten Porenvolumen,
S_B,K: Masse reaktiver Stoffe für die Grundwasserbehandlung.

Die Konzentration der reaktiven Stoffe am Ende des Reaktionsraums der Länge L_R kann vorteilhaft durch die Auswahl der zur Anreicherung des Porenwassers notwendigen Stoffmasse des Infiltrats (S_PV) beeinflusst werden und ergibt sich bevorzugt aus folgender Gleichung (3): C_O,i,K = (S_RS,K – S_ZR,K – S_B,K)/PV_R ⇨ C_O,i,K = S_PV,K /PV_R (3) dabei sind

C_O,i,K: Konzentration der reaktiven Stoffe im Grundwasser am Ende der Reaktionszone (Endkonzentration),
PV_R: Porenvolumen des Grundwasserleiters im gesamten Reaktionsraum.

Die in den Reaktionsraum zu infiltrierende Konzentration reaktiver Stoffe wird bevorzugt unter Verwendung der Gleichungen (2), (3) und (4) aus Gleichung (5) berechnet. Dabei wird berücksichtigt, dass die Infiltration der zugegebenen Stoffe nur über den hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil n₀ erfolgen kann: S_RS,K = (C_I,i,K·V_R·n₀) (4) unter Verwendung von (3) ⇨ (C_I,i,K·V_R·n₀) = (C_O,i,K·PV_R + S_ZR,K + S_B,K) ⇨ C_I,i,K = (C_O,i,K·PV_R + S_ZR,K + S_B,K) / (V_R·n₀) (5) dabei sind

n₀: hydraulisch wirksame Porosität der Reaktionszone,
V_R: Gesamtvolumen der Reaktionszone,
C_I,i,K: Konzentration der reaktiven Stoffe im Infiltrat.

Gleichung (5) gilt für den Fall, dass zu Beginn der Konditionierungsphase keine zu infiltrierenden reaktiven Stoffe im Reaktionsraum enthalten sind. Sind jedoch bereits reaktive Stoffe im Grundwasser enthalten, deren Konzentration zu berücksichtigen ist, so die Konzentration der reaktiven Stoffe im Grundwasser in Gleichung (5) entsprechend einzukalkulieren.
Mit der Konzentration der reaktiven Stoffe (i), die in den Reaktionsraum im Rahmen der Konditionierungsphase strömt (C_I,i,K), wird ein hoher Konzentrationsgradient zwischen dem hydraulisch wirksamen und dem hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen erzeugt, der den Stoffaustausch zwischen den beiden Porenvolumenanteilen beschleunigt.
Nachdem die reaktiven Stoffe im Rahmen der Konditionierung sowohl im hydraulisch wirksamen als auch im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil verteilt wurden, werden während der Bewirtschaftungsphase bei den Umwandlungsprozessen, die im Rahmen der erfindungsgemäßen in situ Grundwasserbehandlung stattfinden, auch die reaktiven Stoffe verbraucht, die bei der Konditionierungsphase im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil angereichert wurden. Die Bewirtschaftungsphase umfasst zwei Betriebsphasen: das Aussetzen der Infiltration der reaktiven Stoffe und daran anschließend eine erneute Infiltration reaktiver Stoffe (intermittierende Infiltration von reaktiven Stoffen). Die Bewirtschaftungsphase wird vorzugsweise mindestens einmal wiederholt. Durch das Aussetzen der Infiltration reaktiver Stoffe strömt zunächst unbehandeltes Grundwasser in den Reaktionsraum nach. Dabei werden die im zuströmenden Grundwasser enthaltenen zu behandelnden Stoffe mit den reaktiven Stoffen in situ umgesetzt, die im Rahmen der Konditionierung innerhalb der Reaktionszone angereichert wurden.
Das Aussetzen der Infiltration der reaktiven Stoffe erfolgt nur so lange, dass kein unbehandeltes Grundwasser aus dem Reaktionsraum austritt und dass vorzugsweise nicht die gesamte, im hydraulisch wirksamen und hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen enthaltene Menge an reaktiven Stoffen durch die Grundwasserbehandlung verbraucht wird.
Die Konzentration der zu behandelnden Stoffe am Ende der Reaktionszone der Länge L_R überschreitet dabei nicht eine zuvor definierte Zielkonzentration für die Bewirtschaftungsphase. Die Konzentration der reaktiven Stoffe am Ende der Reaktionszone der Länge L_R überschreitet dabei nicht eine zuvor definierte Endkonzentration für die Bewirtschaftungsphase. Diese ist vorzugsweise identisch zu der Endkonzentration für die Konditionierungsphase.
Bei der erneuten Infiltration von reaktiven Stoffen im Rahmen der Bewirtschaftungsphase ist die infiltrierte Stoffmenge vorzugsweise so hoch, wie notwendig ist, um die im nachgeströmten Grundwasser enthaltenen zu behandelnden Stoffe umzusetzen. Dabei sollen die im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen enthaltenen reaktiven Stoffe ebenfalls zur Umsetzung der zu behandelnden Stoffe genutzt (hierin auch „bewirtschaftet“) werden.
In der ersten Betriebsphase der Bewirtschaftungsphase strömt unbehandeltes Grundwasser in den Reaktionsraum. Das unbehandelte Grundwasser kann ausschließlich über den hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil in den Reaktionsraum eingeführt werden. Es werden durch das Nachströmen des unbehandelten Grundwassers folgende Stoffübergangsprozesse ausgelöst:

– Diffusion der Schadstoffe aus dem hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil in den hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil,
– Diffusion der reaktiven Stoffe aus dem hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil in den hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil.

Die Stoffübergänge in der ersten Betriebsphase der Bewirtschaftungsphase sind somit genau umgekehrt zu den Stoffübergangsprozessen der Konditionierung.
Durch das Nachströmen des unbehandelten Grundwassers wird ein Teil des Reaktionsraumes mit den zu behandelnden Stoffen aufgefüllt. Diese werden durch die reaktiven Stoffe umgesetzt, die innerhalb des Reaktionsraums vorliegen. Der Zufluss des unbehandelten Grundwassers wird in der zweiten Betriebsphase der Bewirtschaftungsphase mit der erneuten Infiltration von reaktiven Stoffen unterbrochen. Dadurch werden reaktive Stoffe erneut im Grundwasser des Reaktionsraums angereichert.
Die Zeit, für die die Infiltration der reaktiven Stoffe ausgesetzt wird (hierin auch: Nachströmzeit), kann berechnet werden. Da in der ersten Betriebsphase der Bewirtschaftungsphase nicht der komplette Reaktionsraum mit unbehandeltem Grundwasser aufgefüllt wird, wird der Längenanteil, zu dem das unbehandelte Grundwasser in den Reaktionsraum einströmt, durch einen Minderungsfaktor r_B beschrieben. Dieser wird vor Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens festgelegt. Vorzugsweise beträgt der Minderungsfaktor r_B maximal 0,5. Dies bedeutet, dass in der ersten Betriebsphase der Bewirtschaftungsphase nur so lange unbehandeltes Grundwasser in den Reaktionsraum einströmt, bis bezogen auf den hydraulisch wirksamen Porenanteil maximal 50 % der Reaktionsraumlänge mit unbehandeltem Grundwasser gefüllt sind.
Besonders bevorzugt werden bei der Festlegung des Minderungsfaktors die im nachströmenden Grundwasser enthaltene Konzentration der zu behandelnden Stoffe und die Stoffumwandlungsprozesse mit den reaktiven Stoffen berücksichtigt. Der Minderungsfaktor wird dabei vorzugsweise so festgelegt, dass im über den Längenanteil nachgeströmten Grundwasser eine geringere Stoffmenge an zu behandelnden Stoffen enthalten ist, als mit der gesamten im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen enthaltenen Stoffmenge an reaktiven Stoffen umgesetzt werden kann. Dazu sind die Stöchiometrie der Stoffumwandlungsprozesse sowie die Mindestkonzentration an den im hydraulisch geringen Porenvolumen enthaltenen reaktiven Stoffe zu berücksichtigen, bei der die Grundwasserbehandlung stattfinden kann.
Vorzugsweise ist der Minderungsfaktor so festzulegen, dass die reaktive Stoffmenge stets so groß ist, dass die Stoffumwandlungsprozesse immer noch stattfinden können. Die Nachströmzeit wird bevorzugt mit folgender Gleichung (6) berechnet: t_I,B = r_B·L_R/v_a dabei sind

t_I,B: Zeit für das Nachströmen des unbehandelten Grundwassers im Rahmen der Bewirtschaftungsphase (Nachströmzeit, entspricht der Zeit des Aussetzens der Infiltration),
L_R: Länge der Reaktionszone,
v_a: Porenwassergeschwindigkeit,
r_B: Minderungsfaktor für die Bewirtschaftungsphase (<1).

Der Minderungsfaktor r_B wird bevorzugt aus folgendem Zusammenhang berechnet: r_B = f_s·(C_O,i – C_min)·n_st/(C_I,i·n₀) (8) dabei sind

f_S: Faktor für den stöchiometrischen Stoffumsatz (gibt das Verhältnis der Stoffmenge zu behandelnder Stoffe zu Stoffmenge reaktiver Stoffe an)
C_O,i: Konzentration der reaktiven Stoffe im Grundwasser am Ende der Reaktionszone zum Ende der Konditionierungsphase oder der vorherigen Bewirtschaftungsphase,
C_I,i: Konzentration der zu behandelnden Stoffe im unbehandelten Grundwasser,
C_min: Minimalkonzentration an reaktiven Stoffen, bei der die Grundwasserbehandlung stattfinden kann.

Der Bedarf der während der Bewirtschaftungsphase zu infiltrierenden Masse an reaktiven Stoffen wird bevorzugt aus folgender Beziehung abgeleitet: S_RS,B = S_PV,B + S_B,B (2a) dabei sind

S_RS,B: Gesamtmasse der in der Bewirtschaftungsphase zu infiltrierenden reaktiven Stoffe,
S_PV,B: Masse reaktiver Stoffe für die Anreicherung der reaktiven Stoffe im nachgeströmten Grundwasser,
S_B,B: Masse reaktiver Stoffe für die Grundwasserbehandlung des nachgeströmten Grundwassers.

Die Konzentration reaktiver Stoffe am Ende des Reaktionsraums der Länge L_R kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren reguliert werden. So ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft möglich, die Endkonzentration bei mehrfacher Wiederholung der Bewirtschaftungsphase zu reduzieren, indem eine entsprechend geringere Menge reaktiver Stoffe infiltriert wird, oder diese zu erhöhen, indem eine entsprechend größere Menge reaktiver Stoffe infiltriert wird.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass die Endkonzentration der reaktiven Stoffe während der Bewirtschaftungsphase konstant gehalten wird. Besonders bevorzugt entspricht die Endkonzentration der reaktiven Stoffe in der Bewirtschaftungsphasederjenigen der Konditionierungsphase (C_O,i,B = C_O,i,K).
Die Konzentration der reaktiven Stoffe am Ende des Reaktionsraums der Länge L_R in der Bewirtschaftungsphase wird bevorzugt durch folgende Bilanz errechnet, die dann gilt, wenn die Endkonzentration der reaktiven Stoffe in der Bewirtschaftungsphase der der Konditionierungsphase entspricht (C_O,i,B = C_O,i,K): C_O,i,B = S_PV,B/PV_R,B (3a) dabei sind

C_O,i,B: Konzentration der reaktiven Stoffe im Grundwasser am Ende der Reaktionszone,
PV_R,B: Volumen des nachgeströmten unbehandelten Grundwassers (s. Gl. (7)).

Das im ersten Teil der Bewirtschaftungsphase nachgeströmte Grundwasservolumen ist berechenbar und wird vorzugsweise mit folgender Gleichung berechnet: PV_R,B = A_R·v_f·t_I,B (7) dabei sind

A_R: Fläche des Reaktionsraumes senkrecht zur Fließrichtung in m²,
v_f: Filtergeschwindigkeit nach Darcy,
t_I,B: Nachströmzeit in h.

Die Filtergeschwindigkeit nach Darcy (v_f) ist dabei vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmen.
Die aus dem Reaktionsraum im Rahmen der Bewirtschaftungsphase ausströmende Konzentration C_O,i,B der reaktiven Stoffe wird dabei abweichend von der Konditionierungsphase nicht unter Berücksichtigung des gesamten Porenvolumens des Reaktionsraums, sondern nur unter Berücksichtigung des innerhalb der ersten Betriebsphase der jeweiligen Bewirtschaftungsphase ausgetauschten Porenvolumens des Reaktionsraums berechnet.
Die im Rahmen der Bewirtschaftungsphase zu infiltrierende Konzentration reaktiver Stoffe ergibt sich unter Verwendung der Gleichungen (2a), (3a) und (4a) aus Gleichung (5a). Dabei wird berücksichtigt, dass die Infiltration der reaktiven Stoffe nur über das hydraulisch wirksame Porenvolumen, welches während des Zustromes des zu behandelnden Grundwassers in den Reaktionsraum ausgetauscht wurde, PV_R,B, erfolgen kann:
Die Berechnung der Menge reaktiver Stoffe, die während der Bewirtschaftungsphase infiltriert wird, geschieht vorzugweise gemäß Gleichung (5a): S_RS,B = C_I,i,B·PV_R,B (4a) unter Verwendung von (2a) ⇨ C_I,i,B·PV_R,B = S_PV,B + S_B,B unter Verwendung von (3a) ⇨ C_I,i,B = C_O,i,B + S_B,B/ PV_R,B (5a) mit

PV_R,B: Volumen des nachgeströmten unbehandelten Grundwassers,
C_I,i,B: zu infiltrierende Konzentration der reaktiven Stoffe in der Bewirtschaftungsphase.

Im erfindungsgemäßen Verfahren werden reaktive Stoffe in einen Grundwasserbereich infiltriert. Die Infiltration der reaktiven Stoffe wird dabei mithilfe von bekannten Infiltrationsvorrichtungen, insbesondere Brunnen oder Grundwassermessstellen, durchgeführt. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden sowohl Infiltrationsvorrichtungen, die eine horizontale Infiltration ermöglichen, als auch Infiltrationsvorrichtungen zur Vertikalinfiltration eingesetzt. Besonders bevorzugt finden Infiltrationsbrunnen zur Vertikalinfiltration in einem erfindungsgemäßen Verfahren Verwendung. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden im Grundwasser befindliche Stoffe (hierin: „zu behandelnde Stoffe“) durch die Infiltration von reaktiven Stoffen, die zur Umsetzung oder zum Abbau dieser Stoffe geeignet sind, behandelt. Die reaktiven Stoffe sind dann an physikochemischen und/oder biochemischen Prozessen beteiligt, die zur Umwandlung oder zum Abbau der im Grundwasser enthaltenen zu behandelnden Stoffe führen. Resultat der Grundwasserbehandlung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ist:

– die Reduktion der Konzentration der zu behandelnden Stoffe auf eine Zielkonzentration, die vorzugsweise gleich oder kleiner ist als der maximal zulässige Grenzwert für den jeweiligen Stoff und
– die Vermeidung einer Verunreinigung des dem Reaktionsraum nachfolgenden Grundwasserbereiches mit reaktiven Stoffen.

Im Grundwasser zu behandelnde Stoffe im Sinne der Erfindung umfassen sowohl Stoffe geogenen Ursprungs (insbesondere Eisen und/oder Mangan) als auch Schadstoffe (insbesondere organische Schadstoffe).
Die Auswahl der reaktiven Stoffe erfolgt nach Art und Beschaffenheit der zu behandelnden Stoffe im Grundwasser. Bevorzugte reaktive Stoffe sind Nährstoffe, Elektronenakzeptoren und/ oder Spurenelemente. Dem Fachmann ist bekannt, welche reaktiven Stoffe die gewünschten Stoffumwandlungsprozesse fördern, die zur Reduzierung der im Grundwasser enthaltenen, zu behandelnden Stoffe führen. Daher ist der Fachmann in der Lage, eine Auswahl geeigneter reaktiver Stoffe für die Grundwasserbehandlung zu treffen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Behandlung von BTEX(Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol)-haltigem Grundwasser Nitrat als reaktiver Stoff infiltriert.
Zur Identifikation geeigneter reaktiver Stoffe werden Vorversuche durchgeführt, die die Behandlung des vorgesehenen Grundwasserbereiches im Labormaßstab simulieren. Dafür geeignete Versuchseinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Für die in situ Sanierung von Grundwasserbereichen, die mit organischen Stoffen kontaminiert sind, wird zur Identifikation geeigneter reaktiver Stoffe vorzugsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß DE 10 2009 038 017 A1 verwendet.
Bevorzugt werden zur in situ Grundwasserbehandlung in einem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere unterschiedliche reaktive Stoffe infiltriert. Dabei erfolgt die Infiltration der unterschiedlichen reaktiven Stoffe gleichzeitig oder zeitlich versetzt.
Werden mehrere unterschiedliche Stoffe durch die in situ Grundwasserbehandlung in einem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt, erfolgt die Umsetzung der einzelnen Stoffe notwendigerweise mit unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten. Die Länge des Reaktionsraums (L_R) wird in diesem Fall mit der Reaktionszeit (t_R) desjenigen Stoffs berechnet, der am langsamsten reagiert (also für den Stoff, bei dem die Zeit bis zum Erreichen der Zielkonzentration der zu behandelnden Stoffe am Ende des Reaktionsraums am höchsten ist). Daraus resultiert, dass innerhalb des gesamten Reaktionsraums für die schneller reagierenden Stoffe einzelne Reaktionszonen enthalten sind, die jeweils durch den Ort des Beginns der Stoffumwandlung des jeweiligen Stoffs und deren Ende charakterisiert sind.
Für den Fall, dass mehrere Stoffe, die unterschiedliche Reaktionsbedingungen erfordern, im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt werden (insbesondere den Wechsel von aeroben zu anaeroben Bedingungen), so besteht der Reaktionsraum aus mehreren Reaktionszonen, und es werden zum Beginn einer neuen Reaktionszone vorzugsweise weitere reaktive Stoffe infiltriert. Dies geschieht vorzugsweise zeitlich versetzt mit der Infiltration der reaktiven Stoffe am Beginn des (gesamten) Reaktionsraums.
Die Infiltration der für die Grundwasserbehandlung erforderlichen Menge reaktiver Stoffe erfolgt durch Infiltration einer wässrigen Lösung der reaktiven Stoffe (also in einem auf die Grundwasserströmung aufgeprägten Volumenstrom).
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erwünscht, zur Erzielung eines intensiven diffusiven Stoffübergangs zwischen hydraulisch wirksamen und hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen einen hohen Konzentrationsgradienten im Grundwasser zwischen den beiden vorgenannten Porenvolumenanteilen zu erzielen. Dazu werden im Rahmen der Konditionierungsphase reaktive Stoffe mit dem Ziel der Anreicherung im hydraulisch wirksamen und ebenso im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen infiltriert. Die Menge der infiltrierten reaktiven Stoffe im Rahmen der Konditionierungsphase ist daher mindestens um die Stoffmenge im Vergleich zur Bewirtschaftungsphase höher, die für die Umsetzung der reaktiven Stoffe in Nebenreaktionen verbraucht wird.
Für die Berechnung der zu infiltrierenden Stoffmenge in der Konditionierungsphase und Bewirtschaftungsphase ist die Kenntnis standortbezogener Parameter notwendig. Dazu zählen die Filtergeschwindigkeit nach Darcy, die Porosität des Grundwasserleiters, der Anteil des hydraulisch wirksamen und gering wirksamen Porenvolumens, die Porenwassergeschwindigkeit, die Konzentration der zu behandelnden Stoffe, die Abbau- bzw. Reaktionsraten der zu behandelnden Stoffe durch reaktive Stoffe, der Verbrauch reaktiver Stoffe in Nebenreaktionen und weitere. Diese Parameter sind standortabhängig und werden in Vorversuchen in bekannter Weise ermittelt. Porenwassergeschwindigkeit sowie hydraulisch wirksamer und hydraulisch gering wirksamer Porenvolumenanteil werden vorzugsweise aus den Ergebnissen von Tracerversuchen im zu behandelnden Grundwasserbereich bestimmt. Gesamtporenvolumenanteil und die Reaktionszeit, die für die Behandlung des Grundwassers bis unter den zulässigen Wert benötigt wird, werden vorzugsweise in ex situ Vorversuchen, besonders bevorzugt im Labormaßstab, bestimmt.
Charakteristisch für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, dass sowohl diffusive als auch konvektionsbedingte Stofftransportprozesse ebenso wie der Verbrauch reaktiver Stoffe in (nicht zur Grundwasserbehandlung zählenden) Nebenreaktionen berücksichtigt werden. Nur die Berücksichtigung der Gesamtheit dieser Stoffübergangs- und Umwandlungsprozesse ermöglicht eine verbesserte Kalkulation der einzusetzenden reaktiven Stoffe, die Abgrenzung des Reaktionsraumes sowie die Vermeidung einer Verunreinigung des dem Reaktionsraum nachfolgenden Grundwasserbereiches mit reaktiven Stoffen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren in Kombination mit einer hydraulisch aktiven Maßnahme durchgeführt. Eine besonders bevorzugte hydraulische Maßnahme ist das Pump-and-Treat Verfahren. Dabei erfolgt eine erzwungene, nahezu konstante Ausrichtung der Grundwasserströmung, die damit weitestgehend unabhängig von der Grundwasserneubildung ist. Dadurch wird die Raumwirkung und Bilanzierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert. Die Dosierung der reaktiven Stoffe kann dabei im erfindungsgemäßen Verfahren sowohl über das entnommene und nachfolgend infiltrierte Grundwasser als auch über zusätzliche Infiltrationsbrunnen erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine belastbare Kalkulation der einzusetzenden reaktiven Stoffe, die Abgrenzung bzw. Festlegung des Reaktionsraumes und somit die Bilanzierbarkeit einer in situ Grundwasserbehandlung sowie die Vermeidung einer Verunreinigung des dem Reaktionsraum nachfolgenden Grundwasserbereiches mit reaktiven Stoffen.
Durch die Berücksichtigung der Anreicherung der reaktiven Stoffe im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen und die Umsetzung von weiteren (nicht zu behandelnden) Stoffen in Nebenreaktionen, bei denen die reaktiven Stoffe verbraucht werden, ist die im Rahmen der Konditionierungsphase zu infiltrierende Menge reaktiver Stoffe kalkulierbar. Durch die Kenntnis der Reaktionskinetik ist der Reaktionsraum abgrenzbar und im Zusammenhang mit dem Kalkulationsergebnis des Verbrauchs an reaktiven Stoffen die Grundwasserbehandlung bilanzierbar.
Mit dem Abschluss der Konditionierungsphase sind die Nebenreaktionen soweit abgeschlossen, dass diese nachfolgend nicht mehr berücksichtigt werden müssen. Weiterhin sind die reaktiven Stoffe im hydraulisch wirksamen und im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen verteilt und darin angereichert, so dass im Rahmen der Bewirtschaftungsphase nur noch die im nachströmenden Grundwasser enthaltenen Stoffe behandelt werden müssen. Damit ist es möglich, die im Rahmen der Grundwasserbehandlung einzusetzende Menge reaktiver Stoffe zu optimieren.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch die Berücksichtigung aller Stoffübergangs- und Umwandlungsprozesse die Endkonzentration der reaktiven Stoffe am Ende des Reaktionsraums der Länge L_R zuvor zuverlässig kalkuliert werden kann und somit eine Verunreinigung des Grundwassers außerhalb der Reaktionszone mit reaktiven Stoffen vermieden wird. Durch die kontrollierte, kalkulierte Zugabe der reaktiven Stoffe ist es möglich sicherzustellen, dass eine vorgegebene maximal zulässige Konzentration an reaktiven Stoffen, die den Reaktionsraum verlassen, nicht überschritten wird.
Anhand folgender Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden, ohne die Erfindung auf diese zu beschränken.
1 Schematische Darstellung der Stoffaustauschprozesse in Konditionierung und Bewirtschaftung. Dargestellt ist jeweils der Reaktionsraum für die Grundwasserbehandlung, welcher in den hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil (n₀) und den hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil (n_st) unterteilt ist. (A–C) Stoffübergang in der Konditionierungsphase. Zu Beginn der Grundwasserbehandlung ist die Konzentration an zu behandelnden Stoffen (ZBS, schwarz gekennzeichnet) in n_st und n₀ gleich (A). Die Infiltration von reaktiven Stoffen (RS, weiß gekennzeichnet) erfolgt über den hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil n₀, woraus diffusionsbedingte Stoffübergänge in das hydraulisch gering wirksame Porenvolumen resultieren (B). Mit Abschluss der Konditionierung sind reaktive Stoffe im hydraulisch wirksamen und im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen verteilt (C). (D–E) Stoffübergang in einer Bewirtschaftungsphase. Durch nachströmendes unbehandeltes Grundwasser im ersten Teil der Bewirtschaftungsphase gelangen unbehandelte zu behandelnde Stoffe (ZBS) in den Reaktionsraum (D). Im zweiten Teil der Bewirtschaftungsphase werden reaktive Stoffe infiltriert (E). Während der Bewirtschaftungsphase verlassen keine unbehandelten zu behandelnden Stoffe (ZBS) den Reaktionsraum.
2 Schematische Darstellung eines Reaktionsraums einer in situ Sanierung eines mit Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol (BTEX) verunreinigten Grundwasserbereichs durch Infiltration von Nitrat im Vertikalschnitt. Dabei sind IE ... Infiltrationsebene, KE ... Kontrollebene, RZ ... Reaktionszone, t_R ... Reaktionszeit bei natürlicher Grundwasserströmung, BTEX ... Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol.
Ausführungsbeispiel 1: Stoffaustauschprozesse innerhalb des Reaktionsraums eines erfindungsgemäßen Verfahrens
Ausgangspunkt ist das vor der Konditionierungsphase im zu behandelnden Grundwasserbereich zwischen n₀ und n_st bestehende thermodynamische Gleichgewicht, woraus resultiert, dass in beiden Porositätsanteilen die gleiche Konzentration an den zu behandelnden Stoffen im Grundwasser vorhanden ist (1A).
Nach der Infiltration der reaktiven Stoffe in den Grundwasserbereich, die ausschließlich über den hydraulisch wirksamen Porositätsanteil n₀ stattfindet, ergibt sich aufgrund der bestehenden Gradienten zwischen n₀ und n_st der in 1B dargestellte Stoffaustausch:

– Diffusion der reaktiven Stoffe aus dem hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil in den hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil,
– Diffusion der zu behandelnden Stoffe aus dem hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil in den hydraulisch wirksamen Porenvolumenanteil.

Aufgrund des Stoffaustauschs werden vorteilhaft gleichzeitig eine Vermischung der zu behandelnden Stoffe mit den reaktiven Stoffen innerhalb des Reaktionsraums gewährleistet und dadurch optimale Bedingungen für die Stoffumwandlungsprozesse gegeben.
Durch die ausgelösten Stoffumwandlungsprozesse werden reaktive Stoffe sowohl im hydraulisch wirksamen als auch im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil verbraucht und dadurch die im Grundwasser enthaltenen zu behandelnden Stoffe umgesetzt und abgebaut. Durch die in 1B dargestellten Prozesse zwischen n₀ und n_st wird gleichzeitig eine optimale Vermischung der reaktiven Stoffe (RS) und der zu behandelnden Stoffe (ZBS) innerhalb des Reaktionsraumes erzielt.
Die Konditionierungsphase wird beendet, wenn in etwa der in 1C dargestellte praktisch erzielbare Zustand in n₀ und n_st erreicht wurde:

– am Ende des Reaktionsraums beträgt die Stoffkonzentration der reaktiven Stoffe den zuvor definierten Zielwert,
– am Ende des Reaktionsraums ist die Stoff- bzw. Schadstoffkonzentration gleich oder kleiner als der für den jeweiligen zu behandelnden Stoff zulässige Zielwert,
– im gesamten hydraulisch wirksamen Porenvolumen ist die Konzentration an zu behandelnden Stoffen gleich oder kleiner als der für den jeweiligen zu behandelnden Stoff zulässige Zielwert,
– reaktive Stoffe sind sowohl im hydraulisch wirksamen als auch im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil des Reaktionsraums verteilt, d.h. dass eine Anreicherung der reaktiven Stoffe im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen erfolgte. Dabei ist es praktisch nicht möglich, die reaktiven Stoffe vollständig homogen im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumenanteil zu verteilen.

Im Anschluss an die Konditionierungsphase schließt sich mindestens eine Bewirtschaftungsphase an. Mit der stattfindenden Nachströmung des Grundwassers innerhalb der ersten Betriebsphase der Bewirtschaftung und dem damit verbundenen Nachströmen der im Grundwasser enthaltenen zu behandelnden Stoffe beginnt der in 1D dargestellte Stoffaustausch zwischen n₀ und n_st:

Durch den diffusionsbedingen Stoffaustausch wird gleichzeitig eine gute Vermischung von reaktiven Stoffen (RS) und zu behandelnden Stoffen (ZBS) innerhalb des Reaktionsraumes erzielt.
In der ersten Betriebsphase der Bewirtschaftung wird nur ein Teil des Reaktionsraumes mit den zu behandelnden Stoffen bzw. Kontaminanten aufgefüllt. Dadurch wird vermieden, dass die im Reaktionsraum angereicherten reaktiven Stoffe vollständig verbraucht werden und dass nicht umgesetzte zu behandelnde Stoffe den Reaktionsraum verlassen (1D).
Das Nachströmen des unbehandelten Grundwassers wird in der zweiten Betriebsphase der Bewirtschaftung mit der erneuten Infiltration von reaktiven Stoffen unterbrochen (1E). Es wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft immer nur so viel reaktive Stoffmenge in den Reaktionsraum infiltriert, wie tatsächlich für die Grundwasserbehandlung benötigt wird. Es wird vermieden, dass unbehandelte zu behandelnde Stoffe (ZBS) den Reaktionsraum verlassen (1E).
Ausführungsbeispiel 2: In situ Sanierung eines mit Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol (BTEX) verunreinigten Grundwasserbereichs durch Infiltration von Nitrat (Berechnung der zu infiltrierenden Stoffmenge)
In einem mit Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol (BTEX) kontaminierten Grundwasserbereich soll eine in situ Grundwassersanierung erfolgen. Um die für die Durchführung des erfindungsgemäßen in situ Sanierungsverfahrens erforderlichen Prozessparameter zu ermitteln, wurden die folgenden Vorversuche durchgeführt:

– Laborversuche mit Hilfe eines Verfahrens gemäß der deutschen Patentanmeldung DE 10 2009 038 017 A1 „Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in porösen Medien des Boden- und Grundwasserbereichs“ und
– ein Tracerversuch mit Uranin zur Ermittlung von v_a, n₀, n_st, Dispersivität und des realen Grundwasserfließweges.

Dadurch wurden die folgenden Ergebnisse und Parameter ermittelt:
Der Abbau von Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol (BTEX) erfolgt auf den Sanierungszielwert von 30 % der Grundwasserkontamination unter Zugabe von Nitrat (NO₃ ^–) in einem Zeitraum von ca. 15 Tagen. Während dieser Reaktionszeit werden vor allem o-Xylol, m, p-Xylol und Ethylbenzol mikrobiell abgebaut.
t_R,NO3 = 15 d
v_f = 0,023 m/d (Filtergeschwindigkeit nach Darcy)
v_a = 0,178 m/d
n₀ = 0,13
n_st = 0,25
n = 0,38
Entsprechend der aus den Ergebnissen der Laborversuche ermittelten Abbaufunktion 1. Ordnung erfolgte unter Anwendung von Gleichung (1) die Bemessung der Länge des Reaktionsraumes, welcher durch sogenannte Kontrollebenen begrenzt ist (siehe 2). Die verwendeten Abkürzungen sind analog zu denen in 2 verwendet.
Die Abstände ergeben sich entsprechend Gleichung (1) zu: IE – 1. KE:L_R = v_a·t_RL_R = 0,178 m/d·15d = 2,7 m
Um eine Zwischenkontrolle entsprechend der im Labor ermittelten Abbaufunktion 1. Ordnung zu ermöglichen, wurde eine weitere Kontrollebene (2. KE) angeordnet.
Die Berechnung der Nitratzugabe erfolgt nur für die Reaktionszone (RZ). Das Gesamtvolumen der Reaktionszone (RZ) beträgt 2,7 m³, woraus sich folgende Parameter bzw. Kennwerte ergeben:

PV_R = V_R·n PV_R = 2700 L·0,38 PV_R = 1026 L
Für die in der Reaktionszone (RZ) stattfindende Pyritoxidation wurde für die Konditionierungsphase ein Nitratverbrauch ermittelt von:
S_ZR,K = 400 g
Für den in der 1. Reaktionszone (RZ) stattfindenden mikrobiellen Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol (BTEX)-Abbau wurde für die Konditionierungsphase ein Nitratverbrauch ermittelt von:
S_B,K = 238 g
Vorgegeben war eine Nitrat-Outputkonzentration aus der Reaktionszone (RZ) von ca. 200 mg/L. Unter Anwendung der Gleichung (5) ergibt sich die Nitrat-Inputkonzentration wie folgt: C_I,i,K = (C_O,i·PV_R + S_ZR,K + S_B,K)/(V_R·n₀) C_I,i,K = (0,2 g/L·1026 L + 400 g + 238 g)/(2700 L·0,13) C_I,i,K = 2,4 g/L (5)
Damit sind im Rahmen der Konditionierungsphase 351 L Wasser mit einer Nitratkonzentration von 2,4 g/L in die Reaktionszone (RZ) zu infiltrieren. Das Infiltrationsvolumen entspricht dem hydraulisch wirksamen Porenvolumen (V_R·n₀), wobei der Infiltrationsvolumenstrom vorzugsweise mit einem geohydraulischen Modell so berechnet wird, dass die vorgegebene Fläche des Reaktionsraumes erfasst wird. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der infiltrationswirksamen Fläche im unmittelbaren Zusammenhang mit der Anwendung der Gleichung (1).
Bei der anschließenden Bewirtschaftungsphase wurde der in Gleichung (6) einzusetzende Minderungsfaktor r_B wie folgt berechnet: r_B = fs·(C_O,i – C_min)·n_st/ (C_I,i·n₀) r_B = 0,2·(200 mg/L – 150 mg/L)·0,25/(46 mg/L·0,13) r_B = 0,4
Damit ergibt sich die Zeit für das Nachströmen der zu behandelnden Stoffe bzw. Kontaminanten bezogen auf die die Reaktionszone (RZ) mit der natürlich wirkenden Porenwassergeschwindigkeit gemäß Gleichung (6) zu: t_I,B = r_B·L_R/v_a t_I,B = 0,4·2,7 m/0,178 m/d t_I,B = 6 d (6)
Bei einer Fläche von 0,74 m² fließt in dieser Zeit in die Reaktionszone (RZ) ein mit Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol (BTEX) kontaminiertes Grundwasservolumen V_BTEX,I: V_BTEX,I = Fläche der RZ·Filtergeschwindigkeit nach Darcy (v_f)·Nachströmzeit (t_I) V_BTEX,I = 0,74 m²·0,023 m/d·6 d V_BTEX,I = 0,1 m³ = 100 L
Anschließend erfolgt die Infiltration des Nitrates in die Reaktionszone (RZ), wobei das im Rahmen der Konditionierungsphase eingestellte Nitratniveau in der Reaktionszone RZ weiterhin gelten soll.
Auf der Grundlage der Laborversuche wurde ermittelt: S_B,B: 133 g NO₃ S_RS,B = S_PV,B + S_B,B S_RS,B = 0,2 g/L·100 L + 133 g S_RS,B: 153 g NO₃ (2a)
Aus Gleichung (5a) ergibt sich dabei die zu infiltrierende Nitratkonzentration, die während einer Bewirtschaftungsphase zugeführt werden muss: C_I,i,B = C_O,i,B + (S_B,B/PV_R,B) C_I,i,B = 0,2 g/L + (133 g/100 L) C_I,i,B = 1,53 g/L (5a)
Damit sind im Rahmen der ersten Bewirtschaftungsphase 100 L Wasser mit einer Nitratkonzentration von 1,53 g/L in die Reaktionszone (RZ) zu infiltrieren. Das Infiltrationsvolumen entspricht vorzugsweise dem Porenvolumen im Reaktionsraum, das während der Bewirtschaftungsphase durch den im Grundwasserzustrom des Reaktionsraumes befindlichen zu behandelnden Stoffe im Reaktionsraum ausgetauscht wurde (PV_R,B), wobei der Infiltrationsvolumenstrom vorzugsweise mit einem geohydraulischen Modell so berechnet wird, dass die vorgegebene Fläche des Reaktionsraumes erfasst wird. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der infiltrationswirksamen Fläche im unmittelbaren Zusammenhang mit der Anwendung der Gleichung (1).
Anschließend erfolgt die Wiederholung der Bewirtschaftungsphase.
Abkürzungsverzeichnis

AR: Fläche des Reaktionsraumes senkrecht zur Fließrichtung in m²
BT: ... Benzol und Toluol
BTEX: ... Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol
C_I,i,K: ... Konzentration der reaktiven Stoffe im Infiltrat (Konditionierung)
C_O,i,K: ... Konzentration der reaktiven Stoffe im Grundwasser am Ende der Reaktionszone (Endkonzentration)
C_I,i,B: ... Konzentration der reaktiven Stoffe im Infiltrat (Bewirtschaftung)
C_O,i,B: ... Konzentration der reaktiven Stoffe im Grundwasser am Ende der Reaktionszone (Bewirtschaftungsphase)
C_min: Minimalkonzentration an reaktiven Stoffen, bei der die Grundwasserbehandlung stattfinden kann
IE: ... Infiltrationsebene
KE: ... Kontrollebene
L_R: ... Länge des Reaktionsraumes
n: ... Gesamtporosität der Reaktionszone
n₀: ... hydraulisch wirksame Porosität
n_st: ... hydraulisch gering wirksame Porosität
PV_R,B: ... Volumen des nachgeströmten unbehandelten Grundwassers
PV_R: ... Porenvolumen des Grundwasserleiters im gesamten Reaktionsraum
RS: ... reaktive Stoffe
RZ: ... Reaktionszone
S_RS,K: ... Gesamtmasse der in der Konditionierungsphase zu infiltrierenden reaktiven Stoffe
S_PV,K: ... Masse reaktiver Stoffe für die Anreicherung der reaktiven Stoffe im gesamten Porenvolumen (Konditionierung)
S_ZR,K: ... Masse reaktiver Stoffe für die Umsetzung in Nebenreaktionen im gesamten Porenvolumen (Konditionierung)
S_B,K: ... Masse reaktiver Stoffe für die Grundwasserbehandlung (= Umsetzung zu behandelnder Stoffe mit reaktiven Stoffen)
S_RS,B: ... Gesamtmasse der in der Bewirtschaftungsphase zu infiltrierenden reaktiven Stoffe
S_PV,B: ... Masse reaktiver Stoffe für die Anreicherung der reaktiven Stoffe im nachgeströmten Grundwasser
S_B,B: ... Masse reaktiver Stoffe für die Grundwasserbehandlung des nachgeströmten Grundwassers
SZW: ... Sanierungszielwert (zu erreichende Endkonzentration von BTEX)
t_I,B: ... Nachströmzeit
t_R: ... Reaktionszeit, die für die Behandlung des Grundwassers bis unter den zulässigen Wert bei natürlicher Grundwasserströmung benötigt wird
v_a: ... Porenwassergeschwindigkeit
V_R: ... Gesamtvolumen der Reaktionszone
ZBS: ... zu behandelnde Stoffe bzw. Kontaminanten

Claims

Verfahren zur Infiltration von reaktiven Stoffen zur In-Situ-Grundwasserbehandlung innerhalb einer Reaktionszone eines porösen Grundwasserleiters, dessen Porenvolumen sich aus einem hydraulisch wirksamen und einem hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen zusammensetzt, wobei sich die Länge L_R der Reaktionszone (im Weiteren auch Reaktionsraum genannt) nach Gleichung (1) berechnet L_R = v_a·t_R (1) mit der Bedeutung v_a Porenwassergeschwindigkeit, t_R Reaktionszeit bis zum Erreichen der Zielkonzentration der zu behandelnden Stoffe am Ende des Reaktionsraums. bei dem die Konzentration der reaktiven Stoffe am Ende des Reaktionsraumes einen vorgegebenen Zielwert nicht überschreitet und die Infiltration der reaktiven Stoffe in Form einer wässrigen Lösung über Infiltrationsvorrichtungen erfolgt, wobei zunächst die standortabhängigen Werte: die Filtergeschwindigkeit nach Darcy v_f, die Porosität des Grundwasserleiters n, der Anteil des hydraulisch wirksamen (n₀) und gering wirksamen (n_st) Porenvolumens, die Porenwassergeschwindigkeit v_a, die Konzentration der zu behandelnden Stoffe C_I,i, die Abbau- und/oder Reaktionsraten der zu behandelnden Stoffe durch reaktive Stoffe S_B,K, S_B,B, der Verbrauch reaktiver Stoffe in Nebenreaktionen S_ZR,K, die Reaktionszeit t_R in Vorversuchen ermittelt werden, wobei die Infiltration in einem Regime aus einer Konditionierungsphase und anschließend mindestens einer Bewirtschaftungsphase so erfolgt, a) dass in der Konditionierungsphase eine Gesamtmasse S_RS,K zu infiltrierender reaktiver Stoffe entsprechend Gleichung (2) S_RS,K = S_PV,K + S_ZR,K + S_B,K (2) mit S_RS,K Gesamtmasse der im Rahmen der Konditionierungsphase zur Grundwasserbehandlung zu infiltrierenden reaktiven Stoffe, S_PV,K Masse der zu infiltrierenden reaktiven Stoffe, die für die Anreicherung des vor Beginn der Konditionierungsphase im Reaktionsraum vorhandenen Porenwassers erforderlich ist, S_ZR,K Masse der zu infiltrierenden reaktiven Stoffe für die Umsetzung in Nebenreaktionen, S_B,K Masse der zu infiltrierenden reaktiven Stoffe, die für die Grundwasserbehandlung erforderlich ist, wobei die Masse S_PV,K der zu infiltrierenden reaktiven Stoffe sich nach Gleichung (3) S_PV,K = C_O,i,K·PV_R (3) bestimmt mit C_O,i,K Konzentration der reaktiven Stoffe im Grundwasser am Ende der Reaktionszone (Endkonzentration), PV_R Porenvolumen des Grundwasserleiters im gesamten Reaktionsraum, in die Reaktionszone infiltriert wird und b) dass in der mindestens einen Bewirtschaftungsphase die Infiltration der reaktiven Stoffe so lange ausgesetzt wird, dass kein unbehandeltes Grundwasser aus dem Reaktionsraum austritt und dass nicht die gesamte, im hydraulisch wirksamen und hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen enthaltene Menge an reaktiven Stoffen durch die Grundwasserbehandlung verbraucht wird, und nach dem Aussetzen der Infiltration reaktiver Stoffe reaktive Stoffe entsprechend Gleichung (2a) S_RS,B = S_PV,B + S_B,B (2a) mit S_RS,B Gesamtmasse der in der Bewirtschaftungsphase zu infiltrierenden reaktiven Stoffe, S_PV,B Masse reaktiver Stoffe für die Anreicherung der reaktiven Stoffe im nachgeströmten Grundwasser, S_B,B Masse reaktiver Stoffe für die Grundwasserbehandlung des nachgeströmten Grundwassers mit S_RS,B = C_I,i,B·PV_R,B (4a) mit PV_R,B Volumen des nachgeströmten unbehandelten Grundwassers, C_I,i,B zu infiltrierende Konzentration der reaktiven Stoffe in der Bewirtschaftungsphase über die Infiltrationsvorrichtungen in das Grundwasser infiltriert werden, wobei das Volumen des nachgeströmten unbehandelten Grundwassers sich nach Gleichung (7) PV_R,B = A_R·v_f·t_I,B (7) bestimmt mit A_R Fläche des Reaktionsraumes senkrecht zur Fließrichtung in m² v_f Filtergeschwindigkeit nach Darcy t_I,B Nachströmzeit in h.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit t_I,B des Aussetzens der Infiltration reaktiver Stoffe in der Bewirtschaftungsphase anhand Gleichung (6) berechnet wird t_I,B = r_B·L_R/ v_a (6) mit L_R ... Länge der Reaktionszone, v_a ... Porenwassergeschwindigkeit, r_B ... Minderungsfaktor für die Bewirtschaftungsphase mit r_B < 1, wobei der Minderungsfaktor r_B anhand der folgenden Gleichung berechnet wird: r_B= f_s·(C_O,i – C_min)·n_st/(C_I,i·n₀) mit f_s ... Faktor für den stöchiometrischen Stoffumsatz, C_O,i ... Konzentration der reaktiven Stoffe im Grundwasser am Ende der Reaktionszone zum Ende der Konditionierungsphase oder der vorherigen Bewirtschaftungsphase in mg/L, C_I,i ... Konzentration der zu behandelnden Stoffe im unbehandelten Grundwasser in mg/L, C_min. ... Minimalkonzentration an reaktiven Stoffen in mg/L, bei der die Grundwasserbehandlung stattfinden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewirtschaftungsphase mindestens einmal wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedliche reaktive Stoffe gleichzeitig oder zeitlich versetzt infiltriert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierungsphase und die Bewirtschaftungsphase in Kombination mit einer hydraulisch aktiven Maßnahme erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulisch wirksame und der hydraulisch gering wirksame Porenvolumenanteil aus Ergebnissen von Tracerversuchen im zu behandelnden Grundwasserbereich bestimmt werden und dass der Gesamtporenvolumenanteil (Porosität des Grundwasserleiters n), die Reaktionszeit, die für die Behandlung des Grundwassers bis unter den zulässigen Wert benötigt wird, und der Verbrauch reaktiver Stoffe in Nebenreaktionen S_ZR,K in ex situ Vorversuchen im Labormaßstab bestimmt werden.