DE19948828A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Sanierung von kontaminiertem Grundwasser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sanierung von kontaminiertem Grundwasser. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostenarme hydraulische Grundwassersanierungsmethode anzubieten, bei der durch die Anordnung von Dichtwänden Grundwasserströme ohne externe Energiezuführung fokussiert werden können und gleichzeitig eine Möglichkeit zu schaffen, in einer gut zugänglichen Vermischungszone ein oder mehrere Zusatzmittel mit dem kontaminierten Grundwasser intensiv zu durchmischen und anschließend wieder dem Grundwasserstrom zuzuführen. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine kontaminierte, in einem Aquifer-Bereich (2) fließende Grundwasserströmung (4) mittels einer Kombination aus einer Dichtwandanordnung (5) und einer hochdurchlässigen Schicht (7) ohne externe Energiezufuhr angehoben und in einen Behandlungsbereich (11) eingeleitet, dort mit Zusatzmitteln in Kontakt gebracht und über einen Infiltrationsbereich (8) dem Aquifer-Bereich (2) wieder zugeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sanierung von kontaminiertem Grundwasser gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10.

An kontaminierten Standorten, wo der Schadensherd nicht lokalisierbar ist um ausgegraben oder eingekapselt zu werden, ist die heute am häufigsten praktizierte Maßnahme der Grundwassersanierung das Abpumpen des kontaminierten Wassers im Abstrom des Schadensherdes mit anschließender Reinigung ("pump-and-treat").

Diese hydraulische Grundwassersanierung hat sich in der Praxis aber in vielen Fällen als uneffektiv erwiesen. Aufgrund der oft geringen Löslichkeit, z. B. hydrophober organischer Substanzen, dem Vorhandensein einer residualen Schadstoffphase, der ungleichmäßigen Durchströmung des heterogenen Untergrundes sowie der unter Umständen langsamen Rückdiffusion der häufig über Jahrzehnte in die Aquifermatrix eingedrungenen Schadstoffe kann die rein hydraulische Sanierung oft nur unbefriedigende Reinigungsleistungen erzielen.

Um die Nachteile der "pump-and-treat"-Verfahren zu minimieren wird seit Jahren intensiv an der Entwicklung von In-situ-Sanierungsmaßnahmen gearbeitet. Auf der einen Seite werden Dichtwände ("funnel") installiert, um den Grundwasserstrom zu fokussieren und zum anderen werden durchlässige Wände ("gates") eingebaut, um das durchfließende Grundwasser zu behandeln ("funnel-and- gate" System). Die "funnel-and-gate"-Systeme gehören zu den passiven Technologien, wobei die Schadstoffe z. B. in Absorberwänden immobilisiert oder in Reaktionswänden abgebaut werden. Der Vorteil dieser Technologie liegt vor allem darin, daß sie nahezu ohne externe Energiezufuhr arbeitet. Allerdings hat sich herausgestellt, daß nur bestimmte Stoffe oder Stoffgruppen von den Wänden behandelt werden können, was besonders bei komplexen Kontaminationen von erheblichem Nachteil sein kann.

Um die Nachteile der passiven "funnel-and-gate"-Systeme zu überkommen, werden seit einiger Zeit zusätzlich aktive Sanierungsmaßnahmen durchgeführt, die helfen einen oder mehrere der für den Abbau limitierenden Faktoren zu überkommen. So werden z. B. mittels Sauerstoffzufuhr oder dem Einpumpen von Nährlösungen versucht, den Schadstoffabbau in situ anzuregen oder weiter zu forcieren. Der entscheidende Faktor der Effizienz dieser Methode liegt aber in der Vermischung des kontaminierten Wassers mit den eingepumpten Substanzen. Es dauert sehr lange, bis sich das langsam und laminar fließende Grundwasser mit den z. B. über Injektionslanzen oder Infiltrationsbrunnen zugeführten Stoffen vermischt und besonders in heterogenen Grundwasserleitern mit bevorzugten Fließwegen erfolgt oft nur eine unzureichende Vermischung.

In einem weiteren bekanntgewordenen Grundwasser­ sanierungsverfahren wird das kontaminierte Grundwasser in einer beliebigen Höhe unterhalb des Grundwasser­ spiegels in einen Reaktor eingeleitet und durch eine Reaktionskammer mit mindestens einem Reaktionsmittel in Abhängigkeit von der gewünschten Verweilzeit geführt, und als gereinigtes Grundwasser in einer gewünschten Höhe aus dem Reaktor abgeleitet. Die Höhe der Einleitung des kontaminierten Grundwassers in den Reaktor ist von der Schadstoffart und der Schadstofflage innerhalb der Grundwasserströmung wählbar. Das kontaminierte Grundwasser strömt hierbei vertikal durch einen als Reaktor ausgebildeten Senkschacht. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß der Reaktor nach einer an sich bekannten Senkschacht-Technologie bis in die Sohle des Horizontes hinein eingebracht werden muß, in dem das kontaminierte Grundwasser geführt ist, so daß größere Grundwasserströme nur durch die Verbindung mehrerer Brunnen über undurchlässige Wände erreicht werden kann. Das bedeutet, daß der Dekontaminationsaufwand hier besonders hoch ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostenarme hydraulische Grundwassersanierungsmethode anzubieten, bei der durch die Anordnung von Dichtwänden Grundwasserströme ohne externe Energiezuführung fokussiert werden können und gleichzeitig eine Möglichkeit zu schaffen, in einer gut zugänglichen Vermischungszone ein oder mehrere Zusatzmittel mit dem kontaminierten Grundwasser intensiv zu durchmischen und anschließend wieder dem Grundwasserstrom zuzuführen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 10 gelöst.

Bei diesem Verfahren wird vorteilhafterweise die Hydraulik der Grundwasserströmung ausgenutzt, um ohne externe Energiezufuhr das Grundwasser in eine unterhalb der Geländeoberkante angeordneten Behandlungskammer zu heben. Dazu wird im Bereich der Grundwasserströmung eine undurchlässige Dichtwand errichtet, die dem anströmenden Grundwasser als Barriere entgegengesetzt wird. Unmittelbar anströmungsseitig der Dichtwand wird eine hochdurchlässige Schicht eingebaut, die dem Grundwasser als bevorzugter Fließweg dient. Über diese hochdurchlässige Schicht wird das anströmende Grundwasser in eine Behandlungskammer geleitet. Die Behandlungskammer kann z. B. als gemauerter Raum, der ggf. mit Edelstahl ausgekleidet sein kann, oder als Edelstahlkonstruktion ausgeführt sein. Die notwendigen Zusatzmittel, die den Schadstoffabbau in Gang setzen und/oder beschleunigen, werden hier hinzugesetzt bzw. angeordnet.

Als Zusatzmittel werden z. B. Elektronenakzeptoren wie Sauerstoff oder Nitrat, Nährstoffe für Mikroorganismen, Mikroorganismen selbst oder auch UV-Quellen eingesetzt. Bei den Elektronenakzeptoren und Nährstoffen ist es in der Regel zweckmäßig diese bereits in der Nähe des Einlaufes der Behandlungskammer dem Grundwasserstrom zuzugeben. Dies ermöglicht eine längere Vermischungsstrecke innerhalb der Behandlungskammer. Die Mikroorganismen, die dem Grundwasserstrom zugegeben werden, injiziert man zweckmäßigerweise nahe des Ausflusses der Behandlungskammer. Der Grund dafür ist, daß die Mikroorganismen durch den Grundwasserstrom an die Stellen im Grundwasserleiter transportiert werden, wo der Abbau stattfinden soll. Dies sind in der Regel die höher durchlässigen Bereiche des Aquifer-Bereiches.

Für bestimmte Kontaminationen des Grundwassers ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, in der Behandlungskammer turbulente Strömungsverhältnisse zu schaffen, um einen besonders intensiven Kontakt des Grundwassers mit den eingebrachten Zusatzmitteln zu erreichen. Wichtig für die Wechselwirkungen zwischen den Kontaminanten im Grundwasser und den Zusatzmitteln ist auch die Verweilzeit in der Behandlungskammer, die durch zusätzliche Einbauten beeinflußt werden kann.

In der Mischkammer soll es zu einer möglichst guten Vermischung des Grundwassers mit den zugegebenen Stoffen kommen. Eingebrachte Rührer, wie z. B. Schaufelräder, können helfen, turbulente Strömungen zu erzeugen. Schaufelräder, welche ohne Energiezufuhr von außen in der Rinne angebracht sind und durch das fließende Grundwasser angetrieben werden, können auch helfen, Turbulenzen im Grundwasser zu erzeugen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Behandlungskammer zweiteilig angelegt ist. Das aus der hochdurchlässigen Schicht in die Behandlungskammer eintretende Grundwasser wird zuerst in eine sogenannte Mischkammer geführt und von dort aus in eine Reaktionskammer. Das macht es möglich, die Teilkammern den entsprechenden Kontaminanten anzupassen.

Der Misch- und Reaktionskammerbereich kann zweck­ mäßigerweise so gestaltet werden, daß dieser luftdicht abschließbar ist, sofern anaerobe Bedingungen gewünscht werden.

Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß in der begehbaren Behandlungskammer Meßinstrumente und Sensoren zur Beobachtung des Kontaminationszustandes der Grundwasserströmung installiert werden können.

Falls mehrere Schadstoffgruppen im Grundwasserstrom mit Hilfe der Vorrichtung behandelt werden, kann es zweck­ mäßig sein, gemäß der Ausgestaltung des Anspruches 8 mehrere Misch- und Reaktionskammersysteme hinter­ einander zu schalten, so daß Zusatzmittel räumlich nacheinander den Grundwasserstrom zugeführt werden können. Wenn z. B. CKW-(Chlorkohlenwasserstoff-) und BTEX-(Benzol, Toluol, Ethylbenzol und die Xylole) kontaminiertes und anaerobes Grundwasser in die erste Mischkammer fließt, kann durch Zumischen geeigneter Substanzen und/oder dem Füllen der Kammer mit z. B. Eisenspänen bzw. Eisenspänen/Sandgemischen zunächst eine anaerobe Dehalogenierung angeregt werden, welche in der ersten Reaktionskammer stattfindet und in der dahintergeschalteten zweiten Mischkammer erfolgt eine Sauerstoffzufuhr, um den aeroben BTEX-Abbau zu forcieren.

Um z. B. hydrophobe Stoffe aus dem Grundwasserstrom zu entfernen, kann die Reaktionskammer auch zweckmäßiger­ weise absorbierendes Material, wie z. B. Aktivkohle, enthalten. In diesem Sinne wirkt dann die Reaktions­ kammer ähnlich einer Absorberwand, bei der die hydrophoben Stoffe zurückgehalten oder stark retardiert werden. Gegebenenfalls kann das absorbierende Material von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden.

Die Reaktionskammer kann befüllt oder auch unbefüllt sein. Wenn z. B. UV-Strahlung eingesetzt wird um Schadstoffe über photolytische Reaktionen abzubauen, ist es vorteilhaft, wenn die Reaktionskammer unbefüllt ist und nur das fließende Grundwasser enthält. In diesem Fall wird der Grundwasserstrom an einer UV- Quelle vorbeigeleitet.

Nachdem das Grundwasser die Behandlungskammer bzw. die Reaktionskammer verlassen hat, wird es über eine Infiltrationsgalerie zurück in den Aquifer-Bereich geführt. Die Infiltrationsgalerie kann als Filterkiesbereich oder als Infiltrationsbrunnen ausgebildet sein. Somit wird das Grundwasser nie über die Geländeoberkante gehoben. Der abstromige Grundwasserleiter wirkt dann weiterhin als Reaktionsraum, in dem alle für den Schadstoffabbau notwendigen Substanzen gut gemischt vorliegen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung der Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung mit Misch- und Reaktionskammer,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht der Vorrichtung,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht mit Infiltrations­ brunnen und

Fig. 5 eine schematische Draufsicht der Mischkammer und

Fig. 6 eine Kombination mehrerer Misch- und Reak­ tionskammern.

In Fig. 1 ist im schematischen Vertikalschnitt die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. In einem Aquifer-Bereich 2, der nach unten durch einen Aquitard- Bereich 3 begrenzt wird, ist quer zur Grundwasser­ strömung 4 eine Spundwand 5 angeordnet. Anströmungs­ seitig ist eine hochdurchlässige Filterkiesschicht 7 über die gesamte Fläche der Spundwand 5 eingebracht. Unterhalb der Geländeoberkante 1, in Strömungsrichtung gesehen hinter der Spundwand, ist eine Behandlungskammer 11 angeordnet. Die Behandlungskammer 11 ist begehbar und von der Geländeoberkante aus zugänglich. Nach der Behandlungskammer 11 ist ein Infiltrationsbereich 8 vorgesehen, an den sich eine Reaktionszone 9 anschließt. Die Behandlungskammer 11 weist eine Abdeckung 13 auf.

Die Grundwasserströmung 4 trifft auf die hochdurchlässige Filterkiesschicht 7 und wird dann fokussierend in den Eingangsbereich der Behandlungskammer 11 geführt. Nach dem Inkontaktbringen mit Zusatzmitteln wird in horizontaler Richtung die Grundwasserströmung 4 in den Infiltrationsbereich 8 ausgetragen und von dort dem Aquifer-Bereich 2 zugeführt, der in seinem Anfangsteil als Reaktionszone 9 fungiert.

Fig. 2 zeigt eine zweigeteilte Behandlungskammer 11. Sie besteht aus der Mischkammer 6 und der Reaktionskammer 10. Aufgrund des Vorsehens einer Reaktionskammer 10 in der Behandlungskammer 11 kann die im abstromigen Aquifer-Bereich 2 gemäß Fig. 1 vorgesehene Reaktionszone 9 in die Reaktionskammer 10 vorverlegt bzw. zusätzliche Reaktionsräume geschaffen werden.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Draufsicht. Die Grundwasserströmung 4 wird in der Filterkiesschicht 7 praktisch fokussiert und in die Behandlungskammer 11 geführt und dort mit den Zusatzmitteln, die der Beseitigung der Kontaminationen dienen, in Kontakt gebracht. Nach der horizontalen Weiterführung der Grundwasserströmung 4 erfolgt über den Infiltrationsbereich 8 eine Überführung der Grundwasserströmung 4 in den Aquifer- Bereich 2.

Gemäß Fig. 4 ist der Infiltrationsbereich 8 mit Infiltrationsbrunnen 14 kombiniert.

In der Draufsicht der Behandlungskammer 11 gemäß Fig. 5 ist beispielhaft die Grundwasserströmung 4 in der Behandlungskammer 11 dargestellt. Die hier angedeuteten Einbauten 12 dienen der Verweilzeit-Einstellung und der Erzeugung von Turbulenzen.

In Fig. 6 wird eine Behandlungskammer 11 mit mehreren Misch- und Reaktionskammern dargestellt. Die Grund­ wasserströmung 4 tritt in eine Mischkammer 6/1 ein, in der durch Zugabe geeigneter Zusatzmittel eine pH-Wert- Pufferung erfolgt. Die daran sich anschließende Reak­ tionskammer 10/1 enthält Eisenspäne zur Dehalogenierung von Chlorkohlenwasserstoffen in der Grundwasserströmung 4. In einer weiteren Mischkammer 6/2 erfolgt eine Sauerstoff anreicherung während die Reaktionskammer 10/2 eine Sandfüllung aufweist, in der ein aerober BTEX- Abbau stattfindet.

Die dann folgende Reaktionskammer 10/3 ist mit einem Absorptionsmedium, in diesem Fall Aktivkohle, zur Absorption von hydrophoben Stoffen ausgestattet. Die Ausgestaltung der Behandlungskammer 11 richtet sich im wesentlichen nach der Art und Menge der in der Grundwasserströmung 4 vorhandenen Kontaminanten.

Bezugszeichenliste

1

Geländeoberkante

2

Aquifer-Bereich

3

Aquitard-Bereich

4

Grundwasserströmung

5

Spundwand

6

Mischkammer

7

Filterkiesschicht

8

Infiltrationsbereich

9

Reaktionszone

10

Reaktionskammer

11

Behandlungskammer

12

Einbauten

13

Abdeckung

14

Infiltrationsbrunnen

Claims (18)

1. Verfahren zur Sanierung von kontaminiertem Grundwasser durch In-situ-Behandlung mit Zusatzmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontaminierte, in einem Aquifer-Bereich (2) fließende Grundwasserströmung (4) mittels einer Kombination aus einer Dichtwandanordnung (5) und einer hochdurchlässigen Schicht (7) ohne externe Energiezufuhr angehoben und in einen Behandlungsbereich (11) eingeleitet, dort mit Zusatzmitteln in Kontakt gebracht und über einen Infiltrationsbereich (8) dem Aquifer-Bereich (2) wieder zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Behandlungsbereich (11) mittels Rührer und/oder hydraulischer Maßnahmen turbulente Strömungen erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwasserströmung (4) innerhalb des Behandlungsbereiches (11) durch einen Mischbereich (6) und durch einen Reaktionsbereich (10) geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der hochdurchlässigen Schicht (7) und im Infiltrationsbereich (8) Filterkies eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzmittel Elektronenakzeptoren wie Sauerstoff oder Nitrat, Nährstoffe für Mikroorganismen oder Mikroorganismen selbst eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Behandlungsbereich ein von der Geländeoberkante (1) zugängliche Behandlungskammer (11) mit Ein- und Ausfluß eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verlängerung der Verweilzeit der Grundwasserströmung (4) in der Behandlungskammer (11) Einbauten (12) eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwasserströmung (4) durch mehrere hintereinander geschaltete Behandlungskammern (11), die ggf. aus Misch- und Reaktionskammern (6, 10) bestehen, geführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwasserströmung (4) innerhalb der Behandlungskammer (11) an einer Strahlungsquelle, wie einer UV-Lichtquelle, vorbeigeführt wird.

10. Vorrichtung zur Sanierung von kontaminiertem Grundwasser durch In-situ-Behandlung mit Zusatzmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß im Aquifer-Bereich (2) einer Grundwasserströmung (4) eine oder mehrere Dichtwände (5) quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind, die anströmungs­ seitig hochdurchlässige Schichten (7) und abströmungsseitig eine Behandlungskammer (11) aufweisen, an der sich Infiltrationsbereiche (8) anschließen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdurchlässige Schicht (7) mit der Behandlungskammer (11) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungskammer (11) unterhalb der Gelände­ oberkante (1) angeordnet und von der Geländeoberkante (1) aus zugänglich ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungskammer (11) zweiteilig als Mischkammer (6) und Reaktionskammer (10) ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdurchlässige Schicht (7) und der Infiltrationsbereich (8) als Filterkieswand und/oder als Infiltrationsbrunnen ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtwand (5) als Spundwand ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungskammer (11) Turbulenzen erzeugende und/oder die Verweilzeit verlängernde Elemente wie Rührer und/oder Einbauten aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in der Behandlungskammer (11) eine Strahlungsquelle, wie eine UV-Quelle, angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungskammer (11) mit Sensorik und Meßeinrichtungen ausgestattet ist.