DE3809600A1 - Verfahren und vorrichtung zur grundwasser- und/oder bodensanierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von mit Schadstoffen verunreinigtem Grundwasser durch Entnahme des Grundwassers aus einem Boden, Behandlung des Grundwassers in mindestens einem Reaktor und Zurückführung des Grundwassers in den Boden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Sanierung von mit Schadstoffen belasteten Erdböden oder Grundwasser wurden in jüngster Zeit verschiedene Techniken entwickelt, die auf eine Vernichtung, Abtrennung oder Umwandlung der kontaminierenden Stoffe abzielen. Je nachdem, ob dabei der kontaminierte Boden bewegt oder in seiner bestehenden Lagerung belassen wird, spricht man von on-Side- oder in-situ-Verfahren.

Aus der Zeitschrift "Umwelt 4/86, Seite 292-296" sind biologische Verfahren zur Bodensanierung bzw. Grundwasserreinigung bekannt. Durch mikrobiellen Abbau von Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid und Wasser werden z.B. mit Mineralöl kontaminierte Böden bzw. Grundwässer saniert. Der natürliche Abbau von Schadstoffen beruht dabei auf der Lebenstätigkeit von Mikroorganismen, welche die gelösten oder in lösliche Form überführten organischen Verbindungen zum Teil als Energiespender, zum Teil zum Aufbau neuer Zellsubstanz verwerten und dadurch aus dem Umgebungsmilieu eliminieren. Hierzu werden die Mikroorganismen über Bodenbohrungen in die kontaminierten Bodenschichten eingebracht und mit Nährstoffen versorgt.

Kontaminiertes Grundwasser wird einer grundwasserführenden Bodenschicht entnommen, an die Bodenoberfläche gefördert und einem Bioreaktor zugeführt. Im Bioreaktor erfolgt der mikrobielle Abbau der Schadstoffe durch zugesetzte Mikroorganismen. Das behandelte Grundwasser wird wieder, gegebenenfalls mit Mikroorganismen versetzt, in die grundwasserführende Bodenschicht zurückgeführt.

Die bekannten Verfahren zur Boden- bzw. Grundwassersanierung weisen den Nachteil auf, daß zu einer wirkungsvollen Reinigung speziell gezüchtete Mikroorganismen mit einem Spezialschaum in den Boden eingebracht oder im Bioreaktor angesiedelt werden müssen. Falls sowohl Grundwasser als auch eine möglicherweise nicht grundwasserführende Bodenschicht mit Schadstoffen verunreinigt ist, müssen über Bodenbohrungen sowohl Mikroorganismen in die kontaminierte Bodenschicht als auch ins Grundwasser direkt eingebracht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einerseits die kontaminierte Bodenschicht über Bohrungen mit Mikroorganismen zu versorgen und andererseits das Grundwasser zu entnehmen und im Bioreaktor zu behandeln.

Insgesamt erfordern also die bekannten Verfahren viele vorbereitende Arbeitsschritte wie Züchtung spezieller Mikroor­ ganismen, Herstellung spezieller Schaum-Nährstoff-Mikro­ organismen-Gemische und Ansiedlung der Mikroorganismen im Bioreaktor. Insbesondere bei einer kombinierten Behandlung von verunreinigtem Boden und Grundwasser sind die bekannten Verfahren technisch aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine wirtschaftliche und effektive Sanierung von schadstoffbelastetem Boden und/oder Grundwasser erreicht wird und die genannten Nachteile nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Behandlung des Grundwassers im Reaktor durch chemische Oxidation erfolgt.

Die im Grundwasser enthaltenen Schadstoffe werden außerhalb des Bodens im Reaktor durch chemische Oxidation zu einem großen Teil in unschädliche Produkte umgewandelt. Das so behandelte Grundwasser wird anschließend in den Boden zurückgeführt. Während das kontaminierte Grundwasser zweckmäßigerweise aus mindestens einer grundwasserführenden Bodenschicht entnommen wird, kann das im Reaktor behandelte Grundwasser auch in mindestens eine nicht grundwasserführende Bodenschicht zurückgeführt werden. Der Boden wirkt als eine Art Festbettreaktor, in dem eine weitere Umwandlung von schädlichen Inhaltsstoffen des Grundwassers erfolgt. Dabei wirken die im Boden natürlicherweise vorhandenen Mikroorganismen als Biokatalysatoren.

Zweckmäßigerweise wird zur chemischen Oxidation im Reaktor ein sauerstoffhaltiges Gas im Grundwasser gelöst. Bevorzugt ist dabei die Verwendung technisch reinen Sauerstoffs, da in diesem Fall infolge des Wegfalls des Inertgases Stickstoff große Mengen Sauerstoff im Wasser gelöst werden können. Das mit Sauerstoff hochangereicherte, vom Reaktor abfließende Grundwasser sorgt einerseits für einen weiteren chemischen Abbau der Inhaltsstoffe des Grundwassers im Boden und andererseits für eine ausreichende Versorgung der Mikroorganismen im Boden. Es hat sich dabei als besonders zweckmäßig erwiesen, das sauerstoffhaltige Gas in solcher Menge im Grundwasser zu lösen, daß eine Sauerstoffkonzentration im Grundwasser von höchstens 25 g/m³ erreicht wird. Die jeweils nötige Sauerstoffkonzentration richtet sich nach der Schadstoffbelastung des Bodens. Zur Aufrechterhaltung der notwendigen Sauerstoffkonzentration kann über mehrere Stunden sauerstoffhaltiges Gas in das Grundwasser eingetragen und darin gelöst werden.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird das im Reaktor behandelte Grundwasser in mindestens eine mit Schadstoffen verunreinigte Bodenschicht eingeführt. Das behandelte Grundwasser bewirkt aufgrund seines hohen Oxidationspotentials eine chemische Oxidation der Bodenschadstoffe. Außerdem wird der biologische Abbau der Bodenschadstoffe mittels im Boden natürlicherweise vorhandener Mikroorganismen durch das mit Sauerstoff hoch angereicherte Grundwasser gefördert. Somit bietet die Erfindung eine technisch elegante Lösung, schadstoffbelastete Böden und kontaminierte Grundwässer gleichzeitig zu sanieren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das dem Boden entnommene und im Reaktor außerhalb des Bodens behandelte Grundwasser anschließend derart in den Boden wieder eingebracht, daß es zur Entnahmestelle zurückfließt. Auf diese Weise kann das behandelte Grundwasser nochmals dem Reaktor zur weiteren Reinigung zugeführt werden. Außerdem werden auf dem Strömungsweg des behandelten Grundwassers durch den Boden Verunreinigungen aus dem Boden ausgewaschen, aufgrund des hohen Oxidationspotentials des behandelten Grundwassers zumindest teilweise chemisch und biologisch oxidiert und der Entnahmestelle des Grundwassers zugeführt. Von dort werden die aus dem Boden ausgewaschenen Schadstoffe gemeinsam mit den im Grundwasser von vornherein enthaltenen Schadstoffen zum Reaktor befördert, wo sie chemisch oxidiert werden.

Dabei ist es zweckmäßig, das Grundwasser mehrmals über den Boden und den Reaktor im Kreis zu fahren. Auf diese Weise wird eine weitgehende Sanierung sowohl des kontaminierten Grundwassers als auch des schadstoffbelasteten Bodens erreicht. Bei mehrmonatigem Betrieb ist eine praktisch vollständige Sanierung möglich.

Vorzugsweise wird das im Reaktor behandelte Grundwasser in einer Menge in eine mit Schadstoffen belastete Bodenschicht eingebracht, die ausreicht, um die Schadstoffe weitgehend aus dem Boden auszuwaschen und gemeinsam mit dem Grundwasser zum Reaktor zu führen. Hierzu wird die Kreislaufmenge und Umweltgeschwindigkeit des Grundwassers dementsprechend gesteuert.

Es sind verschiedene Möglichkeiten vorgesehen, das im Reaktor behandelte Grundwasser in den Boden zurückzuführen. Einerseits kann das Grundwasser über dem Boden verrieselt werden. Andererseits ist auch eine Einleitung in eine Sickergrube möglich. Dies hat den Vorteil, daß das Grundwasser in der Sickergrube nachreagieren kann. Bei beiden Methoden stehen insgesamt praktisch drei Reaktoren für die Umwandlung der Schadstoffe zur Verfügung, nämlich der außerhalb des Bodens angeordnete Reaktor, die Bodenoberfläche bzw. die Sickergrube und schließlich der Boden als eine Art Festbettreaktor. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Grundwasser in einen Sickerschacht einzuleiten, also in eine Bohrung im Boden. Das Grundwasser tritt über die Seitenwände des Schachtes in den angrenzenden Boden über. Auf diese Weise können gezielt kontaminierte Bodenschichten mit behandeltem Grundwasser versorgt werden. Die Bodenschadstoffe können so gezielt ausgewaschen und biologisch und chemisch oxidiert werden. Es sind auch Kombinationen dieser verschiedenen Möglichkeiten denkbar.

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens können dem im Reaktor behandelten Grundwasser Mikroorganismen zugesetzt werden. Im allgemeinen ist dies für das erfindungsgemäße Verfahren zwar nicht nötig, da die im Boden natürlicherweise vorhandenen Mikroorganismen durch das chemisch oxidierte Grundwasser zum Abbau der Schadstoffe aktiviert werden. Doch kann bei der Sanierung von mit Problemstoffen verunreinigten Böden bzw. Grundwässern der Einsatz spezieller, für den Abbau dieser Stoffe geeigneter Mikroorganismen zweckmäßig sein.

Außerdem ist es bei z.B. nährstoffarmen Böden zu empfehlen, dem behandelten Grundwasser Nährstoffe für die zum Abbau geeigneten Mikroorganismen zuzusetzen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Reaktor zur Behandlung des Grundwassers mit einer Zuleitung für das kontaminierte Grundwasser und einer Ableitung für das behandelte Grundwasser.

Erfindungsgemäß ist in dem Reaktor eine Begasungseinrichtung zum Eintrag eines sauerstoffhaltigen Gases in das Grundwasser angeordnet. Das sauerstoffhaltige Gas kann auf diese Weise im Grundwasser gelöst werden, so daß die Schadstoffe chemisch oxidiert werden.

Die Ableitung für das behandelte Grundwasser ist über dem Boden verlegt und weist Öffnungen zum Verrieseln des Grundwassers auf. Eine andere Möglichkeit sieht vor, daß die Ableitung für das behandelte Grundwasser mit einer Sickergrube oder einem Sickerschacht, also einer Bohrung im Boden in Verbindung steht. Es sind auch Kombinationen dieser Möglichkeiten denkbar.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, als Begasungseinrichtung mindestens einen perforierten Schlauch zu verwenden, der auf einem am Reaktorboden angebrachten Gitterrost liegend montiert ist. Die Zuleitung für das kontaminierte Grundwasser ist am Reaktorboden und die Ableitung für das im Reaktor behandelte Grundwasser an einem oberen Teil des Reaktors angeordnet.

Durch diese Gestaltung des Reaktors ist sichergestellt, daß besonders viel Sauerstoff im Grundwasser gelöst wird, was sowohl der chemischen Oxidation als auch der nachfolgenden biologischen Oxidation der Grundwasserinhaltsstoffe zugute kommt.

Die Erfindung bietet insgesamt eine technisch elegante Lösung für die Sanierung von kontaminiertem Boden und/oder Grundwasser. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind technisch wenig aufwendig, aber außerordentlich effektiv. Es sind keine aufwendigen Vorarbeiten, wie Züchtung spezieller Mikroorganismen, Herstellung eines Spezialschaums zur Aufnahme und Versorgung der Mikroorganismen und Ansiedlung der Mikroorganismen in Bioreaktoren notwendig. Die Reinigung des verschmutzten Grundwassers und Bodens ist ohne größere Erd- und Bauarbeiten möglich. Die Erfindung erlaubt insbesondere, sowohl kontaminierten Boden als auch schadstoffbelastetes Grundwasser gleichzeitig mit einem Verfahren auf wirtschaftliche und wirksame Weise zu sanieren.

Aufgrund der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundenen hohen Betriebssicherheit eignet sich die Erfindung besonders zur Dekontamination größerer Flächen, z.B. zur Altlastensanierung von Mülldeponien usw. Es ist ein mehrmonatiger Betrieb möglich, so daß eine weitgehende Sanierung sogar hochschadstoffbelasteter Regionen möglich ist.

Die Erfindung eignet sich ferner für eine Anreicherung von Trinkwasser (Rohwasser) mit Sauerstoff vor einer Infiltration in Sickerbrunnen. Ebenso erlaubt die Erfindung die Reinigung von Deponie-Sickerwasser bzw. von Deponien. Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung von vorgereinigtem Abwasser verwendet werden, das über eine größere Bodenfläche gleichmäßig verrieselt wird. Hierzu müssen keine Infiltrationsbrunnen gebohrt werden, vielmehr wirkt die Verrieselung als aerobe Oberflächenversiegelung.

Im folgenden sei die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit Abgabe des chemisch oxidierten Grundwassers in einen Sickerschacht.

Fig. 2 zeigt die Möglichkeit der Verrieselung des chemisch oxidierten Grundwassers über dem Boden.

Fig. 3 zeigt die Möglichkeit der Abgabe des chemisch oxidierten Grundwassers an eine Sickergrube.

Fig. 4 zeigt den Reaktor zur chemischen Oxidation des Grundwassers.

Gemäß des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels wird das kontaminierte Grundwasser, das auch aus dem Boden 3 ausgewaschene Verunreinigungen enthält, an einer Entnahmestelle 12 in einer grundwasserführenden Bodenschicht 13 entnommen und mittels einer Pumpe 11 über die Zuleitung 4 in den Reaktor 1 befördert. Die Zuleitung 4 ist in einem Ansaugschacht 2, d.h. einer Bohrung im Boden 3, angeordnet. Im Reaktor 1 ist eine Begasungseinrichtung 6 installiert, über die technisch reiner Sauerstoff in das im Reaktor 1 befindliche Grundwasser eingetragen wird. Der Sauerstoff wird über eine Meß- und Steuereinrichtung 7 und Leitung 14 der Begasungseinrichtung 6 zugeführt. Der Sauerstoff löst sich in dem im Reaktor 1 befindlichen Grundwasser und bewirkt eine chemische Oxidation der Grundwasser-Inhaltsstoffe. Das so behandelte Grundwasser wird über die Ableitung 8 aus dem Reaktor 1 abgezogen und in einen Sickerschacht 9, also einer Bohrung im Boden 3, eingeleitet. Das Grundwasser tritt über die Seitenwände des Sickerschachtes 9 in die angrenzenden Bodenschichten über.

Der Sickerschacht 9 ist so angeordnet, daß das in den Boden 3 gesickerte Grundwasser zur Entnahmestelle 12 in der grundwasserführenden Bodenschicht 13 fließt. Außerdem ist der Sickerschacht 9 so angebracht, daß sich auf dem Strömungsweg des Grundwassers vom Sickerschacht 9 zur Entnahmestelle 12 mit Schadstoffen verunreinigte Bodenschichten befinden. Das zur Entnahmestelle 15 fließende Grundwasser wäscht so die Schadstoffe aus dem Boden 3 heraus und fördert sie gemeinsam mit den von vornherein im Grundwasser gelösten Schadstoffen zur Entnahmestelle 12. Auf diese Weise gelangen auch die den Boden 3 verunreinigenden Schadstoffe in den Reaktor 1 und können dort chemisch oxidiert werden.

Andererseits wirkt der Boden 3 als eine Art Festbettreaktor, so daß das vom Reaktor 1 kommende mit Sauerstoff hochangereicherte Grundwasser im Boden 3 weiter reagiert. Dabei wirken die im Boden 3 natürlicherweise vorhandenen Mikroorganismen als Biokatalysatoren. Die Mikroorganismen werden durch das mit Sauerstoff hoch angereicherte Grundwasser zum Abbau der im Grundwasser und im Boden 3 enthaltenen Schadstoffe angeregt. Es erfolgt im Boden 3 sowohl eine chemische Oxidation als auch ein biologischer Abbau der Schadstoffe.

Durch mehrmaliges Umwälzen des Grundwassers wird auf diese Weise eine weitgehende Elimination der Schadstoffe sowohl des Grundwassers als auch des Bodens 3 erreicht. Dabei wird mittels der Pumpe 11 und eines in der Zuleitung 4 angeordneten Durchflußwächters 5 Menge und Geschwindigkeit des umgewälzten Grundwasserstroms so reguliert, daß die im Boden 3 enthaltenen Verunreinigungen weitgehend ausgewaschen werden können.

In den Fig. 2 und 3 sind weitere Möglichkeiten dargestellt, wie das im Reaktor 1 der Fig. 1 chemisch oxidierte Grundwasser in den Boden 3 zurückgeführt werden kann.

Gemäß Fig. 2 wird das über die Ableitung 8 vom Reaktor 1 der Fig. 1 kommende Grundwasser über dem Boden 3 verrieselt. Hierzu ist die Ableitung 8 auf der Oberfläche des Bodens 3 verlegt. Die Ableitung 8 weist Öffnungen auf, durch die das Grundwasser über dem Boden 3 verrieselt wird. Das Grundwasser sickert schließlich in den Boden 3.

Fig. 3 zeigt die Abgabe des vom Reaktor 1 kommenden Grundwassers in eine Sickergrube 16. Die Ableitung 8 des Reaktors 1 endet hierzu in der Sickergrube 16. Das in der Sickergrube 16 sich ansammelnde, mit Sauerstoff hoch angereicherte Grundwasser hat genügend Zeit, chemisch weiter zu reagieren. Das Grundwasser sickert schließlich in den Boden 3, wo weitere chemische und biologische Reaktionen stattfinden.

In Fig. 4 ist der Reaktor 1 zur chemischen Oxidation der Grundwasserinhaltsstoffe dargestellt. Das Grundwasser fließt über die Zuleitung 4 in den Reaktor 1, während das behandelte Grundwasser über die Ableitung 8 abgezogen wird. Auf dem Reaktorboden 20 ist ein Gitterrost 21 angeordnet, auf dem perforierte Begasungsschläuche 22 liegend montiert sind. Über die Begasungsschläuche 22 wird technisch reiner Sauerstoff in das im Reaktor 1 befindliche Grundwasser eingetragen. Im Grundwasser wird eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 20 g/m³ aufrechterhalten, um eine ausreichende chemische Oxidation der Grundwasserinhaltsstoffe zu erzielen und genügend Sauerstoff für die nachfolgende, im Boden stattfindende biologische Oxidation zur Verfügung zu stellen. Der Reaktor 1 hat ein Volumen von ca. 5000 l, eine Höhe von ca. 2,90 m und einen Durchmesser von ca. 1,60 m.

Claims (14)

1. Verfahren zur Reinigung von mit Schadstoffen verunreinigtem Grundwasser durch Entnahme des Grundwassers aus einem Boden, Behandlung des Grundwassers in mindestens einem Reaktor und Zurückführung des Grundwassers in den Boden, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung des Grundwassers im Reaktor (1) durch chemische Oxidation erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur chemischen Oxidation ein sauerstoffhaltiges Gas im Grundwasser gelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als sauerstoffhaltiges Gas technisch reiner Sauerstoff verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas in solcher Menge im Grundwasser gelöst wird, daß eine Sauerstoffkonzentration im Grundwasser von höchstens 25 g/m³ erreicht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das im Reaktor (1) behandelte Grundwasser in mindestens eine mit Schadstoffen verunreinigte Bodenschicht (15) eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das im Reaktor (1) behandelte Grundwasser derart in den Boden (3) eingebracht wird, daß es zur Entnahmestelle zurückfließt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundwasser mehrmals über den Boden (3) und den Reaktor (1) im Kreis geführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das behandelte Grundwasser in einer Menge in die mit Schadstoffen verunreinigte Bodenschicht (15) eingebracht wird, die ausreicht, um die Schadstoffe weitgehend aus der Bodenschicht (15) auszuwaschen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das im Reaktor (1) behandelte Grundwasser über dem Boden (3) verrieselt und/oder in eine Sickergrube (16) eingeleitet und/oder in einen Sickerschacht (9) eingeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem im Reaktor (1) behandelten Grundwasser zum Abbau der Schadstoffe geeignete Mikroorganismen zugesetzt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem im Reaktor (1) behandelten Grundwasser Nährstoffe für zum Abbau der Schadstoffe geeignete Mikroorganismen zugesetzt werden.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Reaktor zur Behandlung des Grundwassers mit einer Zuleitung für das mit Schadstoffen verunreinigte Grundwasser und einer Ableitung für das behandelte Grundwasser, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktor (1) eine Begasungseinrichtung (6) zum Eintrag eines sauerstoffhaltigen Gases in das Grundwasser angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung (8) über dem Boden (3) verlegt ist und Öffnungen (10) zum Verrieseln des Grundwassers aufweist, und/oder die Ableitung (8) mit einer Sickergrube (16) und/oder einem Sickerschacht (9) in Verbindung steht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Begasungseinrichtung (6) mindestens ein perforierter Schlauch (22) verwendet wird, der auf einem am Reaktorboden angebrachten Gitterrost (21) liegend montiert ist, und daß die Zuleitung (4) am Reaktorboden und die Ableitung (8) an einem oberen Teil des Reaktors (1) angeordnet ist.