DE3937593C2 - Verfahren zur biologischen in-situ-Reinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen in-situ- Reinigung von Grundwasserleitern und kontaminiertem Erdreich.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, die zur Reinigung von kontaminiertem Erdreich und von kontaminierten Grundwasserleitern geeignet sein sollen. Ein beispielsweise im Statusbericht zur Altlastensanierung des BMFT, 1988, Seiten 104-106 beschriebenes Verfahren von Battermann und Werner sieht vor, den wesentlichen Teil der Dekontamination in der Erdschicht und im Grundwasser­ leiter durch Herstellung einer starken Strömung eines Wasserkreis­ laufes zu bewerkstelligen, wobei im Erdreich ein Auswascheffekt entsteht. Die so ausgewaschenen Kontaminationsstoffe werden in einer oberirdischen Reinigung aus dem Wasserkreislauf entfernt. Um einen zusätzlichen mikrobiellen Abbau zu ermöglichen, wird das gereinigte Wasser mit Nitrat versetzt, das als Sauerstoffdonator für den aeroben Abbau von aliphatischen und aromatischen Kohlen­ wasserstoffen dient.

Die bei diesem Verfahren umgepumpten Wassermengen sind erheblich, weshalb dieses Verfahren in erster Linie als ein hydraulisches Dekontaminationsverfahren angesehen wird.

Durch die Firmenveröffentlichung "Biox-S-Verfahren": "Biologische "in-situ"-Sanierung von Altlasten" der Firma Messer Griesheim ist es bekannt, zwischen einem Infiltrationsbrunnen und einem Förder­ brunnen einen Wasserkreislauf durch das Grundwasser hindurch auf­ zubauen. Im oberirdisch von den Verunreinigungen befreiten Wasser wird Sauerstoff hinzugegeben, um im Grundwasserleiter eine aerobe Biozoenose aufzubauen. In einer Feldversuchsanordnung ist ein zentraler Förderbrunnen von vier Infiltrationsbrunnen im Abstand von fünf Metern umgeben worden. Die umgepumpte Kreislaufwassermenge war ca. 2,4 m³/h, die auf 60 mgO₂/l vor der Infiltration an­ gereichert wurde. Das mit Sauerstoff angereicherte Wasser durch­ strömt die Grundwasserschicht und wird vom Förderbrunnen wieder an die Oberfläche gefördert, wo es gereinigt wird. Das bekannte Verfahren erfordert hydraulische Schutzmaßnahmen in Form von Schutzinfiltrationen, um durch die starken Wasserbewegungen nicht sauberes Erdreich zu kontaminieren.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die bekannten Verfahren nur einen relativ geringen mikrobiellen Abbau der Schad­ stoffe ermöglichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren hinsichtlich ihrer Effektivität zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das kon­ taminierte Wasser im kontaminierten Zustand wieder in den Grund­ wasserleiter geleitet wird und daß das kontaminierte Wasser durch das Erdreich mit einer niedrigen, die Ausbildung eines Biofilms ermöglichenden Strömungsgeschwindigkeit bewegt wird.

In überraschender Weise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das kontaminierte Wasser an der Oberfläche nicht gereinigt son­ dern in der bezüglich der in Frage stehenden Kontaminationsstof­ fe unveränderten Form wieder in den Grundwasserleiter zurückge­ pumpt. Das Wasser wird an der Oberfläche lediglich mit Sauerstoff versetzt und ggf. von Eisen und Mangan befreit, die die Wasserweg­ samkeit des Untergrundes beeinträchtigen könnten. Das erfindungs­ gemäße Verfahren unterscheidet sich von den bekannten Verfahren darüber hinaus durch eine Strömung mit sehr geringer Strömungsge­ schwindigkeit, die einen möglichen Auswascheffekt stark reduziert.

Die Strömungsgeschwindigkeit wird erfindungsgemäß so gering gehal­ ten, daß keine über das Kontaminationsgebiet ausstrahlenden Was­ serbewegungen verursacht werden. Erfindungsgemäß sind daher keine Wasserhaltungsmaßnahmen, insbesondere in Form von Schutzinfiltra­ tionen, erforderlich.

Der der Erfindung zugrundeliegende Grundgedanke besteht darin, daß die durch die Sauerstoffzufuhr geförderte mikrobielle Aktivi­ tät, die den Abbau der in Frage stehenden Kontaminationen ermög­ licht, beim Umlauf des Wassers nicht ihrer Nährstoffe beraubt werden darf. Werden die Kontaminationen aus dem Wasserkreislauf an der Oberfläche ausgefiltert, stehen für die Mikroorganismen die ausgefilterten Nährstoffe nicht mehr zur Verfügung. Die bisher bekannten Verfahren sind daher in erster Linie Auswaschverfahren, die nicht geeignet waren, einen aktiven Biofilm in der wasser­ durchflossenen Zone des Erdreichs auszubilden. Demgegenüber ver­ zichtet das erfindungsgemäße Verfahren weitgehend auf einen Aus­ wascheffekt und strebt in erster Linie einen mikrobiellen Abbau der Kontaminationen an. Zur Ausbildung eines aktiven Biofilms wird daher das kontaminierte Wasser dem Grundwasserleiter wieder zuge­ führt, die Mikroorganismen erhalten durch die Anreicherung des zirkulierenden Wassers mit Sauerstoff die benötigten Umgebungsbe­ dingungen und die niedrige Strömungsgeschwindigkeit sorgt dafür, daß sich der aktive Biofilm an den Bodenpartikeln ausbilden kann und nicht durch einen hohe Strömungsgeschwindigkeit zumindest teilweise fortgerissen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht somit auf einem langsamen, kontrollierten Grundwasserstrom im Untergrund, wobei dem dem Un­ tergrund entnommenen Wasser lediglich Sauerstoff und ggf. anor­ ganische Nährstoffe hinzugesetzt werden, um die Umgebungsbedin­ gungen für die Mikroorganismen zu verbessern.

Die umgepumpte Wassermenge beträgt bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren vorzugsweise weniger oder gleich 0,3 m³/h pro Meter Mäch­ tigkeit des Grundwasserleiters. Die untere Grenze ist weniger kritisch und ergibt sich aus dem Anwendungsfall. Sie dürfte regel­ mäßig nicht unter 0,01 m³/h pro Meter Mächtigkeit des Grundwasser­ leiters liegen. Ein Kriterium für die umgepumpte Wassermenge ist, daß der hydraulische Zustand des Grundwasserleiters dadurch prak­ tisch unverändert bleibt. Eine Grundwasseranhebung durch das ein­ gepumpte Wasser im Bereich der Infiltrationsbrunnen sollte einige Zentimeter nicht überschreiten, also unter 20 cm, vorzugsweise unter 10 cm liegen.

Der erfindungsgemäß vorhandene geschlossene Kreislauf, der sich zwischen dem Förderbrunnen und vorzugsweise den darum herum an­ geordneten Infiltrationsbrunnen ausbildet, kann dazu ausgenutzt werden, das kontaminierte Wasser mit Sauerstoff zu übersättigen, so daß der Sauerstoff im Grundwasserleiter zu einem erheblichen Teil frei wird und somit auch in die Deckschicht oberhalb des Grundwasserleiters eindringen und die mikrobielle Aktivität in dieser Deckschicht fördern kann. Die Übersättigung kann durch Ausbildung einer reinen Sauerstoffatmosphäre oberhalb des Wassers erreicht werden. In einer Alternative wird das Wasser unter Über­ druck mit Sauerstoff übersättigt und im wesentlichen erst im Grund­ wasserleiter zum Entspannen gebracht.

Zur Begrenzung der Grundwasserbewegungen sollte der Abstand zwischen den Infiltrationsbrunnen und den Förderbrunnen nicht mehr als 10 m betragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich überraschend zur in- situ-Reinigung von Erdreich und Grundwasser, die mit chlorierten aromatischen Kohlenwasserstoffen sowie mit Hexachlorcyclohexanen (HCH) verunreinigt sind. Für chlorierte Aromate und die HCH ist eine in-situ-Reinigung bisher nicht bekannt gewesen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft zur Begrenzung eines Schadensgebietes, also zur Verhinderung des Austritts von Kontaminationen mit einer Grundwasserbewegung aus einem Schadensgebiet verwenden. Hierzu werden in Fließrichtung des Grundwassers eine Sperranordnung aus nebeneinander positio­ nierten Infiltrationsbrunnen und stromabwärts davon nebeneinander angeordnete Förderbrunnen vorgesehen, wobei der Kreislauf zwischen Förderbrunnen und Infiltrationsbrunnen die erfindungsgemäße Sauer­ stoffanreicherung vorsieht. Dabei kann der Abstand zwischen den Infiltrationsbrunnen und den Förderbrunnen etwa 5 m betragen.

Eine solche Sperranordnung, die anstelle von bekannten, mit er­ heblichen hydraulischen Wirkungen versehenen Schutzinfiltratio­ nen oder festen Dichtwänden verwendet wird, hat den Effekt, daß nicht nur eine Sperrwirkung gegen den Austritt von Kontaminationen aus einem begrenzten Areal erzielt wird, sondern daß gleichzeitig ein biologischer Abbau der Kontaminationen stattfindet. Dabei sind die Infiltrationsbrunnen und Förderbrunnen vorzugsweise über die Mächtigkeit des Grundwasserleiters abwechselnd mit wasserdurchläs­ sigen und wasserundurchlässigen Wandstücken versehen, wobei die wasserdurchlässigen Wandstücke der Infiltrationsbrunnen gegenüber den wasserdurchlässigen Wandstücken benachbarter Förderbrunnen in der Höhe zueinander versetzt sein können, um keine unerwünschte Schichtung der Strömungen in dem Grundwasserleiter zu bewirken.

In der Praxis hat sich herausgestellt, daß die Förderbrunnen in einem größeren Abstand zueinander angeordnet sein können als die Infiltrationsbrunnen, um die gewünschte Sperr- und Reinigungswir­ kung zu erzielen.

Als weitere Sicherungsmaßnahme gegen ein "Durchbrechen" von Kon­ taminationen durch die Sperranordnung kann stromabwärts von den Förderbrunnen eine Anordnung aus Infiltrations- und Förderbrunnen positioniert werden, zwischen denen oberirdisch jeweils eine Rei­ nigungsanlage geschaltet ist. Diese Anordnung hat ausschließlich die Funktion, im Falle unerwarteter Kontaminationsspitzen, die von der Sperranordnung nicht vollständig abgebaut werden können, eine Sicherung der Sperrwirkung durch eine nachgeschaltete mecha­ nische und/oder chemische Reinigung vorzusehen.

Die Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische vergleichende Darstellung bei der Ausbildung eines Wasserkreislaufs mit und ohne Schadstoffilterung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung von Meßwerten für eine Chloridfreisetzung in verschiedenen Bodenproben, jeweils unter anaeroben und aeroben Bedingungen;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Sperranordnung aus Infiltrations- und Förderbrunnen in perspektivi­ scher Sicht;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Sperranordnung aus Infiltrations- und Förderbrunnen als Seitenan­ sicht.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Anlage mit einem Förderbrunnen A, um den herum mehrere lnfiltrationsbrunnen F angeordnet sind. Im Bereich eines Grundwasserleiters 1 sind die Brunnen mit durch­ lässigen Rohren versehen, so daß über die gesamte Höhe der Schicht Wasser eingeleitet bzw. abgesaugt werden kann. Die oberhalb des Grundwasserleiters 1 befindlichen Deckschichten 2 sind mehr oder weniger durchlässig. Der Grundwasserleiter 1 ist nach unten - wie üblich - durch eine wasserundurchlässige Sperrschicht 3 abge­ schlossen. Der Grundwasserspiegel GW kennzeichnet den oberen Ab­ schluß des Grundwasserleiters 1. Aus dem Grundwasserleiter 1 wird mittels des Förderbrunnens A Wasser abgesaugt und in einen Bio­ reaktor D geleitet, der zur Enteisenung des Wassers dient. Hinter dem Bioreaktor D befindet sich eine Meßstelle B, die auch eine Probenentnahme gestattet. An dieser Meßstelle können die ver­ schiedensten Meßwerte genommen werden, insbesondere der Sauer­ stoffgehalt des aus dem Grundwasserleiter 1 abgesaugten Wassers festgestellt werden. Der Meßstelle B ist ein Behälter zur O₂-An­ reicherung C nachgeordnet, der über ein Regelventil RV mit gasför­ migem Sauerstoff O₂ in Verbindung steht. Eine entsprechende Ver­ bindung über ein Regelventil RV besteht auch vom Sauerstoffvorrat O₂ zum Bioreaktor D. Über diese Verbindung wird nur so viel O₂ geleitet wie im Bioreaktor D für die Enteisenung verbraucht wird. Über eine weitere Meßstelle E, an der beispielsweise der Sauer­ stoffgehalt nach der Sauerstoffanreicherung gemessen werden kann, gelangt das Wasser mit seinen Verunreinigungen wieder in die In­ filtrationsbrunnen F. Über den Grundwasserleiter 1 wird somit ein geschlossenes Kreislaufsystem hergestellt, in dem das verunreinigte Wasser zirkuliert.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand von den Infiltrationsbrunnen F zum zentral angeordneten Förderbrunnen A drei Meter, so daß eine Fläche von ca. 18 m² abgedeckt ist. Die Mächtigkeit des Grundwasserleiters 1 beträgt ca. 2 m. Die durch diesen Grundwasserleiter 1 geförderte Wassermenge beträgt vorzugs­ weise 150-400 l/h, so daß sich pro Meter Mächtigkeit des Grund­ wasserleiters eine geförderte Wassermenge von 0,075 bis 0,2 m³ pro Stunde ergibt. Dies ist eine im Vergleich zu den be­ kannten hydraulischen Maßnahmen verschwindend geringe geförderte Wassermenge.

Das geschlossene Kreislaufsystem für das kontaminierte Wasser kann dazu verwendet werden, bei der O₂-Zugabe C das Wasser unter Über­ druck zu setzen und mit Sauerstoff zu übersättigen. Beim Eintreten in den Grundwasserleiter 1 entspannt sich das angereicherte Was­ ser, wodurch Sauerstoff frei wird und sich dadurch nicht nur über den Grundwasserleiter 1 verteilt sondern auch in die Deckschicht 2 oberhalb des Grundwasserleiters 1 eindringt.

Fig. 2 zeigt im Vergleich schematisch die Situation an Boden­ partikeln 4 des Grundwasserleiters 1 beim Durchströmen mit Wasser, das mit Sauerstoff 5 angereichert ist. Fig. 2a stellt die Situa­ tion dar, in der das zugeführte Wasser gereinigt ist, so daß sich im Wasser selbst keine Verunreinigungen 6 befinden, die in Fig. 2b) in Form von kleinen Quadraten symbolisiert sind. Bei der Einleitung des gereinigten Wassers kommt es nur partiell zur Ausbildung von Mikroorganismuskolonien 7, so daß die abbauende Aktivität gering ist.

Wird hingegen erfindungsgemäß, wie dies in Fig. 2b) dargestellt ist, Wasser mit den Verunreinigungen 6 wieder in den Grundwasser­ leiter 1 eingeleitet und dieses Wasser mit der erwähnten geringen Strömungsgeschwindigkeit bewegt, bilden sich leistungsfähige Bio­ filme 8 aus, die in der Lage sind, die im Grundwasserleiter 1 vorhandenen Verunreinigungen zu einem hohen Prozentsatz zu besei­ tigen.

Soweit eine Restverunreinigung zurückbleibt, kann die mikrobielle Aktivität durch eine geeignete Zugabe zum in die Infiltrations­ brunnen F eingeleiteten Wasser verstärkt werden. Die Zugabe kann sich auf mineralische Dünger, aber auch auf Detergenzien beziehen, durch die der mikrobielle Abbau gefördert wird.

Fig. 3 belegt, daß chlorierte aromatische Kohlenwasserstoffe und HCH mikrobiell abbaubar sind. Die Meßwerte zeigen an drei Boden­ proben M, N, P die Chloridbildung unter anaeroben und aeroben Bedingungen. In allen Fällen ist unter aeroben Bedingungen die Chloridbildung, die ein Indikator für den Abbau der Kontaminationen ist, wesentlich stärker als unter anaeroben Bedingungen. Die ent­ sprechenden Vergleichsversuche sind unter Container-Bedingungen durchgeführt worden.

Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Sperranordnung besteht aus nebeneinander angeordneten Infiltrationsbrunnen F sowie parallel dazu ebenfalls nebeneinander angeordneten Förderbrunnen A. Die Orientierung der Reihen von Infiltrationsbrunnen F und Förderbrun­ nen A erfolgt quer, im wesentlichen senkrecht, zur Strömungsrich­ tung des Grundwassers, die mit Hilfe von Pfeilen GW angedeutet ist. Die Abstände zwischen den nebeneinander angeordneten Infiltrations­ brunnen F sind halb so groß wie die Abstände zwischen den neben­ einander angeordneten Förderbrunnen A.

Das von den Förderbrunnen A an die Oberfläche geförderte Wasser wird mit O₂ angereichert, wie dies schematisch angedeutet ist.

Der Abstand zwischen den Infiltrationsbrunnen F und den Förder­ brunnen A beträgt in Strömungsrichtung GW 5 m. Fig. 5 zeigt, daß die Rohre der Infiltrationsbrunnen F und der Förderbrunnen A ab­ schnittsweise aus wasserundurchlässigen und wasserdurchlässigen Wänden bestehen, wobei die wasserdurchlässigen Abschnitte des Infiltrationsbrunnens F gegenüber den wasserdurchlässigen Ab­ schnitten des Förderbrunnens A in der Höhe gegeneinander versetzt sind. Der Wasseraustausch zwischen Infiltrationsbrunnen F und Förderbrunnen A findet über die gesamte Mächtigkeit des Grundwas­ serleiters 1 statt.

Fig. 4 verdeutlicht, daß stromabwärts in einem weiteren Abstand von etwa 5 m nebeneinander Förder- und Infiltrationsbrunnen A′, F′ angeordnet sind, die oberirdisch über eine Reinigungsanlage mit einem Aktivkohlefilter AK verbunden sind. Diese Anordnung dient zur Sicherung der durch die Infiltrationsbrunnen F und Förderbrun­ nen A gebildeten Sperranordnung im Falle von Durchbrüchen aufgrund unerwartet hoher Kontaminationsspitzen. Die Standzeit des Aktiv­ kohlefilters AK ist sehr hoch, weil er nur gering belastet wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur aeroben mikrobiellen in-situ-Reinigung von konta­ miniertem Grundwasser (1) und kontaminiertem Erdreich mit fol­ genden Verfahrensschritten:

• - Anlegen von Infiltrations- und Förderbrunnen so, daß das über einen Infiltrationsbrunnen (FA) in das Erdreich einge­ leitete Wasser mit einem Förderbrunnen wieder an die Ober­ fläche geleitet wird, so daß sich ein Wasserkreislauf aus­ bildet;
• - Anreicherung des über die Förderbrunnen (A) an die Ober­ fläche geförderten Wassers mit Sauerstoff oder einem Sauer­ stoffdonator;
• - Einleiten des mit Sauerstoff angereicherten und ggf. mit Zusätzen versehenen Wassers über die Infiltrationsbrunnen (F),
  dadurch gekennzeichnet, daß das kontaminierte Wasser im bezüg­ lich der mikrobiell abbaubaren Kontaminationen unverändert kon­ taminierten Zustand wieder in die Infiltrationsbrunnen (F) ge­ leitet wird und daß das kontaminierte Wasser durch das Erdreich des Grundwasserleiters (1) von einem Infiltrationsbrunnen zu einem Förderbrunnen mit einer niedrigen, die Ausbildung eines Biofilms ermöglichenden Strömungsgeschwindigkeit bewegt wird, wobei die Grundwasseranhebung durch das eingepumpte Wasser im Bereich der Infiltrationsbrunnen (F) unter 10 cm liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kontaminierte Wasser mit Sauerstoff übersättigt wird, so daß der Sauerstoff im Grundwasserleiter (1) zu einem erheblichen Teil frei wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kontaminierte Wasser unter Überdruck mit Sauerstoff über­ sättigt wird und daß das Wasser im wesentlichen erst im Grundwasserleiter (1) entspannt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser an der Oberfläche vor der Anreicherung mit Sauerstoff einer Enteisenungsbehandlung unterworfen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zentraler Förderbrunnen (A) von einer Mehrzahl von Infiltrationsbrunnen (F) umgeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Feststellung der aktuellen mikrobiellen Aktivität der Sauerstoffgehalt des Wassers im Grundwasser­ leiter (1) und ggf. der Sauerstoffgehalt und/oder der CO₂- Gehalt im über dem Grundwasserleiter (1) befindlichen Erdreich an verschiedenen Meßstellen gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine umgepumpte Wassermenge von 0,01-0,3 m³/h pro Meter Mächtigkeit des Grundwasserleiters (1).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen maximalen Abstand zwischen Infiltrationsbrunnen (F) und Förderbrunnen (A) von 10 m.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Fließrichtung des Grundwassers GW eine Sperranordnung aus nebeneinander positionierten Infiltrationsbrunnen F und stromabwärts davon nebeneinander angeordneten Förderbrunnen A vorgesehen ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Infiltrationsbrunnen F und den Förderbrunnen A in Fließrichtung des Grundwassers GW etwa 5 m beträgt.

11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur in-situ-Beseitigung von chlorierten aromatischen Kohlenwasserstoffen sowie von Hexachlorcyclohexanen aus kontaminiertem Grundwasser und kontaminiertem Erdreich.