DE4105987C2 - Vorrichtung und Verfahren zur in situ-Behandlung verunreinigter Grundwässer - Google Patents

Description

Die Erfindung ermöglicht eine in situ-Behandlung von durch Kon­ tamination oder Altlasten verunreinigten Grundwässern durch üb­ liche Verfahren der Wasserbehandlung, wie z. B. Flockung, Fäl­ lung, Oxydation und trägergebundene Biomasseanreicherung. Darüber hinaus gestattet die Erfindung, natürlich aufschwim­ mende Schad- oder Fremdstoffe, wie z. B. Mineralöle, und natür­ lich absinkende Schad- oder Fremdstoffe, wie z. B. chlorisierte Kohlenwasserstoffe, in konzentrierter Form abzuziehen und einer externen Aufbereitung zuzuführen. Mit der vorgeschlagenen Lö­ sung wird der kontaminierte Wasserstrom abschnittsweise oder in seinem gesamten Durchflußprofil erfaßt.

Die Erfindung vermag die hohen Aufbereitungseffekte der tradi­ tionellen Wasserbehandlung auf in situ-Verfahren zu übertragen, wobei eine einfache Steuerung und exakte Kontrolle der Prozesse möglich ist.

Um verunreinigtes Grundwasser mit bekannten Verfahren der Bo­ den- und Wasseraufbereitung zu behandeln, gibt es nach dem Stand der Technik folgende Verfahrensprinzipien:

• - Liquidation der Kontaminationsquelle durch Ausbaggern, Be­ handeln und Wiedereinbau des entsprechenden Bodens (on site- Behandlung), wie z. B. in DE 38 33 796-A1 oder EP 03 49 789-A1 beschrieben,
• - Absaugung von Bodenluft zur Extraktion leichtflüchtiger Schadstoffe aus dem Untergrund,
• - Abpumpen kontaminierten Wassers über Entnahmebrunnen und Be­ handlung in speziellen Anlagen und Re-Infiltration in den Grundwasserleiter oder Einspeisung in die Vorflut,
• - Aktivierung der biologischen Reaktionen direkt im Grundwas­ serleiter durch z. B. Nährstoffzugabe (in situ-Behandlung),
• - Absperrung oder Einkapselung des kontaminierten Bereiches bzw. Zugabe von Chemikalien in den Untergrund (DE 35 09 553-A1),
• - Aktivierung der natürlichen Kationenaustauschkapazität des Untergrundes durch Schaffung thermodynamischer Ungleichge­ wichtszustände (z. B. in situ-Enteisenung).

Bei den Techniken, die auf einem Aushub des Bodens beruhen, sind erhebliche Erdbau- und Transportleistungen nötig, die sehr hohe Aufwendungen (ökonomisch, technologisch und personell) er­ fordern. Das gilt auch bei einer Behandlung in unmittelbarer Nähe des Kontaminationsherdes. Außerdem kommt es in jedem Fall zu einer Störung der geohydraulischen und der biologischen Ver­ hältnisse im Grundwasserleiter. Ist der Boden thermisch regene­ riert worden, muß darüber hinaus von einer weitgehenden Abtö­ tung der natürlichen Mikrofauna ausgegangen werden.

Bei der Absaugung der Bodenluft mit dem Ziel, kontaminiertes Grundwasser zum Ausgasen zu zwingen, ist ein außerordentlich hoher Aufwand notwendig. Der Abbau der Kontamination erfordert einen erheblichen Zeitfonds. Trotz Abdeckung der Geländefläche gefährdet das Einsaugen von Luft aus der Atmosphäre immer wie­ der die Effektivität des Verfahrens.

Das Abpumpen kontaminierten Grundwassers ermöglicht sehr oft eine weitreichende Behandlung. Da aber eine Re-Infiltration im­ mer die Reinigung bis zur unbeeinflußten Grundwasserqualität zwingend voraussetzt, erfordert diese Methode in jedem Fall große und oft ökonomisch unvertretbare Aufwendungen. Für die Einleitung von dekontaminiertem Wasser in Oberflächengewässer bestehen die gleichen Restriktionen.

Bei einer in situ-Behandlung von verunreinigtem Grundwasser treten diese Nachteile nicht auf, da die Behandlung ohne Erdum­ lagerung direkt im Untergrund erfolgt bzw. die Notwendigkeit einer Re-Infiltration umgangen wird. Zur Stimulierung und Stei­ gerung der mikrobiologischen Abbauprozesse werden u. a. Nähr­ stoffe, Nährsalze und Sauerstoff gezielt in den Grundwasserlei­ ter infiltriert und die damit aktivierten Stoffwandlungspro­ zesse nach einer Fließstrecke bzw. Reaktionszeit über Pegel und Entnahmevorrichtungen kontrolliert. Erschwerend wirken bei al­ len in situ-Technologien, daß die hydraulischen, physikalisch- chemischen und biologischen Vorgänge im Untergrund bis heute nur schwer steuerbar sind, da hydrogeologische Anomalien, die bei den erforderlich langen Fließwegen immer wieder auftreten, die Stoffverteilung (Mischung von natürlichem Grundwasser und Infiltrat) erschweren. Die bekannten in situ-Verfahren, wie z. B. Denitrifikation oder Abbau organischer Belastungen, können deshalb nur auf Teilbehandlungseffekte orientierten. Für jeden Anwendungsfall müssen detaillierte Erkundungen durchgeführt werden, welche die Technologie teilweise sehr aufwendig machen. Trotz der großen Reaktionsräume, die bei diesen Verfahren genutzt werden, muß mit einer Kolmation des Porenraumes durch Gasbildung und Wachstum der Biomasse gerechnet werden. Besonders betroffen durch die Kolmation sind die Infiltrationseinrichtungen. Die Akkumulation von Schad­ stoffen und die Ablagerung der entstehenden Produkte im Unter­ grund bilden die Risiken der in situ-Behandlung, die die breite Anwendung der Verfahren bis heute entscheidend einschränken. Eine Wasserbehandlung in Gräben ist in US 4 473 477-A beschrieben.

Ziel der Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die in situ-Behandlung von Grundwässern bereitzustellen, bei welchem die Nachteile der bekannten Techniken zur Behandlung im Untergrund nicht auftre­ ten.

So sollen die Zugabe von Stoffen, der Stofftransport und die Stoffverteilung, die Aktivierung und Anreicherung von Biomasse und die Veränderung bestimmter Milieu-Bedingungen problemlos möglich, sowie die Gefahr einer Kontamination des betroffenen Un­ tergrundes ausgeschlossen sein. Die Kontamination soll in ihrem ganzen Ausmaß erfaßt und bei verhältnismäßig geringen Kosten vollständig und kontrolliert abgebaut werden.

Für eine in situ-Behandlung von Wässern im Untergrund ist es notwendig, über den Eintrag von Stoffen, die Schaffung geeigne­ ter Milieubedingungen für physikalische, chemische und biologi­ sche Reaktionen und/oder die Anreicherung von Mikroorganismen, die natürlichen Abbauvorgänge um ein Vielfaches zu beschleuni­ gen, zu steuern und zu kontrollieren. Die Kapazität dieses Ver­ fahrens ist jedoch begrenzt, da im Grundwasserleiter Transport- und Verteilungsprozesse stark eingeschränkt und auf einen be­ stimmten Bereich begrenzt sind. Außerdem kommt es durch die Produkte chemischer und biologischer Reaktionen, insbesondere durch Biomassewachstum und Gasbildung zu Verstopfungen der In­ filtrationseinrichtungen und des Porenraumes. Viele gebräuchli­ che Methoden der Wasserbehandlung wie beispielsweise das Strip­ pen leichtflüchtiger Verbindungen, die Immobilisierung von Bio­ masse und die Ölabscheidung, ließen sich bisher nicht anwenden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache Vorrichtung und ein einfaches Verfahren bereitzustellen, mit denen die großen Vorteile der in situ-Behandlung genutzt werden, ohne daß die bei den bisher bekannten üblichen Sanierungsverfahren auftretenden hemmenden Einflüsse wirksam werden können.

Erfindungsgemäß werden durch einen entsprechenden Aushub des Untergrundes eine oder mehrere feststofffreie Zonen vorzugs­ weise in Form von Gräben, aber durchaus auch in Form von Trich­ tern oder Gruben geschaffen, die bis in die Tiefe, in der sich die zu behandelnde Grundwasserschicht befindet, reichen und die in Strömungsrichtung des Grundwassers vor oder hinter dem Be­ handlungsort liegen. Die vertikalen Wände der feststofffreien Zone werden so durchlässig gestaltet, daß das kontaminierte Grundwasser frei in die Zone austreten kann, dort mit einer um das mehrfache reduzierten Geschwindigkeit die Einrichtung ho­ rizontal durchströmt und dann wieder in den Grundwasserleiter austreten kann, ohne daß die Vorrichtung als solche einen spürbaren hydraulischen Widerstand bildet. Diese Zonen werden vorzugs­ weise so angelegt, daß ihre Hauptdimension quer zur Grundwas­ serfließrichtung ausgerichtet ist und den Querschnitt des kon­ taminierten Grundwasserstromes teilweise oder ganz überdecken. Innerhalb der Vorrichtung bildet sich ein bis in die Höhe des Grund­ wasserspiegels reichender geschlossener Wasserkörper aus.

Damit wird es möglich, übliche Verfahren der Wasserbehandlung anzuwenden, die bei einer herkömmlichen in situ-Sanierung nicht oder nur in sehr begrenztem Umfang eingesetzt werden können. In Wasser aufschwimmende Verbindungen mit einer spezifischen Dichte kleiner als Eins, wie z. B. Mineralöle, können in konzentrierter Form durch Abpumpen oder Abschöpfen (Skinner) von der Oberfläche abgezogen und einer gesonderten Aufbereitung zugeführt werden. Umgekehrt lassen sich Verbindungen mit einer spezifischen Dichte größer als Eins konzentriert vom Grund der wassergefüllten Zone abziehen und speziell behandeln, da im feststofffreien Wasserkörper sich eine Dichteschichtung relativ leicht aufbauen läßt. Indem die Zone so angelegt wird, daß sie bis in die grundwasserstauende, undurchlässige Schicht hinein reicht, kann eine weitgehend sichere Rückhaltung und Konzentra­ tion aller im Verhältnis zu Wasser schwereren Verbindungen er­ reicht werden.

Darüber hinaus lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf verhältnismäßig einfache Weise günstige Bedingungen für einen weitgehenden Schadstoffabbau schaffen. So ist es möglich, durch die Zugabe von spezifischen Nährstoffen und Spurenelemen­ ten die Konzentration der Bakterien und anderen Mikroorganismen und damit die biologische Abbauleistung wesentlich zu steigern. Unter Einsatz üblicher Luft- oder Sauerstoffeintragssysteme kann das Wasser, als Voraussetzung für den besonders effektiven aeroben bakteriellen Abbau einer Vielzahl organischer Verbin­ dungen, mit Sauerstoff angereichert werden. Durch die Zugabe eines Wassers höherer Temperatur, z. B. eines Kühlwassers, las­ sen sich auch die wichtigen Einflußgrößen pH-Wert und Tempera­ tur verändern und das Milieu für die mikrobiologische Aktivität noch weiter verbessern. Nach dem beschriebenen Verfahren ist es auf einfache Weise möglich, die notwendige vollständige Ver­ mischung von schadstoffhaltigem Wasser, Mikroorganismen und do­ sierten Stoffen mit Hilfe einer Umwälzung des Wasserkörpers durch Pumpen oder Gaseintrag vorzunehmen. Das bedeutet, daß die Transport- und Verteilungsvorgänge, welche bei den bisher ge­ bräuchlichen Verfahren der biologischen Sanierung im Untergrund für die Begrenzung der Abbaugeschwindigkeit bzw. der Kapazität des Verfahrens verantwortlich sind, praktisch keinen Einfluß mehr haben. Unter günstigen Milieu- und Nährstoffbedingungen hängt damit die Abbaugeschwindigkeit für eine gegebene Konzen­ tration einer biologisch abbaubaren Verbindung nur noch von der Konzentration an aktiver Biomasse ab. Zur Leistungssteigerung biologischer Verfahren werden seit Jahren Aufwuchsträger zur Erhöhung der Konzentration an Mikroorganismen eingesetzt. Besonders günstig ist z. B. der Einsatz eines schwimmfähigen, körnigen Trägermaterials, welches leicht ein- und ausgebracht werden und mit einer entsprechenden Umwälzung in dem gesamten Wasservolu­ men vermischt werden kann. Die durch ständigen Zuwachs über­ schüssige Biomasse wird dabei durch hydraulische Turbulenz und mechanische Beanspruchung abgerieben und schwimmt auf oder setzt sich im Bodenbereich ab. Dieser Biomasseanteil trägt ebenfalls zum Schadstoffabbau bei, wenn er mit entsprechenden Einrichtungen von der Wasseroberfläche oder vom Grund und Sei­ tenwänden abgezogen wird. Bei Bedarf läßt sich darüber hinaus diskontinuierlich oder kontinuierlich ein Teil des Trägermate­ rials entnehmen, regenerieren und zurückführen.

Gezielt angeordnete Kontroll- und Probenahmeeinrichtungen er­ möglichen eine genaue Erfassung der Bedingungen des spezifi­ schen Milieus, der Abbaueffekte sowie der Roh- und Reinwasser­ qualität.

Die beschriebene Technologie kann mit der Schaffung von einer oder mehrerer, neben- oder hintereinander liegender erfindungs­ gemäßer Zonen und mit einer Behandlung des Wassers in diesen Zonen nach unterschiedlichen Methoden der Wasseraufbereitung verwirklicht werden.

Beispiel 1

Auf dem Gelände eines Betriebes der braunkohlenverarbeitenden Industrie sind durch unzureichende Sicherheitsmaßnahmen über mehrere Jahre Phenol und andere aromatische Verbindungen in den Untergrund gelangt. Über eine Reihe von Pegelrohren auf dem ausgedehnten Betriebsgelände wurden durchschnittlich folgende Konzentrationen an Wasserschadstoffen im Grundwasser ermittelt:

Phenol 1250 mg/l,
Benzin 12 mg/l,
Toluen 7 mg/l,
O-Kresol 27 mg/l,
m/p-Kresol 54 mg/l.

Nachdem die Infiltrationsquellen beseitigt sind, steht die Auf­ gabe, das kontaminierte Grundwasser zu sanieren. Damit soll insbesondere der ständige Eintrag der genannten Schadstoffe in einem 3 km entfernten Vorfluter, dessen Uferfiltrat im Unter­ lauf zu Trinkwasser aufbereitet wird, vollständig unterbunden werden. Der Grundwasserspiegel liegt in 2 m, der Grundwasser­ stauer in 6 m Tiefe. Die mittlere Fließgeschwindigkeit beträgt 1 m/d.

Zur Schadensbekämpfung wird entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung abstromseitig und quer zur Fließrichtung ein 550 m langer, über das gesamte Querschnittsprofil reichen­ der Graben von 6 m Tiefe und 1,4 m Breite ausgehoben. Nach dem Verbau beträgt die lichte Breite des entstandenen Grabens 1 m, so daß die Verweilzeit des Grundwassers in dieser feststoff­ freien Zone ca. 4 ... 5 d beträgt.

Als Nährstoffe für den mikrobiologischen Abbau wird dem System
Phosphor in Form von Phosphorsäure und
Stickstoff in Form von Ammoniakwasser
so zugegeben, daß das in der biologischen Abwasserbehandlung allgemeingültige Verhältnis zwischen BSB, Stickstoff und Phos­ phor von 100 : 5 : 1 eingestellt und aufrecht erhalten wird, bzw. daß eine Stickstoff- oder Phosphorlimitation des biologi­ schen Abbaus ausgeschlossen ist.

Die Aufrechterhaltung der aeroben Systembedingungen (< 1 mg O₂/l) im Graben wird durch eine Zwangsbelüftung erreicht. Sie besteht aus einem auf der Grabensohle installierten Verteiler­ leitung über die Druckluft eingetragen wird. Der Lufteintrag erwirkt die notwendige Turbulenz im Graben, die eine homogene Verteilung von Nährstoffen und Mikroorganismen sichert.

Der Behandlungseffekt der Erfindung wird durch Wassergüteüber­ wachungseinrichtungen, z. B. SGM-Systeme, die vor und hinter dem Graben installiert werden, überwacht. Der Abstand der Überwachungseinrichtungen muß größer 10 m betragen, damit die Festbettwirkung des Untergrundes in der Nachbehandlungsphase wirksam nachgewiesen werden kann.

Der Verbau des Grabens wird so gestaltet, daß die Grabenwand, über die das behandelte Wasser das System verläßt, mechanisch bzw. hydromechanisch regenerierbar ist.

Nach einer Einarbeitungszeit von 6 Wochen erreicht das System einen Eliminationsgrad von 90%.

Beispiel 2

Im Umfeld einer Tank- und Wartungsstation sind über Jahre Kraftstoffe und Öle völlig unkontrolliert im Boden versickert. Unter anderem handelt es sich dabei um verschiedene Benzine, die als Treibstoff sowie als Lösungs- und Extraktionsmittel für Fette und Harze verwendet wurden, sowie um Diesel- und Schmieröle. Nach dem Ende der Nutzung steht im Rahmen der Re­ kultivierung des in der Nähe eines Naturschutzgebietes gelege­ nen Gebietes die Aufgabe, das betroffene Grundwasser weitgehend zu dekontaminieren. Der Grundwasserspiegel befindet sich in ca. 6 m, der Grundwasserstauer in ca. 12 m Tiefe.

Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung wird etwa 3 km in Grundwasserfließrichtung von der In­ filtrationsstelle entfernt und quer zur Fließrichtung ein dop­ pelt schlitzwandgestützter Graben errichtet. Er ist 9 m tief und 140 m lang - seine lichte Weite beträgt 1,5 m. Die Anlage sei luftdicht abgedeckt und an eine Behandlungsanlage zur Sa­ nierung kontaminierter Gase angeschlossen. Diejenige Schlitz­ wand, durch die das die Zone durchströmende Wasser wieder aus­ tritt, ist im Bereich zwischen etwa 5 und 8 m Tiefe was­ serundurchlässig. Öle, Benzine und die anderen Verbindungen, welche sich aufgrund ihrer spezifischen Dichte bereits im Grundwasserleiter in der oberen Schicht anreichern, trennen sich während des Aufenthaltes in der Zone nahezu vollständig von Wasser ab und bilden zunächst einen Film, später eine geschlossene Schicht an der Wasseroberfläche aus. Das Abziehen der aufgeschwommenen Schadstoffe erfolgt durch Skinner, z. B. bei öligem Material, oder durch spezielle Pumpen. Das flüssige Schadstoffmaterial wird einer gesonderten Aufbereitung zuge­ führt bzw. zur Entsorgung abtansportiert.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur in situ-Behandlung verunreinigter Grundwässer mit folgenden Merkmalen,

• - vor und/oder hinter dem kontaminierten Bereich in Fließrichtung sind eine oder mehrere schlitzförmige Zonen im Untergrund angeordnet,
• - diese sind feststofffrei,
• - sie reichen in den Grundwasserleiter oder -stauer hinein,
• - ihre Hauptdimension ist quer zur Grundwasserfließrichtung ausgerichtet,
• - sie überdecken den Querschnitt des kontaminierten Bereiches teilweise oder ganz,
• - die senkrechten oder schrägen Wände der schlitzförmigen Zonen sind stabil und wasserdurchlässig gegen den umgebenden natürlichen Untergrund verbaut.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststofffreien Zonen mit Vorrichtungen zur Belüftung und/oder zur Umwälzung des Wassers und Kontrolleinrichtungen ausgerüstet sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feststofffreien Zonen Vorrichtungen zum Stoffein- und/oder -austrag besitzen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feststofffreien Zonen luftdicht abgedeckt sind und mit einer Gasentnahmevorrichtung ausgerüstet sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserdurchlässige Wand an der Ausflußseite in der Höhe abschnittsweise abgedichtet ausgeführt ist.

6. Verfahren zur in situ-Behandlung verunreinigter Grundwässer mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser in den schlitzförmigen Zonen behandelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserschadstoffe infolge von Gaseintrag ausgestrippt werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß flüssige Wasserschadstoffe mit einer Dichte kleiner als 1 behandelt werden und die aufschwimmenden Schad- oder Fremdstoffe in konzentrierter Form von der Wasseroberfläche abgezogen und einer gesonderten Behandlung zugeführt werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß flüssige und/oder feste Wasserschadstoffe mit einer Dichte größer als 1 behandelt werden und die absinkenden Schad- oder Fremdstoffe in konzentrierter Form vom Boden der feststofffreien wassergefüllten Zone abgezogen und einer gesonderten Behandlung zugeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 6 zur biologischen Behandlung des Wassers, dadurch gekennzeichnet, daß die natürlich vorkommenden Mikroorganismen durch die Änderung des Milieus, wie Sauerstoffeintrag und/oder Zugabe von Nährstoffen und/oder von zusätzlichen Mikroorganismen, und/oder durch Zugabe von Trägermaterial für den Aufwuchs von Mikroorganismen für den Abbau von Wasserschadstoffen aktiviert und konzentriert und durch entsprechende Einrichtungen innerhalb des Flüssigkeitsvolumens vermischt werden.