DE4231363A1 - Verfahren zur Bildung einer temporären Grundwasserdichtwand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer tem­ porären Grundwasserdichtwand.

Die Bildung derartiger Grundwasserdichtwände ist dann er­ forderlich, wenn die Grundwassergängigkeit bzw. die Grund­ wasserdurchlässigkeit in lokal begrenzten Zonen im Unter­ grund verringert werden soll, um z. B. in den Untergrund ge­ langte Schadstoffe zurückzuhalten.

Derartige Grundwasserdichtwände werden bei der hydrauli­ schen in situ-Sanierung von Altlasten benötigt, die häufig mit einer on-site-Reinigung der wäßrigen Phase (des Grund­ wassers) erfolgt.

Eine existente Überbauung stellt ein Hauptproblem bei einer beabsichtigten in situ-Sanierung einer Altlast dar, spezi­ ell im Zusammenhang mit der Sanierung eventuell kontami­ nierter Bereiche der ungesättigten Bodenzone. Das hierzu notwendige Herausspülen der Schadstoffe aus dem wasserunge­ sättigten Bereich ist mit Infiltrationspraktiken von der Erdoberfläche bei vorhandener Überbauung oft nur einge­ schränkt oder überhaupt nicht möglich. Hier bietet sich un­ ter bestimmten Voraussetzungen die Alternative des "lea­ ching" durch Grundwasseranstau an, sofern die Schadstoffe der ungesättigten Bodenzone durch die Anstaumaßnahmen zu erreichen sind, die wiederum Grundwasserdichtwände erfor­ dert.

Bekannte Grundwasserdichtwände werden durch Einbringen künstlicher Folien oder durch dichte Beton- oder Stahlwände erreicht. Diese bekannten Maßnahmen sind stets kosteninten­ siv und stehen deshalb häufig nicht in einem vertretbaren Verhältnis zu dem propagierten Zweck. Die bekannten Maßnah­ men führen darüber hinaus in der Regel zu einer unerwünsch­ ten bleibenden Beeinflussung der Grundwassergängigkeit im Untergrund.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgegenüber darin, ein Verfahren zur Bildung einer temporären Grund­ wasserdichtwand anzugeben, das wesentlich geringere Kosten verursacht und das es ermöglicht, ohne oder mit nur gerin­ gen zusätzlichen Kosten die Grundwasserdichtwand wieder ab­ zubauen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Grundwasser der Anteil an Fe^II und/oder Mn^IV auf 10 mg/l Wasser, ein pH-Wert zwischen 5 und 9 und ein Redoxpotential Eh zwischen -0,1 und +1,2 mV eingestellt werden und daß zur Oxidation von Fe²⁺ → Fe³⁺ und Mn^III → Mn^IV und damit zum Zuwachsen der Bodenporen zu einer Grundwasserdichtwand durch aerobe Milieubedingungen infolge Eintrag von Luft und/oder Reinsauerstoff und/oder H₂O₂ herbeigeführt werden.

Bei anaeroben Verhältnissen liegen im kontaminierten Grund­ wasserleiter im Grundwasser Eisen gelöst in 2wertiger Form und Mangan gelöst in 3wertiger Form vor. Durch Sauerstoff­ zugabe wird dieses 2wertige Eisen zu 3wertigem Eisen oxi­ diert, welches ausfällt und somit die Durchlässigkeit des Grundwasserleiters in Abhängigkeit von den Fe-Gehalten und der Korngrößenverteilung verringert.

Freisetzung und der Gehalt von Eisen in natürlichen Wässern ist das Ergebnis chemischer Gleichgewichte, die Oxidation und Reduktion, Lösung und Fällung von Hydroxiden, Carbona­ ten und Sulfiden, Bildung organischer Komplexe und vor al­ lem biologische Stoffwechselvorgänge einschließen. Das Zu­ sammenwirken von pH-Wert, Redoxpotential Eh und der gelö­ sten CO2- und Schwefelspezies kann durch Stabilitätsfeld­ diagramme verdeutlicht werden.

Löslichkeitsdiagramme zeigen, daß geringe Eh- oder pH-Ver­ schiebungen die Eisenlöslichkeit verändern. Innerhalb des üblichen pH-Bereichs in Grundwässern zwischen 5 und 9 ist bei einem verhältnismäßig niedrigen Eh von unter +20 mV und über -0,10 mV relativ viel zweiwertiges Eisen gelöst. Schließlich kann in einem definierten Eh-Bereich die Eisen­ löslichkeit durch die Ausfällung von Eisencarbonat bestimmt sein, wobei die Eisenlöslichkeit dann nur noch vom pH-Wert und der Menge an gelösten CO2-Spezies abhängt. Bei Zustritt von Luftsauerstoff steigt jedoch das Eh und das Eisen wird oxidiert und als Fe-III-hydroxid ausgefällt.

In den meisten sauerstoffhaltigen Grundwässern ist Eisen nicht oder allenfalls in Spuren nachweisbar. In "reduzier­ ten" Grundwässern kommen häufig Werte zwischen 1 und 10 mg Fe²⁺/l vor, wobei die Gehalte sich örtlich und zeitlich sehr ändern können. Für die Ausbildung von Verdichtungszo­ nen müssen konstante Verhältnisse eingestellt und die Ei­ sengehalte erhöht werden.

Neben Eisen liegt auch Mangan im Untergrund vor. Beide Stoffe sind dabei insbesondere in weitgehend unlöslichen Fe^III- und Mn^III- bzw. Mn^IV-Verbindungen vorhanden. Ihre unter Beteiligung von Mikroorganismen sich vollziehende Um­ wandlung in die lösliche 2wertige Form erfordert die Ge­ genwart von organischen Stoffen und Nährstoffen, die den Mikroorganismen als Nahrungs- und Energiequelle dienen. Die Sauerstoffzehrung bei ihrer Zersetzung erzeugt das für die Eisen- und Mangan-Lösung günstige reduzierende Milieu. Un­ ter günstigen Nährstoffverhältnissen für eine hohe Mikro­ ben-Population (bis ca. 50 Millionen Keime/g Untergrundma­ terial) und entsprechenden Eh- und pH-Werten können so ört­ lich hohe Eisenkonzentrationen hervorgerufen werden. Die mikrobielle Oxidation wird vor allem durch Vertreter der Gattungen Ferrobacillus (Ferrobacillus ferrooxidans), Cre­ nothrix und Gallionella (Gallionella ferruginea) vollzogen, die als chemoautotrophe Bakterien die Energie für die Assi­ milation aus dem Oxidationsvorgang gewinnen.

Bemerkenswert ist, daß schwefeloxidierende Bakterien (Thiobacilllus thiooxydans, Thiobacillus ferrooxidans) bei der Oxidation von Eisensulfiden durch Bildung von Eisensul­ fat und Schwefelsäure zur Lösung von Eisen beitragen, so daß mikrobieller Abbau zur Eisenlösung führt.

Die Oxidation von 2wertigem zu 3- und 4wertigem Mangan kann chemisch-physikalisch durch den Luftsauerstoff bei pH- Werten < 7,5 außerdem adsorptiv katalytisch erfolgen. Bei der biologischen Oxidation sind Diatomeen, Flagellaten, Pilze und Schizomyceten beteiligt.

Massenentwicklungen von Eisen- und Mangan-Bakterien werden vor allem bei Redoxpotentialen über -10 ±20 mV durch Ei­ sen-II-Gehalte über 0,2-0,5 mg/l im Bereich der erhöhten Anströmungsgeschwindigkeit begünstigt.

Gemäß einem weiteren Vorschlag kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, daß zur Reduktion von Fe³⁺ → Fe²⁺ und Mn^IV → Mn^III und damit zur Auflösung der durch Zuwachsen der Bodenporen künstlich gebildeten Verdichtungs­ zone anaerobe Milieubedingungen durch Luftentzug herbeige­ führt werden. Auf diese Weise kann die Rückbildung der künstlich unter aeroben Bedingungen erzeugten Grundwasser­ dichtwand beschleunigt durch diese anaeroben Milieubedin­ gungen herbeigeführt werden. Eine solche Rückbildung würde auch ohne gezielte Maßnahmen sich einstellen, dann aber einen erheblich größeren Zeitraum erfordern.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt sein, daß O₂-gesättigtes oder -übersättigtes zu rein­ filtrierendes Grundwasser zur Förderung der aeroben Milieu­ bedingungen eingebracht wird. Die Verwendung von Grundwas­ ser erleichtert und verbilligt die Durchführung des Verfah­ rens.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß Fe²⁺-Ionen und/oder Mn-Verbindungen in das Was­ ser eingebracht werden, wenn die natürlichen Gehalte hier­ von im Grundwasser nicht ausreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, daß ein pH-Wert zwischen 5 und 9 und ein Redoxpo­ tential Eh zwischen -0,10 und +0,20 mV eingestellt wird. Bei diesem relativ geringen Redoxpotential lädt sich beson­ ders schnell eine Rückführung einer erfindungsgemäß aufge­ bauten Grundwasserdichtwand herbeiführen. Das Redoxpoten­ tial wird durch organische Stoffe und Nährstoffe gezielt erzeugt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, daß das Eintragen von Luft und/oder Reinsauerstoff sowie von Wasser, Fe²⁺ und Mn-Verbindungen sowie das Abziehen von Luft über auf Abstand in den Boden eingebrachte Lanzen er­ folgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, daß durch Infiltrationslanzen eine Aufhöhung des Grundwas­ serspiegels erzeugt wird und dadurch auch im ungesättigten Bodenbereich oberhalb des natürlichen Grundwasserspiegels eine Verdichtungswand aufgebaut wird.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausge­ führt werden, daß mittels mindestens eines Entnahmebrunnens der Grundwasserspiegel zur Erzielung eines Auswascheffekts mehrmals abgesenkt und angehoben wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dazu benutzt werden, eine künstlich erzeugte Verockerungszone als Grundwasser­ stauer in Form einer Dichtwand zu bilden. Dadurch kann die Ausbreitung von Schadstoffen im Grundwasser und die Einkap­ selung von mit Schadstoffen belasteten Bodenbereichen er­ reicht werden.

Eine temporäre Grundwasserdichtwand im Untergrund zwecks Grundwasseranstau zu leaching-Zwecken bzw. Schadstoffreten­ tion kann nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Verfahrens so aufgebaut werden:

In situ gereinigtes Grundwasser wird im Bereich der geplan­ ten Grundwasserdichtungswand außerhalb des zu sanierenden Bereichs in den Grundwasserabstrom reinfiltriert. Dabei wird O₂ in Form von Luftsauerstoff, Reinsauerstoff und/oder H₂O₂ zudosiert. Wenn der Fe- und Mn-Gehalt insgesamt unter 10 mg/l Wasser im Grundwasserstrom liegt, dann wird eben­ falls Fe und/oder Mn vor der Reinfiltration zudosiert. Durch die Förder- und Infiltrationsmengen, die Förderinter­ valle, die Absinktiefen, die Höhe der Sauerstoffzudosie­ rung, die Höhe der Fe- und Mn-Dosierung und den Abstand von Infiltrationslanzen läßt sich eine mehr oder minder durch Versinterungseffekte verdichtete Grundwasserdichtwand er­ richten, die den natürlichen Grundwasserabfluß behindert und demzufolge zu einem Grundwasseranstau führt.

Infiltrationswasser kann auch durch Verrieselung an ge­ eigneten Stellen im Grundwasserstrom zu einem weiteren Be­ schleunigen des Anstaueffektes eingesetzt werden. Voraus­ setzung für die Installation einer künstlichen Grundwasser­ dichtwand ist, daß die geologisch-hydrogeologischen Unter­ grundverhältnisse geeignet sind, daß insbesondere ein rela­ tiv homogener Aufbau vorliegt. Darüberhinaus ist eine ge­ eignete Korngrößenverteilung und in Abhängigkeit davon eine geeignete Kornoberfläche sowie ein geeigneter kF-Wert er­ forderlich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein begrenzter Un­ tergrundbereich abgeschottet werden, indem in Abstand von­ einander Lanzen in den Untergrund eingebracht werden, die in ihrem unteren Bereich bis an eine Sperrschicht heranrei­ chen. Durch diese Lanzen kann nun Wasser mit Zudosierung von O₂ und Fe und/oder Mn zugeführt werden. Auf diese Weise kann dann eine Wannenform aufgebaut werden, deren Boden von einer ursprünglichen Sperrschicht gebildet wird, während die Wände nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebaut sind.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bildung einer temporären Grundwas­ serdichtwand, dadurch gekennzeichnet, daß im Grundwasser der Anteil an Fe^II und/oder Mn^IV auf 10 mg/l Wasser, ein pH-Wert zwischen 5 und 9 und ein Redoxpotential Eh zwischen -0,1 und +1,2 mV eingestellt werden und daß zur Oxidation von Fe²⁺ → Fe³⁺ und Mn^III → Mn^IV und damit zum Zuwachsen der Bodenporen zu einer Grundwasserdichtwand durch aerobe Milieubedingungen infolge Eintrag von Luft und/oder Rein­ sauerstoff und/oder H₂O₂ herbeigeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Reduktion von Fe³⁺ → Fe²⁺ und Mn^IV → Mn^III und damit zur Auflösung der durch Zuwachsen der Bodenporen künstlich gebildeten Verdichtungszone anaerobe Milieubedin­ gungen durch Luftentzug herbeigeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß O₂-gesättigtes oder -übersättigtes zu rein­ filtrierendes Grundwasser zur Förderung der aeroben Milieu­ bedingungen eingebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß Fe²⁺-Ionen und/oder Mn- Verbindungen in das Wasser eingebracht werden, wenn die na­ türlichen Gehalte hiervon im Grundwasser nicht ausreichen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ein pH-Wert zwischen 5 und 9 und ein Redoxpotential Eh zwischen -0,10 und +0,20 mV eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintragen von Luft und/oder Reinsauerstoff sowie von Wasser, Fe²⁺ und Mn-Ver­ bindungen sowie das Abziehen von Luft über auf Abstand in den Boden eingebrachte Lanzen erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß durch Infiltrationslanzen eine Aufhöhung des Grundwasserspiegels erzeugt wird und da­ durch auch im ungesättigten Bodenbereich oberhalb des na­ türlichen Grundwasserspiegels eine Verdichtungswand aufge­ baut wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß mittels mindestens eines Entnahmebrunnens der Grundwasserspiegel zur Erzielung eines Auswascheffekts mehrmals abgesenkt und angehoben wird.