CKW-Sanierung im geklüfteten Festgestein:Thermische In-situ-Sanierung mit Dampf-Luft-Injektion
- Ergebnisse einer Pilotanwendung -
Strategien zu Boden- und Grundwassersanierung, 23. – 24.11.2009, DECHEMA, FrankfurtVEGAS
Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung
Oliver Trötschler1, Hans-Peter Koschitzky1
Bernd Lidola2, Michaela Epp2, Stefan Schulze3
Holger Weiß4, Martin Bittens4
1 VEGAS, Versuchseinrichtung zur Grundwasser-und Altlastensanierung, Universität Stuttgart
2 Stadtbauamt Villingen-Schwenningen3 GEOsens, Ingenieurpartnerschaft, Ebringen
4 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung
Thermische In-situ-Sanierung im Kluftsandstein mit Dampf-Luft-Injektion - Ergebnisse einer Pilotsanierung - 2
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Historie und SU: Standort Biswurm
ehemalige Städtische Verbrennungsanlage (1960-1974) mit Lager- und Verbrennungsbecken➨ Leckagen von CKW, AKW und MKW in ungesättigte Zone und
Grundwasser, Verdacht auf freie organische Phase
SU 2004-2007: Bestimmung Ausmaß der Kontamination und Nachweis pneumatischer und hydraulischer Sanierungsmöglichkeiten (Grundwasserreinigungsanlage mit P&T, BLA, ML-PV) GEOsens, 2007:
➨ zwei Aquiferstockwerke und UZ betroffen:10 – 100 to CKW, 5 - 50 to AKW und MKW
➨ Sanierungspflicht nach BBodSchV➨ Vorschlag zum Einsatz innovativer In-situ-Sanierungsverfahren
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Schadenssituation
Schadensbild 2007 / 2009
➨ ca. 2800 m² Kernbereich (Schadensquelle) bis 40 m Mächtigkeit
➨ CKW bis 40 mg/L im Grundwasser, bis 3000 mg/m3 in der Bodenluft
➨ Länge Schadstofffahne unbekannt,mind. 1 ha Fläche kontaminiertesGrundwasser
➨ Schadstoffe mit hohem Potenzial in UZund geringerem Potenzial in gesättigter Zone
0 20 40 60 80 100
Stichtag: 06.03.2009
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Motivation: Sanierungsplanung Standort Biswurm
Dampf-Luft-Injektion
Air-Sparging
Komplexer, geklüfteter Festgesteinsaquifer
oberer Plattensand-stein-Aquifermit Tonsteinbasis
unterer Kristallsand-stein-Aquifermit Granitbasis
Dampf-Luft-Injektion- Reichweite und
pneumatische Kontrolle
- Steigerung AustragFeasibility und
Kostenschätzung Sanierung Schadenszentrum
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Planung und Durchführung der thermischen Pilotsanierung und der Eignungstests zum Einsatz von ISCO durch VEGAS
Finanzierung der Bohrmaßnahmen, Verbrauchsstoffen und Energiekosten durch die Stadt Villingen-Schwenningen (Stadtbauamt)
Finanzierung des Anlagenbetriebs und Eigentümer von MOSAM: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ, Leipzig
Fachtechnische Betreuung und Monitoring, Sanierungsplan: Ingenieurpartnerschaft GEOsens
Finanzielle Förderung und fachtechnische Unterstützung: RP Freiburg und LUBW
Einsatz thermischer In-situ-Verfahren (MOSAM) zur partiellen Quellensanierung im Rahmen von SAFIRA II
Aufgabenverteilung Pilotanwendung Dampf-Luft-Injektion
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Pilotanwendung DLI im Rahmen der Sanierungsplanung mit laufenderGrundwassersicherung untergliedert sich in mehrere Phasen (ca. 7 Monate):
Phase 1: Bodenluftabsaugung (BLA) und Grundwasserhaltung, 2 WochenSchadstoffpotential ungesättigte Zone
Phase 2: BLA, Grundwasserhaltung und Air-Sparging, 4 WochenUntersuchung pneumatische Kontrolle (Gastracer) und Effizienz Air-Sparging
Phase 3: Dampf-Luft-Injektion: Start: 16.04.2009 (ca. 19 Wochen)auf 3 Ebenen in serieller Zuschaltung, Reichweitenbestimmung, Nachweis Sanierung GW und UZ im Pilotfeld
Phase 4: Abkühlungsphase, ca. 4 WochenAbschluss und „Sanierungskontrolle“
Pilotanwendung Dampf-Luft-Injektion Biswurm
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Ausstattung Pilotfeld Biswurm
Lageplan12 m Durchmesser,20 m Tiefe,2000 m³ Kluftgesteinmit 100 kW Injektionsleistung
1 Injektionsbrunnen I1 4 Extraktionsbrunnen
E1, E2, D2, GW8 11 Temperatur-
messlanzen T1 - T11117 Temperatur-Fühler8 geo-elektrische
Sonden (Tom)
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D2
E1
E2
GW8
I1
DLI am 19.06.09
Eindrücke vom Testfeld
Inbetriebnahme 26.02.2009
B1B2
B3
GW
GW 8
D2
I1
E2
T1
T2T3
T4
T5
T6
T9
T8
E1T10
T7
T11b
om8
Tom5
Tom6
Tom2
Tom3Tom4 T11a
Tom1
ca. 7 m
GW8
I1 D2E1
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Geologie und thermische Erschließung
Phase 3.1 -3.4
Phase 3.2 -3.4
Phase 3.3 -3.4
Vorlage GEOsens (2007) ©
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Wärmeausbreitung
-20
-15
-10
-5
0
0 2 4 60246810
XY
Z
tem perature100959085807570656055504540353025201510
E 1I1E 2 G W 81 6 8 0 h
-20
-15
-10
-5
0
0 2 4 60246810
e
E 1I1E 2 G W 84 8 h
-20
-15
-10
-5
0
0 2 4 60246810
XY
Z
tem perature100959085807570656055504540353025201510
E 1I1E 2 G W 86 0 0 h
-20
-15
-10
-5
0
0 2 4 60246810
e
E 1I1E 2 G W 81 0 3 2 h
2 Tage DLI 25 Tage DLI
43 Tage 70 Tage DLI
tem p100959085807570656055504540353025201510
Temp. [°C]
B1B2
B3
GW
GW 8
D2
I1
E2
T1
T2T3
T4
T5
T6
T9
T8
E1T10
T7
T11b
om8
Tom5
Tom6
Tom2
Tom3Tom4 T11a
Tom1
ca. 7 m
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Wärmeausbreitung
-20
-15
-10
-5
0
0 2 4 60246810
XY
Z
tem peratu re100959085807570656055504540353025201510
E 1I1E 2 G W 83 1 2 0 h
-20
-15
-10
-5
0
0 2 4 60246810
E 1I1E 2 G W 82 6 1 6 h
-20
-15
-10
-5
0
0 2 4 60246810
XY
Z
tem peratu re100959085807570656055504540353025201510
E 1I1E 2 G W 82 4 7 2 h
-20
-15
-10
-5
0
0 2 4 60246810
e
E 1I1E 2 G W 82 1 6 0 h 90 Tage DLI 103 Tage DLI
131 Tage DLI
tem100959085807570656055504540353025201510
Temp. [°C]
109 Tage
Thermische Reichweite an Aquiferbasis:2 – 3 m Radius
Thermische Reichweite GW-Höhe und UZ: größer 5 m Radius
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Schadstoffaustrag Bodenluft
0
1
2
3
4
5
6
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105
112
119
126
133
140
147
154
161
168
175
182
189
196
203
210
Zeit [d]
Kon
zent
ratio
n C
KW
B
oden
luftp
egel
[g/m
³]
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.3006.03.09 20.03.09 03.04.09 17.04.09 01.05.09 15.05.09 29.05.09 12.06.09 26.06.09 10.07.09 24.07.09 07.08.09 21.08.09 04.09.09 18.09.09 02.10.09
Kon
zent
ratio
n B
TEX
Bod
enlu
ftpeg
el [g
/m³]
CKW (g/m³) BTEX (g/m³)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105
112
119
126
133
140
147
154
161
168
175
182
189
196
203
210
Zeit [d]
Aus
trag
CKW
[k
g/d]
0
70
140
210
280
350
420
490
56006.03. 09 20.03. 09 03.04. 09 17.04. 09 01.05. 09 15.05. 09 29.05. 09 12.06. 09 26.06. 09 10.07. 09 24.07. 09 07.08. 09 21.08. 09 04.09. 09 18.09. 09 02.10. 09
Aus
trag
CK
W, B
TEX
[k
g]
Austrag CKW (BLA) (kg/d)
Summe CKW (kg)
Summe BTEX (kg)
BLA kaltPhase 1
AbkühlungPhase 4
DLI (u)Phase 3.1
DLI (u+m)Phase 3.2
DLI (m+o+(u))Phase 3.3
DLI (u+m+(o))Phase 3.4
AS (u)Ph. 2.1
AS (u+m)Phase 2.2
Hohes Schadstoff-potenzial GW-Wechsel und UZ
Air-Sparging mit zeitlich limitierter, hoher Austrags-leistung
Höchste Austrags-leistungen DLI auf GW-Höhe und in UZ
CKW-Gehalt um Faktor 15 reduziert © VEGAS
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Entwicklung CKW-Gehalte Grundwassersanierung
Rückgang an E1 (Abstrom Pilotfläche) auf 100 µg/l
Kein Rebound-Effekt
Emission Schadensherd bei 1,1 kg CKW je Monat
CKW-Austrag über GW „nur“6% des Gesamt-austrags
10
100
1000
10000
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105
112
119
126
133
140
147
154
161
168
175
182
189
196
203
210
217
224
Zeit (d)
Sum
me
CK
W E
inze
l-br
unne
n (µ
g/l)
1
10
100
1000
Aust
rag
[kg]
und
R
ate
[kg/
Mon
at]
E1, CKW GW10 smk, CKW GW sos, CKWGW-Austrag [kg CKW] GW-Austragsrate CKW [kg/Monat]
BLA kaltPhase 1
AbkühlungPhase 4
DLI (u)Phase 3.1
DLI (u+m)Phase 3.2
DLI (m+o+(u))Phase 3.3
DLI (u+m+(o))Phase 3.4
AS (u)Ph. 2.1
AS (u+m)Phase 2.2
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34/47/5463/61/8654/56/8049/41/3542/19/14(9,5)--Temp im Aquiferbereich der Injektion [°C] I1u/I1m/I1o
4571653924999Temp. Sanierungsfeld [°C]
1,93,68,55,62,13,51,57,5Austrag CKW (GW) [kg]
0,040,61,30,50,90,80,22,1Ges.Austrag BTEX (BLA [kg])
0,73,43,51,82,53,5 1,91,92,8 1,1Austrag CKW (BLA) [kg/d]
191081844554521649Austrag CKW (BLA) [kg]
-55/28/1821/47/2942/41/-43/-/----In I1u / I1m /I1o [kW]
-102958343---Ges. Dampfleistung [kW]
27,029,620,114,09,715,99,2-Luftmenge (Sparging) [kg/h]
140123805984956397BLA Brunnen [kg/h]
0,50,40,50,60,81,00,91,0 ab 20.03.2009
GW-Förderung E1 [m³/h]
Abkühlung, Rebound-Effekte ? Rest-belastung?
DLI, Reich-weite, Injek-tion UZ, GW-Höhe u. Aquifersohle
DLI, Reich-weiten, Injek-tion UZ, GW-Höhe u. Aquifersohle
DLI, Reich-weite, Injek-tion auf GW-Höhe u. Aquifersohle
DLI, Reich-weite, Injek-tion auf Aqui-fersohle
Air-Sparging GW-Wech-selbereich
Air-Aparging, Nachweis pneumat. Sicherung
Hintergrund-belastung,Effizienz„kalte“ BLA
Ziele
293252252215817Dauer [d]
25.08.09 –23.09.09
24.07.09 –25.08.09
02.06.09 –24.07.09
08.05.09 -02.06.09
16.04.09 -08.05.09
01.04.09 -16.04.09
24.03.09 -01.04.09
06.03.09 -24.03.09
Beginn / Ende
43.43.33.23.12.22.11Phase
Ergebnisüberblick aller Versuchsphasen
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Vergleich der Sanierungstechniken während Pilotanwendung
Grundwassersanierung, bzw. -sicherung nicht ökonomisch aufgrund geringer Austragsrate
Air-Sparging für gesättigte Zone als ökonomische Alternative mit Einschränkung DLI (GWW+UZ) = wirtschaftlich BLA um 15% teurer als DLI
54
803
1278
694
402
1 816
393
235 199274
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Grundwasser-sanierung
DLI gesättigte Zone+
GW-Haltung an E1
DLI GW-Wechsel +UZ +
GW-Haltung an E1
Air-Sparging + GW-Haltung an E1
Bodenluftabsaugung+
GW-Haltung an E1
spez
. Kos
ten
(EU
R je
kg
CK
W)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Aus
trag
(kg
CKW
p.a
.)
Prognose Austrag (kg LHKW/a)Kosten netto €/kg LHKWtest
© VEGAS
VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung
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Zusammenfassung (I)
Eignung der thermischen In-situ-Sanierung mit DLI für den vorliegenden oberen Kluftaquifer (Plattensandstein) wurde bestätigt
Steigerung des Schadstoffaustrags um einen Faktor 2 – 5 im Vergleich zum Air-Sparging, bzw. zur „kalten“ Bodenluftabsaugung
Dampfausbreitung auf Höhe der Aquiferbasis mit 4 – 6 m Durchmesser fiel deutlich geringer aus als für die oberen Bereiche
Im oberen Aquifer und in der ungesättigten Zone thermische Reichweite von mehr als 10 m Durchmesser möglich
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Zusammenfassung (II)
Sanierungsplanung für eine thermische Sanierung des oberen Grundwasserbereichs und der ungesättigten Zone mittels DLI für eine Fläche von ca. 2.800 m² und einer Mächtigkeit von 15 m:Kostenrahmen für ca. 80.000 to Festgestein:2,6 Mio. EUR in 3 Jahren Betriebszeit
Kostenparität der DLI mit der Grundwassersicherungnach 20 – 25 Jahren Betriebsdauer
Geschätzte Betriebsdauer Grundwassersicherung länger als 100 Jahre Im oberen Plattensandsteinaquifer kann eine kosten- und zeiteffiziente
Thermische Sanierung erfolgen Aus Kosten-Nutzen Erwägungen keine Empfehlung für DLI im unteren
Aquiferbereich, wenngleich dies technisch möglich ist
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http://www.vegasinfo.deDipl.-Ing. (FH) Oliver Trötschler, BetriebsingenieurVEGAS, Versuchseinrichtung zur Grundwasser-und Altlastensanierung, Universität StuttgartPfaffenwaldring 61, 70569 StuttgartTel.: 0711 685-67021, Fax: 0711 685-67020
Zum guten Schluss