Hans-Peter KoschitzkyOliver Trötschler et al.

Erfahrungen und Lehren aus fast 20 Jahren thermischer In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und AltlastensanierungInstitut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Universität Stuttgartvegas@iws.uni-stuttgart.de; www.vegas.uni-stuttgart.de

Altlastensymposium 2017

05. & 06. Juli 2017, Nürnberg

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

© VEGAS

Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Was können Sie erwarten

Thermische In-Situ-Sanierungsverfahren, TIsS

Technologietransfer / Fallbeispiele der letzten 20 Jahre

Ehemalige chemische Reinigung – innenstädtisch,

Pilotierung und Sanierung „Karlsruhe Durlach“, CKW

Ehemaliges Industriegelände Standort Zeitz: Ehemalige

Benzolanlage – Pilotanwendung, Benzol

Ehemalige Verbrennungsanlage Biswurm – CKW im

Kluftgestein, Pilotierung und Sanierung

„Lessons learned“

Stand der Entwicklungen - Ausblick

Kos2

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

TIsS: Dampf-Luft-Injektion, DLI (konvektiv)

Kos3

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Einsatzbereiche Dampf-Luft-Injektion

EinsatzbereicheDNAPL und LNAPL, leicht- und mittelflüchtig,

Siedetemperaturen < 180°CUZ: Lockergestein mit mittlerer bis guter Durchlässigkeit

(Schluff Kies)GZ: Porengrundwasserleiter (Sand bis Schluff)

mit kf: 2 x 10-5 bis 5 x 10-4 m/sThermische Reichweite GZ Dampfausbreitung: > 3 - 5 m Radius (mit 150 kg/h

Sattdampf) anisotrope Schichtung vorteilhaftBesonderheiten Simultane Sanierung GZ und UZ, max. Temperatur 100 OC Schneller, hoher Energieeintrag (konvektiv)

online Überwachung erforderlich Sanierungssteuerung angepasst an

Temperaturverlauf und Schadstoffaustrag Mögliche Gefügeveränderungen bei stark

organhaltige Böden (Torflagen) Setzungen?

Kos4

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Feste Wärmequellen Verfahrensprinzip (konduktiv)

Kos5

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Einsatzbereiche Feste Wärmequellen

EinsatzbereicheDNAPL und LNAPL, leicht- und schwerflüchtig,

Siedetemperaturen < 250°C (?)UZ: gering durchlässige Bodenschichten

(Feinsedimente, Schluffe, Tone, Lehm, Durchlässigkeiten: bis 10-9 m/s

GZ: unter best. Bedingungen möglich, durch Großversuche Eignung nachgewiesen

Thermische Reichweite GZ Abstand der Heizelemente im m-Bereich (Standort- und projektabhängig)

Besonderheiten Langsamer Energieeintrag (konduktiv)

Temp. > 100 OC erst nach vollständiger Verdampfung des Wassers im Boden

Nach Austrocknung erhöht sich die Durchlässigkeit für BLA deutlich

Mögliche Setzungen (Tonlagen) beachten

Geringerer Betriebs- und Wartungsaufwand

Kombination mit DLI kann sinnvoll sein

Kos6

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

TIsS, Dampf-Luft-Injektion: von der Forschung zur Anwendung

Jahr Standort Geologie/Hydrogeologie Schad‐stoff

Beschreibung / Besonderheiten

1998Pilot

Plauen ehem. Benzol‐Verladestation

(UZ), sandiger Schluff, ‐2,5 bis ‐4,5 m über kiesig/sandigem GWL 

BTEX EU Projekt mit Sanierungsfirma

1998 – 2000Pilot

Mühlackerehemalige Sondermüll‐deponie

(UZ), verwitterte Ton‐/Mergel‐steine (Gipskeuper) getrennt durch Schichtwasserhorizont (15m u. GOK, DRM‐Aquifer bei 30 m u. GOK)

CKW Modellvorhaben LfU Baden‐Württemberg, Sanierungskonzept erstellt keine Umsetzung, Dep. gesichert

2004Sanierung

Albstadtehem. metall‐verarbeitender Betrieb

(UZ / GZ): schluffig/tonig (‐3,8 m), durchlässiger Kalkstein (‐5,6 m) ü. Mergelgestein

CKW Schadensherd unter Gebäude, Sanierung durch Bodenplatte 

2005 Pilot2010/11Sanierung

Karlsruhe‐Durlachehem. chem. Reinigung

(GZ, vadose, UZ) schluffig, sandiger Kies mit Schlufflagen (bis ‐9 m)

CKW (PCE)

Sanierung unter bewohntem Gebäude. Gesamtsanierung abgeschlossen, Konz. im GW heute n.n.

2008Pilot

Zeitz ehem. Hydrierwerk & Verladestation 

(GZ, vadose, UZ), kiesig/ sandig, Schlufflage, sandig/kiesig (‐12 m) über Kohlekomplex

Benzol Pilot. erfolgreich, Sanierungskonzept erstellt, keine Umsetzung / Auskofferung

Kos7

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Jahr Standort Geologie/Hydrogeologie Schad‐stoff

Beschreibung / Besonderheiten

2009 Pilot2012 DLI  ‐08.2016, Ab‐kühlphase, Kontrolle

Biswurmehemalige Verbrennungs‐anlage 

(GZ, vadose, UZ), geklüfteterSandsteinaquifer,3 ‐ 18 m u. GOK(Tonstein bis  ‐21 m)

CKW Erfolgr. Pilotierung Basis für Sanierungsplanung,Sanierung: Überaschun‐gen und „lessons learnd“. Seit 08.2016 Abkühlphase 

2010 / 2013 / 2018 San. Laufend

Oberursel Ehemaliger Chemikalien‐handel

(UZ, vadose), schlecht durchlässiger Untergrund, Tonschichten, (10‐6 – 10‐5 m/s)

CKW Altstadt unter GebäudeFeasibility, Pilotierung (Fj. 2013 bis Sept. 2013, derzeit Sanierung 

2013 /2015 / 2016Pilot / Sanierung

Sindelfingen unter Parkhaus Drainage ehem. Chemielager

(UZ und GZ) tonige schluffig mit Torfanteil2 – 16 m u. GOK

CKW Feasibility / Pilotierung , abschnittweise Schadenherdentfernung 

2012 – 2013 Pilot 2014 Sanierung

StuttgartEU‐Projekt CityChlor: „Stuttgarter Str.“

(UZ und GZ), tonig‐dichter Keuper und DRM, unterliegend Gipskeuper Aquifer2 ‐ 8 m u. GOK

CKW Pilot, feste Wärmequellen, Wiss. Begleitung abgeschl. 07.2013, Sanierung 12/13 –05/2014 (o. VEGAS)

2012 Feasibility2015 – 2016  Sanierung

Bad LiebezellCampingplatz im Nagoldtal, Schwarzwald

(UZ, GZ) teilweise u. Gebäude, quart. Talablagerungen, kiesig, sandig, schluffig, hoher GW‐Stand 1 ‐ 10 m u. GOK

CKW Feasibility / Sanierungsvorschlag, wirtschaftlichere Alternative zur Großbohrlochverfahren

TIsS: von der Forschung zur Anwendung

Kos8

Thermische In-situ-Sanierung eines CKW-Schadensunter einem denkmalgeschützten Gebäude

- von der Planung bis zur erfolgreichen Sanierung

Auszug u.a. aus Vorträgen

Altlastensymposium 2011, 07. & 08. Juli 2011, Neu-Ulm

Symposium Strategien zur Boden- und Grundwassersanierung, 21. & 22. November 2011

Hans-Peter Koschitzky, Oliver Trötschler, Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung, Universität Stuttgart

Stephan Denzel, dplan, Karlsruhe

Claudia Purkhold, Stadt Karlsruhe, Umwelt- und Arbeitsschutz

Wolfgang Maier-Oßwald, Steffen Hetzer (2010) Züblin Umwelttechnik GmbH, Stuttgart

Ehemalige chemische Reinigung – innenstädtisch, Pilotierung und Sanierung „Karlsruhe Durlach“

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

© VEGAS

Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Pilot-Standort Karlsruhe Durlach

Heutige NutzungGalerie und

Rahmenladen

Kos10

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Pilot-Standort Karlsruhe Durlach

Kos11

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Standortbeschreibung

GrundwasserschadenFahnenlänge: > 300 m PCE Konzentration bis 350 µg/L

Altstadt Karlsruhe-Durlachhistorisches Gebäude, eng bebautes Wohngebiet

Ehemalige chem. Reinigung

Schadstoffquelle PCESchluffschicht in ungesättigter Zone,Kapillarsaum und gesättigte Zone bis ca. 5 m u. GOK

Schadstoffgehaltebis 3.800 mg/kg (in Schluff), bis 60 mg/l im GW

Kos12

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Geologie und Sanierungskonzept Pilotierung

DL-Injektion

7- 8 m u. GOK, max. 200 kg/h

Bodenluft-absaugung

100 - 150 m³/h

GW-Haltung (Kühlwasser)

1- 3 m³/h

Rheintallage: Quartärer, fluvialer Aquifer

Kos13

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Pilot – Testfeld: Ausstattung

© O. Trötschler, H.-P. Koschitzky

0 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m

Erdgas

Dampf

FIAT1

Dampferzeuger

Frischwasser

FSL1, h=1.1 m

Container 2

0,9

1,55

4,33

0,5

2,05

3,01

1 x Injektionsbrunnen I6 (2"), Filter: 7-8 m u. GOK

1 x Extraktionsbrunnen E8 (5") Bodenluft, Filter: 1-5 m u. GOK

2 x Kombi-Brunnen Bodenluft und Grundwasser BR 38, Filter: 1-9 m u. GOK

4 x Temperaturmesslanzen T1 - T4 (112"),

Teufe Messfühler: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 m u. GOK

2 x Temperaturmesslanzen T5 - T6 (112") in Ringraum B

Teufe Messfühler: 1, 2, 3, 4, 5 m u. GOK

1 x Temperaturmesslanzen T7 (112") in Ringraum I6,

Teufe Messfühler: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 m u. GOK

1 x Temperaturmesslanzen T8 (112") über RKS,

Teufe Messfühler: 1, 2 m u. GOK

Schadenszentrum

P1

C1, h = 1.2 m

C2, h = 0.5 m

Anlagencontainer 1, frostsicher in 20 ft. Ausführung, schallgeschützt, Doppeltor für

Schraubenspindelkompressor DL-Injektion, Seitenkanalverdichter BLA, Kondensator, Phasenabscheider,

Durchflussmesstechnik, Lagerbehälter Grundwasser, Datenerfassung

Anlagencontainer 2, frostsicher in 10 ft. Ausführung, schallgeschützt für Dampferzeuger

Bod32

FIR 4 ..7, h = 1.5 m

FA1 (Wasser)

WT1 + KA2, h = 2.2 m

P3

Container 1Frischwasser

Grund-

wasser

B1

Abwasser

FA2(Luft)

FA3(Luft)

Grundwasser EK2, (Br38)

Bodenluft Br38

Bodenluft E8

Bodenluft EK2

Dampf-Luft

Dampf

1,27

2,91

4,24

0,11

7,08

Bod32

Bod32 Frischwasser

ErdgasFrischwasserTemperatur-

messlanzen

Injektionsbrunnen

Extraktions-brunnen

ein Injektionsbrunnen: I6

drei Extraktionsbrunnen nur Bodenluft: E8Bodenluft und Grundwasser: EK2 + Br.38

Temperaturmonitoring 48 Messpunkte: T1 – T8um Injektionsstellebis 4.5 m Radius und 8 m Tiefe

Kos14

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Dampfausbreitung - Temperaturmessungen

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

-400 -300 -200 -100 0 100

-300-200

-1000

XY

Z

temperature100959085807570656055504540353025201510

I6BR38

E8EK2

24 h

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

-400 -300 -200 -100 0 100

-300-200

-1000

XY

Z

temperature100959085807570656055504540353025201510

I6BR38

E8EK2

168 h

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

-400 -300 -200 -100 0 100

-300-200

-1000

XY

Z

temperature100959085807570656055504540353025201510

I6BR38

E8EK2

552 h

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

-400 -300 -200 -100 0 100

-300-200

-1000

XY

Z

temperature100959085807570656055504540353025201510

I6BR38

E8EK2

48 h

2 Tag(16.)

21 Tage(35.)

7 Tage(21.)

1 Tag(15.)

Kos15

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Massenbilanz Schadstoffaustrag

ReduzierungDampfrateNotaus

Dampferzeuger

Dampf-Luft-Injektion

Bodenluftabsaugung

G rundw asserha ltung

Gesättigte Zone (Konvektion)

Ungesättigte Zone(Konduktion)

Air Sparging

Luft-InjektionAir Sparg ing

Zielbereich der S anierung

Dampf-Luft-Injektion

Bodenluftabsaugung

G rundw asserha ltung

Gesättigte Zone (Konvektion)

Ungesättigte Zone(Konduktion)

Air Sparging

Luft-InjektionAir Sparg ing

Dampf-Luft-Injektion

Bodenluftabsaugung

G rundw asserha ltung

Gesättigte Zone (Konvektion)

Ungesättigte Zone(Konduktion)

Dampf-Luft-Injektion

Bodenluftabsaugung

G rundw asserha ltung

Gesättigte Zone (Konvektion)

Ungesättigte Zone(Konduktion)

Air Sparging

Luft-InjektionAir Sparg ing

Zielbereich der S anierung

Prognose

Kos16

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Bodenproben vor & nach Pilot-Sanierung

Pilotversuch Erstbeprobung Boden CKWChem. Reinigung Roth, Durlach

Sondierung Injektionsbrunnen vor Sanierung

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

2,00-

2,50

2,50-2,75

3,00-

3,80

4,00-

5,00

5,00-

6,00

6,00-

7,00

7,00-

8,00

Tiefe (m

)

CKW-Summe (mg/kg)

Sondierung Injektionsbr. I6 vor Pilot-Sanierung

0 1 2 3 4 5

0,80-1,00

1,00-1,20

1,20-1,40

1,40-1,60

1,60-1,80

1,80-2,00

2,00-2,20

2,20-2,40

2,40-2,60

2,60-2,80

2,80-3,00

Tiefe (m

)

CKW-Summe (mg/kg)

Sondierung 1,5 m Abstandzu I6 nach Pilotierung

Pilotversuch Abschlussbeprobung Boden CKWChem. Reinigung Roth, Durlach

Sondierung B - 3m Abstand zum Injektionspegel

0 1 2 3 4 5

0,65-0,80

0,80-1,00

1,00-1,20

1,20-1,40

1,40-1,60

1,60-1,80

1,80-2,00

2,00-2,20

2,20-2,40

2,40-2,60

2,60-2,80

2,80-3,00

Tiefe (m

)

CKW-Summe (mg/kg)

Sondierung 3 m Abstand zu I6 nach Pilotierung

Kos17

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

© VEGAS

Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Realisierung DLI unter dem Gebäude

Kos18

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

© VEGAS

Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Sanierungsausführung

E 4 (S2)EK 3 (S1) E 2 (S1)

EK 1 (S1)

E 8 (S4)

EK 9 (S4)E 10 (S4)

E 7 (S2)

EK 5 (S2)

EK 11 (S4)SI 3.2

SI 2.2

SI 1.2

SI 1.1SI 2.1

SI 3.1

B 7

(GW-Infiltration)

E 12

SI 4.1

-8 m

-8 m

-8 m

-8 m

-8 m

-8 m

-8 m

-8 m

-3,0 m

-7 m-7 m

-7 m

-7 m

-7 m

-7 m

BLA-Hor

T1T2T3

T4T5T6T7

T-E4

T9T11

T10

T-EK5

T8

T14

T13

T12

T-Hor16 St. Pt100

T-EK1

T-E2T-EK3

T-E7

T-EK11

T-E10T-EK9

T-E8

-5m

-5m -5m

-5m

-3,5m

-3,5m

SI 4.2Hor-16

Hor-15Hor-14

Hor-13Hor-12

Hor-11Hor-10

Hor-9Hor-8

Hor-7Hor-6

Hor-5Hor-4

Hor-3Hor-2

Hor-1

-3,5m

SI 4.2

SI 3.1

SI 3.2

SI 2.1

SI 2.2 SI 1.1

SI 1.2

-7m

© dplan, ZUT, VEGAS

Ausführungsplanung und Ausschreibung:Standortgutachter dplan (& VEGAS)

Auftraggeber: Stadt Karlsruhe

Ausführung:Züblin Umwelttechnik

Wissenschaftliche Begleitung/Beratung, Sanierungsüberwach-ung und -steuerung:VEGAS & dplan

BegleitkreisRP-Ka, Stadt, LUBW…

1234

Kos19

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

© VEGAS

Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Betrieb Mai - Juli 2010

Grundwasserförderung, Bodenluftabsaugung mit A-Kohleaufbereitung

Extraktionsbrunnen und Temperaturmessung

Abluftkamin BLA

Kos20

Injektionsbrunnen

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Temperaturausbreitung

Kos21

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Schadstoffaustrag Bodenluft

Kos22

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Entwicklung der CKW - Konzentrationen im Grundwasser

Kos23

Erfahrungen mit der thermischen Sanierung mittels Dampf-Luft-Injektion am Beispiel der Pilotanwendung bei einem Benzolschaden

am Standort Zeitz

Hans-Peter Koschitzky1

Oliver Trötschler1 & Berit Limburg1

Markus Hirsch2, Holger Weiß2

1 VEGAS, Universität Stuttgart, 2 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH – UFZ, Leipzig

Ehemaliges Industriegelände Standort Zeitz: Ehemalige Benzolanlage – Pilotanwendung

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Ehemalige Hydrierstation Standort Zeitz

Bildquelle: Stadtarchiv Zeitz / UFZ

Kos25

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Bereich Testfeld, Benzolanlage und Verladestation

Kos26

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

BTEX Quelle und Abstromfahne

200 m

GFE Consult, 2004

Kos27

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Geologie und Schadstoffverteilung

Profilschnitt und Benzolkonzentrationen im Bereich der Pilotanwendung (Weiß, UFZ Leipzig)

Vertikale Ausbreitung der Kontamination: 3 – 12 m u. GOK

Ungesättigte Zone (3 – 5 m u- GOK): bis zu 3,5 g Benzol/kg Boden

Gesättigte Zone: GW-Schwankungsbereich: 0,9 g/kgoberer GW-Leiter: 0,8 g/kgBraunkohleschicht: 0,3 g/kgGrundwasser: bis zu 1,1 g/L Benzol

Ehemalige Benzolfabrik. Betriebseinrichtungen,

Tanklager und Bahnverladestation

Kos28

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

© VEGAS

Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Injektion Dampf-Luft aufzwei Ebenen

- oberhalb Schlufflage ungesättigte Zone- oberhalb Ton-Kohle-Komplex gesättigte Zone undSchlufflage über Konvektion

BLA-Rate ~ 2 x DLI-Rate

GW-Haltung gering (0,5 m³/h)

DLI am Standort Zeitz

Kos29

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

© VEGAS

Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Testfeld

• 3 Injektionsbrunnen

(2 Teufen)

• 6 BLA-Brunnen mit

GW-Haltung

• 8 elektrische Heizelemente

(1,5 kW, „Feste Wärmequelle“)

• 20 Temperaturmesslanzen

(Pt100) auf Messachsen und

im Ringraum der Brunnen zur

Temperaturüberwachung

insgesamt 121 Messstellen

Kos30

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

© VEGAS

Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Eindrücke vom Testfeld

Kos31

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Erwärmung im Sanierungsfeld

1„kalte“BLA

2Air-

Sparging

3 Dampf-Luft-Injektion 4 Kühlphase (BLA)

Ziel-temperatur

Kos32

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

© VEGAS

Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Benzol-Konzentration in Bodenluftabsaugung

Rückgang der Benzolgehalte um 99%

Minderung der Benzolgehalte im Boden > 99% (basierend auf Gleichgewichts-berechnung Bodenluft-Porenwasser-Boden (KOC-Methode): 0,16 mg Benzol / kg Boden)

Bodenprobenahme (Mai 2008): 0,1 mg/kg für UZ (von 3.500 mg/kg Boden) und 0,5 mg/kg für GZ (von 900 mg/kg Boden)

Kos33

… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Altlastensymposium 2017

05.-06.07.2017 Nürnberg

Thermische In-situ-Sanierung im Kluftgestein: „Lessons learned“ von der Planung bis zur Sanierungsrealität am Standort „Biswurm“

(1) Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung, Universität Stuttgart

(2) Stadtbauamt Villingen-Schwenningen, Abteilung Wasser und Boden

(3) GEOsens, Ingenieurpartnerschaft, Ebringen

(4) Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH, UFZ Leipzig

Hans-Peter Koschitzky1 Oliver Trötschler1, Bernd Lidola2, Michaela Epp2, Isabell Kleeberg2

Stefan Schulze3 , Holger Weiß4

Ehemalige Verbrennungsanlage Biswurm – CKW im Kluftgestein, Pilotierung

z.B.: Symposium Strategien zur Boden- und Grundwassersanierung, DECHEMA, Frankfurt a.M., 30.11.2015

NICOLE Workshop, Vienna, Austria, 15-17 June 2016, Turning failure into

success – What can we learn when remediation does not go as planned

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… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Schadenssituation Biswurm

Schadensbild 2007 / 2009

ca. 2.900 m² Kernbereichbzw. 43.000 m³ Kluftgestein (CKW-Schadensquelle)

5 m UZ und ca. 16 m gesättigteZone, CKW bis 4.000 mg/m3 in der Bodenluftbis 4 mg/L im Grundwasser

Länge Schadstofffahne unbekannt,mind. 1 ha Fläche kontaminiertesGrundwasser 0 20 40 60 80 100

CKW (Grundwasser, µg/l): 06.03.2009

SchadensherdEhem. Becken

GW Flow

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Komplexer, geklüfteterFestgesteinsaquifer

oberer Plattensandstein-Aquifer mit Tonsteinbasis

unterer Kristallsandstein-Aquifer mit Granitbasis

Geologie und Schadensbild in einem Kluftaquifer

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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) ©

Dampf-Luft-Injektion- Reichweite und

pneumatische Kontrolle

- Steigerung AustragFeasibility und

Kostenschätzung zurSanierung des Schadenszentrums

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Pilotanwendung Biswurm

Eignung der DLI für den Kluftaquifer,Plattensandsteinbestätigt

Steigerung des Schadstoffaustrags um Faktor 2 – 5 gegenüber Air-Spargingbzw. kalter BLA

Im oberen Aquifer und in der ungesättigten Zone:thermische Reichweite von mehr als 10 m Durchmesser erreicht

Schadstoffaustrag: 500 kg LHKW in 3 Monaten aus ca. 1.500 m³ Festgestein

12 m Durchmesser,

20 m Tiefe,

2.000 m³ Kluftgestein

100 kW Injektionsleistung

• 1 Injektionsbrunnen I1• 4 Extraktionsbrunnen

E1, E2, D2, GW8 • 11 Temperaturmess-

lanzen T1 - T11117 Temperaturfühler

• 8 GeoelektischeSonden (Tom)

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Eindrücke vom Testfeld

DLI am 19.06.09 D2

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I1D2

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E2

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… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Überblick Wärmeausbreitung

Thermische Reichweite an Aquiferbasis:2 – 3 m Radius

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temperature100959085807570656055504540353025201510

E1I1E2 GW 82472 h 103 Tage DLI

131 Tage DLI

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E1I1E2 GW 81680 h

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E1I1E2 GW 8600 h 25 Tage DLI

70 Tage DLI

tem100959085807570656055504540353025201510

Temp. [°C]

ThermischeReichweite GW-Höhe und UZ: größer 5 m Radius

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Geologie und Prinzip der DLI

Sanierungsplanungauf der Grundlage der Pilotanwendung

Dampf-Luft-Injektion (DLI)zwei Injektionsbereiche:• Plattensandstein und

Tonstein (4 – 8 m u. GOK)• Plattensandstein oberer GW-

Leiter (11 – 15 m u. GOK)

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9 Sanierungsfelder mit je 4 – 5 Injektionsbrunnen für 4.000 m³

32 Injektionsdoppelbrunnen37 Bodenluftabsaugbrunnen89 Temperaturmesslanzen

DLI abschnittsweise in GW-Richtung 350 – 450 kW WärmeleistungDampfausbreitungsphase6 Wochen mit 550 kg/h Dampf-Luft LHKW-Desorptionsphase 8 Wochen mit 450 kg/h

Betrieb der Grundwassersicherungan Geländegrenze

36 Monate thermische In-situ-Sanierungmit 33 Monaten Dampf-Luft-Injektion

89 Temperaturmess-lanzen

Kontrollpegel (GW)

Sicherungsbrunnen GW10-12

Sanierungsfeld 8DLI

BLA

Lager- und Verbrennungsbecken

GEOsens, VEGAS, 2015

Sanierungskonzept DLI Biswurm

Kos42

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Sanierung Biswurm

Okt. 2011 Bohrarbeiten nahezu abgeschlossen

Start DLI 8. August 2012

Kos43

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Planung und Realität der Dampf-Luft-Injektion

Sanierungsplanung nach Pilotanwendung

abschnittsweise thermische Sanierung (jeweils 3 Monate)

Dampf-Luft-Injektion 3 Monate je Feldabschnitt

auf 2 Injektionsebenen• 6 Wochen Aufheizdauer + • 8 Wochen Austragsdauer• Abkühlungsphase, je

ca. 1 Woche

September 2015: Abschluss und Sanierungskontrolle

… und die Realität: Desorptionsdauer deutlich länger simultane Sanierung von 2 - 3 Feldabschnitte mit 350 – 450 kW

Dampf-Luft-Injektion 4-6 Monate je Feldabschnitt

• 5 Wochen Aufheizdauer Tonstein (200 kW) +

• 11 – 13 Wochen Austragsdauer Tonstein- und Plattensandstein (300 kW)

• 9 Wochen Desorptionsaustrag ausPlattensandstein (150 kW)

• Abkühlungsphase, ges. ca. 7 Monate

März 2017: derzeit Abschluss und „S-Kontrolle“

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um Faktoren längere Aufheiz- und Austragsphase30 d

90 d

Sanierungstypisch:Aufheizphase: Anstieg Austrag, Austragsphase bis Abklingen

Austrag der LHKW aus dem Festgestein

Sanierung

Pilot

Kos45

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Typischer Schadstoffaustrag in Feld 1, aber in Felder 2 – 6 deutlich anders

Sanierungszielwert Bodenluft in den einzelnen Feldern: 20 mg/m³ CKW

Sanierungszeit um Faktor 3 höher im Vergleich zur Pilotierung

Schadstoffaustrag bis zu 20 kg CKW / Tag; im Mittel 3.5 kg CKW / Tag

4,780 kg CKW Austrag zum Ende der DLI (1.480 Tage, 13 mg/m³ CKW)

Nach 7 Monaten Abkühlphase Gesamtaustrag 4.830 kg CKW

Schadstoffaustrag über die Gesamtsanierungszeit

Kos46

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Sanierungsfortschritt LHKW (Dez 2013 Sept 2015)

LCKW Bodenluftbeprobung Sand- und Tonsteinlage bis 8 m u. GOK

LCKW Bodenluftbeprobung Sandsteinlage 11 - 15 m u. GOK

Dez. 2013 Jan. 2015 Sept. 2015

Wasser- und Wärme-speicherung lange Austrags-und Desorptions-dauer aus Ton- und Sandstein

Verfrachtung Schadstoffe über Klüfte

Ausweitung Absaug-leistung

Kos47

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Logarithmische Abnahme CKW Konzentration im Grundwasserabstrom von 4.000 µg/L auf 16 µg/L

Dampfinjektion beendet bei 13 mg/m³ CKW in heisser Bodenluft

81 von 95 Brunnen < 10 mg/m³ CKW

Schadstoffverteilung in Bodenluft bis zum Ende DLI

Kos48

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Laufende Sanierung Biswurm

Kos49

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Blick auf das Sanierungsfeld

Betrieb DLI April 2015

Kos50

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LHKW Austrag über BLA ist dominant: 4.900 kg

„nur“ 125 kg über Grundwassersicherung

Behördliches Sanierungsziel erreicht:

< 10 g/d CKW Emission und < 20 µg/L CKW im Grundwasser

Gesamtschadstoffaustrag in 4 Jahren DLI entspricht Austrag

nach 50 Jahren GW-Sanierung (unter der Annahme, dass

Schadstoffaustrag konstant bleibt)

Sanierung des Festgesteins mittels DLI effektiv

Kontroll- und steuerungsintensiv

Anpassung des Sanierungsbetriebs an Sanierungsfortschritt

erfordert Flexibilität

Ergebnis Biswurm

Kos51

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Feste Wärmequellen

mit freundl. Genehmigung Dr. Uwe Hiester

CKW (BTEX) Sanierung

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konventionelle Sanierung: CKW + BTEX Extrapolation

konventionelle Sanierung: CKW

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konvent. San: Monatsfracht CKW + BTEX [kg/mon]

Gesamtaustrag:                 9.700 kg CKW+BTEX in 23 Jahren davon kalte BLA u. P&T:  5.400 kg CKW+BTEX in 21 Jahrendavon THERIS:                   4.300 kg CKW+BTEX in 19 Monaten     

Konventionelle BLA und P&T

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Sanierungsbetrieb [Jahr]

konventionelle Sanierung: CKW + BTEX

konventionelle Sanierung: CKW + BTEX Extrapolation

konventionelle Sanierung: CKW

konventionelle Sanierung: BTEX

thermische Sanierung THERIS: CKW + BTEX

thermische Sanierung THERIS: CKW

thermische Sanierung THERIS: BTEX

konvent. San: Monatsfracht CKW + BTEX [kg/mon]

THERIS: Monatsfracht CKW + BTEX [kg/mon]

Gesamtaustrag:                 9.700 kg CKW+BTEX in 23 Jahren davon kalte BLA u. P&T:  5.400 kg CKW+BTEX in 21 Jahrendavon THERIS:                   4.300 kg CKW+BTEX in 19 Monaten     

Konventionelle BLA, P&T Thermische Sanierung

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Sanierungsbetrieb [Jahr]

konventionelle Sanierung: CKW + BTEX

konventionelle Sanierung: CKW + BTEX Extrapolation

konventionelle Sanierung: CKW

konventionelle Sanierung: BTEX

thermische Sanierung THERIS: CKW + BTEX

thermische Sanierung THERIS: CKW

thermische Sanierung THERIS: BTEX

konvent. San: Monatsfracht CKW + BTEX [kg/mon]

THERIS: Monatsfracht CKW + BTEX [kg/mon]

Gesamtaustrag:                 9.700 kg CKW+BTEX in 23 Jahren davon kalte BLA u. P&T:  5.400 kg CKW+BTEX in 21 Jahrendavon THERIS:                   4.300 kg CKW+BTEX in 19 Monaten     

Konventionelle BLA, P&T Thermische Sanierung

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… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

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Zusammenfassung & Ausblick

Bestimmung der Einsatzgrenzen über PilotanwendungenKluftaquifere, dampfunterstützte konduktive Sanierung gering durchlässiger Sedimente (Schluffe, Tone), Tiefen über 20 m, große Aquifermächtigkeiten ......

Durch zahlreiche Referenzprojekte immer neue Erkenntnisse und Erfahrungen

teilweise auch Abweichungen (Überraschungen) zwischen Pilotierung und Gesamtsanierung „Lessons learned“

Entwicklung war / ist nur möglich durch viele Beteiligte und Geldgeber

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… 20 Jahre thermische In-situ-Sanierung

- wo stehen wir heute?

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Zusammenfassung & Ausblick (auch international)

TIsS werden weltweit zunehmend (sehr erfolgreich) angewendet

Erfolg ist maßgebend an sorgfältiger Erkundung und detailliertes Konzeptionelles Standortmodel gekoppelt

Vollständige und nachhaltige Sanierung von Schadensherden innerhalb definierten und bestimmbaren Zeiträumen (mit gewissen Bandbreiten) möglich

„intensive“ Sanierungsbegleitung und -steuerung (Online-Datenerfassung, Anlagensteuerung) erforderlich

TIsS sind einzige Verfahren bei denen sanierungsbegleitend Austrag erfasst und eine Sanierung (Sanierungserfolg) messtechnisch nachgewiesen werden kann

Expertenwissen ist erforderlich, international einige Anbieter (Spezialisten)

Garantie des Sanierungserfolg ist möglich (Vertraglich regelbar)

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- wo stehen wir heute?

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koschitzky@iws.uni-stuttgart.dehttp://www.vegas.uni-stuttgart.de Dr.-Ing. Hans-Peter Koschitzky Technischer Leiter VEGAS,Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung, Universität Stuttgart

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