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Kombinierte In-situ-Sanierung mit ambitionierten Zielen
1. AusgangssituationIn der Freien Hansestadt Bremen wurden im inner-städtischen Bereich auf dem ca. 12.000 m2 großen Alt-standort einer ehemaligen Silberwarenfabrik sowie dessen Umfeld massive sanierungsbedürftige Boden- und Grundwasserverunreinigungen insbesondere durch leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe (LCKW) festgestellt. Die Silberwarenfabrik war im Zeit-raum von 1905–1986 in Betrieb. Seit dem Rückbau der oberirdischen und oberflächennahen Bausubstanz der ehemaligen Silberwarenfabrik im Jahr 1987 wird das Grundstück als Betriebsparkplatz eines benachbarten Unternehmens genutzt.Bislang wurden folgende Sicherungs- und Sanierungs-maßnahmen durchgeführt:• 1986–1987: Partielle, oberflächennahe Bodensa-
nierung durch Bodenaustausch im Zuge des Rück-baus der Silberwarenfabrik.
• 1998–2003: Hydraulische Sofortmaßnahme zur Unterbindung eines weiteren Schadstoffabstroms aus den Belastungsschwerpunkten durch Pump-and-treat; LCKW-Austrag: ca. 630 kg.
• 2003: Partielle Bodensanierung im Wabenverfah-ren in Hot-Spot-Bereichen auf zwei insgesamt ca. 650 m2 großen Flächen bis in ca. 5,0 m unter GOK (bis ca. 3,0 m unter Grundwasseroberfläche).
• 2006: Partielle Bodensanierung auf einer Fläche von ca. 100 m2 mit Tensiden nach dem STL-Verfah-ren zum forcierten, Tensid gestützten hydrauli-schen Austrag von LCKW-Phasen im Rahmen eines zweimonatigen Pilotversuches; LCKW-Austrag: ca. 70 kg.
Es hat sich gezeigt, dass eine umfassende Sanierung der hier vorliegenden Verunreinigungen mit her-kömm lichen Sanierungsverfahren/ -techniken nur un ter unverhältnismäßig hohen monetären Aufwen-dungen möglich ist. Wirtschaftliche Lösungen zur Sa-nierung des Altstandortes wurden daher mittels in-novativer Verfahren bzw. einer Kombination unter-schiedlicher Verfahren gesehen, die vollumfänglich allerdings noch nicht als Stand der Technik betrach-tet werden können und bieterspezifisch teils stark un-terschiedlich umgesetzt werden.
Die Vergabe der Sanierung des Altstandortes erfolgte deshalb in Form eines Leistungsprogramms mit einer Beschreibung der Bauaufgabe gemäß VOB, worin der Umfang der zu erbringenden Sanierungsleistungen und die erforderlichen Grundlagenerkenntnisse be-schrieben sind. Im Hinblick auf die Kostensicherheit wurde hierbei eine erfolgsbasierte Honorierung der Sa-nierungsleistungen vorgegeben.
2. HydrogeologieDie wassergesättigte Zone am Standort besteht aus den Wesersanden und den Lauenburger Schichten.Die Wesersande bilden den ca. 14 m mächtigen Haupt-grundwasserleiter und werden von teils bindigen Auen-sedimenten überdeckt, sodass teilgespannte Grund-wasserverhältnisse vorliegen. Der Grundwasserflur-abstand beträgt ca. 2 m und die generelle Grund-wasserfließrichtung ist nach Nordnordost orientiert. Die Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte kf liegen zwischen f liegen zwischen f
ca. 1 × 10-3 bis ca. 5 × 10-4 m/s, die mittlere Abstandsge-schwindigkeit (va) beträgt ca. 30 m/a.Die unterlagernden Lauenburger Schichten sind ca. 19 m mächtig und ebenfalls grundwasserführend. Die Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte kf variieren hier zwi-f variieren hier zwi-f
schen ca. 1 × 10-6 bis 5 × 10-5 m/s, woraus eine mittlere Abstandsgeschwindigkeit (va) von < 10 m/a resultiert.Die Wesersande und Lauenburger Schichten sind hy-draulisch nicht getrennt. Aufgrund deutlich abwei-chender hydraulischer Leitfähigkeiten ist jedoch von einer unterschiedlichen Fließdynamik des Grundwas-sers in den Wesersanden und den Lauenburger Schich-ten auszugehen. Miozäne Tone und Schluffe fungieren als Grundwasserstauer.
3. KontaminationssituationIm Vorfeld der Sanierungsmaßnahmen wurden vom Büro Umtec | Prof. Biener | Sasse | Konertz, Bremen, um fängliche Erkundungen durchgeführt, um die Kon-taminationssituation zu erfassen und zu bewerten.Auf Grundlage der Erkundungsergebnisse ließen sich im Bereich des Altstandortes sowie dessen Grund was-serabstrom mehrere LCKW-Hauptbelastungsberei-che mit maximalen LCKW-Konzentrationen von ca.
Kombinierte In-situ-Sanierung mit ambitionierten Zielen
Hans-Georg Edel, Erich-Heiko Ruiter, Ulrich Wessel, Klaus Konertz, Tobias von Mücke, Lars Levermann
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80.000 µg/L definieren, die LCKW-Phasenrückstände in komplexer Verteilung in den Wesersanden und auch in den Lauenburger Schichten aufwiesen und die eine langfristige Kontamination des Grundwassers zur Folge hatten (Abbildung 1).
Diese Hauptschadensbereiche haben zu erheblichen Belastungen im Grundwasserabstrom und -seitstrom in Form einer in Richtung Nordnordost orientierten Schadstofffahne in den Wesersanden geführt, die sich über ca. 750 m in der Länge und ca. 280 m in der Breite
LCKW - Konzentration 20 µg/L
LCKW - Konzentration 50 µg/L
LCKW - Konzentration 100 µg/L
LCKW - Konzentration 500 µg/L
LCKW - Konzentration 1.000 µg/L
LCKW - Konzentration 5.000 µg/L
LCKW - Konzentration 10.000 µg/L
Grundwassermessstelle (nicht mehr vorhanden)
Grundwassermessstelle (vorhanden)
MIP - Sondierungen
Grundwasserfließrichtung
Sanierungsgrundstück
ungefähre Ausdehnung der Hauptbelastungsbereiche 1 - 5
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Abbildung 1: LCKW-Belastungssituation vor Sanierungsbeginn in den Wesersanden (links) und in den Lauenburger Schichten (rechts)
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erstreckte. Im Sanierungsgebiet erfolgt bereits eine na-türliche reduktive Dehalogenierung der LCKW [1, 2].
4. Vergabe der SanierungsleistungenDie Vergabe der Leistungen zur Sanierung des Alt-standortes erfolgte seitens der Freien Hansestadt Bre-men, vertreten durch den Senator für Umwelt, Bau und Verkehr, als Auftraggeber gemäß VOB im Rahmen eines aufwendigen Verfahrens an die Züblin Umwelt-technik GmbH, die das erfolgversprechendste Sanie-rungskonzept vorgelegt hatte.
5. SanierungskonzeptDas Sanierungskonzept für die gesättigte Zone der We-sersande basiert auf einer Kombination innovativer und konventioneller Verfahren. Die Grundidee besteht darin, die LCKW mit Hilfe der innovativen In-situ Ver-fahren ISCO (In-situ Chemische Oxidation) und ISBR (In-situ Biologische Reduktion) möglichst weitgehend
zu entfernen [3, 4]. Die dafür benötigten Oxidations-mittel und Auxiliarsubstrate werden über Grundwas-serzirkulationssysteme (GZS) in den relevanten, schad-stoffbelasteten Teufenbereichen verteilt (Abbildung 2).Das vorläufige Sanierungsziel liegt bei LCKW-Gehalten von < 20 µg/L im Grundwasser, wobei die maximale Sa-nierungsdauer auf 60 Monate festgesetzt wurde. Die Vergütung der Sanierungsleistungen erfolgt erfolgsab-hängig nach dem Erreichen bestimmter Sanierungs-stufen von Σ LCKW < 10.000 µg/L bis < 200 µg/L. Für eine weitergehende Sanierung im Bereich der Zielwerte von Σ LCKW < 200 µg/L bis < 20 µg/L wurde eine monatliche Pauschalvergütung vereinbart.Die Bereiche mit den höchsten LCKW-Gehalten wer-den mit dem schnell wirkenden ISCO-Verfahren, weni-ger stark belastete Bereiche durch ISBR, behandelt. Bei der hydraulischen Unterstützung der eingesetzten In-situ Sanierungsverfahren kommt den Grundwasserzir-kulationssystemen eine maßgebliche Rolle zu. Diese
Abbildung 2: ISCO/ISBR: Transport und Verteilung von Oxidationsmittel/Auxiliarsubstrat über Grundwasserzirkulationssysteme (links/rechts), Funktionsprinzip
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bewirken eine intensive vertikale Durchströmung des Porenraums und erfassen auch den Kapillarsaum, da keine Grundwasserabsenkung erfolgt. Über diese hy-draulische Wirkungsweise lassen sich nicht nur die Schadstoffe mobilisieren, sondern auch die Agenzien Permanganat und Melasse homogen im Aquifer vertei-len, um das jeweils spezifisch erforderliche Redoxmi-lieu einzustellen.Für das ISBR-Verfahren ist ein stark negatives, sulfatre-duzierenden Milieu von großer Bedeutung, damit die reduktive Dechlorierung vollständig von PCE bis zum Ethen ablaufen kann und sich die Zwischenprodukte cDCE und VC nicht anreichern können.In Abbildung 3 ist der aktuelle Stand zum Wissen des biologischen Abbaus der Chlorethene dargestellt [5].
6. FeldversuchVor dem Hintergrund des weiträumigen, massiven LCKW-Schadensfalls wurde zunächst ein Feldversuch über eine Dauer von rund 12 Monaten durchgeführt, um die Machbarkeit und Effizienz des Sanierungskon-zepts zu überprüfen [4].Zu den wesentlichen Zielen des Versuchs gehörte es, die vorab rechnerisch bestimmte Reichweite der GZS zu verifizieren sowie den Transport und die Vertei-lung von Permanganat und Melasse zu untersuchen. Des Weiteren sollte die Etablierung der Redoxzonen und der Rückgang der Schadstoffgehalte untersucht werden.Anhand der gewonnenen Ergebnisse und Betriebser-fahrungen konnte die prinzipielle Machbarkeit und Effizienz des Sanierungskonzepts belegt und das Op-timierungspotenzial im Hinblick auf eine zielgerich-tete, erfolgreiche Sanierung des Standorts aufgezeigt werden.
7. SanierungSeit September 2014 läuft die Gesamtsanierung mit insgesamt zehn Grundwasserzirkulationssystemen, deren Wirkungsradien sich überschneiden (Abbildun-gen 4, 5). Insgesamt 41 Kontrollpegel dienen der Über-wachung des Sanierungsfortschritts.Die dazugehörigen Dosier- und Anmischstationen für das Oxidationsmittel und das Auxiliarsubstrat sind in zehn Containern installiert (Abbildung 6).Mit Hilfe der Betriebserfahrungen und den Erkennt-nissen aus einem vorlaufenden Feldversuch konnte die Gesamtmaßnahme optimiert werden. Dies betraf ins-besondere die hydraulische Entkopplung der Grund-wasserzirkulationssysteme sowie die standortspezifi-sche Zugabe und Konditionierung von Melasselösung für die vollständige reduktive Dechlorierung. Dieses Auxiliarsubstrat wurde von der Züblin Umwelttechnik GmbH speziell für den vorliegenden Standort entwi-ckelt und zum Patent angemeldet.Die bisher vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass das kombinierte ISCO/ISBR-Sanierungsverfahren nicht nur technisch funktioniert, sondern auch überaus effizient arbeitet. Abbildung 7 zeigt beispielhaft den zeitlichen Abbildung 7 zeigt beispielhaft den zeitlichen Abbildung 7
Verlauf der LCKW-Konzentrationen im Teu fenhorizont von 6–10 m uGOK nach 0, 19 und 26 Mo naten Sanie-rungsbetrieb. Die Entwicklung der LCKW-Gehalte in den oberen und unteren Teufen horizonten von 3–7 m uGOK bzw. 9–16 m uGOK verläuft ähn lich.
Abbildung 4: Übersichtskarte Gesamtsanierung: 10 GZS (grün) mit einem Wirkungsradius (dunkelblau) von ca. 18–20 m, 41 dreifachzo-nierte Kontrollpegel (rot) und 13 Grundwassermessstellen (blau)
Abbildung 5: Kombinierte ISCO/ ISBR-Sanierung am Standort der ehemaligen Silberwarenfabrik in Bremen
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Die GZS eignen sich zum Transport und zur Verteilung der injizierten Reagenzien, wobei der Wirkungsradius bei 18–20 m liegt. Die sehr hohen LCKW-Gehalte im Wirkungsbereich der GZS 6, 7 und 8 konnten durch das ISCO-Verfahren mit Ausnahme eines Teilbereichs unter die Sanierungsstufe LCKW < 10.000 µg/L redu-ziert werden.Hierbei wurde ein Teil der im Aquifer befindlichen hochchlorierten Ethene PCE und TCE direkt zerstört. Untersuchungen von Grundwasserproben haben ge-zeigt, dass sich durch die Zugabe von Permanganat keine großräumigen oxidativen Reaktionszonen aus-gebildet haben, so dass weiterhin ein anaerober Abbau
der hochchlorierten Ethene bis zum VC erfolgte. Die im Grundwasser analytisch nachgewiesene Bildung von substantiellen Gehalten an diesen niedrigchlorier-ten Metaboliten ist wahrscheinlich darauf zurückzu-führen, dass in diesen Bereichen keine sulfatreduzie-renden beziehungsweise methanogenen Milieubedin-gungen vorlagen. Nach elf Monaten Sanierungsbetrieb wurde kein Per-manganat mehr injiziert. Seither erfolgt die Sanie-rung des gesamten Standorts nach dem ISBR-Verfah-ren. Bereits wenige Wochen nach dieser Verfahrens-umstellung waren keine nennenswerten VC-Gehalte mehr nachzuweisen.Dort, wo das ISBR-Verfahren von Anfang an eingesetzt wird, konnte ebenfalls eine signifikante Abnahme der molaren LCKW-Gehalte registriert werden. Dies korre-liert mit der Ausbildung von sulfatreduzierenden Re-doxbedingungen bei einem stabilen pH-Wert von 6–7 [6]. Ethen, das als Indikator für die vollständige re-duktive Dechlorierung dient, konnte ebenso nachge-wiesen werden wie Dehalococcoides sp. sowie weitere LCKW-abbauende Mikroorganismenstämme (Tabelle 1).Die vorherrschenden terminalen elektronenakzeptie-renden Prozesse (TEAP) lassen sich anhand der Was-serstoffkonzentration identifizieren (Tabelle 2). Nahezu alle Messungen der H2-Konzentrationen am Standort lagen zwischen 1–10 nmol/L, was dem idealen Bereich für die reduktive Dechlorierung entspricht.Sanierungsbegleitende, wissenschaftliche Laborunter-suchungen am TZW in Karlsruhe mit Originalproben-material vom Standort haben das Prozessverständnis vertieft und die Effizienz der kombinierten ISCO/ ISBR-Technologie bestätigt.
Abbildung 6: Dosierstation für Permanganat
Abbildung 7: LCKW-Konzen-trationen in den Wesersanden, Teufenhorizont 6–10 m uGOK nach t = 0 (links), 19 (Mitte) und 26 (rechts) Monaten Sanie-rungsbetrieb
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Kombinierte In-situ-Sanierung mit ambitionierten Zielen
Die jeweils spezifisch eingestellten Milieubedingun-gen können am vorliegenden Standort als unmittel-bare Erfolgsfaktoren der In-situ Sanierung angesehen werden. Eine entscheidende Rolle kommt dabei der er-zeugten Grundwasserzirkulationsströmung zu, die für eine homogene Verteilung der erforderlichen Mengen an Oxidationsmittel und Auxiliarsubstrat über den ge-samten Aquifer sorgt. Die Einstellung eines definier-
ten DOC-Gehalts und pH-Werts ist wesentlich für das ISBR-Verfahren.Bezogen auf eine Gesamtfläche von rund 12.000 m2
und einer Mächtigkeit der gesättigten Bodenzone von ca. 13–14 m liegen die spezifischen Behandlungskos-ten für die Wesersande inklusive dem bereits durchge-führten Feldversuch bei etwa € 15–20/m3 behandelter Boden, vorausgesetzt die Reduktive Dechlorierung der LCKW erfolgt weiterhin mit vergleichbaren Umsatzra-ten wie im bisherigen Sanierungsverlauf.
8. Fazit und AusblickBereits nach knapp der Hälfte der Projektlaufzeit zeichnet sich ein rascher Sanierungsfortschritt ab. Das kombinierte ISCO/ISBR-Verfahren hat die Erwartungen bislang erfüllt und gibt Anlass zu einer positiven Zwi-schenbilanz [8]. Aus heutiger Sicht erscheinen die am-bitionierten Sanierungsziele als prinzipiell machbar, wenngleich die Anforderungen im Laufe der weiteren Sanierung mit zunehmend niedrigeren LCKW-Zielwer-ten sicher höher werden. In der gezielten Anwendung kombinierter In-situ Technologien wird ein großes Po-tenzial zur wirtschaftlichen Sanierung von komplexen Altlasten gesehen.
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Kombinierte In-situ-Sanierung mit ambitionierten Zielen
[4] Edel, H.-G., Levermann, L. Wessel, U., Konertz, K., von Mücke, T., Vogt, M. und Ruiter, E.-H. (2013) ISCO, ISBR, GZB – Kombina-tion innovativer und konventioneller Verfahren zur Sanierung eines LCKW-Grundwasserschadens, in: Altlastensymposium 2013, Tagungsband, Hrsg. Gesellschaft zur Altlastensanierung in Bayern (GAB), 198–207
[5] Gaza S., Schmidt K.R., Friedrich M., Hansel H., Tiehm A. (2015) Ein neuer aerober biologischer Abbauweg für Trichlorethen: TCE als Wachstumssubstrat. altlasten spektrum 24 (2015), 5, S. 174–181
[6] Ruiter, E.-H., Edel, H.-G. und T. Meyer (2016) ISCO und ISBR – Ef-fiziente In-Situ Technologien zur Sanierung von LCKW-Schä-den, Tagungsband 2016 zur 13. Recy & DepoTech-Konferenz Leoben, Österreich, 459–464
[7] US EPA, 1998: Technical Protocol for evaluating natu-ral at tenua tion of chlorinated solvents in ground water. EPA/600/R-98/128.
[8] Edel, H.-G. und Ruiter, E.-H. (2017) Ambitionierte In-situ-Sanie-rung nach P&T-Maßnahme, Tensideinsatz und partieller Bo-densanierung, in: Altlastensymposium 2017, Tagungsband, Hrsg. Ingenieurtechnischer Verband für Altlastenmanagement und Flächenrecycling e. V. (ITVA), 123–131
Ulrich WesselFunktion: ProjektleiterFreie Hansestadt BremenDer Senator für Umwelt, Bau und VerkehrContrescarpe 72 · 28195 BremenTel. 0421 / 3 61 53 52E-Mail: [email protected]
Dr. Klaus KonertzFunktion: PartnerUmtec Prof. Biener | Sasse | KonertzPartnerschaft Beratender Ingenieure und Geologen mbBHaferwende 7 · 28357 BremenTel. 0421 / 2 07 59 40E-Mail: [email protected]
Dr. Tobias von MückeFunktion: PartnerUmtec Prof. Biener | Sasse | KonertzPartnerschaft Beratender Ingenieure und Geologen mbBHaferwende 7 · 28357 BremenTel. 0421 / 20 75 94 40E-Mail: [email protected]
Lars LevermannFunktion: ProjektleiterUmtec Prof. Biener | Sasse | KonertzPartnerschaft Beratender Ingenieure und Geologen mbB, Haferwende 7 · 28357 BremenTel. 0421 / 20 75 94 40E-Mail: [email protected]
English SummaryThe groundwater at the site of a former silverware factory in Bremen is heavily polluted with chlorinated hydrocarbons (CHC). For both technical and economic reasons it can only be remediated using innovative processes. The two innovative remediation processes – in-situ chemical oxidation (ISCO) and in-situ biological reduction (ISBR) with groundwater circulation systems (GCS) will be combined to achieve the ambitious goals. A review just before mid-term of the project confirms the efficiency of the remediation measures and shows the immense potential of this combined in-situ technology.
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