In-Situ-Sanierungsverfahren für die gesättigten Zone - AAV NRW

1 Einführung
In-situ-Sanierungsverfahren für die gesättigten Zone
- Erste Erfahrungen und Hinweise
aus nordrhein-westfälischen Einzelfällen -
S. Schroers, M. Odensaß
Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen
Im Vergleich zu anderen Wirkungspfaden ist der Wirkungspfad Grundwasser der bei Altlasten am
häufigsten betroffene Wirkungspfad und bei der Sanierungsentscheidung für Boden und Grundwasser
relevant.
Eine Auswertung von Grundwassersanierungsmaßnahmen mittels „pump-and-treat“ in Nordrhein-
Westfalen hat u. a. gezeigt, dass sich diese vorrangig auf die Fahne bezogen haben und verbliebene
Schadstoffquellen zwangsläufig weiterhin zu lange andauernden Emissionen aus der Quelle in die
Fahne führen. (ODENSAß & SCHROERS, 2005).
Als Schadstoffquelle werden Bereiche mobiler und residual gesättigter Phase, d. h. die in der
Bodenmatrix der ungesättigten und gesättigten Zone festgelegten Schadstoffe bezeichnet. Als
Schadstofffahne wird das Grundwasservolumen im Abstrom einer Schadstoffquelle verstanden, in
dem gelöste Schadstoffe in Stoffkonzentrationen über der jeweiligen Geringfügigkeitsschwelle
vorliegen. Dies bedeutet, dass die Quelle in der ungesättigten Zone, die Quelle in der gesättigten Zone
einschließlich eventueller Sekundärquellen und die Schadstofffahne differenziert untersucht und
beurteilt werden und Sanierungsmaßnahmen auf die jeweiligen Bereiche bezogen auszuwählen und
auszurichten sind. Wenn keine Maßnahmen an der Quelle ergriffen werden, bedeutet dies häufig sehr
lang andauernde Maßnahmen in der Fahne. Dies bezieht sich sowohl auf pump-and-treat-Maßnahmen
als auch auf In-situ-Maßnahmen. Insoweit ist möglichst eine Quellensanierung anzustreben.
Zurzeit werden verstärkt In-situ-Maßnahmen in der gesättigten Zone auch zur Sanierung der
Schadstoffquelle als eine Alternative oder Ergänzung zu pump-and-treat-Maßnahmen diskutiert. Insitu-Verfahren
können biologische, chemische oder physikalische Prozesse zugrunde liegen. Oft liegt
eine Kombination verschiedener Prozesse vor.
Weil In-situ-Verfahren in der gesättigten Zone bislang nur in einer überschaubaren Anzahl von
Einzelfällen eingesetzt wurden und Erfahrungen nicht allgemein verfügbar sind, hat das
Landesumweltamt NRW eine Bestandsaufnahme von Maßnahmen mit In-situ-Anwendungen im Land
Nordrhein-Westfalen durchgeführt und einige der Fälle detaillierter betrachtet.
2 Bestandsaufnahme von Fällen mit In-situ-Maßnahmen
Im Rahmen der Bestandsaufnahme von In-situ-Maßnahmen für den Pfad Grundwasser wurden im
Frühjahr 2005 alle 54 Kreise und kreisfreien Städte durch das Landesumweltamt Nordrhein-
Westfalen, Fachbereich Altlasten, gebeten, Einzelfälle mit In-situ-Anwendungen zu nennen. Die
Kreise und kreisfreien Städte wurden darüber hinaus gebeten, wesentlichen Grundangaben zur Art des
Verfahrens, zu den geologischen / hydrogeologischen Gegebenheiten, dem Schadensausmaß und den
Ausgangsbelastungen, den Sanierungszielen, dem Sanierungsträger, der Dauer der Sanierung und den
bisher erzielten Ergebnissen mitzuteilen.
Von den 54 angeschriebenen Kreisen und kreisfreien Städten haben 43 geantwortet. 33 Kreise und
kreisfreie Städte haben Fehlanzeige gemeldet und 10 Kreisordnungsbehörden haben insgesamt 14
Sanierungsfälle mit In-situ-Maßnahmen gemeldet. Im Nachgang zu der Recherche wurde die
Pilotanwendung eines In-situ-Verfahrens in einem weiteren Fall beschlossen (Nanoeisen bei einer
LCKW-Belastung).
In der anliegenden Tabelle sind für diese Fälle auszugsweise die von den Behörden im Rahmen der
Bestandsaufnahme angegebenen Grunddaten wiedergegeben.
Aus der Bestandsaufnahme geht u. a. hervor, dass in 11 der 15 Sanierungsfälle die Anwendung des Insitu-Verfahrens
in der gesättigten Zone erfolgt bzw. erfolgte. In 4 Fällen wird bzw. wurde das
Verfahren in der ungesättigten Zone im Hinblick auf den Grundwasserpfad angewendet. Bei 6 der 15
Fälle war die Sanierung zum Zeitpunkt der Recherche abgeschlossen.
1

Nachfolgend soll über erste Erfahrungen und Hinweise aus der Fallrecherche berichtet werden.
3 In-situ-Verfahren zur Anwendung in der gesättigten Zone
Zur In-situ-Sanierung der gesättigten Zone stehen grundsätzlich insbesondere folgende Verfahren zur
Verfügung:
- Biologische Verfahren:
- Zugabe von Sauerstoff (z. B. iSOC, ORC)
- Nitratzugabe
- Stimulierung einer reduktiven Dechlorierung (z. B. HRC, Melasse, Speiseöl)
- Methan-Biostimulation
- In-situ-chemische-Oxidation
- Nanoeisen
- Air-Sparging
- Alkohol-Spülung
- Tensidspülung / Mikroemulsion
- Phasenentfernung mittels Vakuumpumpen
In den folgenden Kapiteln werden die in Nordrhein-Westfalen bisher angewandten Verfahren näher
betrachtet. Sie sollen kurz anhand des Wirkungsprinzips vorgestellt werden. Anschließend sollen
stichpunktartig Randbedingungen und Erfahrungen aus ausgewählten Einzelfällen, bei denen diese
Verfahren eingesetzt wurden, beschrieben werden. Anschließend werden erste fachliche Hinweise
gegeben, die sich entweder aus verfahrensspezifischen Besonderheiten oder aus den Erfahrungen aus
Anwendungen ergeben. Es ist vorgesehen, diese Auswertung zu vertiefen und auf neue Fälle
auszuweiten.
3.1 Biologische Verfahren
3.1.1 Zugabe von Sauerstoff (z. B. über Lanzen, iSOC-Verfahren, ORC) und
Nährstoffen
Kurzbeschreibung
Durch die Zugabe von Sauerstoff in den Grundwasserleiter kann der aerobe Abbau organischer
Schadstoffe unterstützt und beschleunigt werden. Üblicherweise kann die Zuführung über Lanzen
erfolgen.
Ein Beispiel für ein Spezialverfahren ist das System iSOC (in situ Submerged Oxygen Curtain). Bei
diesem Verfahren kann Sauerstoff in den Grundwasserleiter eingebracht werden mit dem Ziel, den Insitu
Schadstoffabbau für z. B. BTEX, MTBE und Benzin zu beschleunigen (CORNELSEN & BUHL,
2005). Dieses patentierte System wird in Kanada gebaut und weiterentwickelt (INVENTURES
TECHNOLOGIES INC., 2003). Es handelt sich um einen ca. 45 cm langen und weniger als fünf
Zentimeter dicken Zylinder aus Edelstahl. In dessen Inneren befinden sich mehr als 700 hydrophobe,
mikroporöse Hohlfasern, die eine gewaltige Oberfläche (7000 m² pro Kubikmeter Fasern) bieten, um
den blasenfreien Transfer des Sauerstoffs ins Grundwasser zu bewerkstelligen, um den natürlichen
Schadstoffabbau durch Mikroorganismen zu stimulieren (CORNELSEN, 2004). In Abhängigkeit der
Lithologie liegt beim System iSOC der Radius der Beeinflussung bei ca. 3 bis 6 m pro Brunnen. In
feinkörnigeren Sedimenten (z. B. Feinsande) wird der größere Radius erzielt (CORNELSEN & BUHL,
2005). Vorteil dieses Verfahrens gegenüber der Sauerstoffzufuhr über Lanzen ist eine deutlich höhere
Sauerstoff-Sättigung, da Sauerstoff nicht ausgast.
Ein weitere Möglichkeit, Sauerstoff zuzuführen, ist mittels ORC (Oxygen Release Compound). Dabei
handelt es sich um eine patentierte Magnesiumperoxid-Formel, die bei Kontakt mit Wasser Sauerstoff
freisetzt und den Mikroorganismen zur Verfügung stellt. Dadurch wird ein aerobes Milieu unterstützt
und die Aktivität der aeroben Mikroorganismen wird gesteigert. Dies führt zu einer Beschleunigung
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des aeroben Abbaus. Das Verfahren kann für alle unter aeroben Bedingungen abbaubaren
Kontaminationen eingesetzt werden. Dazu gehören BTEX und MTBE, Mineralölkohlenwasserstoffe
sowie PAK, Vinylchlorid und PCP (RAPHAEL, 2005).
Erfahrungen in NRW
Das iSOC-Verfahren befindet sich derzeit in der Phase der Erprobung. In den USA wurden bereits
mehrere Feldanwendungen durchgeführt (STUPP, 2004). Erste erfolgreich gelaufene Anwendungen
liegen auch in Großbritannien vor (CORNELSEN, 2004). In Deutschland liegen bisher keine
dokumentierten Erfahrungen einer großtechnischen Anwendung des iSOC-Verfahrens vor.
ORC wurde in den USA vielfach eingesetzt. In Deutschland liegen bisher erst wenige Erfahrungen
vor. Allerdings gibt es in NRW Fälle, in denen Sauerstoff und Nährstoffe zur Sanierung des
Grundwassers mittels Lanzen in die gesättigte Zone eingebracht wurden.
Nachfolgend wird dazu ein Beispiel beschrieben:
Beispiel: ## (Fall 9)
Es handelt sich um eine Tankstelle, bei der sowohl in der ungesättigten als auch in der gesättigten
Zone Belastungen mit MKW festgestellt wurden. Unter eine durchschnittlich 2,3 m mächtigen
Auffüllung befinden sich bis zu 5 m u. GOK Fein- und Mittelsande, die von Schluffen unterlagert
werden. Der Grundwasserflurabstand beträgt 3 – 3,5 m. Die MKW-Belastung der ungesättigten Zone
lag bei max. 16.000 mg/kg. Lokal begrenzt lag ein BTEX-Schaden in der ungesättigten Zone mit max.
115 mg/kg vor. Die Belastung im Grundwasser lag im Abstrom des Belastungsschwerpunktes bei 5,9
mg/l KW. Als Sanierungsziel für Kohlenwasserstoffe im Grundwasser wurden 0,2 mg/l und
500 mg/kg in der ungesättigten Zone vereinbart (DIN 38409-H18). Das Sanierungsziel für BTEX lag
bei 3,5 mg/kg in der ungesättigten Zone bzw. 0,15 µg/l im Grundwasser.
Wo technisch möglich, wurde ein Teil des belasteten Bodens entfernt und biologisch behandelt. Ca.
650 m 3 belastetes Erdreich verblieb im Boden. Zur Boden- und Grundwassersanierung wurde ein
biologisches In-situ-Verfahren eingesetzt, bei dem die Bodenbiologie durch Wärmeenergie
(Heizbrunnen) und Sauerstoff (Luftlanzen) im Verbund mit dem Einbringen von Nährstoffen (i. w.
Phosphat, Stickstoff) aktiviert wurde. Zur Unterstützung wurde eine Bodenluftabsaugung betrieben.
Die Sanierung wurde von Juli 1996 bis Juli 2000 durchgeführt. Der lokal begrenzte BTEX-Schaden
konnte nach Angaben der zuständigen Behörde vollständig saniert werden. Die Sanierungszielwerte
für MKW konnten unterschritten werden.
Neue MKW-Befunde, die auf einen bisher nicht erkannten Schadstoffherd hindeuten, machen eine
Anwendung des Verfahrens auch auf diesen Bereich der Fläche erforderlich.
3.1.2 Zugabe von Nitrat als Elektronenakzeptor
Kurzbeschreibung
Ist der zur Verfügung stehende Sauerstoff verbraucht, können in der Folge Nitrat, Eisen- und
Manganoxide sowie Sulfat im Zusammenhang mit dem Abbau organischer Stoffe reduziert werden.
Durch die Zugabe von Nitrat in den Grundwasserleiter kann der anaerobe Abbau organischer
Schadstoffe unterstützt und beschleunigt werden. Nitrat kann als Elektronenakzeptor bei der
anaeroben Atmung (Denitrifikation, Nitrat-Atmung) den Abbau organischer Schadstoffe, insbesondere
BTEX und niedermolekulare PAK unterstützen.
Sofern Sulfide vorliegen, wird Nitrat bevorzugt zur Oxidation der Sulfide zu Sulfat verwendet.
Erfahrungen in NRW
Folgende Fallbeispiele mit der Zugabe von Nitrat wurden im Rahmen der Bestandsaufnahme genannt:
Beispiel 1: ## Fall 7
Auf dem Gelände eines ehem. Gaswerkes mit erheblichen BTEX- und PAK-Belastungen in der
ungesättigten Zone und im quartären Grundwasserleiter wurde eine Bodensanierung (weitgehendes
Entfernen der Quelle in der ungesättigten Zone), seit 1995 eine Grundwassersanierung und von Mai
2003 bis 2005 eine ENA-Maßnahme mit Nitrat durchgeführt.
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Im Oberstrom eines Testfeldes wurde im Rahmen einer ENA-Maßnahme dem gereinigten
Grundwasser aus dem Sanierungsanlagenablauf vor der Infiltration Nitrat zudosiert (Abb. 1). Die
Zugabe des Nitrats erfolgte über Rigolen. Die Infiltrationsrate lag bei etwa 16 m 3 /h und die
eingestellte Nitratkonzentration bei 50 mg/l. Damit wurden pro Tag etwa 19 kg Nitrat in den
Grundwasserleiter gegeben, insgesamt 9000 kg. Die Grundwasserbeprobungen zeigten, dass bereits in
den Grundwassermessstellen 20 Meter abstromig der Infiltrationsrigole kein Nitrat mehr nachweisbar
war. Bilanzierungen hatten ergeben, dass ein Großteil des Nitrats mit Sulfiden reagierte, die sich im
Untergrund unter sulfatreduzierenden Bedingungen gebildet hatten. Deutlich wird die Reoxidation der
Sulfide durch eine beachtliche Sulfaterhöhung. Diese zusätzliche Sulfatmenge stand im weiteren
Abstrom zusätzlich dem Schadstoffabbau unter sulfatreduzierenden Bedingungen zur Verfügung.
Es wurde festgestellt, dass Teilbereiche der Quelle nicht entfernt wurden und weiter emittierten. Als
weitere Maßnahmen wird über eine ergänzende Quellensanierung diskutiert. Neben hydraulischen
Maßnahmen und der Entfernung von Restbelastungen kommt ggf. auch ein MNA-Konzept in
Betracht.
Abb. 1: Querprofil ehem. Gaswerk Düsseldorf Flingern: Wirkung der Nitratinfiltration
Beispiel 2: ## (Fall 8)
Auf der Fläche eines ehemaligen Imprägnierwerkes sind sowohl in der ungesättigten als auch in der
gesättigten Zone Belastungen mit PAK und BTEX ermittelt worden. Unter einer ca. 1,40 m mächtigen
Auffüllung folgen schluffige Feinsande bis zu einer Tiefe von ca. 7 m, gefolgt von schluffigen
Mittelsanden, dem in 12,50 m Tiefe Mergelgestein folgt. Der Grundwasserflurabstand liegt bei ca. 4 m
unter Geländeoberkante. Es handelt sich um einen ungespannten Porengrundwasserleiter. Die
Grundwasserfließrichtung ist in Richtung Süd-Südosten gerichtet. Die Fahne ist als quasi stationär
anzusehen. Vor Beginn der Sanierung lag die PAK-Belastung in der Messstelle B12/98 (Abb. 2 und 3)
bei ca. 5.000 µg/l und die BTEX-Belastung bei ca. 300 µg/l. Abb. 2 zeigt die Situation der Geologie,
Hydrogeologie und die Messstellenanordnung im Schnitt.
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GW: 4 m
Werkshalle
Abb. 2: Schnitt der Geologie, Hydrogeologie und der Messstellenanordnung (unmaßstäblich)
Eingabebrunnen
EP1, EP2, EP3
PAK, BTX
PAK, BTX
Eingabebrunnen EP 1-3
B12/98
B6/98
Abb. 3: Lageplan mit PAK-Verteilung (August 2004)
5
B13/98
GOK
Auffüllung (1,4 m mächtig)
schluffiger Feinsand (bis in 7 m unter GOK)
schluffige Mitttelsande (bis in 12,5 m unter GOK)
Mergelgestein
Eingabebrunnen EP1-3

Da das Schadenszentrum unter einer Werkshalle liegt, konnte es mit verhältnismäßigem Aufwand
nicht saniert werden. Die Schadensquelle ist somit noch vorhanden.
Im September 2003 wurde ein Feldversuch zur mikrobiologischen Abstromsicherung des PAK- und
BTEX-Schadens begonnen. Im Rahmen des Feldversuchs wird Natriumnitrat als Elektronenakzeptor
für die mikrobiologische Schadstoffreduzierung über drei Eingabebrunnen zugegeben (43 l/d/Brunnen
mit 0,8 g/l).
Die Abbildung 4 zeigt eine Abnahme der PAK-Konzentrationen, insbesondere der leichter abbaubaren
PAK-Parameter in der im unmittelbaren Abstrom der Natriumnitrat-Eingabebrunnen gelegenen
Messstelle B12/98. Damit liegen erste Hinweise auf einen mikrobiologischen Schadstoffabbau vor.
Es wurden zwar Vorversuche (Batchversuche) zur Ermittlung eines möglicherweise hemmenden
Einflusses des eingesetzten Wassers auf einen Abbau durchgeführt. Die Zielsetzung der Versuche
bezog sich nicht auf die Wirkung einer Nitratzugabe. Da die Versuche zudem nicht unter
Feldbedingungen (anaerob) durchgeführt wurden, konnten sie keine gesicherten Aussagen über die zu
erwartenden Prozesse im Untergrund liefern.
Da die Quelle im betrachteten Fall noch vorhanden ist, ist die Anwendung des Sanierungsverfahrens
im Bereich der Fahne langfristig erforderlich. Nur eine Quellensanierung kann diese Dauer erheblich
reduzieren.
PAK [µg/l]
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
01.10.2003 09.01.2004 18.04.2004 27.07.2004 04.11.2004 12.02.2005 23.05.2005
Naphtalin Acenaphthen (mg/l) Fluoren (mg/l) Phenanthren (mg/l)
Abb. 4: Ganglinien der Konzentration der PAK-Einzelstoffe an der Messstelle B12/98
3.1.3 Stimulierung einer reduktiven Dechlorierung an einem Beispiel mittels HRC
Kurzbeschreibung
Bei HRC (Hydrogen Release Compound) handelt es sich um einen Wasserstoff-Donator, der in den
Grundwasserleiter eingebracht wird und Milchsäure als Co-Substrat freisetzt. Beim aeroben Abbau
von Milchsäure entsteht Wasserstoff, der als Elektronendonator (Reduktionsmittel) zur reduktiven
Dechlorierung der LCKW erforderlich ist. Die sauerstoffzehrende Eigenschaft der im HRC
enthaltenen Milchsäure sorgt bei Zugabe in einen Grundwasserleiter dafür, dass sich für den CKW-
Abbau ein anaerobes Milieu und damit gut geeignete Bedingungen schnell und stabil einstellen
(RAPHAEL, 2005).
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Die zur Sanierung eines kontaminierten Standortes notwendige HRC-Menge wird auf der Grundlage
des stöchiometrisch für die reduktive Dechlorierung erforderlichen Wasserstoffbedarfs ermittelt.
Entsprechend der HRC-Design-Software (REGENESIS, 2004) hängt der Bedarf ab von:
- der im Grundwasser gelösten Schadstoffmasse (Berechnung über Schadstoffkonzentration,
Geometrie und Aquiferparameter)
- der sorbierten Schadstoffmasse (Berechnung über eine lineare Sorptionsbeziehung auf der
Grundlage des organischen Kohlenstoffgehaltes und des Sorptionskoeffizienten Koc)
- der im Aquifer verfügbaren Masse an konkurrierenden Elektronen-Akzeptoren (Sauerstoff, Nitrat,
Mangan, Eisen, Sulfat)
- einem Sicherheitsfaktor zur Berücksichtigung der nicht im Zusammenhang mit der reduktiven
Dechlorierung ablaufenden mikrobiellen Umsetzungsprozesse
- einem Sicherheitsfaktor zur Berücksichtigung der Unschärfe bei der Kenntnis des im Aquifer
verfügbaren Potenzials an Elektronen-Akzeptoren
Gegebenenfalls vorhandene Mengen an CKW-Phase können nur zusätzlich durch Erhöhung des
Sicherheitsfaktors berücksichtigt werden.
Bei einem Einsatz von HRC kann die Möglichkeit des erhöhten und weiterreichenden Austrages der
Metaboliten DCE und VC im Grundwasserabstrom nicht ausgeschlossen werden. Zum anderen ist
unsicher, wie gewährleistet wird, dass die Reichweite der eingebrachten HRC zur Erzielung der
angestrebten Wasserstoffkonzentrationen am Ort der Schadstoffe ausreicht.
Aufgrund der gemachten Ausführungen besteht für HRC–Injektionen am ehesten ein
Anwendungsbereich als „Abstrombarriere“ bei Quellen mit zeitlich begrenztem und definiertem
Nachlieferungspotenzial bzw. eingeschränkt bei definierten lokalisierbaren und mobilisierbaren
Quellbereichen. I. d. R. ist eine Anwendung ist in der Nähe des Schadensherdes möglich.
Erfahrungen
Das Verfahren wurde in den USA vielfach eingesetzt. In Deutschland liegen bisher erst wenige
Erfahrungen vor.
Die bisher in der amerikanischen Fachliteratur dokumentierten Fälle erfüllen nicht immer alle die in
Deutschland gestellten Anforderungen an das Monitoring (z. B. bzgl. der Metaboliten), die
Sanierungsziele und den Nachweis der Wirksamkeit. Je nach der Größe der vorhandenen
Schadstoffquelle, der Art des Vorliegens und dem Zeitraum der Nachlieferung durch in Lösung gehen
ist eine Dimensionierung von HRC sowohl mengenmäßig als auch zeitlich schwierig und aufgrund der
relativ hohen Materialkosten in seiner Wirtschaftlichkeit schwer abzuschätzen (ODENSAß, 2003).
3.1.4 Methan-Biostimulation
Kurzbeschreibung
Neben der reduktiven Dechlorierung (anaerob) können LCKW (TCE, PCE) auch aerob dechloriert
werden. Um den aeroben LCKW-Abbau zu erreichen, müssen Bedingungen geschaffen werden, um
ubiquitär vorhandene methanotrophe Mikroorganismen zu vermehren.
Dazu ist es erforderlich, die Mikroorganismen im gesamten Sanierungsverlauf mit Methan zu
versorgen. Die methanotrophen Mikroorganismen produzieren zur Verwertung des Methans das
Enzym Methanmonooxygenase (MMO), das als eine Nebenaktivität die Oxidation von LCKW
katalysiert.
Das Methan-Biostimulationsverfahren kombiniert pneumatische und biologische Prozessstufen für die
Sanierung von LCKW-Schadensfällen (MEYER, 2005). Es wird ein methanhaltiges Luftgemisches in
die gesättigte Bodenzone unterhalb der Kontamination eingeblasen. Damit handelt es sich um eine
Kombination aus In-situ-Strippen und biologischem In-situ-Verfahren. Das Verhältnis von Luft zu
Methan beträgt ca. 20 : 1, um die Untere Explosionsgrenze von Methan sicher zu unterschreiten, die
bei 4,4% liegt (BIOPRACT, 2005).
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Erfahrungen in NRW
Das Verfahren wurde in den USA entwickelt und dort bereits mehrfach eingesetzt. In Deutschland
wurde das Verfahren erst in wenigen Fällen eingesetzt.
Beispiel: ## (Fall 13)
Es handelt sich um eine mit LCKW kontaminierte Fläche auf dem Gelände eines ehemaligen
Textilbetriebes in Nordrhein-Westfalen.
Unterhalb einer 1 bis 1,5 m mächtigen Auffüllung stehen zwischen etwa 1 bis 3 m mächtige Schluffe
oder Tone an, die von schluffigen Sanden bis in Tiefen von rund 8 m unterlagert werden. Es folgen in
Tiefen bis 21 m quartäre Kiese oder Sande. Der Grundwasserspiegel liegt bei etwa 4 m unter Gelände.
Die Ausgangsbelastung in der Fahne lag im Mittel bei 500 bis 1000 µg/l.
Abb. 5 zeigt den Schnitt der Geologie, Hydrogeologie und des Sanierungsschemas.
4 m
LCKW
Infiltration (im Bereich der Quelle)
P30 P24
Absaugpegel
Auffüllung (1-1,5 m mächtig)
Schluff, Ton (1-3 m mächtig)
schluffige Sande (bis in 8 m unter GOK)
quartäre Kiese oder Sande (bis in 21 m unter GOK)
Abb. 5: Schnitt der Geologie, Hydrogeologie und des Sanierungsschemas (unmäßstäblich)
Die im Bereich der Quelle gelegenen Messstellen P24 und später (nach eingeschränkter
Funktionsfähigkeit von P24) P30 wurden im Zeitraum von 1997 bis Ende 2001 als Sanierungsbrunnen
für die Grundwassersanierung mittels pump-and-treat mit nachgeschalteter Strippanlage genutzt. Die
Anlage wurde mit 15 m 3 /h betrieben. Der Betrieb der Anlage wurde Ende 2001 eingestellt.
Im Zeitraum November 1999 bis Oktober 2000 wurde zusätzlich das Methan-
Biostimulationsverfahren im Grundwasser eingesetzt. Dazu wurden in den gesättigten Bereich bis
unterhalb der kontaminierten Bodenschicht bis in 14 m Tiefe 8 Infiltrationspegel eingebaut. Der
Eintritt des Gas-Luft-Gemischs erfolgte über die Filterstrecke zwischen 13 und 14 m. Im ungesättigten
Bereich wurden 6 Absaugpegel installiert. Die Infiltrations- und Absaugpegel der In-situ-Sanierung
befinden sich innerhalb des gekennzeichneten Hauptbelastungsbereiches (Abb. 6).
8

Abb. 6: Lageplan mit Schadenszentrum und Grundwassermessstellen
Seitens der zuständigen Behörde wurde ein Sanierungsziel von 100 µg LCKW / l festgelegt. Dieses
Sanierungsziel konnte am Ende des Sanierungszeitraums temporär sowohl im Schadenszentrum in der
Messstelle P30, in der am Rande des Schadenszentrums gelegenen Messstelle P2, als auch an der im
Abstrom gelegenen Messstelle P13 erreicht werden.
10000
1000
100
10
Laufzeit pump-and-treat
Messstelle 580090 (P30)
Zeitraum
Methan-Biostiumulation
1
Jan 98 Jul 98 Feb 99 Aug 99 Mrz 00 Okt 00 Apr 01 Nov 01 Mai 02
LHKW Summe µg/l
Abb. 7: Ganglinie der LHKW-Konzentration an der Messstelle P30
Nach Beendigung der Methanzugabe kam es innerhalb eines Jahres wieder zu einem erheblichen
Anstieg der LCKW-Konzentrationen (siehe auch Messstelle P30, Abb. 7).
Der Anstieg der Schadstoffkonzentration im Anschluss an den Zeitraum der Durchführung der
Maßnahmen ist darauf zurückzuführen, dass die Schadensquelle nicht saniert wurde und ein weiterer
Austrag von Schadstoffen aus der Quelle in das Grundwasser stattfindet. Daran wird die Bedeutung
der Sanierung der Schadensquelle deutlich (Kap. 4.1).
9

3.2 In-situ-chemische-Oxidation
Kurzbeschreibung
Bei der In-situ-chemischen-Oxidation (ISCO) von Kontaminationen wird ein chemisches
Oxidationsmittel in den Aquifer infiltriert. Ziel ist der vollständige chemische Abbau der
Kontaminanten durch Kontakt mit dem Oxidationsmittel. Es handelt sich nicht um ein biologisches,
sondern um ein chemisches In-situ-Verfahren. Im Vergleich zum biologischen Abbau verläuft die
Reaktion sehr schnell.
Da neben den Kontaminationen alle oxidierbaren Stoffe (sowohl geogene Organik wie auch
Anorganik) an der Reaktion beteiligt sind, muss vor Einleitung des Oxidationsmittels dessen Bedarf
ermittelt werden. Zur Ermittlung des Oxidationsmittelbedarfs können Säulenversuche empfohlen
werden (TRÖTSCHLER ET AL., 2005). Batch-Tests hingegen können als Screening-Methode eingesetzt
werden. In der US-amerikanischen Literatur werden zwei Batch-Versuche beschrieben, mit denen der
Bedarf an Oxidationsmittel ermittelt werden kann (FRASCO ET AL., 2005). Dabei handelt es sich um
Methoden mit den Bezeichnungen PSOD-T1 (2 Tages-Test mit Screening-Charakter) und PSOD-T2
(7 Tages-Test). Bei Vorliegen von Phase kann zur Ermittlung des Oxidationsmittelbedarfs ggf. das 10
– 100 fache Konzentrationsniveau an Schadstoffen angenommen werden (FRASCO ET AL., 2005).
Folgende Oxidationsmittel aufgeführt in der Reihenfolge des Oxidationsmittelpotenzials können
eingesetzt werden (ITRC, 2005):
- Permanganat
- Wasserstoffperoxid
- Persulfat
- Ozon
- Fentons-Reagenz
Mittels In-situ-chemischer Oxidation sind insbesondere folgende Kontaminanten behandelbar (ITRC,
2005):
- LCKW
- BTEX,
- MTBE
- PAK
- PCB
- Phenole
- Organische Pestizide
In der nachfolgenden Tabelle sind die bei verschiedenen Kontaminanten wirksamen Oxidationsmittel
dargestellt (nach ITRC, 2005):
Oxidationsmittel behandelbare Schadstoffe schlecht behandelbare
Schadstoffe
persistente Schadstoffe
H2O2
Trichlorethan,
Dichlorethan,
Trichlormethan ,
Tetrachlorethen,
Dichlormethan, PAK, Perstizide
Trichlorethen,
Vinylchlorid, BTEX,
Phenole, MTBE, Tertiär-
Butyl-Alkohol (TBA)
PCB
Ozon Tetrachlorethen,
Dichlorethan,
Trichlorethan,
Trichlorethen,
Dichlormethan, PAK Trichlormethan , PCB,
Dichlorethen,
Vinylchlorid, BTEX,
Phenole, MTBE, Tertiär-
Butyl-Alkohol (TBA)
Pestizide
Permanganat Tetrachlorethen,
Pestizide Trichlorethan,
Trichlorethen,
Dichlorethen,
Vinylchlorid, BTEX,
Phenole, PAK
Trichlormethan, PCB
Tab. 1.: Oxidationsmittel und Schadstoffeignung (nach ITRC, 2005)
10

Durch Infiltration eines Oxidationsmittels können die im Grundwasser gelösten Schadstoffe
vollständig zu Kohlendioxid und Chlorid oxidiert werden. Permanganat ist im Großhandel als Kalium-
und Natriumsalz erhältlich, Kaliumpermanganat (KMnO4) als kristallines Salz und
Natriumpermanganat (NaMnO4) als 40%ige Lösung. Die Umsetzung von Kaliumpermanganat verläuft
wie folgt (ITRC, 2005):
KMnO4 + 4 H + + 3 e - → MnO2 + 2 H2O + K +
Die vollständige Reaktion von Kaliumpermanganat mit Tetrachlorethen (Per) lautet:
4 KMnO4 + 3 C2Cl4 + 4 H2O → 6 CO2 + 4 MnO2 + 4 KCl + 8 HCl
Folgende Feldparameter sollten bei der Durchführung einer In-situ-chemischen Oxidation ermittelt
werden (ITRC, 2005):
- Kontaminanten
- Oxidationsmittel
- Metalle
- Ionen (Na, K, Ca, Mg, Fe)
- Nitrat, Sulfat, Chloride
- Redoxpotenzial
- pH-Wert
- Temperatur
Beim Einsatz von Verfahren der In-situ-chemischen Oxidation ist nicht genau bekannt, welche
Reaktionen im Einzelnen insgesamt entstehen. Das Entstehen von toxischeren Stoffen als die
Ausgangsstoffe kann nicht ausgeschlossen werden.
Erfahrungen
Im Leitfaden der ITRC (ITRC, 2005) werden in den USA durchgeführte Fallstudien mit
Kaliumpermanganat, Natriumpermangant, Natriumpersulfat, Fentons Reagenz, Wasserstoffperoxid
und Ozon beschrieben. In EDEL ET AL. (2004) wird ausgeführt, dass das Verfahren der In-situchemischen-Oxidation
von LCKW mit Permanganat zur Untergrundsanierung in den USA entwickelt
und an verschiedenen Standorten eingesetzt wurde.
In den Niederlanden wurden 15 Projekte überwiegend im Pilotmaßstab durchgeführt. Als
Oxidationsmittel wurde dort überwiegend Fentons Reagenz, in Einzelfällen Wasserstoffperoxid und
Ozon eingesetzt (ARNZ, 2005).
Nachfolgend wird eine Anwendung der In-situ-chemischen-Oxidation mit Natriumpermanganat
anhand eines Projektes in Nordrhein-Westfalen beschrieben:
Beispiel: (##Fall 12)
Bei diesem Fall wird im Rahmen der Sanierung Natriumpermangant als Oxidationsmittel eingesetzt.
Bei dem betrachteten Altstandort handelt es sich um die ca. 700 m 2 große Betriebsfläche einer ehem.
chemischen Reinigung. Unterhalb einer ca. 4 m mächtigen Schicht aus gewachsenem Boden (Schluff)
befindet sich der kiesige Grundwasserleiter, der in ca. 20 m Tiefe vom Tertiär unterlagert wird. Die
Schadstoffbelastung im Boden lag bei max. 400 mg/kg LCKW und das Grundwasser war vor Beginn
der Sanierung im zentralen Bereich im Mittel mit 3.000 bis 4.000 µg/l LCKW und mit maximal
88.000 µg/l belastet. Die höchsten Belastungen befinden sich oberhalb einer Tonlinse, die sich im
Porengrundwasserleiter unterhalb des Altstandortes befindet (Abb. 8). Relevante Anteile an CKW
befinden sich in der Tonlinse (AAV, 2004).
Die seit 1997 laufende Grundwassersanierung hat zu einem Abreißen der Fahne im Unterstrom
geführt und auch im Schadenszentrum konnten die Gehalte reduziert werden. Nach 6-jährigem
Sanierungsbetrieb war aber davon auszugehen, dass auch bei Fortführen der Sanierungsmaßnahmen
die Belastungssituation (max. 27.000 µg/l im Jahre 2003) nicht wesentlich verbessert wird. 2004
wurde ein Pilotvorhaben vereinbart, um durch eine In-situ-Maßnahme mittels In-situ-chemischer-
Oxidation durch Infiltration von Natriumpermanganat im Quellbereich die Schadstoffquelle zu
11

sanieren. Das angelieferte Oxidationsmittel wurde in drei Mischbehältern mit unbelastetem
Grundwasser auf eine Konzentration von 4% verdünnt und umgehend infiltriert. Hierzu wurde das
Infiltrat mittels Unterwasserpumpe aus dem Mischbehälter gehoben und drucklos in drei
Infiltrationsbrunnen eingeführt. Die Infiltrationsbrunnen haben eine Endteufe von 10,0 m (IF1, IF2)
bzw. 9,3 m (IF3). Die Filterstrecke ist bei 3,0 bis 9,0 m (IF1, IF2) bzw. bis 9,3 m (IF3) angeordnet
(AAV, 2004).
4 m
GW8
2200 µg/l
5500 µg/l
März/April 2004:
Infiltration (IF 1-3) im Quellbereich
LCKW
max. 88.000 µg/l, nach Beendigung pump-andtreat
1993 max. 27.000 µg/l
Ton
1700 µg/l
gewachsener Boden (4 m mächtig)
Kiese (bis in 20 m Tiefe)
Abb. 8: Schnitt der Hydrogeologie und Kontaminationsverteilung vor Sanierungsbeginn 1997
mit Darstellung der Infiltrationspegel (unmaßstäblich) (verändert nach AAV, 2004)
Im Verlauf der Infiltration des Oxidationsmittels ergaben sich ausgehend von den Vorbefunden
deutliche Abnahmen der LCKW-Konzentration im Bereich der Infiltration. Es wurde eine
Konzentrationsabnahme von ca. 4.000 µg/l zu Beginn der Infiltration auf den Bereich der
Nachweisgrenze (10 – 20 µg/l) im Infiltrationsbereich erreicht. In den Infiltrationsstellen wurden die
CKW nach Abschluss der Infiltration praktisch vollständig oxidiert. Vinylchlorid wurde in keiner der
Proben nachgewiesen.
Nach Einstellen der Infiltration zeigt sich aber im unmittelbaren Schadensherd ein Wiederanstieg der
LCKW-Konzentrationen. Somit ist an der Tonlinse von nicht unerheblichen Restbelastungen
auszugehen. Durch den Gutachter wurde daher eine zweite Infiltrationskampagne empfohlen, die sich
in Vorbereitung befindet.
3.3 Nano-Eisen
Kurzbeschreibung
Nullwertiges Eisen ist ein moderates Reduktionsmittel (d. h. Elektronendonator), das mit dem im
Wasser gelösten Sauerstoff und zum Teil mit dem Wasser selbst reagiert (ZHANG, 2003):
2Fe o + O2 + 2H2O → 2Fe 2+ + 4OH -
Fe o + 2H2O → Fe 2+ + H2 + 2OH -
Neben der Reaktion mit Sauerstoff und Wasser reagiert das Eisen auch mit einer Vielzahl von
Schadstoffen im Grundwasser (ALSTOM, 2004).
R-X + Fe o + H2O → R-H + Fe 2+ + OH - + X-
12
Tertiär

Es handelt bei dem betrachteten Verfahren in erster Linie um ein chemisches Verfahren mit
abiotischer Wirkungsweise, wobei zwei Reaktionswege bekannt sind (ERT2, 2005). Beim Beta-
Eliminationsweg werden Ausgangsstoffe wie DCE und TCE durch direkte Reaktion mit Eisen zum
Ethan über kurzlebige Zwischenprodukte wie Chloracetylen und Acetylen umgewandelt (ERT2,
2005). Bei der Hydogenolyse-Elimination wird schrittweise ein Chloratom in jedem Schritt entfernt,
so dass Ethan aus TCE über cis-1,2 DCE, VC und Ethen entsteht (ERT2, 2005). Der dominierende
Weg ist der Beta-Eliminationsweg. Schwermetalle fallen als Reinmetall oder schwerlösliche
Verbindungen aus.
Durch die Sauerstoff zehrende Wirkung des Eisens stellen sich im Aquifer anaerobe Bedingungen ein.
Durch die Wasserstoffbildung wird ein reduzierendes Milieu geschaffen, das zusätzlich auch den
mikrobiologischen Abbau von LCKW über die reduktive Dechlorierung ermöglicht. Auch hier erfolgt
wie bei der Hydrogenolyse eine schrittweise Elimination der Chloratome bis zum Ethan.
Bei der Nutzung von Nano-Eisen zur chemischen Umsetzung von Schadstoffen im Grundwasser
können Nano-Eisen-Partikel mit einem Durchmesser von i. M. 70 nm als Suspension mit Wasser in
Abhängigkeit von der Durchlässigkeit der Boden-/Aquifermatrix entweder mittels Gravitation über
Brunnen oder durch „Direct Push“ mit Überdruck in die gesättigte Zone eingebracht werden. Zurzeit
bestehen noch offene Fragen bzgl. der Einmischung und Verteilung zu den Schadstoffen im
Untergrund. Die Hochdruckinjektion hat sich z. T. als problematisch erwiesen. Die
Langzeitwirksamkeit der Fe 0 -Kolloide ist noch nicht ausreichend geklärt.
Bezüglich des Eisenbedarfs haben Vorversuche und Erfahrungen gezeigt, dass bezogen auf die
Umsetzung von 100-200 g TCE (Trichlorethen)1 kg Nanoeisen verwendet wurde (ZHANG, 2003).
Aufgrund ihrer Größe können die Nano-Partikel mit dem Wasser in kleinste Porenräume vordringen.
Es ist nicht genau geklärt, wovon die Reaktivität des Eisens konkret abhängt. In Versuchen wurde
festgestellt, dass reines Eisen deutlich schlechter reagiert als verunreinigtes. Die Reaktivität kann bei
verschiedenen Eisensorten um Zehnerpotenzen unterschiedlich sein. Da die Kosten für Nanoeisen sehr
hoch sind, wird auch kostengünstigeres Eisen im µm-Bereich erprobt. Ein Entwicklungsziel ist die
Entwicklung geeigneter alternativer hochwirksamer und gleichzeitig kostengünstiger Eisenspezies.
Das behandelbare Schadstoffspektrum soll grundsätzlich leicht- und schwerflüchtige halogenierte
organische Schadstoffe (LHKW, chlorierte Aromaten, PCB, organisch chlorierte Pestizide),
Nitroaromaten, Perchlorate sowie Schwermetalle (Cr(VI), Cd, Pb, Ni, Hg, As etc.) umfassen
(ALSTOM, 2004), wobei die Eignung konkret in Labor- und Feldversuchen erprobt werden sollte.
Erfahrungen
Das Verfahren wurde in den USA bereits mehrfach eingesetzt, so dass dort erste Erfahrungen
vorliegen. In Deutschland wurde das Verfahren bisher erst in einem Feldversuch in den neuen
Bundesländern großtechnisch eingesetzt. Weitere Konzepte zum Einsatz des Verfahrens in
Deutschland werden zurzeit entwickelt. Nachfolgend werden die Randbedingungen eines geplanten
Beispiels in Nordrhein-Westfalen wiedergegeben.
Beispiel: ## (Fall 14)
Zur Sanierung des LCKW-belasteten Grundwassers einer ehemaligen Wäscherei ist der Einsatz der
Nano-Eisen-Technologie vorgesehen. Unter einer einen Meter mächtigen Auffüllung befindet sich
1-2 m Hochflutlehm, gefolgt von der 12 m mächtigen Niederterasse des Rheins. Die LCKW-
Belastung liegt bei ca. 1270 µg/l im Bereich Eintragstelle und im Mittel 300 µg/l im Bereich der
Fahne. Seit 1996 wird das Grundwasser mittels pump-and-treat behandelt. Derzeit wird die
Anwendung der Nano-Eisen-Technologie an diesem Standort geplant. Dabei wurde ein Abstand der
Infiltrationsbrunnen von 4 m, d. h. ein Radius von 2 m, diskutiert. Dazu wurde der Quellbereich
mittels Direct-Push näher lokalisiert. Derzeit werden Laborversuche durchgeführt.
3.4 Air-Sparging
Kurzbeschreibung
Das In-situ-Strippen ist gekennzeichnet durch die Belüftung der wassergesättigten Zone mittels
Atmosphärenluft. Über Injektionslanzen oder Injektionsbohrungen wird mittels eines geeigneten
13

Kompressors Luft in den kontaminierten Grundwasserbereich gepresst. Die Luft verdrängt Wasser aus
dem nutzbaren Porenraum und kann in Form von Luftbläschen in Richtung Grundwasseroberfläche
migrieren. Daneben können sich Hohlräume ausbilden, die von der Luftaustrittsstelle bis zur
Grundwasseroberfläche reichen. Es wird bewirkt, dass zwischen den gaserfüllten Hohlräumen und der
weniger mobilen Phase (Flüssigphase, gelöste Stoffe) eine Gleichgewichtseinstellung erfolgt, die zu
einer Beladung der aufsteigenden Luft führt (DVWK, 1991).
Durch kontinuierliche Nachlieferung von Frischluft wird die wassergesättigte Zone durchlüftet und
eine Verringerung des Schadstoffinventars herbeigeführt. Parallel wird i. d. R. in der ungesättigten
Zone eine Bodenluftabsaugung betrieben, um zu verhindern, dass die kontaminierte Gasphase
unkontrolliert in andere Bereiche der ungesättigten Zone oder in die Atmosphäre entweichen kann
(STUPP, 2004).
Da die Wirksamkeit des Verfahrens auf dem Effekt des Ausstrippens beruht, ist die Eignung auf
leichtflüchtige organische Schadstoffe (z. B. LHKW, BTEX) beschränkt.
Voraussetzung für die Wirksamkeit des Verfahrens ist eine gleichmäßige Verteilung der eingeblasenen
Luft in der gesättigten Zone. Daher ist das Verfahren vorzugsweise bei homogenen und gut
durchlässigen Grundwasserleitern einsetzbar. Für die begleitende Bodenluftabsaugung sollte eine gute
Durchlässigkeit der ungesättigten Bodenzone gegeben sein.
Es besteht die Gefahr der unkontrollierten Ausbreitung durch eine Mobilisierung der Schadstoffe im
Grundwasser, wenn parallel keine hydraulischen Maßnahmen betrieben werden.
Erfahrungen in NRW
Das Verfahren In-situ-Strippen kann als Stand der Technik angesehen werden.
Air-Sparging wird bzw. wurde in NRW u. a. an folgenden Fällen durchgeführt:
Beispiel 1: (##Fall 5)
Es handelt sich um eine ehem. Tankstelle, bei der im Rahmen von Umbauarbeiten KW- und BTEX-
Belastungen ausgekoffert wurden. Nachfolgende Untersuchungen ergaben Restbelastungen in der
ungesättigten Zone und eine Belastung des Grundwassers von bis zu 900 µg/l KW und 1017 µg/l
BTEX. Von Juni bis August 2001 wurde im Bereich der Restbelastung eine kombinierte
Bodenluft/Grundwassersanierung mit 2 Luftinjektionslanzen betrieben (Air-Sparging, je 3,5 m 3 /h
Lufteinblasung). In diesem Zeitraum wurden 41,6 kg BTEX über die Bodenluft abgesaugt. Da durch
die Luftzufuhr Schadstoffe mobilisiert und durch die Grundwassersanierung nicht gefasst wurden,
wurde von Mitte August 2001 bis 2003 mittels pump-and-treat und Aushub bis in den gesättigten
Bereich weiter saniert. Die Sanierungsziele von 200 µg/l MKW und 5 µg/ BTEX wurden erreicht.
Beispiel 2: (##Fall 11)
Es handelt sich um einen CKW-Schaden des Grundwassers mit einer maximalen Belastung von
4.000 µg/l (Stand 2004). Seit 1991 wird das Grundwasser mit pump-and-treat saniert und die
Bodenluft wird aus der ungesättigten Bodenzone abgesaugt. Da die Schadensquelle überbaut ist, ist
keine direkte Quellensanierung durchgeführt worden.
In einem Pilotversuch wurde 2004 eine Sanierungsoptimierung mittels Air-Sparging getestet. Dazu
wurde eine Air-Sparging-Lanze (4-10 m 3 /h) mit einem Wirkungsradius von ca. 10 m in sandiger
Bodenmatrix eingesetzt. Zusätzlich wurde der Abstrom über Sicherungsbrunnen gesichert. Die
mobilisierten CKW wurden über eine Bodenluftabsaugung gefasst. Während des Versuchs wurde
pump-and-treat weiter betrieben.
Als Sanierungsziel wurde 5 µg/l (Summe CKW) formuliert.
Während der Maßnahme wurde bisher keine Abnahme der CKW-Gehalte im Grundwasser gemessen.
Dies ist mit der verstärkten Mobilisierung der Schadstoffe zu erklären. Die täglich geförderte Fracht
konnte jedoch um ca. 380 g/d auf ca. 580 g/d gesteigert werden.
14

4 Übergeordnete Empfehlungen
Auf Grundlage der Auswertung nordrhein-westfälischer Fallbeispiele können folgende Erfahrungen
verfahrensübergreifend formuliert werden:
- Die Schadstoffquelle und / oder Fahne wurden in den meisten Fällen nicht ausreichend
erkundet.
- Es ist häufig nicht ausreichend deutlich, was das Ziel der Sanierung insgesamt ist
(Quellen-/Fahnensanierung).
- Sanierungsziele (Quelle / Fahne / Zeit bezogen) wurden in ca. 50 % der Fälle nicht
vorgegeben.
- Internationale Erfahrungen und Leitfäden werden zur Planung nicht ausreichend
herangezogen.
- Labor-/Eignungsuntersuchungen erfolgen, wenn überhaupt, nach individuellen Vorgaben. Auf
internationale, z. B. US-EPA-Standards wird kaum Bezug genommen.
- Wissenschaftliche Kompetenz wird i. d. R. nicht ausreichend herangezogen (z. B. für
Säulenversuche).
- Pilotversuche im Feld mit konkreter Zielsetzung werden i. d. R. nicht durchgeführt.
- Der Oxidations-/Reduktionsmittelbedarf wurde z. T. nicht transparent ermittelt.
- Nutzen-Kosten-Untersuchungen wurden im Rahmen von Sanierungsuntersuchungen /
Machbarkeitsstudien i. d. R. nicht durchgeführt.
Die Auswertung hat u. a. gezeigt, dass die breit vorliegenden internationalen Erfahrungen und
Leitfäden insbesondere aus den USA zur Planung nicht ausreichend herangezogen werden. Ein
Beispiel für eine Zusammenstellung US-amerikanischer Erfahrungen mit In-situ-Anwendungen in der
gesättigten Zone ist die Internetseite der „Environmental Restoration Technology Transfer (ERT2)“.
Dabei handelt es sich um die Homepage der „Naval Facilities Engineering Command (NAVFAC)
Environmental Interactive Web Training Tools” der US-Navy. Hier werden Beschreibungen,
Erfahrungen und Training-Tools u. a. für verschiedene In-Situ-Verfahren bereitgestellt (ERT2, 2005).
Aus den Erfahrungen der Auswertung nordrhein-westfälischer Fälle können u. a. die nachfolgend
beschriebenen Empfehlungen abgeleitet werden.
4.1 Erkundung und Sanierung der Quelle
Bei der Sanierungskonzeption für eine Fläche, bei der das Grundwasser sanierungsbedürftig ist, ist
eine differenzierte Betrachtung des Standortes sinnvoll und erforderlich. Diese muss
- die Schadstoffquelle in der ungesättigten Zone,
- die Schadstoffquelle in der gesättigten Zone und
- die Schadstofffahne
umfassen.
Bei den näher recherchierten Fällen wurde die Schadensquelle bisher nicht bzw. nicht vollständig
saniert. Dies betrifft auch die überwiegende Zahl der Fälle, zu denen Grunddaten recherchiert wurden.
Die genaue Kenntnis der Situation am Standort hinsichtlich Quelle, Fahne und dem künftigen
Austragsverhalten ist jedoch eine Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Planung von In-situ-
Sanierungen. Solange die Schadensquelle in Form von Phasenkörpern oder residualer Phase noch
vorhanden ist, findet ein weiterer Schadstoffaustrag in das Grundwasser statt, so dass die Effizienz von
alleinigen Maßnahmen in der Fahne eingeschränkt ist.
Die Quelle sollte daher mit geeigneten Methoden näher charakterisiert werden. Dafür stehen
beispielsweise die MIP-Sondierung (Membrane Interface Probe) oder die ROST-Sondierung (Rapid
Optical Screening Tool) zur Verfügung. Die ROST-Sonde kann für den Direktnachweis von
15

Mineralölkohlenwasserstoffen eingesetzt werden. Die MIP-Sonde dient der Erfassung leicht- bis
mittelflüchtiger Substanzen (BTEX, LCKW) im Untergrund.
Folgende Informationen sind über die Schadensquelle erforderlich:
- Lage und Ausdehnung
- Vorhandene Schadstoffmassen
- Zustand der Schadstoffe (gelöst, fixiert, residual, mobil)
- Austragsrate (Masse / Zeit)
Die vollständige Entfernung der Schadstoffquelle (Aushub) ist aus Verhältnismäßigkeitsgründen oder
aus technischen Gründen nicht in jedem Fall möglich. In diesen Fällen kann geprüft werden, In-situ-
Verfahren gezielt im Bereich der Quelle einzusetzen. Biologische und chemische In-situ-Prozesse
laufen am Rand von residualen Phasen oder Phasenkörpern ab. Damit erfolgt eine beschleunigte
Nachlieferung von Schadstoffen aus den Phasenkörpern gegenüber dem Zustand ohne unterstützende
Maßnahmen. Durch In-situ-Strippen (Air-Sparging oder als Komponente des Methan-
Biostimulationsverfahrens) können Schadstoffe zusätzlich mobilisiert werden. Dadurch kann es
verstärkt dazu kommen, dass Schadstoffe in Lösung gehen und die Gasphase überführt werden.
Bei der Anwendung von In-situ-Verfahren im Bereich der Schadensquelle ist zu kontrollieren, dass
sich mobilisierte Schadstoffanteile, Zusatzstoffe, Metaboliten oder Reaktionsprodukte nicht
unkontrolliert ausbreiten. Ggf. sind temporäre Abfangbrunnen vorzusehen, um ein Abströmen
belasteten Grundwassers zu verhindern.
4.2 Sanierungsziele für das Grundwasser
In 5 der 15 betrachteten Fälle wurden keine Sanierungsziele, in zwei weiteren Fällen keine Zielwerte
festgelegt. Maßnahmen mit innovativen Verfahren befinden sich noch in der Durchführung, so dass
über abschließende Ergebnisse noch keine Aussagen getroffen werden können. Nur in einzelnen
Fällen wurden die Sanierungsziele laut Angaben der zuständigen Behörden erreicht, z. B. in einem
Air-Sparging-Fall.
Auch Sanierungsziele für das Grundwasser sind einzelfallbezogen abzuleiten. Allgemeingültige
Richtlinien und Grenzwerte für Sanierungen bezogen auf das Grundwasser existieren nicht.
Bei den Überlegungen zur Formulierung von Sanierungszielen sollte zunächst von den
Geringfügigkeitsschwellenwerten (GFS) ausgegangen werden. Die Geringfügigkeitsschwellenwerte
kennzeichnen die Schwelle, ab der ein Grundwasserschaden vorliegt, d. h. ab der einen
Grundwasserbelastung nicht mehr geringfügig ist. Die Geringfügigkeitsschellenwerte sind nicht
unmittelbar als Sanierungszielwerte im Einzelfall zu verstehen. Sie können gleichwohl als
Orientierungswerte bei der Ableitung von Sanierungszielen herangezogen werden. Im Rahmen der
Prüfung der Verhältnismäßigkeit und der technischen Machbarkeit ist es dann möglich, von diesen
Werten abzuweichen.
4.3 Vorversuche im Labor und Feld
Vor der Entscheidung für eine In-situ-Sanierungsvariante ist die Durchführung von Vorversuchen im
Labor zu empfehlen.
Standardisierte Vorversuche für In-situ-Verfahren existieren i. d. R. nicht, gleichwohl müssen
Vorversuche mit den am Standort vorhandenen Materialien bzw. Schadstoffspektren sowie unter den
hydrochemischen Bedingungen als eine Voraussetzung für die Planung von Geländemaßnahmen
bezeichnet werden.
Vorversuche werden u. a. zur Feststellung der erforderlichen Mengen eines Oxidations- bzw.
Reduktionsmittels und ggf. Reaktionsraten bei ENA-Maßnahmen durchgeführt.
Bei Säulenversuchen mit dynamischem Wasser-Feststoffverhältnis wird eine bestimmte
Feststoffmenge in Form eines Säulenkörpers kontinuierlich oder diskontinuierlich von einer Lösung
(von unten bzw. von oben) durchströmt.
16

Neben Säulenversuchen können Batchversuche mit konstantem Wasser-Feststoffverhältnis
durchgeführt werden. Für diese statischen Rahmenbedingungen können zeitabhängige Stoffumsätze
ermittelt werden.
Besonderes Augenmerk ist auf die Einhaltung des bei der Versuchsdurchführung chemischen Milieus
zu legen. Dies gilt insbesondere für die je nach Verfahren ggf. erforderliche Probenahme unter
anaeroben Verhältnissen. Daneben stellt die Flüchtigkeit von LCKW bzw. BTEX ein Problem bei
Versuchen zur Bilanzierung dar.
Solange Untersuchungsstellen die v. g. Versuche nicht standardmäßig erfüllen können, sollten diese
mit wissenschaftlicher Unterstützung geplant und durchgeführt werden.
Allerdings besteht auch nach Durchführung verfügbarer Vorversuche im Labor immer ein Risiko
bezüglich der Wirksamkeit des Verfahrens im Feld. Denn anhand von Vorversuchen ist es nicht
immer ausreichend möglich, die am konkreten Standort unter den vorliegenden Randbedingungen im
Feld ablaufenden Reaktionen und Begleitreaktionen bei der Verfahrensdurchführung zu
prognostizieren.
Aus diesen Gründen wird empfohlen, zusätzlich zu Laborversuchen Feldversuche durchzuführen.
Darin können u. a. die Verringerung hydraulischer Durchlässigkeiten bei In-situ-Oxidationsverfahren
(durch Braunsteinbildung) oder die Reichweite und Effizienz der gewählten Injektionstechnik
untersucht werden.
Auch in der US-amerikanischen Literatur (EPA, 2003) wird die Durchführung von Feldversuchen
empfohlen (z. B. bei thermischen In-situ-Verfahren, In-situ-chemischer-Oxidation, biologischen Insitu-Verfahren).
5 Schlussfolgerungen
Es wurden eine Bestandsaufnahme und eine erste Auswertung von nordrhein-westfälischen Fällen mit
einer Anwendung von In-situ-Verfahren in der gesättigten Zone oder in der ungesättigten Zone im
Hinblick auf den Grundwasserpfad durchgeführt.
Auch nach durchgeführten In-situ-Maßnahmen stellt sich der Sanierungserfolg nicht immer im
gewünschten Maße ein. Dies liegt u. a. daran, dass Schadstoffquellen häufig nicht ausreichend genau
erkundet wurden oder für eine In-situ-Sanierung nicht zugänglich waren. Zum einen wird bei
Oxidationsverfahren der Oxidationsmittelbedarf aufgrund hoher Anteile oxidierbarer Stoffe häufig zu
gering eingeschätzt. Zum anderen bestehen häufig Schwierigkeiten, Reaktionsmittel in ausreichenden
Kontakt mit den Schadstoffen zu bringen. Hier ist eine sorgfältige Konzeption und Vorbereitung
erforderlich. Vor der Entscheidung für eine Sanierungsvariante ist die Durchführung von
Vorversuchen im Labor zu empfehlen, wobei jedoch bisher in Deutschland keine standardisierten
Vorversuche existieren, mit dem die ablaufenden Prozesse im Feld prognostiziert werden können. Die
Einhaltung des hydrochemischen Milieus und die Flüchtigkeit von LCKW und BTEX sind
Hauptprobleme bei der Durchführung von Versuchen. Daher wird dazu die Begleitung durch
wissenschaftliche Institutionen empfohlen.
Vor Durchführung von In-situ-Sanierungen werden außerdem Feldversuche empfohlen, mit denen in
der Regel unter In-situ-Bedingungen sachgerechte Aussagen zur Effizienz der Verfahren unter den
Randbedingungen des Standortes möglich sind.
Bei einigen der betrachteten Fälle wurden auch während und im Anschluss der Anwendung des Insitu-Verfahrens
Schadstoffe aus der Schadensquelle in die Fahne emittiert. Eine Steigerung der
Effizienz von In-situ-Verfahren kann grundsätzlich durch Kombination dieser Verfahren mit einem
Aushub der Hauptschadstoffquelle (insbesondere von Phasenkörpern) erzielt werden.
Auch in der US-amerikanischen Literatur wird ausgeführt, dass eine weitere Forschung erforderlich
ist, um den vorhandenen Kenntnisstand zu festigen und auszuweiten (EPA, 2003). Dies bezieht sich
vorrangig auf die Kenntnislücken bei den bestehenden Reaktionen und den Randbedingungen sowie
auf die Optimierung der Zuführung der Reaktionsmittel (Verteilung, Art der Suspension etc.).
17

Literatur
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Deutschland und in den Niederlanden. Beitrag zum Seminar „Gefährdungsabschätzung und
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Fa. Biopract GmbH, 13.05.2005.
CORNELSEN, M. (2004): In situ Schadstoffaubbau (MTBE, BTEX, Benzin) mittels iSOC TM .- Firmeninformation
der Fa. Cornelsen Umwelttechnologie GmbH, Essen.
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Beurteilung. Heft 98 der Schriftenreihe des Deutschen Verbandes für Wasserwirtschaft und
Kulturbar e. V. (DVWK). Paul Parey Verlag.
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eines LCKW-Grundwasserschadens. Altlasten-Spektrum 5/2004, S. 251-258.
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ZHANG, W. (2003): Nanoscale iron particles for environmental remediation: An overview, Journal of
Nanoparticle Research 5: 323–332, 2003.
18

Anlage
Fall-Nr. Branche /
Art des
Schadens
1 Holzverarbeitung
Verfahren Schadstoffe Geologie /
Hydrogeologie
Chemische
Oxidation
(Reduktion von
Cr VI nach
Cr III im Boden
durch
Aufbringen von
Eisen-II-
Sulfatlösung)
2 Tankstelle Einbringen von
Nährsalzen und
gleichzeitige
Befeuchtung
des Bodens
3 Heizölschaden ENA (Biocrack,
Fa. Cognis) in
der
ungesättigten
Zone
4 Heizölschaden Mikrobiol. Insitu-Sanierung
(Bioventing) in
der unges.
Bodenzone
Cr VI kiesig-sandiger
Grundwasserleiter
Ausgangsbelastung
max. 5,33 mg
CrVI / l im
Eluat
MKW i.M. 3.000
mg/kg
Heizöl
(MKW)
Heizöl
(MKW)
Feinsande 6000-18000
mg/kg
GWL: sandiger
Kies bis Kies
max. 22000
mg KW /kg
Sanierungsziele
0,008 mg
CrVI / l im
Eluat
Dauer Status Ergebnisse Erläuterung
Aufbringen der Fe-II-
Sulfat-Lösung: 8/2000
und 10/2000
abgeschlossen
500 mg/kg 10/1993 - 02/1996 abgeschlossen
Richtwert
100 mg/kg
nicht
festgelegt
Einbringen
Nährlösung: 1993;
Beendigung In-situ-
Sanierung: 1996
abgeschlossen
Sanierungsziele
an fast
allen
Bereichen
erfüllt.
Sanierungsziel
erfüllt
Es wurde kein
signifikanter
Abbau im
Boden
festgestellt.
seit Juli 2002 laufend 8/2004:
Abbaugrad 82-
99%
Tab. 2: Grunddaten der im Rahmen der Bestandsaufnahme gemeldeten Sanierungsfälle mit In-situ-Anwendungen in der ungesättigten Zone
19
Sanierung der
ungsättigten
Zone im Hinblick
auf den
Grundwasserpfad
Sanierung der
ungesättigten
Zone im Hinblick
auf den
Grundwasserpfad
Da keine
bedeutende GW-
Belastung, werden
weitere
Maßnahmen nicht
durchgeführt. Das
Grundwasser wird
weiter beobachtet.
Es erfolgt GW-
Sicherung,
mikrobiol.
Bodensanierung
mit Infiltration
von Wasser /
Nährlösung und
Absaugen O2armer
BL,
Nachströmen O 2reicher
BL.

Fall-Nr. Branche /
Art des
Schadens
5 Chemische
Oxidation
(Reduktion
durch Eisenoxidlösung
in
der gesättigten
6 Ehem.
Tankstelle.
Verfahren Schadstoffe Geologie /
Hydrogeologie
Zone)
Air-Sparging,
kombiniert mit
pump and treat
und Bodenluftsanierung
7 Gaswerk Infiltration von
Natriumnitrat
Ausgangsbelastung
Sanierungsziele
Cr VI abgeschlossen
KW/BTEX GWL: sandiger
Kies bis
Mittelsande
KW: max.
900 µg/l,
BTEX: max.
1017 µg/l
BTEX, PAK quartärer GWL BTEX
> 1000 µg/l,
PAK:
1000 - 4000
µg/l
MKW: 200
µg/l; BTEX: 5
µg/l; Benzol:
1 µg/l
PAK ohne
Naph.:

Fall-Nr. Branche /
Art des
Schadens
8 Metallverarbeitung
9 ehem.
Tankstelle
10 Ehem.
Raffinerie und
Tanklager
11 Schlauchproduktion
12 ehem. chem.
Reinigung
Verfahren Schadstoffe Geologie /
Hydrogeologie
Nitratzugabe
(Feldversuch)
Einbringen von
Sauerstoff und
Nährstoffen
über Lanzen,
Aktivierung der
Bodenbiologie
mittels Wärme
(Heizbrunnen)
Air-Sparging,
Bodenluftsanierung
PAK, BTX 1,4 m Auffüllung,
darunter bis
12,5 m Fein-
Mittelsande,
MKW,
BTEX
Aromaten,
insbes.
Benzol
darunter Mergel
Ausgangsbelastung
PAK: ca.
5.000 µg/l,
BTX: ca.
300 µg/l
Fein- Mittelsande KW:
5,9 mg/l,
max. 16.000
mg/kg
sandig-kiesiger
GWL
Air-Sparging CKW GWL: tertiäre
Feinsande
In-Situchemische-
Oxidation mit
Natriumpermanganat
(Pilotphase)
LCKW 4 m mächtige
Schicht aus
gewachsenem
Boden, darunter
kiesiger GWL bis
in 20 m Tiefe;
Tonlinse in 8 m
Tiefe
BTEX: max.
115 mg/kg
max. 20000
µg/l leichtfl.
org.
Verbindungen
1000-4000
µg/l
3.000 – 4.000
µg LCKW / l
Sanierungsziele
Keine Werte
definiert;
Situation soll
sich nicht
verschlechtern
KW:

Fall-Nr. Branche /
Art des
Schadens
13 Ehem.
Textilbetrieb
14 Ehem.
Großwäscherei
Verfahren Schadstoffe Geologie /
Hydrogeologie
Methan-
Biostimulation
15 Farbproduktion Sauerstoff- und
Nährstoffzugabe
LHKW 1-1,5m
Auffüllung,
darunter 1-3m
Ton, darunter bis
8m schluffige
Sande.
Grundwasser-
spiegel bei ca. 4m
Nanoeisen LCKW 1 m Auffüllung,
darunter 1-2 m
Hochflutlehm,
darunter 12 m
mächtige
Niederterasse des
BTEX,
CKW
Rheins
Ausgangsbelastung
ca. 500-1000
µg/l
ca. 1270 µg/l
im Bereich
Eintragstelle,
im Mittel
300 µg/l im
Bereich der
Fahne
Sanierungsziele
k. A. k. A. keine weitere
Ausbreitung
mehr
Dauer Status Ergebnisse Erläuterung
100 µg/l 11/1999 - 10/2000
(zusätzlich pumpand-treat:
1997 bis
Ende 2001)
k. A. Grundwassersanieru
ng mittel pump-andtreat
seit 1996,
In-situ-Verfahren
geplant (Stand
07/2005)
In-situ-Sanierung
seit 2002
abgeschlossen
geplante
Einbringung
von Nanoeisen
in die Quelle
Abnahme
bis auf 10
µg/l, im
November
2001
Wiederanstieg
laufend Abnahme
der
Konzentrationen,
Sanierung
noch nicht
abgeschlossen
Tab. 3: Grunddaten der im Rahmen der Bestandsaufnahme gemeldeten Sanierungsfälle mit In-situ-Anwendungen in der gesättigten Zone (Teil 3)
22
Geplante In-situ-
Sanierung soll die
laufende
Grundwassersanierung
optimieren.