Vorlesung Sanierung kontaminierter Böden Kap 8 In-Situ- Verfahrenstechniken

Vorlesung:
Sanierung kontaminierter
Böden
Kap. 8: In-Situ-
Verfahrenstechniken
Wintersemester 2012/2013
Dr. Stephan Hüttmann

Von der Erfassung
zur Sanierungsmaßnahme

Gliederung der Sanierungsverfahren
Boden-/Grundwasser-
Sanierungsverfahren
Off-site-Verfahren On-site-Verfahren In-situ-Verfahren
Biologische
Verfahren
Chemische
Verfahren
Physikalische
Verfahren

Übersicht über In-situ-Sanierungsverfahren
Ungesättigte
Bodenzone
Biologische
Verfahren
Chemische
Verfahren
Bioventing,
Bodenbelüftungsverfahren
Trägergasgestützte
Aerosol-
Oxidation
Physikalische
Verfahren
Bodenluftabsaugverfahren
(BLA),
thermisch unterstützte
BLA,
Feste Wärmequellen
(Theris),
HF-Radiowellenerwärmung
Gesättigte
Bodenzone
(Grundwasser)
Airsparging,
Bioslurping,
Bioxwand,
Direktgasinjektionsverfahren
Passive O2-
Versorgung,
reduktive
Dechlorierung
In-situ-Chemische
Oxidation,
Chemische
Reduktion,
Alkoholspülung;
Säure-Base-
Spülung
Hydraulische
Verfahren,
Tensidspülung,
Dampf-Luft-
Injektion
(subTSVE); Insitu-Flushing;
hot
water flushing

Übersicht über In-situ-Sanierungsverfahren
Ungesättigte
Bodenzone
Biologische
Verfahren
Chemische
Verfahren
Bioventing,
Bodenbelüftungsverfahren
Trägergasgestützte
Aerosol-
Oxidation
Physikalische
Verfahren
Bodenluftabsaugverfahren
(BLA),
thermisch unterstützte
BLA,
Feste Wärmequellen
(Theris),
HF-Radiowellenerwärmung
Gesättigte
Bodenzone
(Grundwasser)
Airsparging,
Bioslurping,
Bioxwand,
Direktgasinjektionsverfahren
Passive O2-
Versorgung,
reduktive
Dechlorierung
In-situ-Chemische
Oxidation,
Chemische
Reduktion,
Alkoholspülung;
Säure-Base-
Spülung
Hydraulische
Verfahren,
Tensidspülung,
Dampf-Luft-
Injektion
(subTSVE); Insitu-Flushing;
hot
water flushing

Verfahrensschema Aerosol-Trägergas-Injektionsverfahren
Vorlagebehälter
Druckerhöhungspumpe
Verdichter
Aerosoldüse
Trägergas +
Flüssigkeit
Reines Trägergas
Gesättigte Bodenzone

Projektbeispiel Köln für das Aerosol-Trägergas-Injektionsverfahren
Lage des Umweltschadens
Technische Realisierung

Überwachung des Sanierungsfortschrittes

Verfahrensbesonderheiten
sowie Vor-/Nachteile
Besonderheiten
1. Hochreaktives Verfahren – hohe Verfahrenswirksamkeit
2. Einsatz Temperatur/Redoxsensorik – intensive Überwachung notwendig
3. Hohes Risikopotenzial - Hohe Arbeitsschutzanforderungen
Vor- und Nachteile
1. Anwendbar für alle oxidierbaren Schadstoffe
2. Nur in gut durchlässigen Böden anwendbar
3. starke Temperaturreaktionen
4. hohe Verfahrenwirksamkeit
5. Zerstörung der natürlichen Standortmikroflora
6. potenzielle Gefährdung von Bauteilen (Holz, Beton) und Personen

Übersicht über In-situ-Sanierungsverfahren
Ungesättigte
Bodenzone
Biologische
Verfahren
Chemische
Verfahren
Bioventing,
Bodenbelüftungsverfahren
Trägergasgestützte
Aerosol-
Oxidation
Physikalische
Verfahren
Bodenluftabsaugverfahren
(BLA),
thermisch unterstützte
BLA,
Feste Wärmequellen
(Theris),
HF-Radiowellenerwärmung
Gesättigte
Bodenzone
(Grundwasser)
Airsparging,
Bioslurping,
Bioxwand,
Direktgasinjektionsverfahren
Passive O2-
Versorgung,
reduktive
Dechlorierung
In-situ-Chemische
Oxidation,
Chemische
Reduktion,
Alkoholspülung;
Säure-Base-
Spülung
Hydraulische
Verfahren,
Tensidspülung,
Dampf-Luft-
Injektion
(subTSVE); Insitu-Flushing;
hot
water flushing

Verfahrensprinzip In-Situ-Alkoholspülung

Verfahrensprinzip Säurespülung ungesättigte Bodenzone

Spülverfahren: Verfahrensbesonderheiten
sowie Vor-/Nachteile
Besonderheiten
1. Intensiver Wirkstoffeinsatz
2. Veränderung der Standorteigenschaften
3. Verbleib von standortfremden Reststoffen im Boden/Grundwasser
4. Daher: Nachreinigungsschritt erforderlich
Vor- und Nachteile
1. Abhängig von der hydraulischen Durchlässigkeit des Bodens
2. nur in gut durchlässigen Böden anwendbar
3. Verfahrenstechnisches Problem der Abscheidung von Schadstoffen nach Elution
4. Mässig hohe Wirksamkeit insbesondere in heterogenen Bodenstrukturen

Reaktive Wände (PRB)
Water
Suply
PermeableReactiveWal: Volatilization
Sorption/Degradation 'LNAPL'
Sorption
'DNAPL'
Difusion
LowPermeabilityZone
Advection
Dispersion
Aquitard
Matrixdifusion
Disolution-Desorption
Contaminant Release
verändert nachSchüth, 194; Gra'96

Übersicht In-Situ-Chemische Oxidation
1. Grundlagen der ISCO-Anwendung
2. Planung, Verfahrenstechnik, Sicherheit
3. Praxisbeispiele

Was ist ISCO?
• In-Situ Chemische Oxidation (ISCO)
‣ Starke Oxidationsmittel werden in einen Kontaminationsbereich
eingeleitet, um organische Kontaminanten in
Schadenszentren chemisch zu oxidieren.

Oxidationsmittelauswahl
Oxidationsmittel Radikalbildung/Oxidationsreaktion Ox. pot. (V)
1. Perozon 2 O 3 + H 2 O 2 2 OH • + 3 O 2 E 0 red = 2,80
2. Fenton’s Reagenz Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ + OH - + OH E 0 red = 2,70
3. Aktiv. Persulfat S 2 O
2-
8 + H 2 O 2 2 SO
•
4 + 2 OH • E 0 red = 2,60
4. C-Sparge (Ozon) O 3 + 6 H + +6e - 3H 2 O E 0 red = 2,42
5. Persulfat S 2 O
-2
8 + 2H + + 2e - 2HSO
-1
4 E 0 red = 2,01
6. K-/Na-Permanganat 2 MnO
-
4 + 2H + + 2e - 2 H 2 O + 2MnO 2 E 0 red = 1,69
7. Wasserstoffperoxid Fe 3+ + H 2 O 2 Fe 2+ + HO
2 + H + E 0 red = 1,77
8. Permeox (Regenesis) Fe 3+ + H 2 O 2 Fe 2+ + HO
2 + H + E 0 red = 1,77
9. Reinsauerstoff E 0 red = 0,7

Anwendungsdreieck
Reaktionskinetik
[dC/dt]
Stöchiometrie
[%]
Thermodynamik
ΔG [kJ/mol]

Energiegewinn Reaktionskinetik
Redoxreaktion
Energiegewinn
PCE + 4 KMnO 4 2 CO 2 + 4 MnO 2 + 4 KCl + 2 O 2
G = -328,2 kJ/mol
PCE + 4 H 2 O 2 2 CO 2 + 4 HCl + 4 H 2 O
G = -327,6 kJ/mol
PCE + 2 CaO 2 2 CO 2 + 2 CaCl 2
G = -294,2 kJ/mol
PCE + 2 K 2 S 2 O 4 2 CO 2 + 4 KCl + 4 SO 4
2-
G = -271,2 kJ/mol

Laborversuche für ISCO-Sanierungen
1. Soil Oxidant Demand ( CSB)
- Wirkstoffspezifischer Verbrauch
durch unspez. Oxidationen
- biologische Zehrung
2. Bestimmung der Reaktionskinetik
- dC/dT; Abbaustöchiometrie (%);
Halbwertszeit Wirkstoff
3. Säulenversuch
- Wirkstoffmigration, pH-Reaktionen,
Gradientenbildung, Fällungs-/
Mobilisationsreaktionen

Planung von ISCO-Maßnahmen
Geologie/Hydrogeologie
• Bodenstratifikation
• Hydraulische Leitfähigkeiten
• Präferentielle Fließwege
• Ausbreitungsszenarien
Geochemie/Kontamination
• Lage der Hochlastbereiche
• Natürlicher Oxidationsmittelbedarf
• pH-Reaktion/Puffervermögen
• Schwermetallmobilisation
• Lösungs-/Fällungsreaktionen

Verfahrensübersicht - Vor-/Nachteile
Oxidationsmittel Vorteile Nachteile
1.Perozon/C-Sparge hohe Reichweiten durch Gasinjektion Abluftfilterung Kat.
2. Permanganate geringe Reaktivität, hohe Reichweiten Braunsteinbildung
3.H 2 O 2 / Fenton’s R. hohe Reaktivität, schnell wirksam Temperaturanstieg
4. Aktiv. Persulfat geringe Reaktivität, hohe Reichweiten Sulfatanstieg
5. Permeox (Regenesis) pH-neutrale Oxidation, Reaktionswand pulverförmig, ROI?

Einbringung von Oxidationsmitteln
1. Hydraulische Zirkulationssysteme
2. Drucklose Infiltration
3. Druckinjektionen (Direct Push)
4. Hydraulic/Pneumatic Fracturing
5. Reaktive Wände
6. Direktes Einmischen in Bodenmaterial

Verfahrensprinzip In-Situ-Chemische Oxidation

Verfahrensprinzip In-Situ-Chemische Oxidation

Einsatzhemmnisse für ISCO
1. Hohe Carbonatgehalte
(= Hydroxyl-Radikalfänger)
2. Mudden, Humose Horizonte (Corg > 1%)
3. Diffuse Schadstoffverteilung
4. Phasenproblematik
5. Schwermetallmobilisierung (z.B. Cr 6+ )

Tanklager IZ: Schadenssituation
Werkstatt
MKW-Kontamination

Tanklager IZ - Ausgangssituation
• MKW-Gehalte zwischen 500 - 10.000 mg/kg TS
(gem. Vorerkundung)
• Mitteldestillat, stark gealtert
• Bodenart mS, fS, kalkarm
• Durchlässigkeit: kf 10 -2 - 10 -4 m/s
• Kont. Bodenvolumen: 800 m³
• Redoxmilieu: - 300 bis -100 mV
• schwache C-Mineralisation (1 - 2 mg CO 2 /kg x
h)
• Lebendkeimzahlen heterotroph: 10 3 bis 10 4
KBE/g

Problem: Schadstoffverteilung
• stark heterogene Verteilung der MKW
–MKW-Gehalte zwischen 500 - 10.000 mg/kg TS
–Pools und Blobs; Fingering
• Langsame Diffusion aus geringdurchlässigen
Schichten
1 cm

Bewertung der Sanierungsstrategien
Vollständige Auskofferung:
• hoher Kostenaufwand wg. GW-Haltung, vollst.
Umspundung, teilweise Unterfangung von Geb.
Teilauskofferung und Pump-and-Treat:
• ungeeignet aufgrund Setzungsproblematik im
Gebäudebereich
Biologische In-Situ-Behandlung
• geeignet, aber zeitaufwändig; Erreichen des
Sanierungszieles aufgrund Alterung der Kontamination
unsicher
In-Situ-Chemische Oxidation
• gute Erfolgsaussichten aufgrund mäßig hoher
Kontamination, guter Durchlässigkeitsbeiwerte und
günstiger Milieubedingungen

Labortechnische Bestimmung des
Mengeneinsatzes für Oxidationsmittel
Temperatur [°C]
Mischungsverhältnis [%]
Temperaturveränderung Fentons bei Start- pH 7, 5 und 3
44
42
40
100,00
90,00
80,00
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
0 10 20 30 40 50 60
Zeit [min]
Temp Fentons pH 7
Temp Fentons pH 3
Temp Fentons pH 5
Mischungsverhältnis
Fentons:Boden %

MKW-Gehalt [mg (kg TS) -1 ]
Verifizierung des Schadstoffabbaus
3000
2820
2500
2000
1700
1800
1500
1300
1000
900
560
500
0
Vor Injektion
Kontrolle
Wasserstoffperoxid bis 25°C
Wasserstoffperoxid bis 40°C
Fentons Reagenz bis 25°C
Fentons Reagenz bis 40°C

Schritt 1: Auskofferung bis GW-Spiegel
Werkstatt
MKW-Kontamination

Schritt 1: Auskofferung bis GW-Spiegel
Werkstatt
MKW-Kontamination

Schritt 2: Installation von Injektionslanzen
und In-Situ-Sensorik
Werkstatt
MKW-Kontamination

Schritt 3: Wiederverfüllung der Baugrube
Werkstatt
MKW-Kontamination

Schritt 4: ISCO-Behandlung mit redox- und
temperaturgesteuerter Wasserstoffperoxid-Zugabe
Werkstatt
MKW-Kontamination

Installation der Injektionstechnik
Installation der
Injektionslanzen
Verlegung Wirkstoffleitungen
unter Flur

19.7.06 10:00
19.7.06 11:25
19.7.06 12:20
19.7.06 13:00
19.7.06 13:25
19.7.06 14:15
19.7.06 15:15
19.7.06 16:00
19.7.06 16:55
20.7.06 8:45
20.7.06 9:05
20.7.06 9:35
20.7.06 10:25
20.7.06 11:09
20.7.06 11:45
20.7.06 12:20
20.7.06 13:00
20.7.06 13:25
20.7.06 14:20
22.7.06 9:00
1.8.06 10:00
10.8.06 9:10
10.8.06 10:15
10.8.06 10:45
10.8.06 11:15
10.8.06 13:30
10.8.06 14:00
10.8.06 14:42
10.8.06 15:45
12.8.06 18:30
15.8.06 10:35
15.8.06 11:15
15.8.06 11:40
15.8.06 13:10
15.8.06 13:45
15.8.06 14:15
15.8.06 14:45
15.8.06 15:25
25.8.06 11:12
25.8.06 11:55
25.8.06 13:25
26.8.06 14:11
25.8.06 15:03
Redox potential [mV]
Injection volume [l]
Redox- und MKW-Monitoring
Entwicklung des In-Situ-Redoxpotenzials
850
750
650
MKW (Start): MKW: 3800 ppm
4.000 - 8.000 ppm
MKW: < 100 ppm
MKW: < 100 ppm
320
270
550
220
450
170
350
250
150
120
70
50
20
-50
-30
-150
-250
-350
-450
date
-80
-130
MKW: < 4500 ppm MKW: 850 ppm
-180
L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 L 6 L 7 L 8 L 9 L 10
S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6

MKW-Gehalt (mg/kg TS)
Entwicklung der MKW-Gehalte im Feststoff
Projekt Tanklager Itzehoe: MKW-Gehalte vor und nach ISCO-
Behandlung
8000
7680
7000
6000
5760
5000
4000
3000
3450
2560
3560
vor Injekt.
nach 1. Injekt.
nach 2. Injekt.
4 Wo. N. 2. Injekt.
2000
1000
1315
890
640 690
1210
430
0
Meßpunkt 1 Meßpunkt 2 Meßpunkt 3

Zunahme der biologischen C-Mineralisation
C-Mineralisationsrate (mg CO2 x kg-1 x h-1)
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
MP1 MP2 MP3
Meßpunktbezeichnung
vor ISCO
8 Wochen n. ISCO

Direkte Ergebnisse aus dem ISCO-Einsatz
• Reduktion der MKW um ca. 90%
innerhalb von 12 Wochen
• kurzzeitiger Anstieg der
Bodentemperatur auf bis zu 50°C
• Nachhaltiger Anstieg des Redoxmilieus
im gesamten Behandlungsbereich um
bis zu 800 mV
• Anstieg der Mineralisationsraten (aerob)
infolge der ISCO-Behandlung (bei
Konstanz der Lebendkeimzahlen)

Erkenntnisse aus dem ISCO-Einsatz
• Das ISCO-Verfahren führt sowohl zu
wirksamen direkten chemischen als auch -
nachgelagert - zu oxidativen biologischen
Schadstoffabbauprozessen.
• Eine Schädigung mikrobieller Biomasse bzw.
Stoffwechselaktivitäten konnte 8 Wochen
nach der ISCO-Maßnahme anhand der
Stoffwechselaktivitäten bzw. Keimzahlen nicht
mehr nachgewiesen werden.

Organoleptische Bodenanalysen
Startbeprobung vor Injektion
Massive
Schmierzone

ISCO-Projekt
Zwischenbeprobung nach 1. Injektion
Bänderung

ISCO-Projekt
Schlußbeprobung nach 2. Injektion
Rötlichbraune
Färbung
durch Fe-
Oxide

Übersicht über In-situ-Sanierungsverfahren
Ungesättigte
Bodenzone
Biologische
Verfahren
Chemische
Verfahren
Bioventing,
Bodenbelüftungsverfahren
Trägergasgestützte
Aerosol-
Oxidation
Physikalische
Verfahren
Bodenluftabsaugverfahren
(BLA),
thermisch unterstützte
BLA,
Feste Wärmequellen
(Theris),
HF-Radiowellenerwärmung
Gesättigte
Bodenzone
(Grundwasser)
Airsparging,
Bioslurping,
Bioxwand,
Direktgasinjektionsverfahren
Passive O2-
Versorgung,
reduktive
Dechlorierung
In-situ-Chemische
Oxidation,
Chemische
Reduktion,
Alkoholspülung;
Säure-Base-
Spülung
Hydraulische
Verfahren,
Tensidspülung,
Dampf-Luft-
Injektion
(subTSVE); Insitu-Flushing;
hot
water flushing

Klassische Bodenluftabsaugung
Luftstrom mit
Kontaminanten
Verdichter
Randgraben
Aktivkohlefilter
Feinsand
Oberflächenabdichtung
Vakuumbrunnen
Boden kontaminiert
mit leichtflüchtigen
Schadstoffen
Kalkmergel

Verfahrensprinzip Bodenerwärmung

Verfahrensprinzip Bodenerwärmung

Theris/TUBA– Thermisch unterstützte
Bodenluftabsaugung mit festen Wärmequellen

Verfahrensprinzip Radiowellenerwärmung

Verfahrenssteuerung der Radiowellenerwärmung
durch Anpassung an die veränderliche Impedanz
des austrocknenden Bodens

Vorteil der Radiowellenerwärmung:
Die hohe Homogenität der Bodenerwärmung
- Gute räumliche Wirksamkeit
- Vermeidung von starken
Temperaturgradienten („heiße Elektrode“)

Verfahrensprinzip Radiowellenerwärmung

(Thermische) Bodenluftabsaugung:
Verfahrensbesonderheiten
sowie Vor-/Nachteile
Besonderheiten
1. Intensiver Energieeinsatz
2. Veränderung der Standorteigenschaften bei Bodenerwärmung
3. Hohe Wirksamkeit
4. Gut durchlässige Bodenstruktur für Luftabsaugung erforderlich
5. Thermische Wirkung unabhängig von Bodenzusammensetzung
Vor- und Nachteile
1. Hohe Verfahrenswirksamkeit
2. Hoher apparativer und energetischer Aufwand
3. Mögliche Bodensetzungsprozesse bei Thermischem Verfahren

Übersicht über In-situ-Sanierungsverfahren
Ungesättigte
Bodenzone
Biologische
Verfahren
Chemische
Verfahren
Bioventing,
Bodenbelüftungsverfahren
Trägergasgestützte
Aerosol-
Oxidation
Physikalische
Verfahren
Bodenluftabsaugverfahren
(BLA),
thermisch unterstützte
BLA,
Feste Wärmequellen
(Theris),
HF-Radiowellenerwärmung
Gesättigte
Bodenzone
(Grundwasser)
Airsparging,
Bioslurping,
Bioxwand,
Direktgasinjektionsverfahren
Passive O2-
Versorgung,
reduktive
Dechlorierung
In-situ-Chemische
Oxidation,
Chemische
Reduktion,
Alkoholspülung;
Säure-Base-
Spülung
Hydraulische
Verfahren,
Tensidspülung,
Dampf-Luft-
Injektion
(subTSVE); Insitu-Flushing;
hot
water flushing

Verfahrensprinzip In-Situ-Tensidspülung

Tensidspülverfahren:
Verfahrensbesonderheiten
sowie Vor-/Nachteile
Besonderheiten
1. Intensiver Wirkstoffeinsatz (0,1 – 2% Tensidzugabe)
2. Gut durchlässige Bodenstruktur für Tensiderreichbarkeit notwendig
3. Verbleib von Resttensidmenge im System nach Behandlung
Vor- und Nachteile
1. Hoher hydraulischer Aufwand
2. Starke Schadstoffmobilisation – stark toxische Reaktionen möglich

Dampfinjektion (SUB-TSVE)

Dampfinjektion (SUB-TSVE)

Thermische Bodenbehandlung:
Verfahrensbesonderheiten
sowie Vor-/Nachteile
Besonderheiten
1. Intensiver Energieeinsatz
2. Veränderung der Standorteigenschaften bei Bodenerwärmung
3. Hohe Wirksamkeit
4. Gut durchlässige Bodenstruktur für Luftabsaugung erforderlich
5. Thermische Wirkung unabhängig von Bodenzusammensetzung
Vor- und Nachteile
1. Hohe Verfahrenswirksamkeit
2. Hoher apparativer und energetischer Aufwand
3. Starke Schadstoffmobilisation – mögliche toxische Effekte
4. Mögliche Bodensetzungsprozesse bei Thermischem Verfahren