Grundwassersanierung

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Grundwassersanierung

• W. Kinzelbach
• Grundzüge Wasserhaushalt

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Altlastenproblematik in der Schweiz
In der Schweiz 20000 Altablagerungen 14000
alte Industriestandorte 1500
Unfälle Sanierungsbedürftig 3000 4000
Standorte Geschätzte Kosten 5 Mrd. SFr.
Sanierung Wiederherstellung der
Grundwasserqualität nach Unfällen oder in
Verschmutzungsfällen die durch Altlasten
verursacht wurden.
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Mögliche Sanierungsziele

• Wiederherstellung der Trinkwasserqualität
• Sanierung bis zu einer vorher festgelegten
• Restkonzentration
• Sanierung des leicht mobilisierbaren Anteils der
  
• Verschmutzung
• Entfernung der Verschmutzungsquelle
• Verhinderung der weiteren Ausbreitung
• Verhinderung von neuen Einträgen

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Sanierungsstrategie

• Sanierungsziel
• Art der Schadstoffe
• Art des Bodens/Aquifers
• Grundwasserströmungsbedingungen
• Grösse und Intensität der Verschmutzung
• Geologie/Hydrogeologie der Region
• Alter der Verschmutzung
• Zeithorizont der Schutzmassnahme
• Kosten

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Sanierungsmethoden

• Einschliessung, Immobilisierung
• Entfernung der Schadstoffquelle (Aushub)
• Hydraulische Sanierung (Pump-and-treat)
• Biologische und chemische Sanierung in-situ
• Elektrolytische und elektro-osmotische Methoden
• Thermische Methoden
• Luftabsaugung und air sparging
• Mobilisierung von Schadstoffen in Phase
• Passive Methoden (reaktive Wände, natural
  attenuation)
• Reinigung im Wasserwerk

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Einschliessung und Immobilisierung

• Elemente der Einschliessung vertikale Wände,
  horizontale Bodenbarriere, Deckel, Geotextilien,
  Wasserhaltung
• Immobilisierung durch Injektion von Gelen oder
  anderen Chemikalien, in situ Verglasung
• Vorteile limitiert weitere Ausbreitung von
  Schadstoffen, Elemente in Grund- und
  Spezialtiefbau gut bekannt
• Nachteile Verschmutzungspotential nicht
  beseitigt, horizontale Bodenbarriere noch
  Fiktion, Wasserhaltung über lange Zeit nötig

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Einschliessung und Immobilisierung

• Vertikale Wände, die nicht in einen
  undurchlässigen Boden einbinden, sind praktisch
  nutzlos

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Entfernung der Schadstoffquelle

• Wirkliche Lösung mit kalkulierbarem Zeithorizont
  
• Behandlung des Aushubs durch thermische,
  physikalische, biologische Methoden
• Nachteile
• Aushub beschränkt auf Quellen sehr begrenzter
  Grösse
• Quellen für CKW (DNAPL) nicht leicht zu finden
• - Keine Lösung für eine schon vorhandene Fahne,
  Massnahmen am Wasserwerk immer noch erforderlich.
• Teuer falls die Quelle unter wertvoller
  Überbauung liegt
• Residuen aus der Behandlung müssen weiterhin
  deponiert werden

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Hydraulische Sanierung(Pump-and-treat)

• Älteste, direkte Methode, bestehend aus
  Entnahme- und Infiltrationsbrunnen, kombiniert
  mit Wasseraufbereitung, Prinzip Entfernung von
  Schadstoffen mit Wasser in dem sie gelöst sind
• Limitationen Schadstoffe müssen gut löslich und
  mobil sein,
• Durchlässigkeit muss grösser als 10-5 m/s sein
• Kann sowohl als Abwehr als auch
  Beseitigungsmassnahme für eine Fahne eingesetzt
  werden.
• Vorteile Technisch einfach, Mittel für
  Dimensionierung vorhanden
• Nachteile Lange Dauer, besonders wenn noch
  Schadstoffe in freier Phase vorhanden sind,
  geringe Effizienz wenn Konzentrationen klein
  werden, negativ beeinflusst durch Heterogenität
  der Formation

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Hydraulische Sanierung

• Grundkonfigurationen

Versuche die Fahne so eng wie möglich
einzuschliessen durch Minimierung der Pumprate
Reinfiltration nach Behandlung um GW-Bilanz nicht
zu stören
Erzeugung einer Sanierungsinsel
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Hydraulische Sanierung

• Abwehrbrunnen

Asymptotische Breite b Q/(unm)
b
Position des Staupunkts xs Q/(2punm)
xs
Richtung der Grundströmung
Beispiel
Gegeben CKW-Fahne von 50 m Breite quer zur
Fliessrichtung, Abstands- Geschwindigkeit des
Grundwassers 1.5 m/d, Porosität 0.25, Mächtigkeit
des Aquifers 15 m. Welche Pumprate ist
erforderlich, um den Abstrom zu schützen? Wie
weit innerhalb der Fahne kann der Brunnen
höchstens liegen?
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Hydraulische Sanierung
Wichtiger zu berücksichtigender Umstand Mögliche
Variation der Grundströmungsrichtung
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Hydraulische Sanierung

• Zu berücksichtigen Regionale Wasserbilanz,
  Zeitskala

Fall Opel Rüsselsheim
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Hydraulische Sanierung

• UVB-Brunnen (Variante Pumpe im Rohr)

Luft
(alternativ Pumpe im Brunnenrohr)
Wasserspiegel
Druckverteilung im Brunnen
Induktion einer Walze Innerhalb des Brunnens
können leichtflüchtige Schadstoffe gestrippt
werden
Druckverteilung ausserhalb des Brunnens
Einschränkungen Walze kann offen sein, wegen
Grundströmung, vertikale Kurzschlüsse halten die
Walze klein
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Hydraulische Sanierung

• Generelles Problem der Heterogenität Beispiel

Niedrige Durchlässigkeit
Hohe Durchlässigkeit
Die durchlässige Schicht wird viel- mal gereinigt
bevor die weniger durchlässigen Schichten
sauber sind. Sauberes Wasser verdünnt den
Schadstoff und macht Sanierung ineffizient
Strömungsrichtung

• Durchbruchskurven (1 D Spülung des Blocks)

Inhomogener Block wie oben
Homogener Block
Ohne Dispersion
Mit Dispersion
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Biologische Sanierung in situ

• Elemente Injektionsbrunnen um limitierenden
  Stoff für bakterielle Aktivität zuzuführen,
  Entnahmebrunnen um Unterstrom zu schützen (z. B.
  Metabolite)
• Gewöhnlich fehlt Elektronenakzeptor (je nach
  Redoxpotential Sauerstoff, Nitrat, Sulfat, Eisen
  II, CO2)
• Zugabe von Sauerstoff limitiert (Löslichkeit), 1
  kg Mineralöl braucht rund 4 kg Sauerstoff für
  Abbau/ Oxidation, Alternativen Reiner
  Sauerstoff, Ozon
• Leichter verabreichbarer Elektronenakzeptor
  Nitrat
• Die Natur verfügt über Eisen in grossen Mengen,
  aber benötigtes Kontaktvolumen ist wahrscheinlich
  goss.
• Manchmal ist die Löslichkeit des Substrats
  limitierend

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Biologische Sanierung in situ
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Biologische Sanierung in situ

• Vorteil Methode benutzt natürlichen
  Reinigungsprozess
• Beschränkung Nur für biologisch abbaubare
  Schadstoffe und nur ratsam, wenn Abbau komplett
  ist (d.h. Keine gefährlichen Metabolite)
• Kontakt zwischen Infiltrat und Schadstoff gering
  (da Mischung in Grundwasser gering)
• Um Volumenmischung zu erhalten, muss der
  Schadstoff adsorbieren
• Durchlässigkeit des Aquifers muss hoch sein (wie
  bei Pump-and-Treat)

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Biologische Sanierung in situ
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Luftabsaugung in der unges. Zone

• Künstliche Belüftung der ungesättigten Zone wird
  am meisten angewandt. Belüftung der ungesättigten
  Zone kommt in Betracht bei leichtflüchtigen
  Stoffen (bei CKW am häufigsten)
• Billige Methode, Luftabsaugung und einpressung
  können kombiniert werden.
• Beschränkt auf leichtflüchtige Stoffe, vor allem
  CKW, Nachteile
• Kleine Effizienz nach einiger Pumpzeit
  (Diffusionslimitierter Stoffübergang von Wasser
  auf Luftstrom)
• Kein Reinigungseffekt in der gesättigten Zone
• Injektionen mit hohem Druck sind in der Nähe von
  Gebäuden nicht ratsam

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Air sparging

• Belüftung der gesättigten Zone um volatile
  Komponenten auszustrippen
• Nachteile Geringe Effizienz, problematisch in
  anoxischen Aquiferen (Ausfällungen)

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Mobilisierungsmethoden

• Schadstoffe in Phase können mobilisiert werden
  durch Methoden, die aus der tertiären Entölung
  von Ölfeldern bekannt sind.
• Flutung mit Alkohol, Tensiden und Polymeren
• Dampfinjektion
• Vorteil Jede Tonne, die entfernt ist verkürzt
  die Zeit über die der Schadensfall Probleme
  bereitet
• Nachteile Reinigung auf Trinkwasserstandard
  nicht möglich, geringe Effizienz, Schadstoff kann
  verdrängt werden in Zonen, aus denen er nicht
  zurückgeholt werden kann.

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Passive Methoden

• Funnel and gate
• Reaktive Wände

Undurchlässige Bentonitwand
CKW Verschmutzung
Durchlässige Eisenfüllung als Reaktor
Es wurde herausgefunden, dass CKW im Kontakt mit
metallischem Eisen dechloriert werden
Einschränkung Bisher nur Kombination Eisen-CKW
erfolgreich, Problem der Heterogenität,
Langzeitverhalten noch unbekannt
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Überwachte natürliche Selbstreinigung (Natural
attenuation)

• Natürlicher Abbau von abbaubaren Schadstoffen
  durch Oxidation
• Keine Kosten ausser Monitoring
• Derzeit beliebt, da aktive Methoden bisher nicht
  sehr erfolgreich waren. Einzelne Erfolgsstories
  existieren für Pump-and-treat
• Neue und bessere Sanierungsmethoden können immer
  noch gefunden werden. Aber es gibt keine
  Alternative zur Vermeidung

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Anforderungen und Schritte

• Erkundung und Charakterisierung des Standorts
• Risikoanalyse
• Festlegung des Sanierungsziels
• Wahl der Sanierungsmethode
• Vergleich der Kosteneffizienz der Methoden
• Optimierung der Auslegung
• Erfolgskontrolle (Monitoring)

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Nationalstrassenprojekt contra Naturschutzgebiet
Kompromiss Untertunnelung der Grenchenwiti
2 km
Problem CKW-Verschmutzung Grenchen
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CKW-Verschmutzung Grenchen (mg/l)
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Dechlorierung der CKW
Perchlorethylen
2H
Vinylchlorid
HCl
2H
HCl
Trichlorethylen
Ethen
2H
HCl
?
CH4
2H
Cis-1,2-Dichlorethylen
Trans-1,2-Dichlorethylen
HCl
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CKW-Verschmutzung Grenchen Modell
Abwehr- brunnenreihe zur Begrenzung der
Fahne während der Bauzeit
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Strippanlage in Grenchen