Projekt 06377/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Bodensanierung durch adsorptive Immobilisierung und modellhafter Einsatz speziell modifizierter Bentonitmischungen

Projektdurchführung

Ruhr-Universität BochumUmweltagentur - Beratungs-, Forschungs- undEntwicklungsgesellschaft mbH
Universitätsstr. 150
44780 Bochum

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Sanierung einer Altlast bedeutet die Wiederherstellung der Unbedenklichkeit einer mit Schadstoffen belasteten Fläche für den Menschen und das Ökosystem. Eine vollständige Dekontamination schadstoffbelasteter Flächen ist in den meisten Fällen zwar technisch denkbar, jedoch mit hohen Kosten verbunden. Daher müssen häufig Kombinationen von Dekontaminierungs- und Sicherungsmaßnahmen zum Einsatz kommen, die ökologisch verträglich sind. Wesentliches Ziel des Vorhabens war die Entwicklung und Erprobung eines derartigen Sanierungsverfahrens für PAK- und Schwermetallbelastete Flächen, bei dem kontaminiertes Bodenmaterial mit speziell modifizierten Bentonitmischungen vermengt sowie auf der Fläche selbst verdichtet wird und als Oberflächenabdichtung wieder eingebaut werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie nachfolgend aufgeführten neun Bentonitqualitäten wurden auf ihre prinzipielle Eignung zur Adsorptiven Immobilisierung von Schadstoffen in Böden untersucht:
p Humin-Bentonite HS1 (chemisch) und HS2 (mikrobiologisch hergestellt)
p Tixosorb (kommerziell erhältlicher Alkylbentonit)
p Aktivkohle-Bentonite PA10 (10% Aktivkohle) und PA5 (5% Aktivkohle)
p Braunkohlenaktivkoksbentonite PB10 (10%) und PB5 (5% Braunkohlenaktivkoks)
p VKG (Bleicherde mit verkokten Speiseöl-/Fettresten)
p Calcigel (kommerziell erhältlicher Kalziumbentonit)
Basierend auf diesen Bentonitqualitäten wurden spezielle Bentonitmischungen entwickelt. Insbesondere wurden die Adsorptionskapazität dieser Mischungen für unterschiedliche Schadstoffe, die Verdichtbarkeit, die Beständigkeit der Schadstoffeinbindung, das optimale Mischungsverhältnis mit kontaminiertem Boden und das Alterungsverhalten derartig sanierter Böden charakterisiert und optimiert.


Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung der Bentonite: Zur Gewährleistung langfristig gesicherter Adsorptionseigenschaften wurde die Beständigkeit der organischen Bentonitmatrix aller eingesetzten Bentonite untersucht. Gegenüber wäßrigen Elutionen ist die organische Matrix der Bentonite PA und PB sehr stabil. Die organische Matrix der Bentonite VKG und Tixosorb ist weniger beständig, bei den Huminbentoniten (HS) löst sich die organische Matrix bereits bei einer Elution mit Wasser vom Feststoff ab. Extreme Temperaturen (5-mali-ger Wechsel von -20/+80 °C) und Zugabe großer Säuremengen verschlechtern nur die Beständigkeit der Huminbentonite. Einem biologischen Abbau unter aeroben und/oder anaeroben Bedingungen ist nur die organische Matrix des Huminbentonites zugänglich, alle anderen Bentonitqualitäten sind mikrobiologisch inert.

Adsorptionsverhalten: Die Adsorptionseigenschaften der Bentonite für organische Schadstoffe und Schwermetalle wurde in Suspensions-Ansätzen mit Einzelsubstanzen und Substanzgemischen durchgeführt. Durch Regressionsanalyse der Adsorptionsisothermen wurden die maximalen Beladungskapazitäten ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, daß für die im Rahmen von Altlastensanierungsmaßnahmen relevanten Eluatkonzentrationen organischer (PAK) und anorganischer Schadstoffe (Schwermetalle) die Bentonite PA und PB besonders gut geeignet sind. Der Bentonit VKG ist für die Immobilisierung PAK-belasteter Böden gut geeignet, verfügt aber über keinerlei Adsorptionskapazität für Schwermetalle.
Bodensystem: Die Adsorptionseigenschaften der durch Zumengung von Kohlebentoniten zu belasteten Bodenproben hergestellten Dichtungsmaterialien wurden im System Boden/Kohlebentonit/Wasser untersucht. Selbst unter extremen Elutionsbedingungen im S4-Schütteltest (partikuläre Struktur, mechanischer Aufschluß) konnten die Eluatwerte von Bodenmaterialien mit einer PAK-Belastung von etwa 4300 mg/kg erfolgreich auf unter 10 µg/l reduziert werden. Die Schwermetallkonzentrationen in Bodeneluaten lagen auch nach einer Zudotierung von Zn2+ und Pb2+ (4000 mg/kg bzw. 6000 mg/kg) unterhalb der Nachweisgrenze
Wasserdurchlässigkeit: Die Ergebnisse von Durchlässigkeitsversuchen in Triaxialzellen zeigen, daß bei der Adsorptiven Immobilisierung der in der TA Siedlungsabfall geforderte Durchlässigkeitsbeiwert für mineralische Oberflächenabdichtungen von 5 * 10-9 m/s deutlich unterschritten wird.
Adsorptions- und Desorptionsverhalten: Zur Ermittlung des Adsorptions- und Desorptionsverhaltens wurden Immobilisationskörper aus belasteten Böden und Bentoniten über einen langen Zeitraum durchströmt (Versuchsdsauer z.T. > 1 Jahr) und die Schadstoffbelastung der Perkolate ermittelt. Durch Zugabe geeigneter Bentonitqualitäten und -mengen lassen sich die PAK-Konzentrationen (TrinkwV) in den Perkolaten auch bei stark belasteten Böden deutlich unterhalb der Grenzwerte der Deponieklasse 1 (LWA-Richtlinie 1987) reduzieren. Die Schwermetallkonzentrationen werden auch bei einer zusätzlichen Dotierung bereits vorbelasteter Böden mit großen Mengen löslicher Schwermetallverbindungen (mehrere Gramm/kg) bis auf wenige Mikrogramm reduzieren.
Schadstofffrachten: Durch Reduzierung der Durchlässigkeit und der Schadstoffkonzentrationen in der wäßrigen Phase wird die ausgetragene Schadstofffracht um mehrere Zehnerpotenzen reduziert. Bei den im Rahmen des Projektes untersuchten Boden wird die jährlich pro Quadratmeter ausgetragene Schadstofffracht von etwa 450 mg PAK (EPA) auf weniger als 136 µg PAK (EPA) verringert. Durch eine worst-case-Betrachtung konnte gezeigt werden, daß die Adsorptive Immobilisierung die Kriterien eines Zwei-Komponenten-Sicherungssystems erfüllt.
Kostenschätzung für die Adsorptive Immobilisierung: Die spezifische Behandlungskosten für die Adsorptive Immobilisierung wurden mit 50 - 64 DM/t abgeschätzt.
Bei einer an einen konkreten Schadensfall angelehnten fallspezifischen Kostenbetrachtung der Umweltagentur könnte die Adsorptive Immobilisierung mit Sanierungskosten von 6,3 Millionen DM ca. 35% (ca. 2,2 Millionen DM) kostengünstiger sein als eine auf thermische Entsorgung basierende Sanierungsvariante, und ca. 19% (ca. 1,2 Millionen DM) kostengünstiger sein als eine Variante, bei der die zu immobilisierenden Bodenmaterialien umgelagert werden (Deponierung). Um die Sanierungskosten für die Adsorptive Immobilisierung nicht zu überschreiten dürften dann allerdings die externen Behandlungs-/Entsorgungskosten (Thermik, Deponierung) einen Betrag von 41,50 DM/t nicht


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1) Posterpräsentation auf dem 13. Bochumer Altlasten-Seminar 1997
2) Afferden van M. NitschkeV. Beine R, Krakau U, Ahlers R, Simmler-Hübenthal (1997) Bodensanierung durch adsorptive Immobiliesierung: Einsatz von Aktivkohle/Aktivkoks-Bentonitmischungen. BrachFlächenRecycling 3: 14-20
3) Nitschke v, van Afferden M, Beine R. Krau, U. Ahlers R, Simmler-Hübenthal H (1997) Sicherung von Altlasten durch Adsorptive Immobilisierung. In: Coldewey WG, Löhnert EP (Hrsg.) Grundwasser im Ruhrgebiet. GeoCongressw 3. Verlage Sven von Loga.
S: 213-218


Fazit

Durch die bei der Adsorptiven Immobilisierung erfolgende Untermischung feinkörniger Bentonite können mit standorteigenen Bodenmaterialien Dichtschichten mit hoher Dichtwirkung hergestellt werden. Aufgrund der Verwendung modifizierter Bentonitqualitäten wird gleichzeitig eine hohe Adsorptionskapazität für organische und anorganische Schadstoffe in die Dichtschicht eingebracht, so daß Schadstoffe sicher aus dem Bodenwasser zurückgehalten werden. Die ausgewählten Bentonitmischungen gewährleisten eine stabile Schadstoffeinbindung bei gleichzeitiger Verdichtung des Bodenkörpers und unterbrechen dadurch effektiv den Expositionspfad Wasser