Projekt 07837/01

Abiotischer Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen in Eisengranulat

Projektdurchführung

Mull & Partner Ingenieurgesellschaft mbH
Osteriede 5
30827 Garbsen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Untersuchungen zum Abbauverhalten von leichtflüchtigen halogenierten Kohlenwasserstoffen an Eisenoberflächen im Grundwasserstrom. Ziel des Projektes ist es, das Abbauverhalten anhand von Laborversuchen (Batch-, Stand- und Säulenexperimente) und durch einen Freilandversuch zu ermitteln sowie Einflussfaktoren und Begleiteffekte zu quantifizieren. Mit Hilfe einer 22.5 m langen vollflächig durchströmten Wand in Rheine sollte die Sanierungsleistung von Eisenschwamm und Graugusseisengranulat gegenüber PCE, TCE und 1,2-cis-DCE an einem vorhandenen Grundwasserschaden nachgewiesen werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen wurden in 3 Arbeitsschritte gegliedert: Zunächst wurden über 6 Monate Vorversuche zur Eignung verschiedener Eisenmaterialien durchgeführt. Durch Batch-, Stand- und Säulenexperimente bei unterschiedlichen Eingangsbelastungen und Milieubedingungen wurde der LHKW-Abbau erfasst und anhand der Ergebnisse sowie ökonomischer Aspekte Eisenschwamm für weiterführende Untersuchungen ausgewählt.
Im zweiten Arbeitsschritt wurden mit dem ausgewählten Eisenschwamm über 6 Monate weitere Säulenexperimente durchgeführt. Die Experimente wurden mit Standortgrundwasser und unter vergleichbaren hydraulischen Bedingungen wie am vorgesehenen Feldversuchsstandort durchgeführt. Neben der Erfassung der Abbauleistung und Abbaukinetik standen Veränderungen geochemischer Parameter und die Gasfreisetzung im Vordergrund der Untersuchungen.
Im dritten Bearbeitungsschritt wurde eine vollflächig durchströmte Wand von 22.5 m Länge am Versuchsstandort Rheine errichtet. Die Wand konnte als überschnittene Bohrpfahlwand schneller und kostengünstiger als mit der üblichen Stahlspundtechnik errichtet werden. Zum Vergleich zweier Eisenmaterialien wurden zwei Wandsegmente eingerichtet. Aufgrund der im Säulenexperiment ermittelten Gasfreisetzung wurde oberhalb der Reaktiven Wand eine aktive Gasdränung verlegt.
Das Monitoring erfolgte über Grundwasserpegel im Anstrom, innerhalb und im Abstrom der Reaktiven Wand jeweils getrennt für jedes Segment. Die Gasprobenahme erfolgte über Entnahmeventile ebenfalls getrennt für jedes Segment.


Ergebnisse und Diskussion

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen auf, dass Fe0-Wände grundsätzlich zur Sanierung von LHKW- Grundwasserschäden geeignet sind. Die in den durchgeführten Laborexperimenten ermittelten Abbauleistungen konnten in dem durchgeführten Feldversuch bestätigt werden. Die erzielten Abbauleistungen für den Hauptkontaminanten PCE liegen zwischen 95 und 99 %. TCE und 1,2-cis-DCE werden in geringerem Maße dechloriert. Es konnte jedoch der Grenzwert der TVO durch dieses passive Sanierungsverfahren nicht erreicht werden. Die niedrigsten Ablaufwerte liegen um den Faktor 8 bis 18 über dem geltenden Grenzwert der TVO.

Im Vergleich der untersuchten Materialien weist Eisenschwamm stabilere Abbauleistungen als das Graugusseisengranulat auf. Graugusseisengranulat zeigt mit zunehmender Standzeit der Reaktiven Wand deutlich abnehmende Sanierungsleistungen. Als Ursache können sowohl die stark schwankenden Zulauffrachten in diesem Wandabschnitt als auch Passivierungseffekte durch Fällungsprodukte in Betracht gezogen werden.

Bei der Wandpassage kommt es zu einem deutlichen pH-Anstieg im Grundwasser, welcher sich jedoch im Ablauf der Wand durch das Puffervermögen des Bodens schnell wieder dem Ausgangsniveau angleicht. Der pH-Anstieg ist beim Eisenschwamm mit Werten bis 11.5 höher ausgeprägt als beim Graugusseisengranulat.

Durch den pH-Anstieg kommt es in der Reaktiven Wand zur Carbonatfällung. Als Fällungsprodukte auf den Eisenoberflächen entstehen Siderit und Calciumcarbonat. Im Gegensatz zu Calciumcarbonat führt Sidert nicht zu einer Passivierung der reaktiven Oberflächen. Langfristig muss mit einer Herabsetzung der hydraulischen Durchlässigkeit gerechnet werden.

Das im Grundwasser vorhandene Nitrat wird beim Durchströmen der Reaktiven Wand vollständig reduziert. Zunächst ist Ammonium im Abstrom nachzuweisen. Im weiteren Betrieb erfolgt eine Reduktion zu gasförmigem Stickstoff. Sulfat, welches im Anstrom der Reaktiven Wand in hohen Konzentrationen vorliegt, wird durch Reduktion um etwa die Hälfte herabgesetzt. Es entsteht dabei Eisensulfid. Das durch anaerobe Korrosion und durch die Dechlorierungsreaktion freigesetzte Eisen wird innerhalb der Reaktiven Wand wieder als Eisenhydroxid oder als Suflid festgelegt.

Die im Säulenversuch nachgewiesene Gasfreisetzung tritt im Feldversuch nur in der Anfangsphase auf. Bereits nach 4 Betriebsmonaten kann keine Wasserstoffemission mehr nachgewiesen werden. Wasserstoff wird offenbar nach einer Adaptionsphase vollständig bei der mikrobiellen Reduktion von Nitrat und Sulfat von den Mikroorganismen verbraucht. Der ursprünglich als rein abiotisch angesehene Prozess der LHKW-Dechlorierung muss nach den vorliegenden Ergebnissen zumindest als mikrobiell beeinflusst angesehen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Planung, Umsetzung und Ergebnisse des F+E-Vorhabens wurden in zahlreichen Veröffentlichungen und Vorträgen vorgestellt und damit einer breiten Fachwelt zugängig gemacht.


Fazit

Passive Sanierungsverfahren mit Fe0-Wänden stellen nach ökonomischen und ökologischen Gesichtpunkten eine wirksame Alternative zu herkömmlichen aktiven Sanierungsverfahren dar. Vor allem bei Grundwasserschäden in geringmächtigen, oberflächennahen Aquiferen ist eine bautechnische Umsetzung einfach zu realisieren und daher kostengünstig. Es muss allerdings darauf hingewiesen werden, dass der Grenzwert der TVO durch dieses Sanierungsverfahren in der jetzigen Form nicht sicher erreicht wird. Daher wird vorgeschlagen, durch einen veränderten Aufbau der Reaktiven Wand eine weitere Optimierung des Verfahrens, z.B. durch Kombination mit einer biologisch aktivierten Zone, vorzunehmen.