Projekt 19220/01

High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung: Herstellung von kontaminierten Substraten und Feldversuche zur Erprobung und Validierung von High-Tech Analysesonden in Böden und Grundwässern

Projektdurchführung

Dr. Baermann & PartnerMikroanalytik
Hochallee 40
20149 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Projekt ist Teil des Verbundvorhabens High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung.
In der Bundesrepublik Deutschland werden jährlich ca. 100 ha Land für Siedlung und Verkehr verbraucht, die Hälfte dieser Fläche wird dabei versiegelt. In den letzten 50 Jahren hat sich die Siedlungs- und Verkehrsfläche in den alten Bundesländern nahezu verdoppelt. Während einerseits neue Gewerbe- und Wohngebiete auf der grünen Wiese entstehen, wächst der Anteil an Brachflächen. Ein Lösungskonzept zur Verminderung des Flächenverbrauchs ist die konsequente Umsetzung eines Flächenrecyclings, also der Wiedernutzung von industriellen, gewerblichen oder militärischen Brachflächen, vor allem im urbanen Bereich. Dies sind in aller Regel altlastverdächtige Flächen. Um eine zügige und belastbare Erkundung dieser Flächen zu gewährleisten, können Analyseverfahren, die vor Ort eingesetzt werden, wichtige Vorteile bringen. Aus diesem Grund hat die DBU das Verbundvorhaben High-Tech Methoden zur Unter-grundsondierung gefördert. Ziel des Verbundes war es, konventionelle, handgehaltene bis mittelschwere Sondiersysteme mit kostengünstigen und modernen Sensoren auszurüsten. Damit sollen bereits bei den Erkundungsarbeiten analytische Signale erzeugt und ausgewertet werden können. Das Verbundvorhaben wurde in 14 eigenständige Vorhaben untergliedert, die organisatorisch klar voneinander abgegrenzt waren und eigene Vorhabensziele beinhalten: AZ 19219, 19220, 19221, 19225, 19229, 19230, 19232, 19233, 19234, 19235, 19281, 21918.
Das Einzelvorhaben Herstellung von kontaminierten Substraten und Feldversuche zur Erprobung und Validierung von High-Tech Analysesonden in Böden und Grundwässern diente der Erprobung, Weiterentwicklung und Validierung von Vor-Ort einsetzbaren, schnellen in situ-Feldmesstechniken (Analysesonden). Zielsetzung der experimentellen Arbeiten war die Herstellung von Realproben und unterschiedlichen Boden-Substraten sowie die Charakterisierung und Eignungsprüfung an Teststandorten zur Erkennung der Leistungsfähigkeit einzelner Analysesonden. Zusätzlich wurden speziell aufbereitete Substrate mit Schadstoffen kontaminiert und die sedimentologischen Eigenschaften bestimmt mit dem Ziel, den jeweiligen Einfluss auf die Mess-Sensorik zu ermitteln.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt gliederte sich in drei Phasen mit großmaßstäblichen Laborversuchen und mehreren Feldtests. Zur Vorprüfung der Mess-Sonden wurden Realproben mit anorganischen und organischen Schad-stoffen gespickt, deren Gehalte sich u. a. am Bundesbodenschutzgesetz und an den Richtlinien der LA-GA/LAWA orientierten. Die im Labor erstellten Proben sind in der Versuchsanlage VEGAS in Stuttgart genutzt worden, um zunächst die grundsätzliche Eignung aller Sensorik-Methoden prüfen zu können (Phase 1). Zur Weiterentwicklung und späteren Validierung der Proben wurden den Projektpartnern Substrate mit definierten Eigenschaften zur Verfügung gestellt, die sich im Hinblick auf die einflussnehmen-den, äußeren Merkmale (z.B. Färbung, Dichte, Körnung, Festigkeit, Konsistenz, Stoff- und Mineralinhalt) sowie Art und Höhe der Kontaminanten extrem voneinander unterscheiden. Hierdurch sollte auch der Einfluss von Querempfindlichkeiten überprüft werden. In Zusammenarbeit mit den Umweltbehörden sind diese Substrate und Referenzmaterialien stellvertretend für repräsentative Sedimente Deutschlands ausgewählt und typisiert worden. Zwischen 50-100 kg Bodenmaterial war zum Aufbau von Bodensäulen für die Referenzstandorte und Feldtests notwendig. Nach dem Hinzufügen von Analyten (Spiken) und der Homogenisierung sind diese aufbereiteten Substrate schichtweise in Form von Schadstoffprofilen in die Versuchskästen der Forschungsanlage VEGAS für die weiteren Erprobungen eingebaut worden (Phase 2). Die Praktikabilität der optimierten Sensorsysteme konnte durch weitere Feldversuche auf geeigneten Teststandorten überprüft werden. In Abstimmung mit den Behörden sind dann bereits vorerkundete Standorte mit Boden- und Grundwasserverunreinigungen hinsichtlich ihres Bodenaufbaus und der Schadstoffgehalte detailliert untersucht und beschrieben worden. Hierbei erschienen drei Standorte als besonders geeignet und dienten in Phase 3 mehrfach als Test- und Erprobungsstandorte zur Validierung der neuen Sondentechnik.


Ergebnisse und Diskussion

Die Vorprüfung der verschiedenen High-Tech-Sonden erfolgte anhand von 25 Realproben, die mit anorganischen und organischen Schadstoffen gespickt waren. Neben Arsen-, Quecksilber-, Cadmium-, Blei-, Kupfer- und Zink-Kontaminationen wurden auch MKW- und PAK-belastete Proben in unterschiedlichen Konzentrationsbereichen für die Projektpartner erstellt, um die grundsätzliche Eignung der Sensorik in den vorgegebenen Konzentrationsbereichen überprüfen zu können. Eine Optimierung der PAK-Verteilungskoeffizienten zur Erhöhung der Homogenität der Referenz-Proben konnte durch Lösungsvermittler erzielt werden, was bei einigen Mess-Sonden bei niedrigen Schadstoff-Konzentrationen jedoch zu Querempfindlichkeiten führte. Mit der Anfertigung speziell aufbereiteter Realproben und verschiedener Bodenstandards mit definierten bodenphysikalischen und sedimentpetrographischen Eigenschaften lie-ßen sich Aussagen zu den auf die Analytik einflussnehmenden Boden-Parametern treffen. Dabei können neben der Herkunft und Stoffzusammensetzung auch insbesondere die Korngrößenverteilung, die Farbe und der Wassergehalt der Substrate das Mess-Signal erheblich beeinflussen. Bei den MKW- und PAK-haltigen Referenzproben wurde bei den weiteren Probenserien auf organische Lösungsvermittler verzichtet, um die eigentliche Stoffanalytik nicht durch Lösungsmitteleinflüsse zu beeinträchtigen. Dies gelang durch Feinfraktionierung stark PAK-haltiger, sandig-toniger Oberböden, in denen Aschen-, Kohle- und Teerrückstände enthalten waren. Den gemahlenen Feinfraktionen wurden in verschiedenen Mischungsreihen dunkle Tone und tonhaltige Substrate sowie helle Feinsande zugesetzt, um den jeweiligen Farbeinfluss bei gleicher Korngrößenverteilung und Schadstoffkonzentration überprüfen zu können. Die Auswertung dieser Versuchsreihen ergab, dass z.B. bei PAK-Kontaminationen die Materialherkunft Einfluss auf das Messergebnis nimmt. PAK-Belastungen durch Kohleanteile oder Brandaschen, die in vielen Stadtböden enthalten sind, sind mit der LIF-Technik nur in höheren Konzentrationsbereichen gut detek-tierbar, während Teerbürtige PAK-Belastungen schon bei geringen Anteilen mit der LIF-Technik gut zu erfassen sind. Für den Aufbau des Referenzstandortes bei VEGAS in Stuttgart sind eine Vielzahl von verschiedenen Säulenaufbauten hinsichtlich mechanischer Stabilität und Praktikabilität auf Versuchsständen in Hamburg und Eckernförde getestet worden. Die Optimierung der Sondengeometrie erfolgte bei unterschiedlichen Substraten (Sande, Kiese, Bauschutt, Tone), verschiedenen Einbaudichten und anhand von Bodenprofilen (> 3,0 m Länge). Hier erwies sich ein schlägzähes, durchsichtiges Dekadur-Rohr (Durchmesser: 140 mm) für die Versuche als optimal, welches von einem stabilisierenden HDPE-Brunnenrohr aufgenommen wird. Schichtverschiebungen, Bodenverdrängungen und Schadstoff-Verschleppungen während des Bohrfortschritts ließen sich in Anhängigkeit von der Sondengeometrie von außen beobachten und nach Öffnung der Liner auch innerhalb der Bodensäule gut dokumentieren. Für den Teststandort sind 1,7 m lange Bodensäulen mit unterschiedlichen Schadstoffprofilen hergestellt worden, die bei VEGAS in einen Container eingebaut wurden. Für Vorversuche zur VOC-Analytik sind Sande unterschiedlicher Korngrößen und Porenvolumina hergestellt worden, die mit gasdichten Tondichtungen verschlossen worden sind, um ein Spiken mit VOC in den Säulenaufbauten vorab testen zu können. Für eine visuelle Dokumentation des Schichtaufbaus in Bodenprofilen sind zunächst druckfeste, kabelgeführte Schwarz-Weiß-Mikrokameras eingesetzt worden, die jedoch den mechanischen Belastungen nicht standhielten. Daher erfolgte der Einbau von kabellosen CCD-Farbkameras, deren Signal per Funk übertragen wurde. Die Übertragung war zunächst im 2,8 GHz-Bereich aufgrund der Sendeleistung nur eingeschränkt möglich. Daher musste auf ein neues, leistungsstärkeres 5,8 GHz-Übertragungssystem umgerüstet werden, mit dem erstmals eine Übertragung von Video-Signalen durch das Gestänge mit einem Rohrinnendurchmesser von nur 23 mm gelang.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Oktober 2003 wurden die neuen Sonden- und Erkundungstechniken auf der VDI-Tagung in Hamburg und im März und Oktober 2004 bei VEGAS in Stuttgart präsentiert und veröffentlicht (Heft 131, Mitteilungen Inst. f. Wasserbau). Veröffentlichungen zu Ringversuchen und zu den Validierungs-Verfahren erfolgten beim ITVA im Altlastenspektrum (Heft 2, April 2005) sowie im Band 62 der DBU zu Initiativen im Umweltschutz: Vor Ort Messtechniken zur Standorterkundung - Trends 2004. Über die Ergebnisse der Labor- und Feldversuche wurde auch auf der DBU-Tagung Umweltvorsorge im April 2005 in Osnabrück sowie im Mai 2005 auf einer Tagung der Handwerkskammer Flensburg in Eckernförde berichtet.


Fazit

Die grundsätzliche Anwendbarkeit der optimierten Sensorsysteme konnte durch Einsatz von kontaminierten Referenzproben und Mischungsreihen ermöglicht und anhand von Test- und Feldversuchen nachgewiesen werden. Auf verschiedenen Teststandorten ließ sich die Praxistauglichkeit der High-Tech-Sonden erkennen. Versuche an Bodensäulen mit kontaminierten Substraten dienten als Nachweis, welche Konzentrationsbereiche und Bestimmungsgrenzen bei den einzelnen Mess-Systemen vorliegen. Die Einlasssysteme der Sonden sind besonders bei feinkörnigen Böden weiterhin ein Schwachpunkt. Hierzu sind weitere Optimierungen an der Sondengeometrie und an der Fenstertechnik erforderlich.