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A-3.2.2.1 Dekontaminationsverfahren

1 Ex-Situ-Verfahren

Ex-Situ-Verfahren

Die Anwendung von Ex-Situ-Verfahren ist grundsätzlich mit einer Auskofferung des verunreinigten Materials verbunden. Mit Ausnahme der Deponierung können alle übrigen Ex-Situ-Verfahren sowohl

  • On-Site: Behandlung vor Ort als auch
  • Off-Site: Behandlung in stationären Anlagen

ausgeführt werden.

Bodenaustausch

Für den Bodenaustausch kommen verschiedene Verfahren in Frage, die jedoch nicht als eigenständige Sanierungsverfahren gelten, weil sich eine weitere Behandlung anschließen muss.

In der Regel wird für den Bodenaustausch eine geböschte Baugrube angelegt. Unter bestimmten Randbedingungen (z. B. große Tiefenlage der Kontamination, hoher Wasserstand) kann jedoch der Einsatz alternativer Verfahren sinnvoll sein, die aus bautechnischen Lösungen entwickelt wurden. An dieser Stelle sind insbesondere zu nennen:

Bodenaustausch im Schutz von Großbohrungen

Bei Anwendung eines Großbohrverfahrens wird die konkrete Abgrenzung des belasteten Bereiches während der Ausführung der Sanierung ermöglicht. Durch die kleinräumige Freilegung der Kontaminationsbereiche wird sowohl die Emission als auch die notwendige Wasserhaltung auf einem technisch wie ökonomisch optimierten Level gehalten. Das Verfahren bietet Vorteile bei beengten Platzverhältnissen (z. B. bei vorhandener Bebauung). Einen Nachteil stellen jedoch die sich aufgrund des notwendigen Überschnittes der Bohrungen erhöhenden Entsorgungs- und Verfüllmassen und damit auch Kosten dar.

Bodenaustausch im Schutz von Rüttelwaben

Wie beim Bodenaustausch im Schutz von Großbohrungen sind bei Kontaminationen mit großer Tiefenlage auch Rüttelwaben als Verbauelemente einzusetzen. Der wesentliche Vorteil ist, dass der bei den Bohrungen notwendige Überschnitt entfällt. Die zu erzielende Aushubtiefe und damit der Einsatzbereich des Verfahrens hängt im wesentlichen von der Länge der Bauelemente (werden in einem Stück eingepresst), dem Aushubgerät (i. d. R. Zweischalengreifer, bis ca. 8,5 m einsetzbar) und den hydraulischen Verhältnissen ab (Grundbruch).

Biologische Verfahren

Bei biologischen Bodenbehandlungsverfahren wird die Fähigkeit von Mikroorganismen (vorrangig Bakterien und Pilze) genutzt, organische Verbindungen unter geeigneten Bedingungen zu Kohlendioxid, Wasser und Biomasse umzusetzen. Hierbei werden die organischen Verbindungen (Schadstoffe) als Energiequelle sowie zum Aufbau ihrer Zellen benutzt. Dieser Prozess kann sowohl aerob wie anaerob ablaufen und führt entweder zum vollständigen Abbau (Mineralisierung) oder zu einem Teilabbau, bei dem Stoffwechselprodukte (Metabolite) entstehen.

Der Einsatz mikrobiologischer Bodenbehandlungsverfahren hängt davon ab, ob die Schadstoffe mikrobiell abbaubar sind und den Mikroorganismen zum Abbau zur Verfügung stehen.

Zu unterscheiden sind folgende Einzelverfahren:

  • Statische Mietenverfahren: mit installierten Versorgungseinrichtungen zur Realisierung der erforderlichen Milieubedingungen (z. B. Bewässerung, Belüftung, Abb. A-3.2-1)
  • Dynamische Mietenverfahren: Der aufgeschüttete Boden wird mit speziellen Wendeeinrichtungen in bestimmten Zeitspannen aufgenommen, homogenisiert und erneut aufgeschüttet (ggf. Zusatz von Wasser und Nährstoffen). Bei flachen (bis 0,5 m), großflächigen Mieten auch als Landfarming bezeichnet.
  • Reaktorverfahren: geschlossene Behälter (z. B. Zylinder, Wirbelschichtreaktoren) mit optimierten Milieubedingungen

Abb. A-3.2-1: Verfahrensschema statisches Mietenverfahren

Thermische Verfahren

Bei der thermischen Bodenreinigung werden die Schadstoffe durch Erhitzen in die Gasphase überführt und durch Verbrennung, Ausdampfen oder pyrolytische Umsetzung beseitigt. Die Verdampfung bzw. Verbrennung erfolgt in Drehrohr, Wirbelschicht- oder Pyrolyseöfen. Anschließend werden die entstehenden Rauchgase in einer aufwändigen Reinigungsstufe (ähnlich wie bei Kraftwerken und Abfallentsorgungsanlagen) behandelt.

Abb. A-3.2-2: Verfahrensschema Thermische Bodenbehandlungsanlage

Grundsätzlich wird zwischen Hoch- (600 – >1.000°C) und Niedertemperaturverfahren (ca. 400 – 550°C) unterschieden. Bei der Pyrolyse erfolgt die Zersetzung von festen und flüssigen Stoffen bei Temperaturen von 400-650°C unter Sauerstoffabschluss. In der Praxis sind die Hochtemperaturverfahren von weit größerer Bedeutung.

Thermische Verfahren sind in erster Linie zur Reinigung von Böden geeignet, die mit organischen Kontaminationen wie KW, PAK, PCB, aber auch mit flüchtigen anorganischen Verbindungen wie z. B. Cyaniden und Schwermetallen mit niedrigem Siedepunkt (Quecksilber) belastet sind.

Extraktionsverfahren (Bodenwäsche)

Extraktionsverfahren sind chemisch-physikalische Separationsverfahren. Neben Wasser ohne Zusätze kann Wasser mit Zusätzen, z. B. Tenside, Säuren oder Laugen als Waschflüssigkeit eingesetzt werden. Mittels der Waschflüssigkeit und ggf. unter Eintrag von mechanischer Energie werden die Schadstoffe vom Boden abgetrennt und liegen gelöst und/ oder dispergiert in der Waschflüssigkeit vor. Leichtflüchtige Schadstoffe können dabei in die Gasphase übergehen.

Abb. A-3.2-3: Verfahrensschema Bodenwaschverfahren

Reine chemische Extraktionsverfahren, also Abtrennung der Schadstoffe durch Zusatz von Extraktionsmitteln ohne mechanische Energie, werden selten angewandt.

Chemische Transformation

Mittels Reduktions- und Oxidationsprozessen können entweder umweltgefährdende Stoffe in weniger oder nicht gefährliche Verbindungen umgewandelt werden oder in Verbindungen transformiert werden, die stabiler bzw. weniger mobil sind. Die am häufigsten eingesetzten Chemikalien sind Ozon, Wasserstoffperoxid, Hypochlorite und Chlor. Damit sind die oxidativen Reaktionen für die Bodenbehandlung bedeutender als die reduzierenden.

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2 In-Situ-Verfahren

In-Situ-Verfahren

In-Situ-Verfahren setzen direkt im kontaminierten Bereich an, ohne dass Boden entnommen wird.

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2.1 Bodenluftabsaugung

Bodenluftabsaugung

In der ungesättigten mit leichtflüchtigen Schadstoffen kontaminierten Bodenzone werden Filterbrunnen/ Lanzen eingebaut, deren Bohrlöcher gegen das Eindringen atmosphärischer Luft abgedichtet sein müssen. Mit einer durch Unterdruck erzeugten Bodenluftströmung werden die im Porenraum vorliegenden Kontaminationen durch Vakuumpumpen mobilisiert. Die Luft wird anschließend über entsprechende Anlagen gereinigt (z. B. Aktivkohlefilter, therm. Nachverbrennung, katalytische Oxidation, Biofilter).

Abb. A-3.2-4: Verfahrensschema Bodenluftabsaugung

Thermisch unterstützte Bodenluftabsaugung

Das Einbringen von thermischer Energie mittels fester Wärmequellen (THERIS: Thermische In-Situ-Sanierung) oder einer Dampf- bzw. Dampf-Luft-Injektion (TUBA: Thermisch unterstützte Bodenluftabsaugung) bewirkt die beschleunigte Überführung von flüssigen, leicht- bis mittelflüchtigen organischen Schadstoffen in die Gasphase, die dann über die Bodenluftabsaugung gefasst werden. Im Gegensatz zu anderen Bodenluftabsaugverfahren ist das THERIS-Verfahren auch bei gering durchlässigen Sedimenten einsetzbar.

Bioventing

Beim Bioventing wird durch verstärkten Lufteintrag in die ungesättigte Bodenzone der aerobe Schadstoffabbau über Mikroorganismen gesteigert. Der Lufteintrag erfolgt durch Entnahme von Bodenluft, so dass durch das entstehende Vakuum Außenluft nachströmt, oder aber durch den Eintrag von Außenluft mittels Pumpen in den Boden. Die Aktivität der abbauenden Mikroorganismen kann auch durch Zugabe von Nährstoffen noch unterstützt werden.

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2.2 Aktive hydraulische Maßnahmen

pump & treat

Das Grundprinzip der hydraulischen Verfahren beruht auf der Entnahme von Grundwasser (oder auch Schicht- bzw. Sickerwasser) aus Entnahmesystemen in Form von Brunnen oder Drainagen. Durch die Entnahme des Grundwassers bildet sich ein Absenktrichter aus, wodurch die natürliche Grundwasserfließrichtung in der unmittelbaren Umgebung des Brunnens geändert wird und das Grundwasser von allen Seiten dem Brunnen zufließt.

Die Wirkung der hydraulischen Verfahren besteht in dem Fördern von kontaminiertem Grundwasser, wodurch über mehr oder weniger lange Zeiträume eine Reinigung der gesättigten Bodenzone erfolgt. Damit wird gleichzeitig eine mit der natürlichen Fließrichtung des Grundwassers einhergehende Schadstoffausbreitung unterbunden.

Abb. A-3.2-5: Verfahrensschema aktive hydraulische Maßnahme

Im Wasser gelöste Schadstoffe werden durch geeignete Aufbereitungstechniken zerstört, gefällt oder zurückgehalten (z. B. Desorption über Strippanlagen mit anschließender Abluftreinigung über Aktivkohle, direkte Reinigung über Aktivkohle, Nassoxidation durch Zugabe von h2O2 oder Ozon zur Zerstörung der Schadstoffe). Das gereinigte Wasser wird anschließend reinfiltriert (Versickerung) oder abgeleitet (Vorfluter, Regenwasser- bzw. Schmutzwasserkanalisation).

Die Maßnahmen erfordern ein begleitendes und in der Regel auch nachsorgendes Grundwassermonitoring.

Erfassung von Schadstoffen in flüssiger Phase

Schadstoffe in flüssiger Phase werden je nach spezifischen Gewicht durch Abschöpfen an der Grundwasseroberfläche (Leichtphase) bzw. der Sohle des Grundwasserleiters (Schwerphase) entfernt.

Die Hydraulische Entfernung einer aufschwimmenden Leichtphase (Öle, BTEX) erfolgt über die Ausbildung von Grundwasserabsenktrichtern mit Hilfe einer Grundwasserentnahme. In den Trichtern sammelt sich die Phase und kann über spezielle Abschöpfsysteme gewonnen werden.

Bei Produkten mit einer größeren Dichte als Wasser (z. B. leichtflüchtige CKW) ist die Lokalisierung von Phasenkörpern (Schwerphase) schwieriger. Falls dies jedoch möglich ist, können durch Pumpen unmittelbar im Phasenkörper die Schadstoffe zurück gewonnen werden.

Physikalische Verfahren zur Grundwassersanierung

Durch die Zugabe von verschiedenen Substanzen über Infiltrationsbrunnen (z. B. Tenside, Alkohol, Mikroemulsionen) wird der Grundwasserleiter quasi gespült. Es steigt die Löslichkeit organischer Schadstoffe (Mobilisierung), die dann über die Förderbrunnen (wie pump&treat) gefasst werden.

Leichtflüchtige Schadstoffe (BTEX, LCKW) können durch die Belüftung der wassergesättigten Zone mittels Frischluft mobilisiert werden. Über Injektionslanzen oder Injektionsbohrungen wird mittels eines geeigneten Kompressors Luft in den kontaminierten Grundwasserbereich gepresst. Die aufsteigenden Luftbläschen werden mit den Schadstoffen beladen (Stripp-Effekt) und über Bodenluftabsaugpegel erfasst (In-Situ-Stripping, Airsparging).

Grundwasserzirkulationsbrunnen

Es wurden zudem verschiedene Systeme entwickelt, bei denen die Grundwasserförderung, –infiltration und z. T. -behandlung in einem Brunnenbauwerk angeordnet ist. Dazu weist der Brunnen an der Basis sowie im Bereich des Grundwasserspiegels eine Verfilterung auf. Beide Bereiche sind durch ein Vollrohr sowie eine Bentonitabdichtung im Ringraum getrennt. Durch das gleichzeitige Pumpen (oben) und Infiltrieren (unten) entsteht eine Grundwasserzirkulation, wodurch ein Abströmen von kontaminertem Grundwasser verhindert werden soll. Beispielhaft sind folgende Verfahren genannt:

  • Unterdruck-Verdampfer-Brunnen (UVB): An einem speziell ausgebauten Brunnen wird ein Unterdruck angelegt und über die beiden Filterstrecken eine Grundwasserzirkulation erzeugt sowie Frischluft in den Grundwasserleiter eingeleitet.
  • Beim Hydro-Airlift-Verfahren wird kontaminiertes Grundwasser in einem speziellen Sanierungsbrunnen In-Situ gestrippt. Der Sanierungsbrunnen besteht aus drei konzentrisch angeordneten Rohren, die von innen nach außen als lnjektorrohr, Förder- und Mantelrohr bezeichnet werden. Über das lnjektorrohr wird Luft (oder ein anderes Gas) unterhalb des Brunnnenwasserspiegels eingepresst, so dass nach dem Prinzip des Lufthebeverfahrens (Air-lift) eine Wasserförderung erfolgt. Der intensive Kontakt zwischen Wasser- und Gasphase führt dabei zu einem Austrag der leichtflüchtigen Schadstoffe aus der Wasserphase in die Gasphase (Stripp-Effekt).
  • Bio-Airlift: Zur Förderung des biologischen Abbaus werden in einem Grundwasserzirkulationsbrunnen Nährstoffe und Sauerstoff im Einflussbereich eingebracht.
  • Koaxiale Grundwasserbelüftung (KGB): Im Gegesatz zum UVB-Verfahren erfolgt zusätzlich eine Lufteinblasung in die gesättigte Zone. Die Lufteinblasung erfolgt dabei gezielt in die - zwischen EinblassteIle (Druckluftzufuhr) und Absaugeinrichtung (Doppelmantelfilter) durchgehende - Filterkiesschüttung. Der gezielte Luftaufstieg in diesem Bereich soll eine Zirkulation des Grundwassers ähnlich der In-Situ-Strippung bewirken (Air-lift-Effekt), welches durch die Luft gereinigt wird.

Bisher wurden solche Verfahren aber nur untergeordnet angewandt.

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2.3 Passive hydraulische Verfahren

Bei diesen Verfahren wird das kontaminierte Wasser nicht gefördert, sondern die Schadstoffe direkt mit biologischen bzw. chemischen Verfahren abgebaut und das Grundwasser somit gereinigt.

In den letzten Jahren wurden zahlreiche passive in-Situ-Verfahren für die Sanierung des Grundwassers entwickelt, die dadurch an Bedeutung gewonnen haben.

Biologische Verfahren zur Grundwassersanierung

Der mikrobiologische Abbau von organischen Schadstoffen im Grundwasser kann durch die Zugabe von verschiedenen Substanzen gesteigert werden. Die Zugabe erfolgt dabei z. B. über Injektionslanzen oder Infiltrationsbrunnen. Zu nennen sind beispielsweise folgende Verfahren:

  • Stimulierung des aeroben Abbaus durch Zugabe von Sauerstoff: iSOC (in situ submerged Oxygen Curtain), ORC (Oxygen Release Compound), h2O2 (Wasserstoffperoxid)
  • Stimulierung des aeroben LCKW-Abbaus: reduktive Dechlorierung mit z. B. HRC (Hydrogen Release Compound), Melasse, Speiseöl, Ethanol
  • Stimulierung des anaeroben Abbaus durch Zugabe von Nitrat
  • Stimulierung des anaeroben LCKW-Abbaus: oxidative Dechlorierung durch z. B. Methan-Biostimulation

Diese mikrobiologische In-Situ-Sanierungsverfahren werden in der Fachliteratur häufig als Enhanced Natural Attenuation (ENA) bezeichnet.

Chemische Verfahren zur Grundwassersanierung

Es wird unterschieden in

  • In-Situ-chemische Oxidation (ISCO): Durch die Infiltration von chemischen Oxidationsmitteln erfolgt ein Abbau der Schadstoffe. Im Vergleich zum biologischen Abbau verläuft die Reaktion sehr schnell. Als Oxidationsmittel werden z. B. eingesetzt: Permanganat, Ozon, Wasserstoffperoxid.
  • In-Situ-chemische Reduktion: In der Abstromfahne des Schadensherdes wird bei der Anwendung dieses Verfahrens ein Reaktionskörper (sog. pH-Redox-Reaktive Wand) mit nullwertigem Eisenmaterial (z. B. Eisenspäne oder Eisenschwamm) in den Grundwasserleiter eingebaut. durch den Kontakt des durchströmenden Wassers erfolgt z. B. ein reduktiver Abbau von LCKW. Der Reaktionskörper ist dabei vollflächig ausgebildet oder das Grundwasser wird mit Hilfe von undurchlässigen Einbauten (= funnel, Trichter) in den Reaktionsraum (= gate, Tor) gezielt abgelenkt.

Abb. A-3.2-6: Prinzipschema „Reaktive Wand vollflächig bzw. funnel & gate

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2.4 Sonstige Verfahren

Phytoremediation

Die Eliminierung von Schadstoffen aus dem Boden und aus Wasser durch den Einsatz von Pflanzen wird als "Phytoremediation" bezeichnet. Hierbei werden Pflanzen eingesetzt, um organische Schadstoffe zu degradieren oder metallische Schadstoffe zu immobilisieren (s. Tabelle). Zusätzlich kann die Schadstoffmigration im Grundwasser durch tiefwurzelnde Pflanzen beeinflusst werden, indem Grundwasser durch die Pflanzenwurzeln aufgenommen wird und über die Blätter verdunstet.

Generell kann die Phytoremediation nur bei geringeren Schadstoffkonzentrationen, z. B. im Randbereich einer Schadstoffahne, angewendet werden. Die Methoden werden als "Sicherungsmaßnahme" vor Beginn einer anderen In-situ-Maßnahme oder als zusätzliche Nachsorgemaßnahme nach Abschluss der eigentlichen Sanierung zur Behandlung evtl. vorhandener Restbelastungen angewandt. Bei bestimmten standortspezifischen Gegebenheiten ist auch an einen Einsatz als "Hauptsanierungsmaßnahme" zu denken.

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