bioremediation (2): techn. grundlagen - ufz · 2020-07-18 · bioremediation: case study auensee...

Bioremediation (2):

Techn. Grundlagen –

- Case Studies

Übersicht: in-situ Bioremediation (= BR)

1. Techn.-gesteuerte BR 2. Ausnutzen von intrins.

Prozessen

3. Phyotoremediation

= Engin. BR

= Enhanced BR = Intrinsic BR

= Monitored Natural

Attenuation (NA)

Vorlesung: NA Injektion von EA‘s, ED‘s +

Nährstoffen

Flüssigphasen-

Injektion

Gasphasen-

Injektion

Injektion über

Festphasen

O2, H2 in gelöster Form

H2O2-Injektion,

Injectionsbrunnen

Bioventing (unges. Zone)

Biosparging (ges. Zone)

O2, H2 im gasförmigen Zustand

Über Injectionsbrunnen

Reaktive Wände

ORC‘s, HRC‘s

In situ - Bioremediation:

Technische Realisierungen

Luftinjektion zur Stimulierung des

aeroben Abbaus

Vorlesung: Reaktive Wände Gaswand

Welche Prozesse ? Charakterisieren Sie Injektion!

H2O2-Injektion zur Stimulierung

des aeroben Abbaus

Welche Prozesse ? Charakterisieren Sie Injektion!

Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers

UFZ: Degradation of chlorobenzene by autochtonous bacteria

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

01.12.99 01.02.00 01.04.00 01.06.00 01.08.00 01.10.00 01.12.00 01.02.01

[MC

B](

ou

t/[M

CB

](in

)

Reactor A Reactor B

Start NO3-- Dosage

Start H2O2-Dosage

End H2O2-Dosage

to reactor A

MCB - Monochlorobenzene

Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers

Welche Prozesse ? Welche Elektronenakzeptoren ?

Kombinierte Technologien:

Nährstoffinjektion

+ Biosparging

+ Bodenluftabsaugung (SVE)

Welche Prozesse ? Charakterisieren Sie Injektion!

Bioremediation: Case Study Auensee Gekoppellte ED-EA-Technologie zur

Sanierung eines PCE/TCE-Schadens

- aktuelles Kooperationsprojekt zwischen UFZ + 2 KMU‘s

- Wollen Schritt für Schritt Sanierungsprojekt verstehen!

- aktuelles und applikationsnahes SAN-Forschungsprojekt

- Exkursion: 22./23.6.

TCE PCE TCA

Übungsaufgabe: Bioremediation

Dechlorierungsreaktion: PCE + 2e- + H+ TCE + Cl- : (kPCE)

TCE + 2e- + H+ DCE + Cl- : (TCE)

Differentialgleichungen für „Parents-Daughter-Reaction“:

PCE

PCE

PCEPCE

PCE

PCE CR

k

x

C

R

u

t

C

PCE

TCE

PCETCE

TCE

TCETCE

TCE

TCE CR

kFC

Rx

C

R

u

t

C

Reine Advektion:

Steady-state-Lösung:

C(x,t) – Konzentration (mg/l), k – Abbaurate (1/Tag),

u – Abstandsgeschwindigkeit (m/Tag)

EXCEL-file: steady-state (siehe ÜA25 Bioremediation!)

x

u

kxCxC PCE

PCEPCE exp)0()(

x

ux

u

k

k

xCkFxC TCEPCE

PCETCE

PCEPCETCE

expexp

)0()(

Klausuraufgabe: Berechnen Sie die Länge einer stationäre Benzenfahne, die

als Fahnentyp III klassifiziert wurde ? u = 0.1m/d, Cmax = 1750 mg/L, k = 0.1 1/day

Keine Zeitabhängigkeit!

x

u

kxCtkFxC PCE

PCEPCETCE exp)0()(

PCETCE k

PCETCE k

Bioremediation:

Case Study „Auensee“

Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,

Projektunterlagen

Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse

- Abbildung zeigt PCE-Quelle (ehem. Chem. Reinigung) und Isohypsen (GWL 1)

- Wie führen Sie eine Risikoeinschätzung durch ?

- Zeitskalen? Welche Parameter benötigen Sie? Qualitative Diskussion!

Naherholungsgebiet

500 m

1 : 10000

1 cm : 100 m PCE-Quelle

Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse

Geologische Struktur

- Abbildung zeigt: Aquifer-Aquitard-Schichtung

- Charakterisieren Sie mögliche Kontaminationen (Quelle, Fahnentyp) für die

geologische Schichtstruktur! (PCE/TCE)

- Welche Sanierungstechnolgien sind ungeeignet und welche schlagen Sie vor?

?

Quelle Rezeptor

Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,

Projektunterlagen

Case Study: 2.2. LHKW-Kontaminationsuntersuchungen Grundwasser

?

Quelle Rezeptor

Schadstoffszenario: Infiltration von DNAPL, kontinuierliche Quelle: Kohleflöz,

Vermutlich DNAPL-Pool an Aquiferbasis (Aquitard: Rupelton)

Oberer GWL Unterer GWL

CPCEmax = 155 mg/L!

Was vermuten Sie für CPCE > 100 mg/L?

Case Study: 2.3. Ergebnisse der Quelltermuntersuchungen

Case Study: 2.4. – 2.5.:

Transportzeiten, Schadstofffrachten, Risikoabschätzungen,

Sanierungsziele

- Warum ist Transportzeit und Schadstofffracht notwendig, um

das Risiko abzuschätzen und realistisches SAN-Verfahren/Ziel festzulegen?

qualitative und quantitative Diskussion!

Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse

hydraulische Leitfähigkeit (kf-Wert)

- Schätzen Sie lokale Ausbreitungsgeschwindigkeit für oberen GWL ab!

- Welchen Prozeß, welches Gesetz?

- Welches sind realistische kf-Werte (Unsicherheit)?

- Woher eff. Porosität?

Totale und effektive Porosität

Skript

Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse

Naherholungsgebiet

500 m

1 : 10000

1 cm : 100 m

- Schätzen Sie lokale Ausbreitungsgeschwindigkeit für oberen GWL ab!

Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,

Projektunterlagen

Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten

nur mit Hilfe des Schadstoffszenarios (Quellen- und Fahnentyp)

und der Schadstofffracht können geeignete Sanierungsverfahren

„rational“ festgelegt werden

letztes Kriterium: Kosten-Analyse

Rechnung und Formeln!

2 Methoden: 1. Abschätzung über Feldmessungen (q und cS)

2. Säuleneperimente mit Bohr-Liner (q und cS(t) )

Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten:

Bilanzebenen und Hauptstrombahnen

Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten

Ist diese Annahme zulässig ?

Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten:

Retardationsfaktoren Sorption an OC !

Beachte: Retardation reduziert q und damit Schadstofffracht!

Kd R

Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten:

Retardationsfaktoren Sorption an OC !

Beachte: Retardation reduziert q und damit Schadstofffracht!

Berechnen Sie die spezifische Schadstofffracht für oberen GWL und BK-Flöz !

Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,

Projektunterlagen

Diskussion des Risikos für Schutzgut Grundwasser (Zeitskalen, siehe ÜA) entlang

des Bewertungsprofils (Quelle – Rezeptor) – d.h. entlang der Hauptstrombahn –

und Betrachtung verschiedenen Gefährdungszonen ( Sanierungszonen)

Case Study: 2.6 Gefährdungsabschätzung (ÜA 1, 22),

Festlegung von Sanierungszonen und Sanierungszielen

Case Study: 2.6 Gefährdungsabschätzung (ÜA 1, 22),

Festlegung von Sanierungszonen und Sanierungszielen

Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,

Projektunterlagen

Case Study: 3. Vorauswahl grundsätzlich geeigneter Sanierungsverfahren

Case Study: 3. Vorauswahl grundsätzlich geeigneter Sanierungsverfahren

entspricht den Vorlesungsthemen!

Case Study:

Gekoppellte ED-EA-Technologie zur

Sanierung eines PCE/TCE-Schadens

- aktuelles Kooperationsprojekt zwischen UFZ + 2 KMU‘s

Darstellung:

Legende:

Sanierungsprinzip

08.01.2009

Zirkulationsbrunnen

Gasinjektionslanze

Filterbereich

Schematische

Ausbreitung H2

Schematische

Ausbreitung O2

In-situ Sensor

Redoxgesteuerte

hydro- dynamische

Fluidzone (RHDF)

Anaerober

Gaswand-

bereich

Aerober

Gaswand-

bereich

Abbau PCE und TCE

mit Hilfe von H2

Abbau cDCE und VC

mit Hilfe von O2

Einbringung Co-

substrate, Nährstoffe,

Hilfsstoffe

Projekt:

Leipzig, Friedrich

Bosse Str. 71

Erstellung:

Dipl.-Ing. A. Vossen

Datum:

Mixed Reaktor 2-Stufen-Durchfluß-Reaktor

Darstellung:

Legende:

Sanierungsprinzip

08.01.2009

Zirkulationsbrunnen

Gasinjektionslanze

Filterbereich

Schematische

Ausbreitung H2

Schematische

Ausbreitung O2

In-situ Sensor

Redoxgesteuerte

hydro- dynamische

Fluidzone (RHDF)

Anaerober

Gaswand-

bereich

Aerober

Gaswand-

bereich

Abbau PCE und TCE

mit Hilfe von H2

Abbau cDCE und VC

mit Hilfe von O2

Einbringung Co-

substrate, Nährstoffe,

Hilfsstoffe

Projekt:

Leipzig, Friedrich

Bosse Str. 71

Erstellung:

Dipl.-Ing. A. Vossen

Datum:

Prinzip der mikrobiellen reduktiven und oxidativen Dechlorierung

Bestimme EA + ED für

rD und oD von TCE!

Sequentielle Anaerob-Aerob Technologie zum reduktiven und oxidativen LCKW-

Abbau: Wasserstoff-Sauerstoff-Gasproduktion mittels Elektrolyse.

PCE DCE, VC

Anaerober Reaktionsraum

Mikrobiologischer Abbau:

Reduktive Dechlorierung

Aerober Reaktionsraum

Mikrobiologischer Abbau:

Oxidative Dechlorierung

3D-Sensornetz

TDR Optode

Redox, pH

Temp. O2-Direktgasinjektion in

3 Lanzen

H2

H2

H2

H2

H2

H2

H2

H2

Ar Ar

Ar

Ar

Ar

Ar

Ar

Ar

O2

O2

O2

O2

O2

O2

O2 O2 O2

O2

O2

O2

O2 O2

O2

O2

2 ROI

H2/Ar-Direktgasinjektion in

3 Lanzen

CO2, Cl

Die heterogene Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Gasverteilung sind als

irreguläre Flächen dargestellt. Die jeweiligen Kontrollräume zur

Dimensionierung (Massenbilanz) sind durch die gestrichelten Rechtecke

dargestellt. Um jede Lanze ist ein 3D-Sensornetz installiert.

Sequentiell-Gekoppelte Wasserstoff (ED)-Sauerstoff (EA)-Direktgasinjektion

zur reduktiven und oxidativen Dechlorierung von PCE

Probleme bei der Dimensionierung

abstromseitige Ausdehnung des reduktiven Reaktionsraumes

stationäre Lösung aus ÜA 25 (PCE TCE DCE)

keine Überlappung (Vermischung) der REAKTIONSRÄUME

H2-O2: Knallgas Explosionsgefahr

stöchiometrische Nachlieferung der EDs/EAs

entsprechend der Schadstofffracht (Massentransfer von Gasphase zu

Wasserphase Kinetik)

Vorlesung: Reaktive Gaswände

ÜA16 zur nächsten Vorlesung!

Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,

Projektunterlagen

nachträgliche Installation von Edelstahlelektroden mit hohen Investitionskosten

verbunden.

Neben den Investitionskosten müssen auch die Betriebskosten (i.W.

Stromkosten)

Thiem et al. (2008) schätzen für die vollständige Dechlorierung von 1 mg PCE

Stromkosten von 5 Euro pro Tag ab.

OXYWALL: Kosten für technischen Sauerstoff für eine einjährige

Sauerstoffbegasung zur Stimulation des aeroben BTEX-Abbaus im Rahmen des

OXYWALL-Projektes bei ca. 7000 Euro. Die BTEX-Grundwasserkontamination

betrug ca. 100 mg/L. Die Sauerstoffgaswand bestand aus drei sequentiellen 5-

Lanzen-Galerien und erstreckte sich über eine Länge von ca. 35 m.

Damit kommt das Bio-Elektrolyse-Verfahren für Standorte mit hohen PCE-

Konzentrationen (> 10 mg/L) aus Kostengründen nicht in Frage.

Ein weiteres Problem ist die Korrosionsanfälligkeit von Edelstahlelektroden in

aggressiven Grundwässern ehemaliger Chemiestandorte.

ÜA/Klausur: Kostenschätzung Bio-Elektrolyse-Verfahren

Für die Kostenabschätzung wurde eine durchflossene

Querschnittsfläche von 10 m 50 m, eine Porosität von 45 % und

eine mittlere Grundwassergeschwindigkeit von 1 m pro Tag

angenommen. Überträgt man diese Kosten auf einen Schadensfall

mit 100 mg PCE und einer Strömungsgeschwindigeit von ca. 2 m

pro Tag (standorttypische Daten des beantragten Projektes), dann

erhöhen sich die Kosten auf 1000 Euro pro Tag, d.h. für eine

Standzeit von einem Jahr wären 360000 Euro allein an

Stromkosten notwendig.