ieg-gcw® in situ groundwater remediation technology

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  • U. KrausWir sind auf dem richtigen Weg

    Th. Lenhart, J. Leisner, R.-N. BulittaFeststellung der Erheblichkeit von Boden- und Grundwas-serverschmutzungen nach Betriebseinstellung von IED-Anlagen

    G. Rehner, E. J. AlesiGrundwasser-Zirkulations-Brunnen (IEG-GCW): Vertei-lung von Reagenzien im Untergrund

    A. Seech, M. Mueller, C. SpielbergOptimierte biotechnische Sanierung sprengstoffkontami-nierter Bden

    J. Klatt, T. BausingerRstungsaltlasten mehr als Kampfmittel

    J. FrauensteinMit der Straenbahn zum ITVA-Symposium 2016

    Inhalt

    03.25. Jahrgang Juni 2016ISSN 0942-381820565

    www.ALTLASTENdigital.de

    Organ des ITVAVAV

    16Herausgegeben vomIngenieurtechnischen Verband fr Altlastenmanagementund Flchenrecycling e. V. (ITVA)

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    Die Inhalte sind urheberrechtlich geschtzt.

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    Grundwasser-Zirkulations-Brunnen (IEG-GCW).

    1. EinleitungBei vielen Sachverstndigen und Fachbehrden hat sich mittlerweile die Erkenntnis durchgesetzt, dass eine einfache Entnahme und Abreinigung von Grund-wasser zur Entfernung von organischen Schadstoffen aus dem Aquifer (sog. Pump and Treat) sehr langwie-rig und teuer ist. Zudem lassen sich die behrdlichen Sanierungsziele nur in besonders gnstig gelagerten Einzelfllen erreichen: Eine gute Durchlssigkeit und geringe Heterogenitt des Untergrunds sind Voraus-setzungen dafr. Daher gewinnen in situ-Technolo-gien zur Grundwasserreinigung zunehmend an Be-deutung. Sie beruhen auf der Zugabe von reaktiven Stoffen, die die Schadstoffe im Untergrund biologisch abbauen oder direkt zerstren. Weil quartre Sedi-mente in den allermeisten Fllen horizontal bessere Durchlssigkeiten aufweisen als in vertikaler Rich-tung, sind praxisbliche Kombinationen von Ent-nahme- und Schluckbrunnen oder Bohrungen zur Injektion von Reagenzien hufig nicht zielfhrend. Der sich hier einstellende, vorzugsweise horizontale Fluidtransport erreicht nicht alle sanierungsrelevan-ten Bereiche. Eine raumgreifende Verteilung von ein-gebrachten Stoffen kann daher nur dann gelingen, wenn neben horizontalen auch starke vertikale Str-mungsgradienten im Untergrund erzeugt werden knnen. Eine detaillierte (mikrostrukturelle) Betrach-tung des Porenraums im Aquifer kann daher dazu beitragen, das Prozessverstndnis fr die Verteilung von Stoffen zu strken. Diesem Gesichtspunkt dienen auch die abschlieend beschriebenen Praxisbeispiele fr den Einsatz von IEG-GCW zur Grundwassersanie-rung.

    2. Flieen im PorenraumDie vorherrschenden Transportprozesse im Aquifer sind Advektion, Dispersion sowie molekulare Diffu-sion. Der advektive Transport von gelsten Stoffen bzw. von Schadstoffen erfolgt entlang von Bahnlinien in Strmungsrichtung und wird vom Grundwasser-geflle angetrieben. In quartren Lockersedimenten bewegt sich die Hauptmasse des Grundwassers dabei hauptschlich in mehr oder weniger horizontal ver-laufenden Porenkanlen (Stromrhren). Unter be-stimmten hydrogeologischen Rahmenbedingungen

    kommt es untergeordnet auch zu vertikalen Flie-bewegungen. Porenkanle sind nicht uniform (s. Ab-bildung 1), deren Querschnitte, Ausrichtungen und Ober flchenbeschaffenheiten wechseln hufig. Das Fluid muss Porenhlse (pore throats) berwinden, es treten vielfache Windungen auf (Tortuositt) und immer wieder enden sie blind (dead end pores). Fr die Aufweitung von ursprnglich eng begrenz-ten Schadstofffahnen mit zunehmender Entfernung von der Quelle ist die transversale Dispersion verant-wortlich. Sie ist auf der Mikroskala (m-mm-Bereich) korngerstbedingt (Porenkanalgeometrie) und wird makroskalig (m-Bereich) durch Sedimentheterogeni-tten verstrkt. Sie wirkt quer zur Strmungsrichtung in y-Richtung (seitlich) und z-Richtung (vertikal). Da letztere sehr viel kleinere Werte als die in y-Richtung aufweist, findet eine dispersive Vermischung in ver-

    Grundwasser-Zirkulations-Brunnen (IEG-GCW): Verteilung von Reagenzien im Untergrund

    Gert Rehner, Eduard J. Alesi

    Abbildung 1: Modell eines Porenkanals [1]

    Abbildung 2: Verschiedene Mglichkeiten der Biofilmbildung im Porenkanal, verndert nach [2]

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    .Grundwasser-Zirkulations-Brunnen (IEG-GCW)

    tikale Richtungen nur sehr untergeordnet statt. Es wirken dort fast ausschlielich diffusive Prozesse. Ist das Grundwasser allerdings mit Schadstoffen hherer Dichte als Wasser angereichert, kann es insbesondere im Umfeld von Quellzonen zu einem gravitativ be-dingten vertikalen Transport kommen. Entlang des Fliewegs unterliegen die Wasserinhalts-stoffe Vernderungen verschiedenster Art (z. B. Ausfl-lungen, Adsorption, Biodegradation). Insbesondere Schadstoffe werden dabei vorzugsweise in angrenzen-den feinerkrnigen Bereichen bzw. engen Porenkan-len bzw. -enden angelagert, wobei die Anwesenheit natrlicher organischer Substanz diesen Vorgang be-gnstigt. Die natrliche Besiedelung des Aquifer-Korngersts in Form von Biofilmen verstrkt sich durch den forcier-ten biologischen Abbau von Organika. Biofilmwachs-tum fhrt dazu, dass Porenkanle teilweise verschlos-sen und umgeleitet werden, deren so zunehmende Tortuositt erhht die Dispersion und somit die Ver-mischung im Grundwasserleiter (s. Abbildung 2). Der grere Teil der Biofilme besteht aus EPS (Extrazel-lulre polymere Substanz), in die Zellen eingebettet

    sind. In der EPS finden Stoffaustauschprozesse statt, sie kontrollieren und stabilisieren die Lebensbedin-gungen der Bakterien; auch sie weisen Porositten auf, ihre Durchlssigkeit ist allerdings deutlich gerin-ger als die des freien Porenkanals. Der aktive Transport von Nhrstoffen durch ein por-ses Medium fhrt zu einem stndigen Schlieen und ffnen von Porenkanlen durch Biofilmwachstum und anschlieendem Zerfall durch Nhrstoffmangel (s. Abbildung 3). Allerdings bedarf es dazu entsprechen-der hydraulischer Mindestgradienten, um diese stn-dig wechselnden Wegsamkeiten aufrechtzuerhalten. Werden Nhrstoffe impulsartig und mehr oder min-der punktuell zugegeben charakteristisch fr Di-rect-Push-Injektionen knnen sich lokal temporre Biobarrieren ausbilden, die die hydraulische Zugng-lichkeit selektiv stark einschrnken. Diese z. B. im Rah-men der Erdlgewinnung zur Absperrung bestimm-ter Bereiche bekannten und schon lnger genutzten Effekte (Biobarrieren) sind jedoch im Rahmen der Alt-lastensanierung kontraproduktiv, da der Zugang zu schadstoffbelasteten Regionen verringert wird.

    Abbildung 3: Simulationsmo-dell mit Visualisierung von stndig wechselnden Poren-kanlen im zeitlichen Ablauf; Strmungsverlauf von links nach rechts; die Nhrstoffkon-zentration ndert sich von einem Maximum (dunkelrot) bis hin zu einem Minimum nahe Null (dunkelblau); dunkel-grau bedeutet aktive, hellgrau inaktive Biomasse [3]

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    Grundwasser-Zirkulations-Brunnen (IEG-GCW).

    Als Stoffwechselprodukte entstehen die Gase CO2 bzw. CH4, sie knnen bei mangelndem hydraulischen Ab-transport ebenfalls zu einer Verblockung von Poren-rumen fhren und die biologische Aktivitt reduzie-ren. Eine in situ-Sanierung entwickelt daher nur dann ihre hchste Wirksamkeit, wenn es gelingt, Reagen-zien (Nhrstoffe, Oxidations- oder Reduktionsmittel), Bakterien und Schadstoffe in mglichst innigen Kon-takt zueinander zu bringen und die Stoffwechselpro-dukte abzufhren.

    3. Grundwasser-Zirkulations-Brunnen (IEG-GCW): Technologie, Anwendungen

    Um berwiegend senkrecht verlaufende Porenkanle mit den darin befindlichen Schadstoffen ebenfalls zu durchstrmen, ist die Erzeugung knstlicher verti-kaler Gradienten notwendig. Solche Zwangszirkula-tionen lassen sich am effektivsten mittels IEG-GCW-Systemen erzeugen. Deren Prinzip besteht darin, aus einem mit zwei oder mehreren hydraulisch vonein-ander getrennten Filterstrecken versehenen Brunnen Grundwasser zu entnehmen und in eine darber oder darunter liegende andere Filterstrecke wieder zu in-filtrieren. Dabei entsteht im Umfeld des Brunnens eine dreidimensionale Zwangszirkulation im Grundwas-serleiter, mit der sich Reagenzien weit besser als mit anderen Systemen verteilen lassen. Es entsteht eine reaktive Zone, in der Schadstoffe chemisch umgewan-delt und/oder biologisch abgebaut werden knnen. Die ausgeprgten vertikalen Strmungskomponen-ten verstrken das Konzentrationsgeflle zwischen besser und schlechter durchlssigen Bodenbereichen. Infolge der stabilen Zirkulation rotiert das dem Brun-nen zustrmende Wasser mehrfach innerhalb des ROI (Radius of Influence), bevor es diesen wieder in Rich-tung Grundwasserabstrom verlsst (s. Abbildung 4). Die Anzahl der Rotationen eines Wasserteilchens ist ab-hngig vom Grundwassergeflle, der hydraulischen Durchlssigkei