dr. reinhard wienberg umwelttechnisches labor natürlicher abbau und rückhalt von schadstoffen...

Dr. Reinhard Wienberg

Umwelttechnisches Labor

Natürlicher Abbau und Rückhalt von Schadstoffen (Natural Attenuation)

Konzept, Kriterien, Grenzen

Prinzip Hoffnung oder planbare Alternative in der Altlastensanierung ?



ORGANISCHE UNDANORGANISCHESORPTIONSKOMPLEXE

VERDÜNNUNG MIT O2- REICHEM GRUNDWASSER

ATMOSPHÄRE

P R EC IPIT AT E

SICKERWASSER

ORGANISMENRASEN

CH4, CO2,H 2, H 2 S, N 2

Lösung

Oxidation

Mineralisation Angleichung an Grundwasser

Entgasung

GRUNDWASSER

SUBSTRAT

Desorption



OSWER-Directive 9200.4-17

• Der Begriff “Monitored Natural Attenuation” bezieht sich auf das Vertrauen auf natürliche Rückhalteprozesse (innerhalb des Zusammenhangs mit sorgfältig geplanten und überwachten Sanierungskonzepten), um standortspezifische Sanierungsziele innerhalb eines Zeitrahmens zu erreichen, der im Vergleich zu anderen, aktiveren, Methoden vertretbar ist.




• Die Mechanismen umfassen eine Reihe von physikalischen, chemischen und biologischen Einzelprozesse, welche unter günstigen Bedingungen ohne menschliche Eingriffe vonstatten gehen. Es sollen Masse, Giftigkeit, Mobilität, Volumen oder Konzentrationen der Schadstoffe im Boden oder Grundwasser reduziert werden.




• Diese In-Situ-Prozesse umfassen biologischen Abbau, Dispersion, Verdünnung, Sorption, Verflüchtigung und chemische oder biochemische Stabilisierung, Umwandlung und Zerstörung von Schadstoffen.



Deutsche Übersetzung

• Natürlicher Rückhalt und Abbau von Schadstoffen (NRA) (Förstner, 1998)

• Umfaßt sowohl destruktive als auch nichtdestruktive Prozesse.

• Läßt Folgeprozesse bzw. -belastungen zu (z.B. Sekundärbelastung durch Aufhärtung und Aufsalzung.

• Vermeidet den euphemistischen Begriff “Selbstreinigung



Komponenten des MNA-Konzeptes

1. Das eindeutige Erkennen ablaufender MNA-Prozesse

2. Die Quantifizierende Beschreibung des Schadstoffumsatzes bzw. Abbaus

3. Die längerfristige Prognose des Schadstoffverhaltens

4. Das Langzeitmonitoring



Das eindeutige Erkennen ablaufender MNA-Prozesse



Erkennungsmerkmale für natürlichen Rückhalt und Abbau• Konzentrationsänderung gegenüber einem internen, nicht

reaktiven Standard

• Verringerung der Konzentration von Oxidationsmittel in der Belastungszone

• Erhöhung der Konzentration von Produktphasen in der Belastungszone.

• Nachweis von Zwischenabbauprodukten in der Belastungszone.

• Nachweis von Isotopenfraktionierungs-effekten in der Belastungszone.



Verhalten der Schadstoffahne



Die Schadstoffahne schrumpfträumlich: Rückgang in Richtung Schadstoffquellezeitlich: Konzentration an den Rändern und/oder im Fahnenzentrum nimmt ab

Die Schadstoffahne ist stabilräumlich: Schadstoffahne wandert nicht mehrzeitlich: Konzentration an den Rändern und/oder im Fahnenzentrum nimmt ab oder bleibt stabil

Die Schadstoffahne breitet sich ausräumlich: Schadstoffahne breitet sich abstromig auszeitlich: Konzentration an den Rändern und/oder im Fahnenzentrum nimmt zu oder ist stabil



Voraussetzungen für den Einsatz von MNA an einem Standort

• Die Schadstofffahne sollte stationär sein oder sich zurückziehen.

• Der weitere Eintrag im Bereich der Schadensquelle sollte unterbunden sein.

• Es dürfen keine Abbauprodukte entstehen, die toxischer als die Ausgangsprodukte sind.

• Die Kontaminanten dürfen (wenn möglich) nicht in andere Medien transferiert werden



Voraussetzungen für den Einsatz von MNA an einem Standort Basisdaten Grundwasserchemie

• Konzentration von gelösten Oxidationsmitteln (O2, NO3-, SO4

2-)

• Konzentration der Abbauprodukte (CO2-Species, Mn2+, N2,

• Fe2+, S2-, CH4, NH4+, DOC und Metaboliten)

• Geländeparameter (pH, EH, elektr. Leitfähigkeit und Temperatur) sowie

• weitere Ionenkonzentrationen (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cl-) für die hydrogeochemischen Berechnungen



Die Quantifizierende Beschreibung des Schadstoffumsatzes bzw. Abbaus



Bilanzgrundlage: einfache Stöchiometrie



Beispiel: Toluol, C7H8

SauerstoffreduktionToluol + 9 O2 7 CO2 + 4 H2O

Nitratreduktion5 Toluol + 36 NO3

- + 36 H+ 18 N2 + 35 CO2 + 38 H2O

ManganreduktionToluol + 18 MnO2 + 36 H+ 18 Mn2+ + 7 CO2 + 22 H2O

EisenreduktionToluol + 36 Fe(OH)3 + 72 H+ 36 Fe2+ + 7 CO2 + 32 H2O

Sulfatreduktion8 Toluol + 36 SO4

2- + 72 H+ 36 H2S + 56 CO2 + 32 H2O

Methanogenese8 Toluol + 40 H2O 36 CH4 + 20 CO2



Bilanzgrundlage: Massenumsatz



• Beispiel: Benzol, C6H6

Prozeß Verbrauch Entspricht einem KW-Abbau

Sauerstoffreduktion 1 mg/ l ca. 0,3 mg/l KW

Nitratreduktion 1 mg/ l ca. 0,2 mg/l KW

Manganreduktion 11 mg/ l ca. 1,0 mg/l KW

Eisenreduktion 22 mg/ l ca. 1,0 mg/l KW

Sulfatreduktion 1 mg/ l ca. 0,2 mg/l KW

Methanogenese 0,8 mg/ l ca. 1,0 mg/l KW



Probleme der Bilanzierung



Nicht-stöchiometrische Umsetzungsprozesse

Beispiele:

• Aufbau von Biomasse bei einer ”jungen” Kontamination

• Schadstoffe werden lediglich anoxidiert und anschließend ununterscheidbar in Huminstoffe eingebunden

In beiden Fällen verläuft der Schadstoffabbau scheinbar unterstöchiometrisch



Geochemischen Zonierung des Untergrundes

• Oft kleinsträumig außerordentlich heterogen, so daß die ”typische” Zonierung überdeckt wird



Methodische Probleme

• Außerordentlich schwierig kann die Bilanzierung werden, wenn Mischkontaminationen vorliegen, bei denen im Rahmen einer Zielanalyse nur ein Teil der Kontaminanten erfaßt wurde

• Schwierig ist die quantitative Erfassung und Bewertung aller Elektronenakzeptoren bzw. –donatoren, insbesondere bei den feststoffgebundenen Eisen- und Schwefelverbindungen



Heterogener Untergrundverhältnisse

• Ebenso problematisch ist die ausreichend zuverlässige, repräsentative Beprobung



Die längerfristige Prognose des Schadstoffverhaltens



Abbauwege für LCKW



Verhalten von LCKW – Typ 1 bis 3



Typ 1: Primärsubstrat ist anthropogene organische Substanz (z.B. BTEX oder Karbonsäuren aus Deponiesickerwasser)

1. Reicht die Versorgung mit Elektronendonatoren aus, um eine mikrobielle Reduktion der LCKW zu erreichen? Liegen die Elektronendonatoren im Überschuß vor?

2. Welche Rolle spielen konkurrierende Elektronenakzeptoren (z.B. Nitrat, Eisen(II), Sulfat)?

3. Wird Vinylchlorid oxidiert oder wird es reduziert?

Bei Typ 1 werden die hochchlorierten LCKW rasch und vollständig abgebaut.



Typ 2 dominiert in Bereichen mit relativ hohen natürlichen Konzentrationen biologisch verfügbarer organischer Substanz.Die Fragen sind die gleichen wie bei Typ 1:

1. Reicht die Versorgung mit Elektronendonatoren aus, um eine mikrobielle Reduktion der LCKW zu erreichen? Liegen die Elektronendonatoren im Überschuß vor?

2. Welche Rolle spielen konkurrierende Elektronenakzeptoren (z.B. Nitrat, Eisen(II), Sulfat)?

3. Wird Vinylchlorid oxidiert oder wird es reduziert

In der Regel langsamerer Abbau als bei Typ 1; unter günstigen Bedingungen auch rascher Abbau möglich



• Typ 3 dominiert in Bereichen mit niedrigen natürlichen oder anthropogenen Konzentrationen biologisch verfügbarer organischer Substanz

• Unter diesen Bedingungen geringer bis kein Abbau. Ausgangsprodukte (PER, TRI) dominieren, Abbauprodukte wie 1,2-cis-Dichlorethen und Vinylchlorid treten nicht oder kaum auf

• NRA-Mechanismen: Advektion, Dispersion, Sorption. Vinylchlorid kann allerdings rasch oxidiert werden.



Verhalten von LCKW - Mischtypen

Eine einzelne Fahne kann mehrere Typen repräsentieren.

• Günstig: Nahe der Quelle führt Typ 1 oder Typ 2 zu einer raschen Dehalogenierung. Anschließend erfolgt bei Typ 3 eine vollständiger Abbau des verbliebenen Vinylchlorids

• Ungünstig: Nahe der Quelle führt Typ 2 zu einer Dehalogenierung, die allerdings unvollständig ist, so daß u.a. PER oder TRI übrigbleibt. Anschließend erfolgt bei Typ 3 kein weiterer Abbau der hochchlorierten LCKW



Wo bieten sich NRA-Maßnahmen an ?

• Es kann gezeigt werden, daß das Sanierung in angemessener Zeit durchführbar ist und

• daß die Sanierungszielwerte erreichbar sind.

• NRA-Maßnahmen werden im Regelfall im Zusammenhang mit anderen aktiven Maßnahmen (Quellenbehandlung) als Folgemaßnahme durchgeführt.

• NRA-Maßnahmen sollten nicht erfolgen, wenn dies zu einer Schadstoffausbreitung führt oder nicht akzeptierbare Belastungen für Rezeptoren eintreten.



Sanierung an der Schadstoffquelle (nach EPA)

• Die EPA erwartet, daß eine Quellensanierung in allen Fällen geprüft wird und in den meisten - soweit sinnvoll - mit in die Sanierung einbezogen wird.

• Dies umfaßt Entfernung, Behandlung oder Einschließung der Schadstoffquelle.

• Die Quellenerfassung ist besonders wichtig, wenn NRA-Maßnahmen Teil des Gesamt-Sanierungskonzeptes sind.

• Eine geeignete Quellenerfassung ist von hoher Priorität und sollte so früh wie möglich erfolgen.



Das Langzeitmonitoring



Monitoring (nach EPA)

• ist erforderlich, um die Effektivität der NRA-Maßnahme zu sichern und um die menschliche Gesundheit und die Umwelt zu schützen,

• ist gerade bei NRA-Maßnahmen von besonderer Bedeutung, da generell längere Zeitrahmen für die Sanierung benötigt werden,



Monitoring (nach EPA)

• muß zeigen, daß NRA tatsächlich wie erwartet stattfindet, muß Transformationsprodukte identifizieren, eine Ausweitung der Schadstoffahne erkennen und aufzeigen, daß keine Auswirkungen auf Rezeptoren zu finden sind,

• ist erforderlich, solange die Kontaminationshöhe oberhalb des Sanierungszieles liegt.



Konsequenzen



1. Intrinsic Remediation-Maßnahmen sollten nicht erfolgen bei besonders sensiblen Nutzungen insbesondere in Kombination mit besonders toxischen Kontaminanten.

2. Es sollte nicht zulässig sein, reine Verdünnungsprozesse zur Handlungsgrundlage von Intrinsic Remediation-Maßnahmen zu machen.

3. Soweit Immobilisierung als Einzelprozeß bestimmend ist, muß die Langzeitwirkung sicher bewiesen sein.

4. Bei biochemischen Abbauprozessen muß die Wirksamkeit unter allen vorherrschenden Bedingungen, insbesondere den jeweiligen Redoxverhältnissen, belegt sein.



5. Die Übertragbarkeit von Labordaten auf die Natur ist mit scale-up-Versuchen zu belegen

6. Es ist ein so umfassendes Monitoring zu installieren, daß ein unerkanntes Versagen dieses Konzeptes ausgeschlossen ist. So lange die Abbauprozesse nicht abgeschlossen sind und die Ziele erreicht werden, darf das Monitoring nicht beendet werden.

7. Geologische und hydrogeologische Bedingungen im Sanierungsbereich müssen gut bekannt sein und ein effektives Monitoring erlauben. Die Konzepte schließen sich aus, wenn schwierige Untergrundverhältnisse eine zuverlässige Kontrolle verhindern.


Umwelttechnisches Labor 8. Durch entsprechende Analytik ist sicher zu stellen, daß

möglicherweise entstehende Reaktionsprodukte zuverlässig erkannt und quantifiziert werden.

9. Die Wirksamkeit ist mit Hilfe vollständiger Bilanzen zu belegen.

10. Es sollten Handlungskonzepte auch für konventionelle Maßnahmem für den Fall bereit stehen und vereinbart werden, daß die Ziele einer Intrinsic Remediation-Maßnahme nicht erreicht werden.



Vom Naturphänomen zur planbaren Alternative in der Altlastensanierung



Was wir benötigen:

• Eine eindeutige Begrifflichkeit und Definition,

• Naturwissenschaftliches und technisches Grundlagenwissen zu den Prozessen,

• Eine klare Abgrenzung zu den “Eingriffsmethoden”, aber Kriterien für das Erforderniß additiver oder alternativer eingreifender Verfahren,

• Konzepte für die sinnvolle Aufeinanderfolge der Planungsschritte,



Was wir benötigen:

• Ein Methodenpaket für alle Planungsschritte zum Erkennen, Beobachten und Bilanzieren der natürlichen Rückhalt- und Abbauvorgänge. Arbeitsinstrumente

• zum sicheren, quantifizerenden Erfassen der Schadstoffquelle und der Fahne,

• Bewertungsverfahren (Scoring ?),

• Berechnungsgrundlagen, Prognoseverfahren, Modelle für Transport und Rückhalt,

• Methoden der Erfolgskontrolle



Was wir benötigen:

• Regelwerke mit

• Handreichungen,

• Anweisungen,

• Technische Regeln bis hin zu

• Normen

für alle Schritte der Planung und Durchführung,

• Qualitätsmanagement für das gesamte Verfahren.



Fazit


Umwelttechnisches Labor • Biologische Prozesse laufen im Untergrund ab und können

genutzt werden, aber zu ihrer Einschätzung ist ein sehr hohes Maß an Spezialkenntnissen erforderlich.

• Der Aufwand und die Zeitdauer für das erforderliche Monitoring kann unter ungünstigen Fällen sehr hoch werden, was bei Kostenabwägungen berücksichtigt werden muß.

• Je weniger wir an aktiver Sanierungstechnik einsetzen wollen, desto mehr müssen wir in der Lage sein, zuverlässige Prognosen über die ablaufenden Prozesse abzugeben

• Nichtstun erfordert andererseits auch Aktivität: Je mehr wir diese Konzepte anwenden wollen desto mehr müssen wir unsere Kenntnisse über natürlicherweise im Untergrund ablaufende Abbau- und Immobilisierungsprozesse vertiefen.

dr. reinhard wienberg umwelttechnisches labor natürlicher abbau und rückhalt von schadstoffen...

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