Referenzen i-SAV©– Innovative Bodensanierung
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i-SAV© Sanierung – Hydraulische Injektion von 12,5 Tonnen Permanganat
AUSGANGSSITUATION
Von 1996 bis 2017 wurde auf dem Standort in Innenstadtlage eine Grundwassersicherung mittels Pump & Treat über einen Grundwasserförderbrunnen in heterogenen schluffig bis sandigen quartären Talaueschottern (kf= <<1 bis 5 m/d), welche von Opalinuston mit leicht welliger Oberfläche ab circa 7 m Teufe unterlagert wird, betrieben. Bei Abschalten der Sanierungsanlage stiegen die LCKW-Konzentrationen wieder auf ca. 900 μg/L an. Die innerstädtische Schadstofffahne erstreckte sich mindestens 70 m in den Grundwasserabstrom.
PLANUNGSPHASE
Neben geochemischen wurden geomechanische Betrachtungen in der Planungsphase vorab der Injektion zur Verhinderung von ungewollten Bodenverformungen durchgeführt.
Diese waren zur Beurteilung der Ausrichtung der injizierten Schichten im Untergrund sinnvoll, da der Einfallswinkel der Injektionsschichten abhängig ist von der stratigraphischen Schichtung / Schichtfugen (Makro, Mikro), dem Erdruhedruck (Verhältnis der Horizontalspannungen (sh) zur Vertikalspannung (sv) und der Überkonsolidierung (OCR) der geologischen Schichten.
Zudem wurden vorab Laborversuche zur Ermittlung des Bedarfs an Oxidationsmittel und der Trägermedien sowie Versuche zu den Mischungsverhältnissen von Oxidationsmittel und Trägermedien (unter Berücksichtigung der Suspensionstragfähigkeit) durchgeführt.
Bei der Bemessung der Masse an erforderlichem Oxidationsmittel ist neben der Schadstoffmasse und des Schadstoffspektrums die Ermittlung des NOD notwendig.
AUSFÜHRUNG
Die hydraulische Platzierung von circa 12,5 Tonnen Kaliumpermanganat als Feststoff wurde in den quartären schluffig bis sandigen quartären Talaueschottern und dem unterlagernden Opalinuston über 5 Injektionsbohrungen über eine Fläche von circa 300 m2 durchgeführt. Die Einbringung erfolgte mittels 67 Injektionsschichten im 30 cm Vertikalabstand im Teufenbereich zwischen 3,5 m und 8,2 m u. GOK. Eine Beaufschlagung von ungefähr 7 bis 9 kg KMnO4 pro Kubikmeter Boden konnte dadurch erzielt werden.
Sowohl die Boden- als auch die Grundwasserkonzentrationen sind signifikant reduziert worden, so dass das Gelände aus dem Altlastenkataster entlassen werden konnte.
i-SAV© Sanierung – kombinierte Injektion von Permanganat und Persulfat
AUSGANGSSITUATION
Pilotversuch im Feldmaßstab zur LHKW-Sanierung eines Belastungsschwerpunktes „Hauptstraße“ bei gering durchlässigem Untergrund und enger Bebauung.
DURCHFÜHRUNG
Zur in-situ chemischen Oxidation und damit zur Dekomposition von chlorierten Kohlenwasserstoffen wurde über eine Injektionsbohrung 3,3 Tonnen an Permanganat und Persulfat mittels Druck über 25 Injektionsschichten zielgerichtet in die LHKW-kontaminierten Bereiche im geringdurchlässigen Ton zwischen 6 m und 11 m Teufe injiziert.
Vorab und nach der Durchführung des Pilotversuches wurden erweiterte Betrachtungen zum verbesserten Prozessverständnis durchgeführt:
- Betrachtungen zur Genese des Kluftnetzwerkes und Rückschlüsse auf Heterogenitäten sowie Evaluation von horizontalen Schwächezonen. Basierend darauf wurden die Transportprozesse der LHKW in den Untergrund evaluiert und ein konzeptionelles Modell hinsichtlich des Transportsystems entwickelt.
- Berechnung der konvektiven und generellen Diffusion für LHKW, Permanganat und Persulfat unter Einbeziehung der Rekationsgeschwindigkeiten der Oxidation des fast und slow NOD über Modelle. Umsetzung der Ergebnisse der Berechnungen zur Ermittlung der Verteilung des Oxidationsmittels im Untergrund.
- Neigungsmetermessungen bereits mit Auswertung während der Injektion zur Ermittlung von Streichrichtung, Fallen. Die Mächtigkeit, das Seitenverhältnis und der Radius der injizierten Schichten (Fracs) wurden im Nachgang evaluiert.
ERGEBNISSE
- Es konnte der rechnerische Nachweis erbracht werden, dass die Gesamtmasse an Injektat hinreichend mit den jeweiligen Massen der Einzelkomponenten im Zielbereich nach der Injektion übereinstimmt und zwei Monate nach der Injektion immer noch dort verblieben ist.
- Durch die Erzeugung der Schichten wurde die Durchlässigkeit im Pilotversuchsbereich erheblich vergrößert, so dass die Grundwasserströmungsgeschwindigkeit lokal horizontal und vertikal deutlich zugenommen hat und die Agensverteilung a posteriori maßgeblich positiv beeinflusst werden konnte.
- Eine signifikante Reduktion der LHKW-Summenkonzentration von 98% erfolgte im Grundwasser innerhalb des Injektionsradius.
- Die Berechnung des Verhältnisses zwischen Fracht- und Massereduktion zeigte, dass durch die Eingabe von 3,3 t Oxidationsmittel während des Pilotversuchs nach bereits einem Jahr eine mindestens doppelt so hohe Frachtreduktion im Grundwasser im Vergleich zur Massenreduktion im Boden erfolgte.
CO2-Fußabdruck
Der CO2-Fußabdruck für die Sanierung von 163 kg LHKW wurde berechnet 1) ohne die Produktion von Permanganat und 2) inklusive der Produktion von Permanganat. Die Ergebnisse zeigten, dass während der i-SAV© Sanierung nur 15,3 kg CO2 pro kg LHKW (= 7.000 KWhel) erzeugt wurden. Wenn die während des Herstellungsprozesses des Permanganats produzierte CO2-Masse in die Berechnung einbezogen wird, wurden 88 kg CO2 pro kg LHKW erzeugt. Dies zeigt, dass der CO2-Fußabdruck der i-SAV© Sanierungstechnologie im Vergleich zu anderen Sanierungstechnologien (z.B. thermische Sanierung) gering ist und der CO2-Gesamtbedarf von der CO2-Masse abhängt, die während des Herstellungsprozesses des Sanierungsagens entsteht.
i-SAV© Sanierung – Sandinjektionen zur Durchlässigkeitserhöhung
AUSGANGSSITUATION
Unter einem ehemaligen Tanklager besteht eine Untergrundverunreinigung mit vorwiegend BTEX. Im Bereich des mittleren Gipshorizontes besteht eine 1+ m mächtige Benzinphase, die sich im Kapillarsaum des Grundwassers des mittleren Gipshorizontes (MGH) verteilt hat. Mittels eines Pilotversuchs im Feldmaßstab sollte die Anwendbarkeit und Effizienz des i-SAV© Verfahrens mittels Einbringung von Sandstützkornschichten im Bereich der mobilen Benzinphase zur Phasenentfernung erbracht werden. Der Sand wurde dabei zielgerichtet mittels hydraulischer Stimulation in den kontaminierten Untergrund platziert. Dabei wurden 1 – 2 cm mächtige zumeist horizontale Schichten in einem Radius von bis zu 5 m um die Injektionsstelle erzeugt. Bei der Sandeingabe wurde eine Injektionsbohrung für 9 Injektionsschichten in eine Tiefe von 16 m bis ca. 20 m Tiefe in den MGH abgeteuft werden.
VORPLANUNG
Für das Design der Sandschichten wurde auch eine Grundwassermodellierung durchgeführt.
Das Bohrverfahren wurde speziell an die Standortgeologie und Injektionstechnik angepasst. Eine geeignete Bohrspitze wurde für den Bohrstrang und das Injektat entwickelt.
Bei der Injektionsanlage wurde die Injektionspumpe an das sandhaltige Gel angepasst.
Ebenso wurde die Anlage mit einem größeren Vorlagetank und verschiedenen Gerätschaften zur effizienten Gelherstellung ausgestattet. Ferner ist ein Mischtank der Injektionsanlage zum Einrühren des Sands nachgeschaltet.
Zwei redundante Injektionspumpen sorgen für eine reibungslose Injektion in den Untergrund. Eine kontinuierliche Live-Überwachung des Drucks und der Injektionsrate wird sichergestellt.
DURCHFÜHRUNG
Es wurden 11,5 t Sand mittels 9 Injektionen in den Untergrund eingebracht. Um unerwünschte Brückenbildung zu vermeiden, wurde insbesondere in der Anfangsphase mit einer etwas geringeren Beladungskapazität mit Sand als 85 Gew% injiziert.
Dem Sand inkl. Trägermedium wurde ein Reibungsminderer und ein Tensid hinzugefügt.
OBERFLÄCHENÜBERWACHUNG
Eine dezidierte Überwachungsmimik von Oberflächenverformungen mit Neigungsmetern und Schlauchwaagen wurde entwickelt.
Gesamthöhenänderung und temporäre Hebungen wurden innerhalb und über den Mindestradius hinaus messtechnisch mit Bodenneigungsmetern bzw. Schlauchwaagen sowohl für vertikale als auch horizontale Verformungen der Geländeoberfläche online und live überwacht.
ERGEBNISSE
Die Reichweite der Risse bzw. Sandschichten und deren Ausdehnung in der Fläche wurden mittels Bodenneigungsmeterdaten errechnet. Zusammenfassend war eine Ausrichtungstendenz mit einer Reichweite von maximal 6m bei nahezu allen Rissen zu verzeichnen.
Zudem wurde der Nachweis erbracht, dass weitestgehend horizontale Sandschichten erzeugt wurden.
Ein Vergleich der Phasenextraktionsraten von 80 L in 12 Monaten vor den Injektionen und mindestens 1.230 L in 3 Monaten nach der Einbringung der Sandschichten zeigte, dass sogar deutlich mehr Phase gefördert werden konnte als durch Modellierungen prognostiziert wurde. Weiterhin wurden die Einflüsse der Sanierungsmaßnahmen zur BTEX-Phasenförderung quantifiziert. Es wird aus der Abbildung rechts ersichtlich, dass die Sandeingabe den maßgeblichen Mehrwert erbracht hat. Ohne den Einsatz des Tensids wäre allerdings diese Wirkung nicht möglich gewesen.
Quantifizierung der Sand- und Tensideingabe sowie der Zwei-Phasen-Extraktion (DPE)
Mikrobiologische Sanierung – i-SAV© Injektion kombiniert mit Infiltration und Zirkulation
AUSGANGSSITUATION
Am Standort in Frankfurt liegen sanierungsbedürftige Boden- und Grundwasserverunreinigungen in zwei Aquiferen durch den Eintrag von Leichtflüchtigen Halogenierten Kohlenwasserstoffen (LHKW) vor. Verfahrenstechnische Machbarkeitsstudien, haben gezeigt, dass die vorhandenen LHKW im anaeroben Milieu nach Zugabe von abbauaktiven Mikroorganismen vollständig dechloriert werden können. Allerdings waren bei Probeversuchen hohe Methankonzentrationen aufgetreten, die es in der Gesamtsanierung zu vermeiden galt.
VORPLANUNG
Angewendet wurde eine Kombination aus i-SAV© Injektion in 30 Injektionsbohrungen und anschließenden Wirkstoff-Infiltrationen über 38 stationäre Pegel. Danach wurden über einen begrenzten Zeitraum über eine Grundwasserzirkulation die eingebrachten Wirkstoffe im Aquifer mobilisiert und im Wirk-raum verteilt.
Als Auxiliarsubstrat wurde ein Wirkstoff gewählt mit einer möglichst hohen Wasser-stoffausbeute, welche als indirektes Maß für den Energiebedarf angesehen werden kann. Zudem gewährleistet der selektierte Wirkstoff eine Langzeitstabilität, d. h. Wasserstoff ist über einen ausreichend langen Zeitraum vorhanden. Darüber hinaus weist der Wirkstoff eine gute Wasserlöslichkeit zur besseren Verteilung/Ausbreitung im Aquifer mit dem natürlichen Grundwasserstrom und den Zirkulationsbetrieb auf.
Im Zuge der Wirkstoffinjektionen wurden auch Bioaugmentationen mit hochangereicherten Dehalococcoides-Kulturen durchgeführt, um so den vollständigen anaerob-reduktiven Abbau von PCE bis zum Ethen zu gewährleisten.
Zudem kam nullwertiges Eisen (ZVI) bei den Wirkstoff-Injektionen zum Einsatz. ZVI ist ein Reduktionsmittel (Elektronendonator), das mit dem im Wasser gelösten Sauerstoff und anschließend mit dem Wasser selbst unter Bildung von Wasserstoff reagiert. Die sauer-stoffzehrende Wirkung des Eisens fördert (neben der Fermentation der organischen Wirkstoffe) zusätzlich die Einstellung anaero-ber Bedingungen im Aquifer.
DURCHFÜHRUNG
Die Injektionen erfolgten meterweise bzw. halbmeterweise, i. d. R. über ein Intervall zwischen 5 und 27 m Teufe. Die Wirkstoffe wurden vorab in einem Mischer auf eine Konzentration von 10 – 25% verdünnt und anschließend mittels Hochdruckpumpe in den jeweiligen Teufenbereich injiziert.
In den 30 Standorten wurden in 465 Einzelinjektionen insgesamt 151,3 m³ Wirkstoffsuspension, 600 L Dehalococcoides-Kulturen und 347 kg ZVI in den Untergrund eingebracht.
Im Anschluss wurden an 38 Standorten jeweils 10 m³ Wirkstoffsuspension mit einer Konzentration von 5 – 20% infiltriert und weitere 400 L an Bakterienkulturen eingebracht.
Nach der Infiltrationskampagne wurde mit den Grundwasser-Zirkulationen in den beiden Aquiferen begonnen.
ERGEBNISSE
Die mit den o.g. Maßnahmen erreichte Wirkstoffverteilung wurde im Anschluss modelliert.
Es zeigte sich, dass eine sehr gute Verteilung im Quartäraquifer erreicht wurde und auch im Tertiäraquifer in den relevanten Bereichen eine hinreichend gute Verteilung der Wirkstoffe zustande kam.
Erschwert wurde die Aufrechterhaltung dieses Zustands durch Außerplanmäßige, signifikante Wasserhaltungen, welche bauseits im Rahmen der Abwasserinfrastrukturverlegung durchgeführt wurden.
Trotz diesem Störeinfluss deuten die ersten Monitoringergebnisse auf eine vollständige Sanierung der LHKW ohne Methanbildung im ersten Aquifer hin.
Baustelle von oben
Bedienung der Hydraulikanlage