Zur Abreinigungsleistung durchströmter Reinigungswände (PRB): Hinweise und Rückschlüsse für die Sanierungspraxis und weitere Entwicklung

Volker Birke, Harald Burmeier, Peter Niederbacher, Martin Wegner, Dietrich Maier, Matthias Maier, Dirk Kühlers, Jutta Eggers, Michael Koch

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Design, Construction and Operation of Tailored Permeable Reactive Barriers

Volker Birke, Harald Burmeier and Diana Rosenau

Abstract

In Germany, nine pioneering permeable reactive barriers (PRB) for passive in situ remediation of contaminated groundwater have been erected over the last 3-4 years (e.g., in Bernau (built 2001), Bitterfeld (1999), Denkendorf (2000), Edenkoben (1998, 2001), Karlsruhe (2000), Oberursel (2002), Reichen­bach (2000), Rheine (1998) and Tübingen (1998)), all revealing interesting design and engineering features. At the Edenkoben site, one can find one of today´s probably largest funnel-and-gate (F&G) systems (appr. 450 m long, equipped with six gates). This paper provides an introduction to German PRB projects focusing on design and engineering features, as well as on some first major outcomes regarding destruction efficiency and long-term performance, where available. It is shown that F&G and related systems prevail, predominantly equipped with specially positioned or designed funnels and/or gates (e.g., relatively flat gates installed closely below ground level, or reactors receiving passively or even actively diverted/lifted groundwater). Different zero valent iron (ZVI) types or activated carbon are the exclusively applied reactive materials in German PRBs to treat chlorinated volatile organic carbons (cVOC) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), though a biological treatment zone to degrade PAHs is planned to be set up at Offenbach, and different alternative innovative materials are currently tested in a semi-technical scope at Bitterfeld and elsewhere.

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Reinigungswände in Deutschland und der Welt: Entwicklungen und Potenziale einer neuen Sanierungstechnik

Harald Burmeier, Andreas Dahmke, Georg Teutsch, Volker Birke

Durchströmte Reinigungswände gelten als wirksame und kostengünstige Alternativen zu anderen Sanierungsverfahren für kontaminierte Grundwasserleiter. Bereits in den 70er Jahren entwickelten einzelne Vorreiter erste konzeptionelle Ansätze in den U.S.A., wo man mittlerweile ca. 50 groß- oder zumindest pilotmaßstäbliche Feldanwendungen verzeichnet, deren Zahl ständig weiter wächst: So beläuft sich die Gesamtzahl aller bekannten Feldprojekte weltweit mittlerweile auf etwa 70-80 (Stand: Ende 2002).
In Deutschland stand man dagegen noch in den 80er Jahren in-situ-Verfahren zur Boden- wie auch Grundwassersanierung relativ skeptisch gegenüber. Folglich fanden u.a. die durchströmten Reinigungswände erst zum Beginn der 90er Jahre bei zunächst wenigen deutschen Experten Beachtung. Vor dem Hintergrund der erheblichen Belastungen von Böden und des Grundwassers in den neuen, aber auch den vielen „hoffnungslosen“ Fällen in den alten Bundesländern drängte sich schließlich die Reinigungswandtechnologie als kostengünstige, gleichwohl effektive Sanierungsalternative geradezu auf. Einen nicht zu unterschätzenden Einfluß und zusätzlichen Impuls hatten bzw. gaben erste vielversprechende Ergebnisse aus der jenseits des Atlantik in Nordamerika und seit ca. 1994 auch in Deutschland an den Universitäten Tübingen und Kiel mit Nachdruck vorangetriebenen Entwicklung. Im Oktober 1997 rief daraufhin das Umweltbundesamt (UBA) eine Expertenrunde zu einem vielbeachteten Fachgespräch zusammen, in dem es sowohl gelang, die Ausgangslage klar herauszuarbeiten als auch den hierzulande erforderlichen Handlungsbedarf abzuleiten.
Wesentliche Fragen- und Themenkomplexe, die im Zusammenhang mit der Erforschung und Entwicklung der Reinigungswandtechnologie auftraten bzw. diskutiert wurden, lauteten u.a.:

• Gewinnung ausreichender Informationen zur Langzeitleistung, -stabilität und -model­lie­rung, auch bei der bislang am zahlreichsten vorangetriebenen Anwendung von elementarem Eisen für die Dehalogenierung von LCKW, anhand möglichst vieler und vielseitiger technischer Umsetzungen an den unterschiedlichsten Standorten.
• Identifikation sämtlicher Reaktionswege und Ermittlung vollstän­diger Mas­senbilanzen hinsichtlich der Schadstoffumwandlung. Diskussion und Bewertung der beträchtlichen To­xizität intermediärer oder finaler Abbauprodukte bei der Dehalogenierung der Ausgangs­schadstoffe Perchlorethen (PCE) oder Trichlorethen (TCE) mit elementarem Eisen, d. h. etwa cis-Di­chlorethen (DCE), Vinylchlo­rid (VC) bzw. Ethen, hinsichtlich der Abreinigungsleistung und Erreichung von Sanierungszielwerten.
• Zuverlässige Kalkulation der Wirtschaftlichkeit eines reaktiven Wandprojektes; weitgehende Vermeidung von Überdimensionierungen (z. B. wegen der ungenauen Prognostizierbarkeit der Langzeitleistung)
• Entwicklung von Dehalogenierungsmitteln für chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW), die sich mit elementarem Eisen nur schwer oder gar nicht de­halogenieren lassen, z. B. VC, Dichlormethan oder 1,2-Dichlorethan (DCA) und aromatische CKW.
• Entwicklung und Erprobung von reaktiven Materialien für kombinierte Schadensszenarien, insbesondere wenn man es mit komplexen Schadstoffzusammensetzungen zu tun hat.

Im Ergebnis konstatierte man einen umfassenden Forschungs- und Entwicklungs (FuE)-Bedarf. Es gelang in der Folge, die Verantwortlichen im BMBF von der Notwendigkeit zu überzeugen, dieses Thema umfassend, d. h. in Forschungsschwerpunkten mit Verbundprojekten, aufzuarbeiten. Es dauerte dann allerdings noch fast drei Jahre, bis die ersten Projekte beauftragt werden konnten.
„SAFIRA“ („Sanierungsforschung in regional kontaminierten Aquife­ren”), ein FuE-Netzwerk zur Entwicklung und Erprobung neuer, innovativer reaktiver Materialien, insbesondere zur Behandlung von Mischkontaminationen in einem halbtechnischen Maßstab, war die erste Fördermaßnahme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), die diesem Ziel diente. Die SAFIRA-Pilotanlage behandelt seit 1999 ein durch ein komplexes Schadens­bild charakterisiertes Grundwasser (im Wesentlichen Chloraromaten und LCKW) am Standort Bitterfeld (Sachsen-Anhalt). Sie be­steht aus fünf, ca. 25 m tiefen zylindrischen Schächten, in die Stahlreaktoren eingehängt sind und die mit unterschiedlichen reakti­ven Materialien beschickt werden können.
Um auch die Entwicklung und sukzessive Gewinnung einer breiten Datenbasis bei möglichst großtechnischen Projekten voranzutreiben, rief das BMBF im Jahre 2000 zusätz­lich das Netzwerk „RUBIN“ („Reinigungswände und -barrieren im Netz­werkverbund”) mit insgesamt mehr als 10 Standort- und über­greifenden Vorhaben (inklusive mehrere Unterauftragnehmer) und umfangreichen Aufgabenstellungen ins Leben. Daneben besteht ein reges Engagement verschiedener deutscher Forschungsinstitute auch in europäischen FuE-Verbünden zur Reinigungswandthematik, wie etwa im PEREBAR-Netzwerk („Long-term Performance of Permeable Reactive Barriers Used for the Remediation of Contaminated Groundwater“).
Obschon die genannten Vorhaben noch nicht abgeschlossen sind (das RUBIN-Vorhaben weist beispielsweise eine Laufzeit bis 2005 auf), lässt sich aber bereits heute feststellen: Rei­nigungswände besitzen unzweifelhaft das Potenzial, sich als neue, kostengünstige Sanierungsverfahren auch in Deutschland zu etablieren. Sind alle wichtigen Einflussfaktoren an einem grundsätzlich geeigneten Standort bereits in der Planung korrekt berücksichtigt, die zur Verfügung stehenden Prognoseinstrumentarien richtig und vollständig verwandt und erfolgt eine fehlerfreie Installation, die bei einer korrekten Bauüberwachung und Qualitätssicherung vor Ort stets gegeben ist, so funktioniert eine Reinigungswand prinzipiell. Geduld und Optimismus sind mithin geboten, wenn es um eine abschließende Bewertung der Langzeitleistung und -stabilität sowie der Wirtschaftlichkeit geht, hingegen ist eine mannigfache, konstruktive Aktivität zur Errichtung neuer Bauwerke angezeigt, um in der Zukunft an möglichst vielen geeigneten Standorten von den großen Vorteilen der Reinigungswandtechnik zu profitieren.
Dabei ist auch zu beachten, dass diese neue Sanierungstechnik ganz besonders eine übergreifende Auswertung und Anwendung interdisziplinärer allgemeiner und standorttypischer Daten bzw. Kenntnisse, d. h. vornehmlich mit Hilfe und im intensiven Zusammenwirken der Disziplinen Geologie, Hydrologie, Ingenieurwissenschaft, Chemie und Biologie („Ingenieurgeo(bio)chemie“), erfordert: Zur baulichen Errichtung einer Reinigungswand benötigt man insbesondere die Kenntnis über die Anwendung von Spezialtiefbauverfahren; zu ihrer Positionierung und Dimensionierung sind darüber hinaus sehr gute Kenntnisse des Untergrundes selbst und des Grundwasserfließverhaltens, der Grundwasser-Geobiochemie sowie der Art und Verteilung der Schadstoffe mit ihrem Abbauverhalten an reaktiven Materialien (biotische und abiotische Prozesse) essentiell.
Letztlich gilt, dass die Effizienz von Reinigungswänden, die direkt von der tatsächlichen Langzeitleistung und -erfahrung abhängt, deshalb auch nur über einen längeren Zeitraum, dazu an möglichst vielen, unterschiedlichen Standorten, zuverlässig empirisch ermittelt werden kann. Genau diese Vorgehensweise wird in Nordamerika schon seit längerem erfolgreich praktiziert, und sie ist generell auch bei anderen, bereits etablierten Sanierungstechnologien, die über längere Zeit operieren (wie z. B. pump-and-treat), üblich. Alleine die Bündelung von schätzungsweise mehr als 14 Milli­onen € an öffentli­chen nationalen Fördermitteln auf diese neuen Techniken zwischen ca. 1998 und 2005 unterstreicht daher die Bedeutung, die man der Erforschung, Entwicklung, Ankurbelung und Implementierung in einem breiten Maßstab hierzulande zumisst. Im Übrigen bestand für die Fördermittelgeber wie auch die -empfänger nie ein Zweifel darüber, dass sich diese Maßnahmen über einen deutlich längeren Zeitraum als bei anderen Sanierungstechniken, die vormals angewendet wurden, zu erstrecken haben.
Aufgrund der nunmehr seit 2-5 Jahren im Betrieb befindlichen deutschen Prototyp-Reaktoren und neuer Bauwerke, die in der Planung oder kurz vor der Ausführung stehen, sowie infolge intensivster Auswertungskampagnen an mehreren Demonstrationsstandorten über mehr als fünf Jahre hinweg, dazu durch eine Vielzahl herausragender Experten, ist bzw. wird eine vorzügliche, ständig wachsende Daten- und Erkenntnislage generiert. Unter Hinzunahme der zusätzlich vorhandenen, umfangreichen Erkenntnisse aus den zahlreichen nordamerikanischen Vorhaben hat man heute zumindest in denjenigen Fällen, wo sich elementares Eisen und/oder Aktivkohle zur Schadstoffeliminierung einsetzen lassen, praktisch alle Mittel zur Hand, die Technik insgesamt sehr gut zu verstehen. Damit lassen sich vor allem ihre Vor- und Nachteile sowie Einsatzmöglichkeiten und -grenzen für die deutsche Sanierungspraxis hinreichend genau bewerten. Die vorliegenden deutschen Erfahrungen werden daher gegenwärtig, ergänzt um die Erfahrungen aus zahlreichen internationalen Projekten, in einem Handbuch zusammengefasst. Damit ist der Boden für eine Implementierung auf möglichst breiter Basis für die Zukunft bereitet.
Obwohl die Reinigungsleistung in vielen Projekten eindeutig belegt werden konnte, gibt es auch Vorhaben, in denen sich der gewünschte Erfolg nur begrenzt einstellte. Bei den zuständigen Behörden, aber auch bei den planenden Ingenieurbüros, überwiegen daher gegenwärtig noch eher Vorbehalte und Skepsis, diese Technik bereits auf breiter Front einzusetzen. Die folgenden Beiträge beschäftigen sich deshalb nicht nur mit einer einfachen Wiedergabe des gegenwärtigen nationalen und internationalen Wissens- und Technikstandes, sondern setzen sich auch mit Problemen bei der Konzeptionierung sowie Dimensionierung auseinander und wollen vor allem deren Problemlösungen aufzeigen. Damit soll ein wesentlicher Beitrag zur Versachlichung der momentan stattfindenden Diskussionen geleistet werden. Die in diesem Heft enthaltenen Beiträge namhafter deutscher Experten bieten darüber hinaus einen repräsentativen Querschnitt zu aktuellen Themen in der Forschung und Entwicklung, etwa zur Anwendung neuer Methoden des Monitorings und der Prognose der Langzeitstabilitäten. Allgemeine und spezielle Informationen über verschiedene ausgesuchte deutsche Standortprojekte und die dort gesammelten Erfahrungen sowie über neue Methoden zur genauen Ermittlung der Wirtschaftlichkeit spiegeln den hohen Stellenwert und erreichten Stand der Technik hierzulande sowie die Variabilität ihrer Einsatzbreite und Anwendungsmöglichkeiten beispielhaft wider. Insbesondere die Zwischenergebnisse aus den RUBIN-Standortprojekten Bernau, Rheine und Denkendorf sind in sie eingeflossen. Mit abschließenden Ergebnissen darf allerdings erst mit dem Ablauf des RUBIN-Förderschwerpunktes im Jahre 2005 gerechnet werden.

Volker Birke, Harald Burmeier, Diana Rosenau

Dr. V. Birke, Prof. H. Burmeier, Dipl.-Ing. D. Rosenau
Universität Lüneburg, Fachbereich Bauingenieurwesen (Wasserwirtschaft und Umwelttechnik), Suderburg, Büro Hannover (Koordinierungsgruppe BMBF-Forschungsverbund RUBIN),
Steinweg 4,
D-30989 Gehrden,
Telefon: 05108-9217-30, Telefax: 05108 9217-39,
E-Mail: birke@uni-lueneburg.de

Kurzfassung:
Durchströmte Reinigungswände zur passiven in-situ-Sanierung kontaminierter Grundwasserleiter wurden bis 2003 in ihrer ganz überwiegenden Zahl in den U.S.A. (ungefähr 60-70) und Westeuropa (ca. 20-30) errichtet, darüber hinaus sind wenige Anwendungen in Australien und Japan bekannt. In Deutschland hat man seit 1998 an neun Standorten Reinigungswände installiert, wohingegen es nur eine in Österreich gibt (gebaut 1999). Alle Bauwerke weisen interessante, den besonderen lokalen Erfordernissen individuell angepasste Konstruktionsmerkmale und Wirkprinzipien auf. Zwei Forschungs-und-Entwicklungs (FuE)-Netzwerke (SAFIRA (1999) und RUBIN (2000)) führen umfangreiche Untersuchungsarbeiten an mehreren Standorten in Deutschland aus. Dieser Beitrag liefert einen Überblick zu den nationalen Standortprojekten und internationalen Entwicklungen der Reinigungswandtechnologie, dabei schwerpunkthaft anhand der bislang im Feld vollmaßstäblich (full-scale) oder zumindest pilotmaßstäblich eingesetzten reaktiven Materialien, Konstruktions- und Bauweisen sowie den zugrundeliegenden Verfahren. Darüber hinaus werden erste Ergebnisse zur Abbaueffizienz und Langzeitleistung immer dort angeführt, wo sie erhältlich waren. Aus Platzgründen sind keine Abbildungen eingefügt worden, die jedoch in großer Zahl im Internet verfügbar sind.

Abstract:
In 2003, the prevailing majority of permeable reactive barriers (PRBs) for passive in situ remediation of contaminated groundwater can be found in the U.S.A. (about 60-70) and Western Europe (around 20-30). Furthermore, a few installations have already become known in Australia and Japan. In Germany, nine PRBs have been set up since 1998, whereas in Austria there is only one (built 1999). Two research and development (R&D) networks, designated as SAFIRA (launched 1999) and RUBIN (2000), are operating and/or investigating PRBs at several sites in Germany. This paper provides an overview of the national PRBs and the international development, focusing on design and engineering features as well as on selected outcomes regarding their destruction efficiency and long-term performance, where such data have been accessible. Illustrations were not included, because they are readily available from already assembled, recent reports published on the Internet and elsewhere.

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Sanierung kontaminierter Grundwasserleiter mittels durchströmter Reinigungswände:

Stand der Entwicklung in Deutschland 2002

Dr. Volker Birke, Prof. Dipl.-Ing. Harald Burmeier und Dipl.-Ing. Diana Rosenau, Fachhochschule Nordostniedersachsen, Fachbereich Bauingenieurwesen (Wasserwirtschaft und Umwelttechnik), Büro Hannover (Koordinierungsstelle des BMBF-Forschungsverbundes RUBIN).

KURZFASSUNG:

Durchströmte Reinigungswände (auch Reaktive Wände oder Reaktionswände genannt) gelten als vielversprechende Verfahren zur in-situ-Behand­lung von Grundwasserkon­taminationen. In der Bundesrepublik Deutschland wurden zwischen 1998 und 2002 an neun Standorten pilotmaßstäbliche oder volltechnische („full-scale“) Reini­gungswandbauwerke errichtet: In Bernau (gebaut 2001), Bitterfeld (1999), Denkendorf (2000), Edenkoben (1998 und 2001), Karlsruhe (2001), Oberursel (2002), Reichenbach (2000), Rheine (1998) und Tübingen (1998). Alle Bauwerke weisen interessante, den besonderen Erfordernissen der Standorte individuell angepasste Konstruktionsmerkmale und Wirkprinzipien auf. Beispielsweise befindet sich in Edenkoben eines der gegenwärtig weltweit größten „Funnel-und-Gate“-Sys­teme (F&G, Funnel = Leitvorrichtung aus Dichtwänden zur Lenkung des Grundwasserstroms in Richtung des Gates, Gate = Re­aktor) mit einer Länge von ungefähr 450 m (ausgestattet mit sechs Gates).

Dieser Beitrag stellt die deutschen Reinigungswandprojekte im Überblick vor, dabei schwerpunkthaft anhand ihrer Konstruktions- und Bauweisen. Darüber hinaus werden erste Ergebnisse zur Abbaueffizienz und Langzeitleistung immer dort angeführt, wo sie erhältlich wa­ren. Aus Platzgründen sind keine Abbildungen eingefügt worden, die jedoch in großer Zahl im In­ternet ver­fügbar sind.

Es wird deutlich, dass F&G- und verwandte Systeme in Deutschland vorherrschen, die überwiegend durch speziell positionierte und ausges­taltete Funnel- und/oder Gate-Kon­struktionen charakterisiert sind: Beispielsweise hat man an einigen Standorten relativ flache, ober­flächennah eingebaute Reaktoren favorisiert, denen entweder passiv oder sogar aktiv umgeleitetes oder gehobenes kontaminiertes Grundwasser zuströmt. Als Materialien gelangen verschiedene technische Qualitäten von elementarem („nullwertigem“) Eisen oder Aktivkohle zum Einsatz. Mit nullwerti­gem Eisen werden leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe (LCKW) direkt im Grundwasserstrom enthalogeniert, d. h. chemisch irreversibel abgebaut. Mit Aktivkohle entfernt man dagegen polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), aber auch LCKW, durch Sorp­tion. Darüber hinaus ist eine biologische Reaktionszone für den Ab­bau von PAK sowie Benzol und Alkylbenzolen (BTEX) innerhalb eines oberflächenna­hen F&G-Systems am Standort einer ehemaligen Teerfabrik in Offenbach geplant (Re­alisierung voraussichtlich 2003). Unter­schiedliche neue, innovative Materialien werden intensiv in einem halbtechnischen Maßstab am Standort Bitterfeld („SAFIRA“-Projekt) sowie anderswo entwickelt und getestet.

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