Tab. 1: techn. Maße und Randbedingungen des Reaktors

Errichtung der Bauwerke

Folgende Tiefbaumaßnahmen einschl. hierfür erforderlicher Genehmigungsverfahren wurden im Zeitraum von Oktober 2000 bis Sept. 2001 geplant, ausgeschrieben und umgesetzt:
1. Errichtung einer Stahlspundwand im oberen GWL zur Unterbringung des in-situ-Horizontalreaktors;
2. Errichtung einer Bentonit-Zement-Dichtwand zur Umschließung der Haupteintragsherde im oberen GWL;
3. Aushub der Baugrube im Reaktorspundkasten bis GW-Spiegel, Anbringen der Vergurtungen und Aussteifungen;
4. Dekontamination des Baugrubenwassers;
5. Unterwasseraushub der Baugrube bis 5,50 m uGOK bei gleichzeitiger Auffüllung mit dekontaminiertem Grundwasser;
6. Einbringung einer Unterwasserbetonsohle als Auflagefläche für den Reaktor;
7. Auspumpen der Baugrube bei gleichzeitiger Kontrolle der GW-Dynamik;
8. Einbau der Reaktormodule, Befüllung der Module R1-R10;
9. Einfahrphase und Inbetriebnahme des Reaktors.

Genehmigungen

Die geplante Baugrube zur Aufnahme des Reaktors war als Abgrabung i.S.d. Landesbauordnung Brandenburg genehmigungspflichtig. Im Zuge des vom Bauordnungsamt des Landkreises durchgeführten Verfahrens wurden Stellungnahmen von folgenden Trägern öffentlicher Belange (TÖB) eingeholt: Untere Wasserbehörde,
Untere Abfall- und Altlasten-/Bodenschutzbehörde, Amt für Arbeitsschutz, Amt für Immissionsschutz. Im Vorfeld fand mit allen beteiligten Behördenvertretern ein vorbereitendes Informationsgespräch zu den geplanten Maßnahmen statt. Eine zügige und reibungslose Bearbeitung der Antragsunterlagen seitens der zuständigen Behörde
wurde dankenswerterweise in vollem Umfang gewährleistet.
Für die Errichtung der mineralischen Dichtwand (März 2001), den Austausch des belasteten Grundwassers im Reaktorspundkasten (April 2001), die Aufrechterhaltung des Baubetriebes (März-Juni 2001) sowie für den Normalbetrieb des Reaktors (Aug. 2001 bis Aug. 2002) wurde seitens der Unteren Wasserbehörde eine wasserrechtliche Erlaubnis zur Entnahme und Umleitung von Grundwasser erteilt.
Nachweislich nicht kontaminierter Bodenaushub wurde zur Auffüllung der im Bereich der Altlastenfläche vorhandenen Geländeunebenheiten genutzt. Dabei handelte es sich ebenfalls um eine nach BBodSchV genehmigungspflichtige Baumaßnahme.

Betrieb

In der ersten Hälfte des Betriebszeitraums (2001 – heute) wurden die Module R1 bis R10 in Reihe bei konstantem Durchfluss von 1 m³/h unter stufenweise variierenden TCE-Zulaufkonzentrationen von 5 bis 150 mg/l gefahren. Der Volumenfluss wurde später testweise auf bis zu 0,2 m³/h reduziert. In der aktuell angelaufenen Testphase
wurde das Reaktorkonzept auf einen Parallelbetrieb mehrerer, direkt mit dem originären Grundwasser beschickten, granulatbefüllten Einzelmodule bei unterschiedlichen Volumenströmen umgestellt. Das Konzept der Vorkonditionierung durch Schwammeisen wurde nach dreijährigem Betrieb aufgegeben. Insgesamt wurden über 4.000
Porenvolumina im Eisen ausgetauscht und ca. 13.000 m³ TCE-kontaminiertes GW behandelt.

Ergebnisse

Als wichtiges postives Forschungsergebnis ist ein sehr effizienter Abbau insbesondere von hohen TCE-Konzentrationen zu verzeichnen. Begleitend entstehen allerdings auch chlorierte Abbauprodukte (Vinylchorid [VC] und cis-Dichlorchlorethen c-DCE) in unterschiedlichen Größenordnungen. Beobachtet wurden ferner lokale Permeabilitätsverluste durch Gasverblockungen in Verbindung mit Präzipitatbildung. Nachfolgend
eine stichwortartige Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse.
Nachgewiesen wurde, dass
- ca. 99% TCE abgebaut wurden, davon 85% in den ersten 3 Granulatmodulen (R2 bis R4) hinter der Konditionierungszone aus Schwammeisen (vgl. Abb. 2)
- ein Übergang in der Abbaukinetik von der quasi nullter Ordnung zur quasi erster Ordnung im Konzentrationsbereich von 25–35 mg/l TCE erfolgt,
- mit dem TCE-Abbau die Entstehung der Tochterprodukte cDCE mit 2-8 Mol% (1-4 mg/l) und VC mit 1-2 Mol% (0,2–0,8 mg/l) der TCE-Zulaufkonzentration einhergeht, die in den Folgemodulen R4 bis R10 vom Granulateisen nicht mehr nennenswert dechloriert werden (vgl. Abb. 2),
- eine deutlich effizientere abiotische Nachreinigung von cDCE und VC mit katalytischen Schüttungen aussichtsreich erscheint, wie vor Ort betriebene und mit dem Reaktorablauf beschickte Säulenversuche ergaben,
- neben dem dechlorierten Hauptendprodukt Ethen auch deutliche Mengen an weiteren Alkanen und Alkenen (z.B. Methan, Ethan, Propan, Butan und deren Isomere) nachgewiesen wurden,
- ein mikrobieller Abbau von LCKW im Rahmen des mehrmonatigen Betriebes zweier sandgefüllter Anaerob- bzw. Aerobreaktormodule sowohl für PCE und TCE (anaerob) als auch für cDCE und VC (aerob) eindeutig nachweisbar war,
- die demineralisierende Wirkung der Vorkonditionierung mit Schwammeisen nur in den ersten 3 Monaten zufriedenstellend verlief,
- mit fortschreitender Zeit erhebliche Permeabilitätsverluste in den vorderen, mit Granulat befüllten Reaktormodulen (R2, R3) bis hin zur nahezu vollständigen Verblockung nach 10 Monaten bzw. nach ca. 2.000 ausgetauschten Porenvolumina auftraten,
- die Ursache dieser Verblockungen einesteils in der Ausfällung von Mineralfrachten im Top der Granulatschüttung, anderenteils in der Bildung von Wasserstoff und dessen unzureichender Entgasung lag,
- die Gasverblockung durch Messung des Gasvolumens in R1 bis R3 - vornehmlich im oberen Schüttungsbereich von R2 lokalisiert - bestätigt wurde,
- nach einer mehrtägigen aktiven Entgasung von R1 bis R3 die Permeabilität zwar kurzfristig um ca. 30% angehoben werden konnte, dann aber aufgrund des neu gebildeten Gases wieder abfiel,
- sich die Ausbildung der Verblockungszone zwischenzeitlich in R3 wiederholte. Die Entstehung dieser Zone wird auf zwei Ursachen zurückgeführt:
1.) Die wassererfüllte Mischzone über der R2-Schüttung bewirkte erhöhte Aufenthaltszeiten und eine Vermischung der sich - in Verbindung mit hohen Abstandsgeschwindigkeiten und einer hohen Gesamtkorrosion - im chemischen
Ungleichgewicht bzw. hinsichtlich verschiedener Mineralphasen in einem übersättigten Zustand befindlichen wässrigen Phase nach Vorbehandlung im Schwammeisen. Im freien Wasserkörper kam es infolgedessen zu Fällungsreaktionen. Die Mischzone wirkte somit als (unerwünschter) Reaktionsraum und Sedimentationsfalle;
2.) Dies galt auch für die Fällung von Eisensulfidschlämmen als Folge der einsetzenden mikrobiellen Sulfatreduktion im Vormodul: geht man von einer um 10 mg/l abnehmenden Gelösteisenkonzentration in der Verweilzone aus, ergibt
sich überschlägig nach einem Jahr eine etwa 1 cm hohe Deckschicht auf der reaktiven Schüttung.
3.) die Akkumulation von Präzipitaten erfolgt anfänglich vorrangig an der Front der Granulatschüttung, also in Bereichen höherer Korrosion, da die Wässer hier noch einen hohen Mineralisierungsgrad aufweisen. Mit fortschreitender Zeit bildet sich eine wandernde „Präzipitationsfront“, einhergehend mit einer
fortschreitenden Passivierung des Eisens bzw. abnehmender Korrosivität.

Ausblick (Verwertbarkeit der Ergebnisse)

Nach Abschluss des Vorhabens sollen die gewonnenen Ergebnisse auf die Errichtung eines optimierten Reaktionswandsystems zur Sanierung und Abstromsicherung des oberen GWL am Standort Bernau übertragen werden. Mittelfristig (2006) ist die Einbindung der jetzigen Pilotforschungsanlage in die Gesamtsanierung des Standortes vorgesehen.
Wenn sich die Ergebnisse aus dem Reaktorbetrieb aufgrund der ungleich höheren Frachtenbeaufschlagung auch nicht unmittelbar auf die in-situ-Verhältnisse einer passiv durchströmten Reinigungswand übertragen lassen, ist hervorzuheben, dass damit eine stark fortgeschrittene Alterung des Eisens simuliert wurde. Die hohen Volumenströme am Reaktor spiegeln im Zeitraffer Standzeiteffekte, wie die fortschreitende Passivierung durch die hohe Frachtenbeaufschlagung bzw. Eisenkorrosion wider, die bei - einer natürlichen GW-Dynamik unterliegenden – in-situ-Reaktionswänden erst nach Jahren bis Jahrzehnten auftreten dürften.
Die beobachteten Effekte sind zwar nicht in dieser Ausprägung zu erwarten, aber wahrscheinlich kleinräumig mit einer ähnlichen Wirkung verbunden. Inwieweit solche Effekte die langfristige Performance ganzer Reaktionswände beeinträchtigen, ist derzeit nicht einschätzbar. Eine Prognose der räumlich-zeitlichen Entwicklung von Präzipitationsfronten in Verbindung mit Gasbildungsraten ist zur Zeit – auch anhand von
Säulenversuchen – nur sehr eingeschränkt möglich. Für die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf zukünftig zu errichtende Reaktionswandsysteme muss folglich zwischen Bernau-reaktorspezifischen und allgemeingültigen
Effekten unterschieden werden. Permeabilitätsbeeinträchtigungen durch gaserfüllte Hohlräume können anhand der Forschungsergebnisse in unterschiedlichen Ausmaßen infolge a) der Überschussproduktion von H₂ und b) infolge des limitierten durchflusswirksamen Porenvolumens fein- bis mittelkörniger Granulatschüttungen auftreten.
Wird die Wasserströmung vertikal auf- oder abwärts, also nicht quer zum Gasaufstieg geführt, ist die gesamte Durchtrittsfläche von einer Verblockung betroffen, nicht so bei einer horizontalen Durchströmung.
Die Erkenntnisse zum Kombinationseffekt Präzipitate / Sedimentfalle / Gasverblockung bei vertikaler Durchströmung können demnach als reaktorspezifisches Problem angesehen werden. Die Fällung von feinkörnigen Eisensulfidschlämmen mit entsprechenden Auswirkungen auf die Porosität und lokale Gasverblockungen ist jedoch
auch für herkömmliche, bautechnisch einfacher gestaltete Reinigungsanlagen zu erwarten. Variiert die effektive Porosität durch Gasverblockung, variiert auch die Verweilzeit des kontaminierten Wassers in der Schüttung. Sind weder Gasanteile in der Schüttung noch Tracer-Verweilzeiten bekannt, lassen sich Abbaukinetiken nur
schwer verlässlich interpretieren.

Unveröffentlichte Berichte, Publikationen

[1] Ingaas-Sachstandsbericht 122/12/00, BMBF-Vorhaben "Reaktive Wände", Bernau; LP A6/3; C1/1-2 (Erkundung, Planung der Tiefbaumaßnahmen), INGAAS GmbH (intern für BBG).
[2] Ingaas-Sachstandsbericht 122/04/01, BMBF-Vorhaben "Reaktive Wände", Bernau; LP C1/3 (Reaktorplanung), INGAAS GmbH (intern für BBG).
[3] Ingaas-Sachstandsbericht 122/09/02, BMBF-Vorhaben "Reaktive Wände", Bernau; LP B1 (GW-Modellrechnungen), INGAAS GmbH (intern für BBG).
[4] Ingaas – vorläufiger Endbericht 122/08/02, BMBF-Vorhaben "Reaktive Wände", Bernau; INGAAS GmbH; August 2002, Langversion intern für BBG, gekürzte Fassung für beteiligte Behörden.
[5] Ingaas-BMBF-Statusberichte 1-7 (2000 - 2004) zum F&E-Vorhaben "Reaktive Wände", Bernau incl. Anlagen.
[6] INGAAS – Machbarkeitsstudie 193/04/03 zur Entwicklung einer Sanierungskonzeption für die Standorte WGT-Kaserne Schönfelder Weg und B-Plan Gebiet „Am Teufelspfuhl“ in Bernau bei Berlin (intern für BBG und Behörden).
[7] Hein, P., Freygang, M., Vigelahn, L. (2001): Horizontales Fe⁰-Reaktionswandsystem zur In-situ-Abreinigung von LHKW-verunreinigtem Grundwasser in Bernau, 1. Teil: Vorstellung des F&E-Projektes Bernau im BMBF-Verbundvorhaben „RUBIN– Anwendung von Reinigungswänden zur Sanierung von Altlasten“. TerraTech
5/2001, 54-56.
[8] Hein, P., Vigelahn, L., Hutmacher, M., Oviedo, I. (2002): Horizontales Fe⁰-Reaktionswandsystem zur In-situ-Abreinigung von LHKW-verunreinigtem Grundwasser in Bernau, 2. Teil: Prognose abiotischer Abbauleistungen, Optimierung von Durchsatz und Verweilzeit am Fe⁰-Horizontalreaktor, erste Ergebnisse. TerraTech, 3/2002.
[9] Hein, P., Freygang, M., Vigelahn, L. (2002): Horizontaler Eisengranulatreaktor zur In-Situ-Abreinigung von LHKW-kontaminiertem GW in Bernau bei Bernau. Altlastenspektrum, 4/2002, 89.
[10] Hein, P., Butler, J., Weiss, H.-J., Vigelahn, L. (2001): Horizontales Fe⁰-Reaktionswandsystem zur In-situ-Abreinigung von LHKW-verunreinigtem Grundwasser in Bernau, 3. Teil: Anwendung innovativer Erkundungstechniken – Methodik, Ergebnisse und Schlussfolgerungen für die Anwendung einer Reaktionswand am Standort Bernau. Wasser Luft und Boden, 10/2002, Supplement TerraTech, 22-24.
[11] URST - Vogler, T. & Keding, E. (2002): Ermittlung des Gefährdungspotentials auf der B-Plan-Fläche “Am Teufelspfuhl” der Stadt Bernau bei Berlin. Umwelt- und Rohstoffgeologie Greifswald i.A. der Stadt Bernau (19.11.02).
[12] INGAAS GMBH & EMC DER RTU (LV): Berichte I-IX zur GW-Modellrechnung im BMBF-Vorhaben Bernau (2000/2001, Fortschreibung 2002).
[13] BBG mbH (2005): F&E-Skizze RUBIN II zur Errichtung einer reaktiven durchlässigen Fe⁰-Wand am Westufer des Teufelspfuhls in Verbindung mit einer Herdsanierung im Gleiskörper durch Nanoeisen; fachliche Zuarbeit durch INGAAS GMBH.
[14] INGAAS GMBH, Autor OLAF HOLM in Koop. mit TU BERLIN (2004): Vergleichende Untersuchungen zur Phytoremidiation an den ehemals militärisch genutzten BBGStandorten Bernau, Krampnitz und Jüterbog/Brückenstr. (unveröff.).
[15] LANDKREIS BARNIM, UBH (2004): Wasserrechtliche Erlaubnis zur vorübergehenden Absenkung des Teufelspfuhls (incl. Verlängerung bis 1. Quartal 2005); 22.10.04/13.01.05.
[16] INGAAS GMBH (2004): Kurzdokumentation von Erkundungsergebnissen oberer GWL / Teufelspfuhl aus den Jahren 2003 / 2004 im Rahmen der Vorbereitung und Durchführung von „KONVER“. – Internes Informationspapier zur Weitergabe an den Landkreis Barnim, Stand 13.12.04.
[17] INGAAS GMBH (2005): Erkundung der LCKW-Ausbreitung im Grundwasser und Untersuchungen zur Phytoremediationsüdlich der ehemaligen WECJ-Fläche der Liegenschaft Jüterbog II Brückenstraße (PM 085-09). – AG: BBG mbH (unveröff.); 28.01.05.

Abbildungen

Abb. 1: Schematischer Schnitt durch den F&E-Pilotreaktor; u.r.: durch ein befülltes Reaktormodul