Sanierung kontaminierter Grundwasserleiter mittels durchström-ter 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 [1].

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.

Weil sie zu den passiven in-situ -Grundwasserbehandlungstechniken zählen und aus die­sem Grunde mehrere, den konventionellen aktiven Verfahren innewohnenden Nachteile vermeiden, werden durchströmte Reinigungswände (im an­gel­sächsi­schen Sprachraum z. B. als „Permeable Reactive Barriers“ (PRB) oder „Treatment Zones“ bezeichnet) als vielverspre­chende, neue Alternativen, etwa zu „Pump-and-Treat“-Methoden, für die Siche­rung und/oder Sanierung von Grundwasserschadensfällen eingestuft, insbesondere in Nordamerika und Westeuropa (vor allem Großbritannien, Dänemark, Benelux und Deutschland) [1] - [7]: Der Energie­verbrauch ist extrem ge­ring, es erfolgt kein massi­ver Eingriff in das Grund­wasserregime und die Sanierungsmaßnahme findet direkt im Untergrund im kontami­nierten Grund­wasserleiter statt, d. h. eine aufwendige Anlagen­technik ist a priori we­der einzurichten noch zu betreiben noch auf längere Zeit zu un­ter­halten oder vorzu­halten. Gleichwohl sind Reinigungswände nach dem heutigen Stand der Technik nicht für alle Schadensfälle und an jedem Standort geeignet [8].

Seit ca. 1995 ist insbesondere in Nordamerika die Zahl der durchge­führten Pilot- und volltechnischen ­Pro­jekte mit Reinigungswänden auf ungefähr 40 im Jahr 2002 gestiegen [9] (mit einem Schwerpunkt zwischen 1998 und 2000), wobei die prinzi­pielle Durch­führbar­keit, Anwend­barkeit und Reini­gungsleistung in den meisten Fällen belegt wird. Vornehm­lich handelt es sich um Scha­densfälle mit chlorierten Ethenen, bei denen man null­wertiges Eisen als Dehaloge­nie­rungsmittel zur Anwen­dung bringt. Einige nordamerikanische Vorhaben weisen mittlerweile schon eine Laufzeit von bis zu acht Jah­ren auf und liefern konstant gute Abbauergeb­nisse [2], [9].

Neben LCKW und bestimmten radioaktiven Schwermetallen, wie z. B. Uran, sind Reinigungswände bislang nur in relativ geringem Umfang bei anderen Grundwasserkontaminationen angewendet worden, etwa für landläufige Schwermetalle (Blei, Zink, Cadmium, Kupfer usw.) oder für polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und andere aromatische Verbindungen (Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylole = BTEX) [2], [9], [10], weil noch geeignete und/oder wirtschaftliche reaktive Materialien fehlen oder sie sich erst gerade in der Entwicklung befinden. Wie bereits aus der Abwasserreinigung und auch aktiven Grundwassersanierungsverfahren seit längerem bekannt ist, scheint Aktivkohle ein vielversprechendes Material für die adsorptive Eliminierung von PAK und anderen Schadstoffen, beispielsweise persistente chlorierte aromatische Verbindungen (Chlorbenzole, -biphenyle usw.), in Reinigungswänden zu sein: Damit ließe sich das Anwendungsspektrum von Reinigungswänden signifikant erweitern, weil sich weder PAK noch Chloraromaten von nullwertigem Eisen aufgrund seines relativ niedrigen Reduktionspotenzials reduzieren bzw. reduktiv dechlorieren lassen [2], [10]. Interessanterweise konnte aber in jüngster Zeit gezeigt werden, dass bestimmte Metallkatalysatoren, wie z. B. Palladium, elementaren Wasserstoff (H₂) derart zu aktivieren vermögen, dass er in der Lage ist, Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen in PAK zu reduzieren und diese damit zu biologisch leichter abbaubaren Produkten umzuwandeln und selbst chlorierte aromatische Schadstoffe vollständig zu hydrogenolysieren, d. h. sämtliche Chloratome gegen Wasserstoffatome zu substituieren - mithin eine komplette reduktive Dehalogenierung zu erreichen. Durch „Aufziehen“ von feinverteiltem Palladiummetall auf Zeolithe [11], [12] oder durch Einbettung des Metalls in eine feste Silikonpolymermatrix [13] gelang es an der Universität Tübingen bzw. dem Umweltforschungszentrum Leipzig (UFZ), ganz neuartige Palladiumkatalysatoren zu entwickeln, die sich weitgehend resistent gegenüber Katalysatorgiften erweisen, wie z. B. Sulfid (das entweder direkt im Grundwasser vorhanden sein und/oder durch Reduktion von Sulfat gebildet werden kann).

Trotz dieser vielseitigen und vielversprechenden Entwicklungen hierzulande und in Nordamerika gibt es noch Vorbe­halte, Reinigungswände bereits im volltech­nischen Maß­stab auf breiter Front einzusetzen. Für die anzutreffenden Bedenken werden vor allem die folgenden Gründe/Probleme genannt:

1997 wurde daher im Rahmen eines Fachgespräches im Umweltbundesamt (UBA) be­schlossen, dass sowohl Forschungs- und Entwicklungsarbeiten (F&E) als auch technische Umsetzungen zu beschleunigen und auszuweiten seien [19]. „SAFIRA“ („Sanierungsforschung in regional kontaminierten Aquife­ren”), ein F&E-Netzwerk zur Entwicklung und Erprobung neuer, innovativer reaktiver Materialien in einem halbtechnischen Maßstab, war die erste Fördermaßnahme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), die diesem Ziel dient. Die SAFIRA-Pilotanlage [12], [20] 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. SAFIRA, in dem eine Vielzahl von Einzel­projekten aus einem Konsortium verschiedener deutscher Universitäten und der nieder­ländischen TNO implementiert wird, erarbeitet u. a. Lösungen hinsichtlich der oben unter 4. und 5. geschilderten Fragen.

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”) ins Leben. RUBIN besteht aus mehr als 10 Einzelprojekten (Standort- und über­greifende Vorhaben mit mehreren Unterauftragnehmern [21], [22], wobei die Projekt­struktur seit dem Start einigen Änderungen unterlag). Das RUBIN-Netz­werk ist dazu bestimmt, insbesondere Antworten zu den unter den Punkten 1 bis 4 erho­benen Fragen und weiteren technischen, im Zusammenhang mit der Errichtung und dem Betrieb relevanten Fragen zu liefern. Ferner soll RUBIN auch eine Informations- und Wissensplattform für die Reinigungswandthematik bieten. Die RUBIN-Internetpräsenz [1] stellt folglich – neben umfangreichen allgemeinen und weiterführenden Informati­onen zu Reinigungswänden – auch Daten zu allen deutschen Reinigungswandvorhaben der Gegenwart bereit (in deutsch und englisch). Weiterhin wird im RUBIN-Verbund ein Handbuch mit einem Leitfaden zur Planung, Genehmigung, Bau und Überwachung von Reinigungswänden erstellt. Daneben engagieren sich verschiedene deutsche Forschungsinstitute auch in europäischen F&E-Verbünden zur Reinigungswandthematik, wie etwa im PEREBAR-Netzwerk („Long-term Performance of Permeable Reactive Barriers Used for the Remediation of Contaminated Groundwater“, von der Europäischen Union (EU) gefördertes Projekt, Laufzeit 2000-2003), welches u. a. Grundlagenforschung und Entwicklungsarbeiten für die Errichtung einer Reinigungswand zur Behandlung eines Uran-Schadens in Süd-Ungarn (Region Péczs) leistet [23].

Nachfolgend findet sich eine Beschreibung aller im Jahre 2002 aktuellen deutschen Reinigungswände, geordnet nach F&G- und vollflächig durchström­ten Systemen (CRB). Ausgenommen ist das SAFIRA-Vorhaben, welches man bereits an anderer Stelle umfangreich beschrieben findet [20]. Tabelle 1 gewährt eine Übersicht der Projekte anhand wichtiger Einzeldaten.

Reinigungswände mit Gelenktem Grundwasserfluss

Bernau, Brandenburg

Auf einem ehemaligen Kasernengelände sowjetischer Truppen am Stadt­rand von Ber­nau (nordöstlich von Berlin) wurde 2001 eine Pilotreinigungswand direkt neben der früheren Großwäscherei errichtet. Das im Rahmen des RUBIN-Netzwerkes geförderte Bauwerk zeichnet sich durch mehrere einzigartige und unkonventionelle Konstrukti­onsmerk­male aus: Beispielsweise wurde das einzige Gate, das 18 großdimensionierte Einzelreaktormo­dule (hergestellt aus verstärktem Beton und befüllt mit nullwertigem Eisen) enthält, als nach oben offene rechteckige Reaktorzelle kurz unterhalb der Ober­fläche errichtet. Es wird quasi ho­rizontal durch aktiv gehobenes Grundwasser durch­strömt, indem letzteres nacheinander oder auch parallel, je nach gewünschter und frei wählbarer Schaltungsweise, die einzelnen Module passiert [1], [24].

Die besondere Konstruktionsweise der Reinigungswand in Bernau ergibt sich aus der Erfordernis, gleichzeitig zwei grundlegende Probleme am Standort, die darüber hinaus für eine beträchtliche Zahl kontaminierter Flächen in Ostdeutschland typisch sind, mo­dellhaft im technischen Maß­stab in einem einzigen Verfahrensschritt angehen zu kön­nen: Es wird eine außerordentlich hohe LCKW-Konzentration im Grundwasser (mehr als 100 mg/l, überwiegend als TCE) angetrof­fen, von der gleich zwei übereinanderlie­gende Grundwasserstockwerke betroffen sind, d. h. die Schadstoffe sind bereits vom oberen in den unteren Leiter vorgedrungen. In Bernau versucht man folglich eine Ant­wort auf die schwierige Frage zu geben, wie sich zwei kontaminierte Grundwasserleiter simultan mit einem einzigen Reaktionsbauwerk effizient fassen und behan­deln lassen, insbesondere wenn sich der zweite Leiter schon in einer größeren Tiefe befindet, die für die Erstellung des Bauwerkes bis in diese Tiefe hinab aus bautechnischen und/oder wirt­schaftlichen Gründen ein Problem darstellen kann.

Das gesamte System arbeitet nur zum Teil passiv, da das Grundwasser aus beiden Stockwer­ken zunächst in einen geschlossenen Funnelbereich unmittelbar vor dem Gate gepumpt wird. Das Porenvolumen des vom Funnel umschlossenen Bodens dient als Zwischenspeicher, von dem man aus das zuvor gehobene Wasser dem ersten Reaktor­element aufgrund des künstlich optional aufbaubaren Gradienten mit unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit (und damit auch mit variierbarem Massenfluß der Kontami­nanten) passiv zuströmen lassen kann [1]. Alle Mo­dule werden jeweils von oben nach un­ten durchströmt und sind durch Rohrleitungen unterein­ander flexibel verbunden, so dass unterschiedliche Anordnungen und Schaltungen einzelner Elemente möglich sind. Die Reaktoranordnung stellt stets ein gegen die Umgebung geschlosse­nes System dar. Die Projektbeteiligten (Brandenburgische Boden Gesellschaft für Grundstücksverwaltung und -verwertung mbH (BBG), Dipl.-Geol. Martina Freygang; INGAAS GmbH, Dipl.-Geol. Peter Hein, Technische Universität Berlin, Dipl.-Ing. Lothar Vigelahn) können auf erste Ergebnisse aus der ersten Jahreshälfte 2002 verweisen, die eine effiziente Ab­reinigung der Hauptkontaminanten TCE (100 mg/l) an nullwertigem Eisen belegen: Nach der Passage des siebten Moduls (bezogen auf eine Reihenschaltung) sinkt die Konzentration unter die Nach­weisgrenze, mithin nach einer Gesamtfließstrecke von weniger als 14 m. Um auch die TCE-Metabolite, d. h. vorwiegend cis-DCE und VC, in der weiteren Fließstrecke effizient abzubauen, ist eine biologische Zusatzstufe und/oder der Einsatz von Palla­dium auf Zeolith [11], [12] geplant.

Denkendorf, Baden-Württemberg

Auf dem Gelände des Gewerbeparks Denkendorf in der Nähe von Stuttgart liegen sechs unter­schiedliche LCKW-Kontaminationsherde mit zum Teil diffuser Verteilung vor. Ge­samtkonzentrationen von mehr als 200 mg/l LCKW wurden teilweise gemessen, d. h. es lie­gen u. a. reine Schad­stoffphasen im Untergrund vor, obgleich sich die durchschnittliche LCKW-Konzentration auf weniger als 30 mg/l beziffert. Das Wasser zeigt eine hohe Carbonathärte sowie eine signifi­kante Sulfatkonzentration (200 mg/l).

Der geringe hydraulische Gradient von 2 % zwang die Planer, ein spezielles großtechni­sches Wandbauwerk zu entwerfen, das das kontaminierte Grundwasser zugleich fasst und gesammelt dem Reaktor (Gate) zuführt (sog. „Drain-and-Gate“-System, vergleichbar mit einem sog. „Trench-and-Gate“-System in East Garrington, U.S.A. [9]): Im Zuge der Errichtung der Re­aktiven Wand 2001 wurde eine 90 m lange Filterkiesdrainage, zu­sätzlich ausgestattet mit Filter­rohren, zur Lösung dieser Aufgabe in den Untergrund eingebaut. Das Wasser wird einem mit Aktivkohle befüllten Reaktor, der am Boden ei­nes 3 m breiten und 6 m tiefen, zylindrischen Schachtbauwerkes aufgestellt ist, zuge­leitet, wobei die Schadstoffe bei ihrer Passage durch den Reaktor an der Aktivkohle sorbiert werden. Im Zuge der F&E-Arbeiten im RUBIN-Verbund [1] nutzt man einen By­pass des dem Reaktor zugeleiteten Grundwasserstroms für kleinmaßstäbli­che Untersu­chungen (Säulenversuche) an neuartigen reaktiven Materialien, wie z. B. Palladium auf Zeolith. Durch Zugabe von Wasser­stoff lässt sich an diesem speziell entwickel­ten Palladiumkatalysator u. a. auch VC dehaloge­nieren, das ansonsten nur mit mäßiger Effizienz an Aktivkohle retardiert oder von nullwertigem Eisen abgebaut wird. Die Ar­beiten dienen der Vorbereitung zum Upscaling des Verfahrens in technische Anwen­dungen (Projektpartner: I.M.E.S. GmbH, Dr. Hermann Schad; Universität Tübingen, Dr. Christoph Schüth).

Erste Ergebnisse, die während einer Präsentation des Bauwerkes für die Öffentlichkeit im Juni 2002 in Denkendorf vorgestellt wurden [1], sowohl hinsichtlich der Abreini­gung des Hauptstromes mit Aktivkohle als auch des Nebenstromes mit Palladium, bele­gen eine effiziente Entfernung bzw. Dehalogenie­rung der Schadstoffe.

Edenkoben, Rheinland-Pfalz

Auf einem Grundstück in Edenkoben (Nähe Neustadt an der Weinstraße) liegt im Untergrund eine mehr als 400 m breite, heterogene LCKW-Fahne vor. Die durchschnittlichen LCKW-Gesamt­konzentra­tionen reichen bis zu 20 mg/l (Zusammensetzung: 20 % TCE, 50 % cis-DCE sowie 30 % 1,1,1-Trichlorethan (TCA)) [1], [3], [25], [26].

1998 plante und errichtete die „Peschla & Rochmes“-GmbH eine Pilotreinigungswand, ausgelegt als F&G, praktisch direkt in der Fahnenmitte, die zudem die höchsten LCKW-Konzentrationen aufweist. Während einer sechs­monatigen Testphase wurden konstant gute Abbauraten von 99 % beobach­tet. Infolgedessen wurde das „full-scale“-Bauwerk, welches die gesamte Fahne fasst und das ursprüngliche Pilotgate praktisch in seiner Mitte einschließt, im Februar 2001 in Betrieb gesetzt.

Die in Edenkoben eingesetzten Gates sind für einen vertikalen Grundwasserdurchfluß aus­gelegt, d. h. das Grundwasser durchströmt die Reaktoren in zweifach senkrechter Richtung zu­nächst aufwärts und dann wieder abwärts: Dazu ist jeder Reaktor in zwei Kammern, die beide mit nullwertigem Eisen gefüllt sind, geteilt. In die Einlaßkammer strömt das Grundwasser mit Hilfe einer senkrechten Filterkiesdrainage von unten nach oben, die es aus tieferen Aquiferzo­nen (passiv) sammelt und gleichzeitig aus der hori­zontalen in die senkrechte Richtung umleitet. Es gelangt am Kopf der Kammer schließ­lich über einen ebenfalls mit reaktivem Eisen gefüllten Überlauf in die Auslasskammer [1], [3]. Insgesamt enthält das System sechs Gates dieser besonderen Konstruktionsweise (jedes 10 m lang, 1,25 m breit, 8 m tief, Stauer bei ca. 14 m), die mit einer Gesamtmenge von 825 Tonnen granuliertem Eisen befüllt sind. Das Funnel besteht aus einer über die ge­samte Systemlänge fast linear angeordneten Stahlspundwand, die komplett in den 14 m tiefen Stauer einbindet und durch alle Gates läuft. Innerhalb der Gates wurde sie abge­brannt (5 m unterhalb Geländeoberkante) und bildet auf diese Weise die zuvor erwähn­ten Kammern.

Die Reaktive Wand zeigt eine signifikante Reduktion der LCKW-Gesamtkonzentration (Ab­reinigung auf 10-50 m g/l). Einzig 1,1,1-TCA wird hauptsächlich nur zu 1,1-Dichlorethan (DCA) teildehaloge­niert.

Karlsruhe, Baden-Württemberg

Direkt in der Innenstadt von Karlsruhe errichtete ein Konsortium bestehend aus den Stadtwerken Karlsruhe, der Arcadis GmbH und der I.M.E.S. GmbH im Jahre 2000 eine „full-scale“-Aktivkohle-Reini­gungswand nach dem F&G-Prinzip [1], [27], [28]. Aus der acht Jahrzehnte währenden Betriebs­zeit des ehemaligen Gaswerkes rührt eine massive PAK- und BTEX-Be­lastung des Untergrundes her, die sich heterogen und diffus über eine Gesamt­fläche von mehr als 100.000 m² erstreckt und zur Bildung einer Grundwasserfahne von 400 m Länge und 200 m Breite geführt hat. Zusätzlich entdeckte man eine damit teilweise überlappende VC-Fahne, deren Quelle jedoch außerhalb des Grundstückes angenommen wird. PAK treten mit 500-600 m g/l auf, daneben Benzol mit 20 m g/l und Ammonium mit 2 m g/l (die VC-Belastungen reichen bis zu 100 m g/l).

Die 17 m tiefe Reinigungswand bildet über ihre Gesamtlänge von 240 m eine praktisch ge­rade Linie, auf der nahezu acht äquidistante Gates positioniert sind. Sie besteht im Funnelbe­reich aus einer Stahlspundwand, die mit Hilfe der neuartigen „Silent-Piler“-Methode nicht wie bei herkömmlichen Methoden in den Untergrund gerammt, sondern gepresst wurde [1].

Die Gates bestehen aus ca. 18 m langen, zylindrischen Stahlröhren (Durchmesser 1,8 m), die in zuvor niedergebrachte Großbohrungen (Durchmesser 2,50 m) eingelassen wurden: Das In­nere jeder Röhre ist durch zwei parallel, über die gesamte Länge ange­ordnete rechteckige und perforierte Stahlbleche in drei Kammern unterteilt: nur die mittlere ist mit Aktivkohle gefüllt, die beiden zur Außenseite hin liegenden, im Quer­schnitt halbmondförmigen Seitenkammern dienen zur Aufnahme möglicher Zusatzein­richtungen [1].

Das Gesamtprojekt kostete etwa vier Millionen €; für die angenommene Gesamtbetriebs­dauer erwarten die Stadtwerke Karlsruhe, die zugleich Pflichtiger und Betreiber sind, einen zu­sätzlichen Betriebs- und Investitionsaufwand von nur noch un­gefähr zwei Millionen €, vorwie­gend für den Austausch verbrauchter Aktivkohle und das Monitoring-Programm.

Seit der Inbetriebnahme wurden noch keine Daten zur Abreinigungsleistung des Bau­werkes veröffentlicht.

Oberursel, Hessen

Anfang 2002 entstand in einem Projekt der Arcadis GmbH auf einem stillgelegten Industriegelände in Oberursel, nördlich von Frankfurt am Main, ein praktisch L-förmiges, großtechnisches F&G-System zur Behandlung eines LCKW-Schadens mit nullwertigem Eisen [28]. Das Funnel besteht aus einer 0,6 m dicken und 4-19 m tiefen Schlitzwand, die bei einer Länge von 175 m eine Gesamtfläche von 2.400 m² überdeckt. Das Gate befindet sich im Verbindungs­punkt der beiden Funnel-Flügel und wird aus ringförmig überlappenden Einzelbohrun­gen gebildet (äuße­rer Ringdurchmesser 3,30 m).

2002 waren noch keine offiziellen Daten zur Abbauleistung erhält­lich; allerdings konnte eine effiziente LCKW-Abreinigung in einer Vorstudie mit Säulenexpe­rimenten mit Standortwasser bereits vor Errichtung des Bauwerkes verifi­ziert werden [28].

Tübingen, Baden-Württemberg

Das erste „full-scale“-F&G-System Deutschlands wurde im Oktober 1998 auf dem sog. BEKA-Gelände in Tübingen errichtet (Baumarkt- und Speditionsgelände, in der Neckartalaue vor der Stadt gelegen; Projekt der I.M.E.S. GmbH). Es weist ebenfalls einen L-förmigen Zuschnitt bei einer Ge­samtlänge von 215 m auf. Man behandelt damit einen LCKW-Schaden (vornehmlich TCE, cis-DCE und VC) mit null­wertigem Eisen (in drei rechteckigen Gates aus über­schnittenen Bohrpfählen). Eine detaillierte Beschreibung findet sich in der Literatur [29]. Die Überprüfung der Abbau­leistung und Langzeitwirksamkeit der Anlage sind Ge­genstand von F&E-Arbeiten im RUBIN-Verbund zwischen 2002 und 2004 [1].

vollflächig durchströmte Reinigungswände

Reichenbach, Baden-Württemberg

Die erste vollflächig (kontinuierlich) durchströmte Reinigungswand Deutschlands, die über die gesamte Fahnenbreite reicht (= „full-scale“-Bauwerk) und bislang die einzige, die LCKW mit Aktivkohle behandelt, er­richtete man im Jahre 2000 innerhalb einer Produktionshalle des Werkzeugmaschinenherstellers Traub (Rei­chenbach an der Fils, südöstlich Stuttgart) in der Nähe einer ehemaligen PCE-Rückgewin­nungsanlage. Die Planung und Ausführungsüberwachung oblag der „Smolczyk und Partner“-GmbH (Dipl.-Ing. Peter Hartwiger). Mitte der neunziger Jahre war dort eine weitgehend ho­mogene und lokal be­grenzte (auf wenige 100 m² Gesamtfläche) LCKW-Belastung des Grundwassers festgestellt worden [30], [31]. Das Schadensbild ließ sich mit verein­zelten Leckagen in den Abwasserleitungen erklären, durch die in den sechziger Jahren vereinzelt relativ geringe PCE-Mengen abgeleitet worden waren: Wie die historische Erkundung ergab, hatte man lediglich in begrenztem Umfange während eines kurzen Zeit­raums PCE zur Entfettung von speziellen Metallteilen eingesetzt. Die LCKW-Gesamtkon­zentration im Grundwasser beläuft sich gegenwärtig dennoch auf bis zu 0,5 mg/l bei einer geschätzten Gesamtrest­menge von weniger als einem Kilogramm LCKW (aufgrund von Boden-Luft-Messungen).

Die Reinigungswand in Reichenbach wurde in Form nicht überlappender Bohrlöcher (Durchmesser jeweils 25 cm), ge­füllt mit Aktivkohle, die man gegeneinander versetzt in zwei Reihen anordnete, erstellt [1]. Das Bauwerk erstreckt sich innerhalb der Produktionshalle auf einer Länge von 20 m und reicht in eine Tiefe von 7 m (Stauer), wodurch die gesamte Schadstoff­fahne, die 12 m breit ist, erfasst wird. Aufgrund baulicher Restriktionen (detaillierte Fotos und Skizzen in der Literatur erhältlich [1]) schneidet die Barriere die Fahne in einem aus der Senk­rechten herausgedrehten Winkel (ca. 50 °) [31]. Weil das Standortwasser durch eine hohe Härte gekennzeichnet ist, wählten die Planer eine speziell mit Säure vorbehandelte Aktivkohle aus, um eine Pufferwirkung zu er­zielen.

Aufgrund der geringen Restmengen an LCKW im Untergrund gehen Schätzungen von einer relativ kurzen Gesamtbetriebszeit von nur 10 Jahren aus. Im Vergleich zu einer konventi­onellen Pump-and-Treat-Maßnahme erwartet man den „Break-Even“-Punkt des Vorhabens in­nerhalb der ersten sechs Betriebsjahre (ohne Kapitaldienst). Insgesamt handelt es sich um ein sehr kostengünstiges „full-scale“-Bauwerk: Die Investitionskosten summierten sich zu 120.000 €; die Installationskosten und Ingenieurleistungen sowie Kosten für die Aktivkohle betrugen nochmals 55.000 bzw. 25.000 € [30], [31].

Für die Reinigungswand in Reichenbach belegt das regelmässige Monitoring eine teilweise signifikante Reduktion der LCKW-Gehalte im behandelten Grundwasser [1]: Im Zeitraum von Oktober 2000 bis Ja­nuar 2002 schwankten die Gehalte in der Messstelle im Zufluß vor der Wand zwi­schen 0,11 und 0,22 mg/l. Demgegenüber zeigten zwei Messstellen im Abstrom der Wand für den glei­chen Zeitraum nur noch 0,03-0,04 bzw. 0,008-0,02 mg/l Gesamt-LCKW an.

Rheine, Nordrhein-Westfalen

1998 plante und errichtete die „Mull und Partner“-GmbH in Zusammenarbeit mit der Universität Kiel in Rheine (30 km westlich von Osnabrück) eine 22,5 m lange Pilot-Re­ini­gungswand mit zwei verschiedenen Eisensorten. Sie wurde als vollflächig durch­strömte Bar­riere ausgelegt und innerhalb einer 500 m langen und 250 m breiten Schadstofffahne positioniert, ca. 400 m vom Scha­densherd - einer ehemaligen Wäscherei - entfernt [32], [33]. Das Bau­werk unter­liegt intensiven Untersuchungen im Rahmen des RUBIN-Vorhabens in Bezug auf seine Langzeitleistung und -stabilität [1], [34] (Projektpartner: „Mull und Partner“-GmbH, Dr. Martin Wegner, Dr.-Ing. Wilfried Möller; Universität Kiel, Prof. Dr. Andreas Dahmke, Dr. Markus Ebert; Technische Universität Berlin, Dr. Martin Steiof, Dipl.-Biol. Heidrun Rosenthal; Umwelttechnisches Büro und Labor Dr. Reinhard Wienberg, Hamburg). PCE und cis-DCE sind die Hauptkontami­nan­ten, die mit maximalen Konzentrationen von 20 mg/l bzw. 0,5 mg/l auftreten. Der Aquifer besteht aus lehmigem Sand und erstreckt sich zwischen 5 und 10 m unterhalb Geländeober­kante. Der Stauer wird von einer Kreideschicht gebildet.

Die Reinigungswand in Rheine ist 0,6-0,9 m dick und ungefähr 6 m tief. Sie wird aus einer Reihe überlappen­der Großbohrungen (Durchmesser 90 cm) gebildet, die mit elementarem Ei­sen gefüllt sind. Bei den zwei Ei­sensorten handelt sich um Eisenspäne und sogenannten „Eisenschwamm“: Der rechte Teil der Wand (von der oberstromigen Seite gesehen) wurde über eine Länge von 10 m mit 69 Tonnen eines 1:1-Massengemisches Eisen­späne(Granulat)/Kies befüllt. 85 Tonnen des Eisenschwamms befinden sich dagegen im linken Teil (Länge: 12,5 m). Die Wand zeigt konstant gute Abbauwerte. Zu Beginn des Monitorings 1998 erhielt man beim Eisengranulat Ablaufwerte für PCE von 33 µg/l gegenüber 17.000 µg/l im Anstrom und 400 µg/l beim Eisenschwamm (14.500 µg/l im Anstrom). Mittlerweile hat sich der Eisenschwamm mit Abbauleistungen von ca. 99 % als effizienter erwiesen, da das Granu­lat in der Abbauleistung auf ungefähr 90 % zu­rückgegangen ist [1]. Interessanterweise hat man mittlerweile auch mikrobiologische Vor­gänge festgestellt (Sulfat-, Nitratreduktion usw.), die u. a. auf eine Verwertung des in einer Nebenreaktion des Eisens mit Wasser entstehenden Was­serstoffs durch Mikroor­ganismen hindeuten. Mit Hilfe von ¹⁴C-dotiertem PCE soll für den Abbau an Schwammeisen in Laborversuchen eine vollständige Massenbilanz ermittelt werden (Umwelttechnisches Büro und Labor Dr. Reinhard Wienberg, Hamburg).

SCHLUSSFOLGERUNG

In Deutschland sieht man durchströmte Reinigungswände als potenziell attraktive Al­ternativen zu herkömmlichen Grundwassersanierungstechniken an. Der bisherige Auf­wand alleine an öffentli­chen Mitteln für diese neuen Techniken in Höhe von schätzungsweise mehr als 10 Milli­onen € demonstriert die Bedeutung, die man der Erforschung und Entwicklung in einem breiten Maßstab zumisst. In Abhängigkeit von der tatsächlichen Langzeitleistung und Effizienz, in Deutschland bestehende Sanierungsstandards auf breiter Front zu erreichen und einzuhalten, besitzen durchströmte Rei­nigungswände das Potenzial zu einer Fortentwicklung als neue Sanierungs-/Sicherungsverfahren. In Bezug auf die mittlerweile seit mehreren Jahren im Betrieb befindlichen Bauwerke und weitere, die sich in der Planung oder kurz vor der Ausführung stehen, ist für die nächsten 1-3 Jahre mit einer Datenflut zu rechnen, die es unter Hinzunahme der bereits vorhandenen, umfangreichen Erkenntnisse aus den zahlreichen nordamerikanischen Vorhaben zweifelsfrei er­möglichen sollte, die Technik insgesamt sehr gut zu verstehen und die Vor- und Nachteile sowie Einsatzmöglichkeiten und -grenzen zuverlässig zu bewerten.

LITERATUR

[1]  RUBIN-Webseite < http://www.rubin-online.de > (01. September 2002).

[2]  Gavaskar, A., Gupta, N., Sass, B., Janosy, R. & Hicks, J. (2000) Final design guid­ance for ap­plica­tion of permeable reac tive barriers for groundwater remediation. Bat­telle Press, Colum­bus, Ohio.

[3]  Rochmes, M. (2000) Erste Erfahrungen mit Reaktiven Wänden und Adsorber­wän­den in Deutschland. In: Boden und Altlasten Symposium 2000 . Franzius, V., Lühr, H.-P., Bach­mann, G. (Hrsg.), Berlin, 225-245.

[4]  Simon, F.-G. & Meggyes, T. (2000) Removal of Organic and Inorganic Pollutants from Groundwater Using Permeable Reactive Barriers. Part 1. Treatment processes for pollutants. Land Contamination & Reclamation , 8(2), 103-116.

[5]  Meggyes, T. & Simon, F.-G. (2000) Removal of Organic and Inorganic Pollutants from Groundwater Using Permeable Reactive Barriers. Part 2. Engineering of perme­able reactive barriers. Land Contamination & Reclamation , 8(3), 175-187.

[6] Teutsch, G., Schüth, Ch. & Melzer, R. (1999) Reaktive Wände. Stand der Tech­nik, Planung, Implementierung. Schriftenreihe Altlastenforum Baden-Württemberg e.V. , Heft 1 (ISBN 3-510-39001-6). E. Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart.

[7]  Dahmke, A. (1997) Aktualisierung der Literaturstudie „Reaktive Wände“ pH-Re­dox-reaktive Wände (Handbuch Altlasten und Grundwasserschadensfälle, Texte und Berichte zur Altlastenbearbeitung 33/97). Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg (LfU), Karlsruhe.

[8]  Vidic, R. D. (2001) Permeable reactive barriers: case study review. GWRTAC E-Se­ries technology evaluation report TE-01-01 . Ground-Water Remediation Technolo­gies Analysis Center (GWRTAC), Pittsburgh, PA.

[9]  United States Environmental Protection Agency (2002) Field applications of in situ reme­dia­tion tech­nolo­gies: permeable reactive barriers. Washington, DC.

[10]  Scherer, M. M. S., Richter, S., Valentine, R. L. & Alvarez, P. J. J. (2000) Chemis­try and mi­crobiology of reactive barriers for in situ groundwater cleanup. Crit. Rev. En­viron. Sci. Tech­nol. , 30(3), 363-411.

[11]  Schüth, Ch. & Reinhard, M. (1998) Hydrodechlorination and hydrogenation of aro­matic com­pounds over palladium on alumina in hydrogen-saturated water. Appl. Catal. B: Environ. 18, 3-4, 215-221.

[12]  Schüth, Ch., Kummer, S. & Kraft, S. (2000) Zeolite based catalysts for the hy­drodehalogenation of chlorinated compounds in groundwater. In: Weiß, H., Rijnaarts, H., Staps, S., Merkel, P. (Hrsg.) (2000) SAFIRA Abstracts of the Workshop of Novem­ber 17-18, 1999 at Bitterfeld/Germany. UFZ-Bericht Nr. 23 , ISSN 0948-9452, 58-61, Leipzig, Germany.

[13]  Kopinke, F., Köhler, R. & Mackenzie, K. (2000) Dechlorination of chlorohydrocar­bons in groundwater by electrochemical and catalytic reactions. In: Weiß, H., Rijnaarts, H., Staps, S., Merkel, P. (Hrsg.) (2000) SAFIRA Abstracts of the Workshop of November 17-18, 1999 at Bitterfeld/Germany. UFZ-Bericht Nr. 23 , ISSN 0948-9452, 62-72, Leipzig, Germany.

[14]  Roehl, K.E. & Czurda, K. (2001) Reaktive Wände – Langzeitverhalten und Stand­zeiten. In: Burkhardt, G., Egloffstein, T. & Czurda, K. (Hrsg.) Altlasten 2001 – Neue Verfahren zur Sicherung und Sanierung, Beiträge zum Seminar 20.-21.06.01 in Karls­ruhe . Band 4 (ISBN 3-9806840-3-2), 27-36. ICP Eigenverlag Bauen und Umwelt, Karlsruhe.

[15]  Simon, F.-G., Meggyes, T., Tünnermeier, T., Czurda, K. & Roehl, K.E. (2001) Long-Term Behaviour of Permeable Reactive Barriers Used for the Remediation of Contaminated Groundwater. In: Taboas, A., VanBrabant, R. & Benda, G. (Hrsg.) Radioactive Waste Management and Environmental Remediation – ASME 2001 (ICEM´01 Proc. 8 th International Conference Bruges, Belgium Sep. 30-Oct. 4, 2001). Vol. 1 (ISBN 0-7918-3590-1), 637-641. The American Society of Mechanical Engi­neers, New York.

[16]  Sarr, D. (2001) Zero-Valent-Iron Permeable Reactive Barriers – How Long will they Last? Remediation , Spring 2001, 1-18. John Wiley & Sons, Inc., New York.

[17]  Wienberg, R. (1997) Vollständige, stoffspezifische Bilanzen des Schadstoffumsat­zes beim Einsatz reakti­ver Wände. In: Sanierung von Altlasten mittels durchströmter Reinigungswände, Vorträge und Diskussi­onsbeiträge des Fachgespäches am 27.10.1997 im Umweltbundesamt in Berlin . 112-119. Um­weltbundesamt (Hrsg.), Berlin.

[18]  Köber, R., M. Ebert, Schäfer, D. & Dahmke, A. (2001) Kombination von Fe(0) und Aktivkohle in Reakti­onswänden zur Sanierung komplexer Mischkontaminationen im Grundwasser. Altlasten Spektrum , 2/2001, 91-95.

[19]  Burmeier, H. (1997) Die Bedeutung des Innovationspotentials von durchströmten Reinigungswänden für die Sanierung von Altlastenstandorten in Deutschland. In: Sanie­rung von Altlasten mittels durchströmter Reinigungswände, Vorträge und Diskussions­beiträge des Fachgespäches am 27.10.1997 im Umweltbun­desamt in Berlin . 6-21. Um­weltbundesamt (Hrsg.), Berlin.

[20]  SAFIRA-Webseite <http://safira.ufz.de> (01. September 2002).

[21]  Birke, V., Burmeier, H. & Rosenau, D. (2001) New large scale PRB network RUBIN launched in Ger­many. In: 2001 International Containment & Remediation Technology Confer­ence and Exhibition . Or­lando, Florida, < http://www.containment.fsu.edu/cd/content/ > (01. September 2002).

[22]  Birke, V., Burmeier, H. & Rosenau, D. (2002) PRB Technologies in Germany: Re­cent Progress and New Developments. In: Rem. Chlorinated Recalcitrant Compd., Int. Conf., 3rd. Battelle Press: Columbus, Ohio, in press.

[23]  PEREBAR-Webseite < http://www.perebar.bam.de > und <http://www.agk.uni-karlsruhe.de/projekte/projekte_ing/roehl/perebar.html> (01. September 2002).

[24] Hein, P., Freygang, M. & Vigelahn, L. (2002) Horizontaler Eisengranulatreaktor zur In-situ-Abreinigung von LHKW-kontaminiertem GW in Bernau bei Berlin. Altlas­ten Spektrum , 2/2002, 89-90.

[25]  Rochmes, M. & Woll, T. Sanierung eines LCKW-Schadens mit „Funnel-and-Gate“-Technik. TerraTech 5/1998, 45-48.

[26]  „Peschla & Rochmes GmbH“-Webseite < http://www.gpr.de > (01. September 2002).

[27]  Schad, H., Haist-Gulde, B., Klein, R., Maier, D., Maier, M. & Schulze, B. (2000) Funnel-and-gate at the former manufactured gas plant site in Karlsruhe: sorption test re­sults, hydraulic and technical design, con­struction. In: Contaminated Soil 2000 (Pro­ceedings of the Seventh In­terna­tional FZK/TNO Confer­ence on Contami­nated Soil 18-22 September 2000) . Leipzig, Germany, 951-959.

[28]  „Arcadis GmbH“-Webseite <http://www.arcadis.de> (01. September 2002).

[29]  Klein, R. & Schad, H. (2000) Results from a full scale funnel-and-gate system at the BEKA site in Tübin­gen (Germany) using zero-valent iron. In: Contaminated Soil 2000 (Pro­ceedings of the Seventh In­terna­tional FZK/TNO Conference on Contami­nated Soil 18-22 September 2000) . Leip­zig, Germany, 917-923.

[30] Edel, H.-G. & Voigt, Th. (2001) Aktive und passive Grundwassersanierung – ein Verfah­rens- und Kos­tenvergleich. TerraTech . Mainz, Germany, 1/2001, 40-44.

[31]  Hartwiger, P. (2001) Full-scale-Anlage mit Aktivkohle am Standort Reichenbach. In: ITVA-Fachtagung `Reinigungswände auf dem Vormarsch´ , 24.10.2001 . Mag­deburg, Germany.

[32]  Ebert, M., Möller, W. & Wegner, M. (1999) F+E-Vorhaben Reaktive Wand in Rheine – aktuelle Ergeb­nisse –. Altlasten Spektrum , 2/1999, 109-112.

[33]  „Mull & Partner GmbH”-Webseite < http://www.mullundpartner.de (01. Septem­ber 2002).