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In-situ-Verfahren

Zur In-situ-Sanierung der gesättigten Zone stehen vor allem folgende Verfahren zur Verfügung:

Chemische Verfahren, die Tensid- und Alkoholspülung sowie die Luft-Dampf-Injektion sind eher zur Sanierung der Schadensquelle in der gesättigten Zone geeignet, wobei biologische In-situ-Verfahren eher auf die Schadstofffahne und z. T. unterstützend zur Quellensanierung ausgerichtet sind.

 

 

Biologische Verfahren

Stimulierung des aeroben Abbaus durch Zugabe von Sauerstoff und Nährstoffen

Durch die Zugabe von Sauerstoff in den Grundwasserleiter kann der aerobe Abbau organischer Schadstoffe unterstützt und beschleunigt werden. Üblicherweise kann die Zuführung von Luftsauerstoff über Lanzen erfolgen. Wasserstoffperoxid kann als Sauerstoffträger in den Grundwasserleiter eingebracht werden. Wasserstoffperoxid unterliegt in wässriger Lösung einer Zersetzung in Wasser und Sauerstoff. Daneben stehen einige Spezialverfahren zur Verfügung.
Beispiele für Spezialverfahren ist das System iSOC (in situ Submerged Oxygen Curtain) und das System Oxytec. Bei diesen Verfahren kann reiner Sauerstoff in den Grundwasserleiter eingebracht werden mit dem Ziel, den aeroben In-situ Schadstoffabbau zu beschleunigen.

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Stimulierung des anaeroben Abbaus durch Zugabe von Nitrat

Ist der zur Verfügung stehende Sauerstoff verbraucht, können in der Folge Nitrat, Eisen- und Manganoxide sowie Sulfat als Elektronenakzeptoren im Zusammenhang mit dem Abbau organischer Stoffe reduziert werden.
Durch die Zugabe von Nitrat in den Grundwasserleiter kann der anaerobe Abbau organischer Schadstoffe unterstützt und beschleunigt werden. Nitrat kann als Elektronenakzeptor bei der anaeroben Atmung (Denitrifikation, Nitrat-Atmung) den Abbau organischer Schadstoffe, insbesondere BTEX und niedermolekulare PAK unterstützen. Sofern Sulfide vorliegen, wird Nitrat jedoch bevorzugt zur Oxidation der Sulfide zu Sulfat verwendet.

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Stimulierung des anaeroben LCKW-Abbaus (reduktive Dechlorierung)

Die hochchlorierten Kohlenwasserstoffe wie Tetrachlorethen (PCE) und Tetrachlormethan (TCM) werden im Grundwasser nur unter anaeroben Bedingungen abgebaut, die höher chlorierten Kohlenwasserstoffe wie Trichlorethen (TCE) bevorzugt unter anaeroben Bedingungen. Je niedriger der Chlorgehalt der Verbindung ist (DCE, VC), desto eher läuft der aerobe Abbau.
Das Bakterium Dehalococcoides ethenogenes ist der derzeit in der Literatur einzige beschriebene Mikroorganismus, der den vollständigen anaerob-reduktiven Abbau von PCE bis zum Ethen katalysiert. Somit spielt der Nachweis von Mikroorganismen dieser Gruppe eine große Rolle als Hinweis auf den Abbauprozess der reduktiven Dechlorierung.
Daneben erfordert der leichtflüchtigen chlorierten Kohlenwasserstoffe (LCKW)-Abbau im anaeroben Milieu das Vorhandensein von gut abbaubarer organischer Substanz (Co-Substrat). Als Auxiliar-Substrat können beispielsweise Melasse, Lactat, Ethanol oder Speiseöle oder andere organische Begleitsubstanzen (Aromaten, z. B. PAK, BTEX, Ammonium) wirksam sein. Beim Abbau des Co-Substrates wird Wasserstoff gebildet (Fermentation) und es stellt sich ein anaerobes Milieu ein. Der Wasserstoff wirkt im anaeroben Milieu als Reduktionsmittel, also Elektronendonator, der oxidiert wird. Im anaeroben Milieu werden die Chloratome stufenweise durch Wasserstoffatome ersetzt.

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Stimulierung des aeroben LCKW-Abbaus (oxidative Dechlorierung)

Neben der reduktiven Dechlorierung (anaerob) können niedrig chlorierte leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe (LCKW (Dichlorethen - DCE-, Vinylchlorid - VC) auch aerob oxidativ dechloriert werden. Dazu ist neben Sauerstoff ein Auxiliar-Substrat erforderlich, z. B. Methan, Phenol oder Toluol. Sofern methanotrophe Mikroorganismen für den Abbau maßgeblich vorhanden sind, sollten Bedingungen geschaffen werden, diese zu vermehren.
Ein Verfahren dieser Art ist das Methan-Biostimulationsverfahren. Wesen dieses Verfahrens ist es, die Mikroorganismen im gesamten Sanierungsverlauf mit Methan zu versorgen. Die methanotrophen Mikroorganismen produzieren zur Verwertung des Methans das Enzym Methanmonooxygenase (MMO), das als eine Nebenaktivität die Oxidation von LCKW katalysiert. Das Methan-Biostimulationsverfahren kombiniert pneumatische und biologische Prozessstufen für die Sanierung von LCKW-Schadensfällen. Es wird ein methanhaltiges Luftgemisches in die gesättigte Bodenzone unterhalb der Kontamination eingeblasen. Damit handelt es sich um eine Kombination aus In-situ-Strippen und biologischem In-situ-Verfahren. Das Verhältnis von Luft zu Methan beträgt ca. 20 : 1, um die Untere Explosionsgrenze von Methan sicher zu unterschreiten.

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Chemische Verfahren

In-situ-chemische Reduktion (Nanoeisen)

Nullwertiges Eisen ist ein Reduktionsmittel (d. h. Elektronendonator), das mit dem im Wasser gelösten Sauerstoff und anschließend mit dem Wasser selbst unter Bildung von Wasserstoff reagiert. Daneben reagiert das Eisen auch mit einer Vielzahl von Schadstoffen im Grundwasser.
Das behandelbare Schadstoffspektrum kann grundsätzlich leicht- und schwerflüchtige halogenierte organische Schadstoffe (LHKW, chlorierte Aromaten, PCB, organisch chlorierte Pestizide) sowie Schwermetalle (Cr(VI), Cd, Pb, Ni, Hg, As etc.) umfassen, wobei die Eignung konkret in Labor- und Feldversuchen erprobt werden sollte.
Es handelt bei dem betrachteten Verfahren in erster Linie um ein chemisches Verfahren mit abiotischer Wirkungsweise.
Durch die Sauerstoff zehrende Wirkung des Eisens stellen sich im Aquifer anaerobe Bedingungen ein. Aufgrund ihrer Größe können die Nano-Partikel mit dem Wasser in kleinste Porenräume vordringen. Bei der Nutzung von Nano-Eisen zur chemischen Umsetzung von Schadstoffen im Grundwasser können Nano-Eisen-Partikel mit einem Durchmesser von i. M. 70 nm als Suspension mit Wasser in die gesättigte Zone eingebracht werden.
In Deutschland ist das Verfahren der In-situ-Reduktion mit Nanoeisen an einem Standort im Rhein-Sieg-Kreis (Nordrhein-Westfalen) zur Sanierung eines CKW-Schadensfalls durchgeführt worden.

Reduktion von leichtflüchtigen chlorierten Kohlenwasserstoffen (LCKW)
Das nullwertige Eisen reagiert mit Wasser und es entsteht Wasserstoff. Daneben reagiert das nullwertige Eisen mit verschiedenen Schadstoffen, u. a. LCKW. Hier bestehen zwei Möglichkeiten:
- Einerseits werden Ausgangsstoffe wie Dichlorethen (DCE) und Tetrachlorethen (TCE) durch direkte Reaktion mit Eisen zum Ethan über kurzlebige Zwischenprodukte wie Chloracetylen und Acetylen umgewandelt. Das so entstandene Dichloracetylen wird im nächsten Schritt weiter reduziert zu Acetylen und dann zu Ethen. Bis hier sind es rein chemische Reaktionen, das Ethen wird dann mikrobiell zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut.
- Andererseits werden die Chloratome der LCKW schrittweise durch Wasserstoff ersetzt, der bei der Reaktion des Eisens mit Wasser entstanden ist (reduktive Dechlorierung, mikrobiell katalysiert).

Reduktion von Schwermetallen, anschließende Fixierung
Grundsätzlich können Schwermetallen mit Hilfe von Eisen reduziert werden. Beispielsweise wird Chromat (CrO 42-, enthält sechswertiges Chrom) über die Reaktion mit Nanoeisen zu Chrom(III) reduziert, das anschließend ausfällt. Ausfällungsprodukt ist Chromit, in dem einige Eisenatome durch Chrom ersetzt sind.

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In-situ-chemische Oxidation

Bei der In-situ-chemischen-Oxidation (ISCO) von Kontaminationen wird ein chemisches Oxidationsmittel in den Aquifer infiltriert. Ziel ist der vollständige chemische Abbau der Kontaminanten durch Kontakt mit dem Oxidationsmittel.
Folgende Oxidationsmittel können eingesetzt werden:

  • Permanganat (Reaktion durch Elektronentransfer)
  • Persulfat (Reaktion durch Elektronentransfer oder nach Entstehung freier Radikale)
  • Ozon (direkte Reaktion)
  • Fentons-Reagenz (Reaktion durch freie Radikale nach Reaktion von H 2O 2 mit Fe 2+)

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Physikalische Verfahren

Air-sparging

Air-sparging (In-situ-Strippen) ist gekennzeichnet durch die Belüftung der wassergesättigten Zone mittels Atmosphärenluft.

Über Injektionslanzen oder Injektionsbohrungen wird mit einem geeigneten Kompressor Luft in den kontaminierten Grundwasserbereich gepresst. Die Luft verdrängt Wasser aus dem nutzbaren Porenraum und kann in Form von Luftbläschen in Richtung Grundwasseroberfläche migrieren. Daneben können sich Hohlräume ausbilden, die von der Luftaustrittsstelle bis zur Grundwasseroberfläche reichen. Zwischen den gaserfüllten Hohlräumen und der weniger mobilen Phase (Flüssigphase, gelöste Stoffe) erfolgt eine Gleichgewichtseinstellung, die zu einer Beladung der aufsteigenden Luft führt.

Durch kontinuierliche Nachlieferung von Frischluft wird die wassergesättigte Zone durchlüftet und eine Verringerung des Schadstoffinventars herbeigeführt. Parallel wird i. d. R. in der ungesättigten Zone eine Bodenluftabsaugung betrieben, um zu verhindern, dass die kontaminierte Gasphase unkontrolliert in andere Bereiche der ungesättigten Zone oder in die Atmosphäre entweichen kann.

Da die Wirksamkeit des Verfahrens auf dem Effekt des Ausstrippens beruht, eignet es sich nur für leichtflüchtige organische Schadstoffe (z. B. LHKW, BTEX). Voraussetzung für die Wirksamkeit des Verfahrens ist eine gleichmäßige Verteilung der eingeblasenen Luft in der gesättigten Zone. Daher ist das Verfahren vorzugsweise bei homogenen und gut durchlässigen Grundwasserleitern einsetzbar. Für die begleitende Bodenluftabsaugung sollte eine gute Durchlässigkeit der ungesättigten Bodenzone gegeben sein.

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Tensidspülung

Tenside können zur Quellensanierung in der gesättigten Zone eingesetzt werden. Dabei können sich folgende Effekte ergeben:

  • Erhöhung der Löslichkeit der Schadstoffe
    Tenside sind Verbindungen niedriger bis mittlerer Molmassen, deren Moleküle aus einem polaren und einem hydrophoben Teil bestehen.
    Bei Überschreitung einer bestimmten Konzentration in der Wasserphase, der "Kritischen Micellenkonzentration" (CMC), lagern sich die Tensidmoleküle im Wasser zu kugelförmigen Micellen zusammen, wobei in ihrem Inneren ein hydrophobes und auf der von Wasser umgebenen Oberfläche ein hydrophiles Milieu entsteht.
    Bei Konzentrationen oberhalb der CMC schließen Tenside hydrophobe Schadstoffe in der Micelle ein und führen dazu, dass diese in Lösung gehen (Solubilisation). Damit kann auch die Bioverfügbarkeit der Schadstoffe erhöht werden. Dieser Effekt der Solubilisation kann bei leichten Phasen (LNAPL - MKW), Teerölen (PAK) und Pflanzenschutzmitteln (DDT, HCH) wirksam werden.

 

  • Mobilisierung von Schadstoffen
    Bei Konzentrationen unterhalb der CMC wirken Tenside als oberflächenaktive Stoffe und verdrängen sorbierte Schadstoffe aus ihren Bindungen. So werden die Grenzflächenspannung zwischen Schadstoff und Bodenmatrix und damit die kapillaren Haltekräfte erheblich verringert, was zu einer Mobilierung der Schadstoffe führt. Dies kann bei LCKW (DNAPL) und Teerölen (PAK) wirksam werden.


Die gelösten bzw. mobilisierten Schadstoffe sind hydraulisch zu fördern, um eine unkontrollierte Ausbreitung zu verhindern.

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