Sanierungsoptimierung von CKW-Grundwasserschäden

- Möglichkeiten zur Reduzierung der Sanierungskosten -

Hans Dieter Stupp, Albrecht Bakenhus, Ralph Stauffer, Dietmar Lorenz

1. Einleitung

2. Verhalten von CKW im Untergrund

3. Problemstellung bei CKW-Sanierungen

4. Sanierungsoptimierung

5. Sanierungsverfahren

6. Verfahrensbedingte Sanierungsoptimierung

7. Sanierungskosten

8. Schlussbetrachtung

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1. Einleitung

In Deutschland werden ca. 70 % des Trinkwassers aus Grundwasser gewonnen. Vor diesem Hintergrund ist der Grundwasserschutz von herausragender Bedeutung um die allgemeinen Lebensgrundlagen für Natur und Mensch nachhaltig zu wahren. In der Vergangenheit ist es jedoch aus Unkenntnis der möglichen Auswirkungen des nicht sachgemäßen Umganges mit chlorierten Kohlenwasserstoffen (CKW) zu erheblichen Verunreinigungen des Bodens und des Grundwassers gekommen. So ging man noch in den 70er Jahren davon aus, daß die CKW bei Verlusten aus Behältern und Rohrleitungen weitgehend verdunsten und nicht in den Boden eindringen würden. Das für den Umgang mit CKW gegen Ende der 60er Jahre des 20. Jahrhunderts auf internationaler Ebene geltende Bewusstsein wird anschaulich durch ein Datensicherheitsblatt der Manufacturing Chemists‘ Association beschrieben. Danach sollten PCE, TCE und TCA zur Beseitigung ..... „be pored on dry sand, earth or ashes ...... and  allowed to evaporate into the atmosphere“ (1).

Aufgrund der in den letzten 25 Jahren gewonnenen Erfahrungen besitzen die leichtflüchtigen chlorierten Kohlenwasserstoffe (CKW) von allen Schadstoffgruppen das stärkste Gefährdungspotential für das Grundwasser. Dies ist u. a. dadurch belegt, dass die Mehrzahl der von Behörden angeordneten Grundwassersanierungen sich auf die CKW beziehen. Darüber hinaus treten die Stoffe Tetrachlorethen (PCE) und Trichlorethen (TCE) am häufigsten als Kontaminanten des Grundwassers auf (2). Die Gründe für das hohe Gefährdungspotential sind in den stoffspezifischen und toxikologischen Eigenschaften der CKW zu sehen.

CKW können unter den entsprechenden Bedingungen in Aquiferen wesentlich längere Kontaminationsfahnen entwickeln als gelöste Anteile der organischen Leichtphasen MKW, PAK oder BTEX. Die Längen von Kontaminationsfahnen sind in der Abbildung 1 für wichtige Grundwasserkontaminanten dargestellt (2).

Verwendete Abkürzungen:

LHKW                           Leichtflüchtige halogenierte Kohlenwasserstoffe
LCKW                           Leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe
LNAPL                          Light non aqous phase liquids (Leichtphasen)
DNAPL                          Dense non aqous phase liquids (Schwerphasen)
MKW                            Mineralölkohlenwasserstoffe (hier: Diesel, Heizöl EL)
BTEX                            Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylole (leichtflüchtige aromatische KW)
PAK                              Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe
PCE                              Tetrachlorethen =Tetrachlorethylen = Perchlorethen = Perchlorethylen = Per
TCE                              Trichlorethen ( = Trichlorethylen = Tri)
cis-DCE                         cis-1.2-Dichlorethen
trans-DCE                     trans-1.2-Dichlorethen
VC                                Vinylchlorid ( = Chlorethen)
1.1-DCE                        1.1-Dichlorethen
1.1-DCA                        1.1-Dichlorethan
1.2-DCA                        1.2-Dichlorethan
TCA                              1.1.1-Trichlorethan
DCM                             Dichlormethan
TCM                             Trichlormethan
PCM                             Tetrachlormethan
MTBE                            Methyl-Tert-Butyl-Ether

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2. Verhalten von CKW im Untergrund

Das besondere und für Sanierungsvorhaben folgenschwere Ausbreitungsverhalten der CKW im Untergrund ist in der Eigenschaft der CKW als Schwerphasen begründet. Im anglo-amerikanischen Sprachgebrauch werden organische Stoffe mit Dichten über 1 g/cm³ (deutsch: Schwerphasen) als dense non aquous phase liquids (DNAPL) bezeichnet. Insofern ist dieser Terminus übergeordnet zu den CKW zu sehen und beschreibt das Verhalten organischer Flüssigphasen, die schwerer sind als Wasser. Das besondere Verhalten der CKW-Phasen besteht darin, dass diese bei Überschreitung des Eintrittskapillar-Widerstandes der Gesteine durch entsprechenden Phasennachschub tief in den Grundwasserleiter eindringen und im „Worst Case“ bis auf die Sohle des Aquifers migrieren (sog. „Pooling“). Folge dieser Ausbreitung ist ein räumlich extrem differenzierter Phasenkörper mit einem ausgesprochen großen Verhältnis von Phasenoberfläche zu Phasenvolumen. Darüber hinaus können starke vertikale Zonierungen in der Zusammensetzung der CKW-Phasen vorliegen, wobei die niedriger viskosen CKW-Phasen häufig bis in größere Tiefen gelangt sind. Als Ergebnis des CKW-Phasenverhaltens entstehen extrem differenzierte Phasenkörper in der gesättigten Zone, deren Abreicherungen im wesentlichen über Lösungsprozesse ablaufen. Für weitergehende Informationen zu den Grundlagen der Stoffausbreitung wird auf die Fachliteratur verwiesen (3).

Die aus der Bearbeitung von über 500 CKW-Sanierungen gewonnenen Erfahrungen zeigen, dass das Absinken der CKW-Phase bis auf die Sohle des Aquifers nur in wenigen Fällen vorliegt. Hiermit ist der als Pooling bezeichnete Effekt zu verstehen, dass eine eigenständige CKW-Phase bis auf die Basis des Aquifers infiltriert ist. Viel häufiger treten CKW-Phasenverteilungen in sog. insularer oder pendularer Verteilung auf. Hierbei handelt es sich um die Existenz von „CKW-Phasentröpfchen“ im Porenraum der Sedimente, wobei die CKW-Phasen nicht mehr fließfähig sind (3). Naturgemäß tritt das Tailing um so stärker auf, je größer die CKW-Phasenmengen im Grundwasser sind und je stärker sich die CKW-Phasenverteilung dem Pooling annähert.

Die wesentlichen Ursachen des Tailing sind nachfolgend beschrieben:

Ein sehr maßgeblicher Einflussfaktor auf die Sanierungszeit ist die im Grundwasser vorhandene Menge an CKW. Hierüber ist in quasi allen Fällen so gut wie nichts bekannt. Jedoch werden diese Mengen oft unterschätzt, da aus der praktischen Erfahrung heraus in den meisten Fällen nicht ein einzelnes Schadenereignis zu der CKW-Infiltration in den Untergrund geführt hat, sondern zahlreiche bzw. kontinuierliche Leckagen aufgrund der langen CKW-Einsatzzeiträume. Dies gilt beispielsweise für die häufigen CKW-Schäden durch Entfettungsanlagen in der metallverbreitenden Industrie oder für CKW-Anlagen in chemischen Reinigungen.

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3. Problemstellung bei CKW-Sanierungen

Die wesentliche Problematik der Sanierung von CKW-Grundwasserschäden besteht darin, dass in den letzten drei Jahrzehnten vor allem hydraulische Sanierungen (Pump and Treat) durchgeführt wurden und werden. Dieses Verfahren zeichnet sich zwar durch eine hohe Sicherheit aus, nachteilig sind jedoch bei der Existenz von großen CKW-Phasenreservoirs die sehr langen Sanierungszeiträume bis zum Abschluss der Sanierung. Erfahrungsgemäß stellen sich nach einigen Jahren Gleichgewichte im Grundwasser ein, die zu einem sog. „Tailing“ führen. Hierunter versteht man die Einstellung von quasi konstanten oder nur geringfügig abnehmenden CKW-Konzentrationen im Rohwasser der Sanierungsbrunnen. Ein Beispiel für ein derartiges Sanierungsvorhaben ist in der Abbildung 2 dargestellt. Die CKW-Gehalte des seit 1983 in Betrieb befindlichen Sanierungsbrunnens liegen quasi seit ca. 8 Jahren konstant um Werte von ca. 400 µg/l. Ein weiterer Sanierungsfortschritt im Sinne abnehmender CKW-Gehalte und damit die Annäherung an die Sanierungszielwerte ist nicht gegeben. Es ist davon auszugehen, dass diese Sanierung ohne die Ergreifung von zusätzlichen Maßnahmen noch Jahrzehnte benötigen wird. Dies ist naturgemäß mit hohen Sanierungskosten verbunden.

Abbildung 2

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4. Sanierungsoptimierung

Grundsätzlich besteht eine große Spannbreite denkbarer Ansätze zur Reduktion der Sanierungskosten. Die wichtigsten Möglichkeiten sind nachfolgend zusammengesellt:

Inwieweit die Umsetzung der Maßnahmen zur Kostenoptimierung sinnvoll ist, kann nur auf der Grundlage der genauen Analyse des jeweiligen Einzelfalles beurteilt werden. Bei der vergleichenden Betrachtung der Möglichkeiten zur Kostenreduzierung bestehen erfahrungsgemäß die größten Einsparpotenziale, wenn es gelingt, das für den Anwendungsfall preisgünstigste Sanierungsverfahren zu identifizieren. Infolgedessen behandeln die nachfolgenden Erläuterungen die mit den Sanierungsverfahren in Verbindung stehenden Kosteneinsparpotenziale.

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5. Sanierungsverfahren

Wie der Abbildung 3 zu entnehmen ist können die Sanierungsverfahren in zwei Gruppen eingeteilt werden. Dabei handelt es sich einerseits um die Pump-and-Treat-Verfahren und andererseits um Alternativ-Verfahren zu Pump-and-Treat. Bei den Pump-and-Treat-Verfahren stehen mehrere Möglichkeiten zur Reinigung des geförderten Grundwassers zur Verfügung. In den letzten Jahren sind vor allem in Nordamerika neue In-Situ-Technologien entwickelt worden, so dass sich die Palette der Alternativ-Verfahren deutlich erweitert hat. 

Unter Berücksichtigung der in der Abbildung 3 zusammengestellten Techniken werden aus der praktischen Erfahrung heraus neben Pump-and-Treat bisher in der BRD überwiegend folgende Verfahren bei CKW-Sanierungen eingesetzt:

Da die Erläuterung der vorgenannten Verfahren den Rahmen dieses Artikels sprengen würde, wird für weitergehende Erläuterungen auf die zur Verfügung stehenden Informationsquellen verwiesen (4).

Teilweise befinden sich die vorgenannten Verfahren noch im Stadium der sanierungstechnischen Entwicklung. Monitored Natural Attenuation (MNA) stellt eher eine Sanierungsstrategie als eine Sanierungsmaßnahme dar. In der Mehrzahl der Fälle scheidet MNA als Behandlungsmethode für CKW-Grundwasserschäden aufgrund des nicht oder nicht vollständig ablaufenden mikrobiellen Abbaus aus.

Bei den Pump-and-Treat-Technologien und einigen anderen Verfahren ist zu berücksichtigen, dass vielfach eine Enteisenung/Entmanganung erforderlich ist. Hierdurch entstehen zusätzliche technische und finanzielle Aufwendungen, indem die Betriebskosten für die Entfernung der Störstoffe zwischen etwa 0,25 und 0,75 €/m³ liegen. Da diese Kosten jedoch nicht bei allen Sanierungsvorhaben anfallen, wird hierauf nachfolgend nicht weiter eingegangen.

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6. Verfahrensbedingte Sanierungsoptimierung

Wie bereits ausgeführt wird das Pump-and-Treat-Verfahren mit weitem Abstand am häufigsten bei der Sanierung von CKW-Grundwasserschäden eingesetzt. Insofern wird nachfolgend mit besonderer Gewichtung auf die Möglichkeiten zur Optimierung von laufenden Pump-and-Treat-Maßnahmen eingegangen.

Bei Überlegungen zur Sanierungsoptimierung eröffnen sich grundsätzlich die beiden nachfolgenden Optionen:

Optimierung Pump-and-Treat

Die Pump-and-Treat-Maßnahmen werden häufig auf Standorten mit laufender Produktion durchgeführt. Hier bestehen oft Schwierigkeiten in der Form, dass die eigentlichen Schadenherde für aufwendige technische Sanierungsmaßnahmen nicht zugänglich sind, da die Flächen betrieblich genutzt werden und von Fertigungsanlagen überbaut sind. Pump-and-Treat-Maßnahmen erfordern im allgemeinen nur vergleichsweise geringe bautechnische Eingriffe, so dass aus diesem Grunde der Einsatz anderer Sanierungsmethoden auf Schwierigkeiten stößt. Grundsätzlich sollte jedoch bei jedem langfristigen Sanierungsprojekt im Abstand von einigen Jahren überprüft werden, ob sich Möglichkeiten zur Sanierungsoptimierung anbieten. So ist es empfehlenswert im Abstand von einigen Jahren sog. Sanierungs-Audits durchzuführen. Das Ziel der Audits besteht darin zu prüfen, ob für den Anwendungsfall ggfs. Kostenreduzierungen durch Optimierung des Sanierungsbetriebes insbesondere unter Einbeziehung neuer am Markt verfügbarer Verfahren möglich sind.

Da die Sanierungskosten maßgeblich durch die Grundwasserförderrate bestimmt werden, ergeben sich aus der möglichen Minimierung der Entnahmemengen erhebliche Optimierungspotenziale. Bei Prüfungen von laufenden Projekten wird die Erfahrung gemacht, dass bei einem Teil der  Fälle eine Reduktion der Fördermenge umsetzbar ist, ohne dass die Qualität der Sanierung dadurch leidet (Abstromsicherung, CKW-Frachten, Auswirkungen auf Sanierungszeit etc.). In einem Anwendungsfall konnte die angelegte Fördermenge von 60 m³/h auf 30 m³/h reduziert werden. Dieses optimierte Förderszenario konnte auf der Grundlage der Durchführung und Auswertung eines vierwöchigen Pumpversuches und des Einsatzes eines numerischen Grundwassermodells umgesetzt werden. Grundsätzlich hat es sich als sinnvoll erwiesen, Grundwassermodelle bei größeren Sanierungsvorhaben oder komplexen Standortverhältnissen einzusetzen. Durch entsprechende Modellrechnungen können die Förderszenarien optimiert und somit Betriebskosten reduziert werden.

Eine zweite Möglichkeit zur Optimierung besteht in der Modifizierung des zur Reinigung eingesetzten Verfahrens. Die zur CKW-Reinigung in der Praxis angewandten Verfahren sind in der Abbildung 3 zusammengestellt. Wie die Auswertung von Sanierungsprojekten zeigt, wird mit weitem Abstand das Stripverfahren am häufigsten eingesetzt, gefolgt von der Aktivkohleadsorption (Abbildung 4). Untergeordnet werden die Verfahren Nassoxidation, Harzadsorption und Flüssig-Flüssig-Extraktion (MPPE-Verfahren) eingesetzt.

Der Reinigungsgrad von Stripanlagen hängt maßgeblich vom Henry-Koeffizienten ab, der das einzelstoffspezifisch unterschiedliche Verteilungsgleichgewicht Luft : Wasser beschreibt. Wie die Abbildung 5 zeigt, sind die meisten CKW gut stripbar (Daten gelten für 20 °C). Als schlecht stripbar gelten beispielsweise die Einzelstoffe 1-2-Dichlorethen (cis- und trans-), 1.1-Dichlorethen, Trichlormethan, Hexachlorethan, Dichlormethan, 1.2-Dichlorethan und 1.1.2.2-Tetrachlorethan.

In der Abbildung 6 sind die Beladungskapazitäten von CKW auf Aktivkohle dargestellt. Die Daten stammen aus durchgeführten und laufenden Sanierungsprojekten. Danach besitzen Dichlorethen (cis- und trans-), Trichlormethan, 1.2-Dichlorethan, Dichlormethan und insbesondere Vinylchlorid nur geringe Beladungskapazitäten auf Aktivkohle.

Treten die vorgenannten limitierenden Stoffe im Rohwasser auf, so bestehen keine guten Voraussetzungen zum Einsatz der Standardverfahren Stripen oder Aktivkohleadsorption. Bei Einsatz dieser Techniken wäre bei Vorliegen der vorgenannten verfahrensbegrenzenden CKW-Einzelstoffe von deutlich erhöhten Betriebskosten auszugehen.

Ein schwer zu entfernender CKW-Einzelstoff ist Vinylchlorid. Zwar ist VC gut stripbar, jedoch ist die Reinigung der Stripluft bei höheren VC-Gehalten aufwendig, da VC nur schlecht an Aktivkohle adsorbiert wird. Bei solchen Fällen sollte geprüft werden, ob der Einsatz einer Vakuumstripanlage sinnvoll sein könnte. Beim Vakuumstripen ist die Luftmenge um ca. den Faktor 5 – 10 geringer als beim konventionellen Stripen. Dies resultiert bei geringeren Stripluftströmen in höheren Konzentrationen der CKW in der Stripluft und somit in geringeren Kosten für die Aktivkohleadsorption. Eine zweite Option für die Stripluftreinigung ist der Einsatz einer Katalysator-Anlage. Da sich die Sanierungsfälle unterscheiden, sind im Rahmen der Untersuchung der Möglichkeiten zur Sanierungsoptimierung die jeweiligen Projekte auf der Grundlage der einzelfallspezifischen Daten zu prüfen. Pauschalierungen sind hier nicht zu empfehlen.

Grundsätzlich ist der Aufbau von Stripanlagen i. d. R. modular. Somit können diese Anlagen im Laufe der Sanierungsentwicklung an die jeweiligen Situationen und insbesondere an abnehmende CKW-Gehalte angepasst werden. Bei Projekten kann es unter betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll sein Umstellungen vorzunehmen, von denen einige Optionen nachfolgend aufgelistet sind:

Bei laufenden Sanierungsprojekten werden Überlegungen zu Sanierungsoptimierungen in vielen Fällen nicht oder in zu geringem Maße durchgeführt, so dass die Möglichkeiten zur Reduzierung der Sanierungskosten häufig nicht umfänglich ausgeschöpft werden.

Im Hinblick auf die Reinigung der mittels Stripen und Aktivkohleadsorption schlecht behandelbaren Stoffe sind die Verfahren Harzadsorption und Flüssig-Flüssig-Extraktion von Interesse. Beide Technologien können beispielsweise VC, Dichlorethen (cis- und tans-), 1.1-Dichlorethen, Trichlormethan, Dichlormethan, 1.2-Dichlorethan und 1.1.2.2-Tetrachlorethan sicher bis unterhalb der Ableitewerte abreinigen. Jedoch sind beide Verfahren mit höheren Kosten für die Anlageninvestitionen verbunden, so dass die Einsatzoption einzelfallspezifisch zu untersuchen ist. Der Einsatz der beiden vorgenannten Techniken in erster Linie bei der Inbetriebnahme einer Grundwassersanierung interessant. Der Ersatz vorhandener Reinigungsanlagen durch eine der beiden vorgenannten Verfahren dürfte bei laufenden Sanierungsvorhaben nur bei besonderen Konstellationen von Interesse sein.

Biochemische und nasschemische Verfahren werden derzeit nur in sehr geringem Maße zur Reinigung CKW-haltiger Grundwässer eingesetzt. Die Ursache hierfür ist im wesentlichen in den höheren Kosten dieser Techniken begründet. Das Eltrondec-Verfahren ist eine interessante Reinigungstechnologie für stark belastete bzw. komplex zusammengesetzte Grundwässer. Derzeit stehen in der BRD jedoch noch nicht die Anlagen zum Einsatz bei Sanierungsvorhaben zur Verfügung.

Einsatz eines Alternativ-Verfahrens zu Pump-and-Treat

Die Alternativen zu Pump-and-Treat-Techniken werden nachfolgend genauer betrachtet. Dabei gilt übergreifend für diese Verfahren:

Im Vorfeld des Einsatzes der Alternativen ist zunächst zu bewerten, ob deren Einsatz standortspezifisch unter Berücksichtigung der geologisch-hydrogelologischen Verhältnisse sinnvoll ist. Hierbei gilt für einen erfolgreichen Einsatz aller Alternativen, dass der Untergrund möglichst aus gut durchlässigem und homogenem Material bestehen sollte. Diese Anforderung besitzt eine derart starke Bedeutung für einen anzustrebenden Sanierungserfolg, dass sie an erster Stelle in die Überlegungen zur Sanierungsoptimierung einfließen sollte. Wird der Untergrund aus zu bindigen Sedimenten in Form von schluffigen Sanden, Schluffen bzw. tonigen Sedimenten oder Tonen aufgebaut, so ist der mögliche Sanierungserfolg von vorne herein stark herabgesetzt. Auch bei wechselndem und damit inhomogenem Aufbau des Untergrundes, insbesondere bei Vorliegen von deutlich bindigeren Bodenhorizonten oder -linsen (schluffige Sande, Schluffe, Tone) sinkt der Sanierungserfolg deutlich ab. Dies hängt in erster Linie damit zusammen, dass die feinkörnigen Bodenpartien nur schlecht oder gar nicht für die injizierten Stoffe oder dem mikrobiellen Abbau zugänglich sind und diese Bodenpartien andererseits die größten CKW-Mengen „gespeichert haben“. Naturgemäß ist auch eine Anwendung in Kluftgrundwasserleitern kritisch zu überprüfen.

Bei den biologischen Verfahren wurden in den letzten Jahren verstärkt In-Situ-Sanierungen mit Spülkreisläufen mit teilweise gutem Erfolg eingesetzt. Hierbei ist im Vorfeld zu prüfen, unter welchen Abbaubedingungen die Sanierung durchgeführt werden sollte.

Grundsätzlich kann bei der mikrobiologischen In-Situ-Sanierung von CKW zwischen der reduktiven und oxidativen Dechlorierung unterschieden werden. Beide Prozesse laufen co-metabolitisch ab. Die geeigneten Auxiliarsubstrate sind:

1.  Für die reduktive Dechlorierung:    Kohlenhydrate, Aminosäuren, Säuren und Alkohole (z.B. Lactat, Pyruvat, Fumarat, Ethanol, Acetat)

2.  Für die oxidative Dechlorierung:    Methan, Ethan, Erdgas, Pentan, Ethen, Propen, Methanol

In der Regel bestehen gute Erfolgsaussichten für derartige biologische Sanierungen, wenn:

Bei den durchgeführten mikrobiologischen Sanierungen konnten nur bei einem Teil der Vorhaben die behördlich vorgegebenen Sanierungszielwerte erreicht werden.

Die praktischen und durch Sanierungserfolge dokumentierten Erfahrungen für die Anwendung der biologischen Verfahren Hydrogen Release Compound (HRC), Bioscreen, Methan-Biostimulations-Verfahren und Ingenous Oxygen Delivery (ISOC) sind derzeit noch sehr gering und erschweren eine planerische Anwendung. Die Durchführung von projektspezifischen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist im Rahmen von einzelnen Sanierungsvorhaben kaum umsetzbar.

Eine interessante Option zur Verkürzung der Sanierungszeit stellen Tensidinfiltrationen dar. Tenside bewirken einerseits eine deutlich höhere Mobilität der CKW-Phasen und andererseits eine deutlich gesteigerte Löslichkeit der CKW. Bei Anwendungsfällen konnte der CKW-Austrag über die Sanierungsbrunnen um den Faktor 5 – 100 gesteigert werden. Hieraus resultiert eine entsprechende Verkürzung der Sanierungszeit und eine Reduktion der Gesamtsanierungskosten. Andererseits können bei unsachgemäßer Ausführung CKW-Phasen mobilisiert werden und vertikal nach unten migrieren.

Eine erfolgreiche Anwendung kann gelingen wenn:

Im Vorfeld von Tensidinfiltrationen ist zu prüfen, ob die zur Pump-and-Treat-Sanierung eingesetzten Reinigungsanlagen die Abreinigung der erhöhten CKW-Konzentrationen im Rohwasser der Anlage eliminieren können. In den meisten Fällen sind Aufrüstungen der Anlagen oder Ersatz durch größere Anlagen oder andere Verfahren notwendig. Als gut geeignet zur Abreinigung der erhöhten CKW-Gehalte hat sich das Verfahren Flüssig-Flüssig-Extraktion (MPPE-Verfahren) erwiesen.

Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass in einigen Wochen/Monaten große Mengen von CKW aus dem Untergrund entfernt werden konnten. Die wesentliche Frage lautet, ob mittels Tensidspülungen die CKW nahezu vollständig aus dem Untergrund entfernt werden konnten. Beim Verbleib von bedeutenden Anteilen wächst das Risiko, dass die mit der Behörde abgestimmten Sanierungszielwerte trotz der CKW-Mobilisierung dennoch nicht erreicht werden können und weiterhin Pump-and-Treat-Maßnahmen durchzuführen sind.

Für die erfolgversprechende Anwendung von In-Situ-Striping (Air Sparging) gelten die folgenden Voraussetzungen:

Auf den möglichen Einsatz von Reaktiven Systemen wird im Kapitel Sanierungskosten eingegangen.

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7. Sanierungskosten

Die aus laufenden Sanierungsvorhaben gewonnenen anlagespezifischen Betriebskosten sind der Abbildung 7 zu entnehmen. Es ist hierbei zu berücksichtigen, dass die Zusammensetzung der Grundwässer sehr unterschiedlich ist. Danach besitzen die Aktivkohleadsorption und Striptechnik die niedrigsten Kosten mit Kostenspannbreiten von 0,25 – 0,75 bzw. 0,25 – 1,25 €/m³ Wasser. Die Betriebskosten-Spannbreiten für die übrigen Verfahren liegen in der Trendbetrachtung etwas höher. Für bestimmte Anwendungsfälle sind die Verfahren Harzadsorption bzw. Flüssig-Flüssig-Extraktion preisgünstiger als Stripen oder Aktivkohleadsorption. Es ist für jeden Einzelfall zu prüfen, welche Technik die geeignetere ist.

Abbildung 7

Bei den Investitionskosten für die Reinigungsanlagen liegen die Aufwendungen für Aktivkohle- und Stripanlagen normalerweise unter denen für die übrigen Techniken. Für biologische und nasschemische Anlagen ist i. d. R. von mittleren Investitionskosten auszugehen und die höchsten Kosten sind für Harzadsorption und Flüssig-Flüssig-Extraktion zu veranschlagen. Die Tabelle 1 gibt die Investitionskosten für ein mittelgroßes Sanierungsvorhaben als Ergebnis einer im Jahre 2005 durchgeführten Ausschreibung wieder.

Tabelle 1:    Investitionskosten für Reinigungsanlagen zur Grundwasseraufbereitung

Reinigungsverfahren	Investitionskosten (€)
Aktivkohleadsorption	25.000
Stripen (mit Luftreinigung über Aktivkohle)	40.000
Biologische Reinigung	60.000
Nassoxidation	100.000
MPPE-Verfahren	150.000
Adsorberharzverfahren	150.000

Grundwasserfördermenge: 10 m³/h
Tetrachlorethen-Konzentration: 5.000 µg/l 
Enteisenung/Entmanganung nicht erforderlich

Von erheblicher Bedeutung ist, ob bei der Kostenberechnung für Sanierungsprojekte eine Finanzierung der Investitionskosten zu berücksichtigen ist. Die Auswirkungen der Berücksichtigung des Kapitaldienstes soll nachfolgend am Beispiel eines Vergleichs einer Pump-and-Treat-Anlage und eines Reaktiven Systems veranschaulicht werden.

Grundsätzlich ist bei zahlreichen Sanierungsvorhaben der Vergleich zwischen den Kosten für ein Reaktives System und den Aufwendungen für Pump-and-Treat anzustellen. Die Abbildung 8 zeigt den Kostenvergleich für eine Finanzierung der Investitionskosten für die Sanierungsanlagen für einen mittelgroßen CKW-Grundwasserschaden. Das entsprechende Darlehen wird über einen 10-jährigen Zeitraum mit 6 % getilgt. Diese Modalitäten entsprechen den Kalkulationsgrundlagen, wie sie aus der Praxiserfahrung häufig von den betroffenen Unternehmen  für die Berechnung der Kosten zugrunde gelegt werden. Die Berücksichtigung von Entwicklungen, die Zeiträume von mehr als 10 Jahren erfassen, treten bei der praktischen Bearbeitung von Sanierungsprojekten in den Hintergrund.

Wie der Abbildung 8 zu entnehmen ist, liegt der „Break-Even-Point“ für das Reaktive System gegenüber der teuersten und preiswertesten Pump-and-Treat-Variante bei ca. 3,5 und 7,5 Jahren und damit in einem Kostenbereich, der für viele Sanierungspflichtige von Interesse ist. Wie diese Ausführungen zeigen, wird der Ersatz von Pump-and-Treat-Maßnahmen durch Reaktive Systeme bei laufenden Sanierungen aufgrund der zu hohen Investitionskosten i. d. R. nicht sinnvoll sein. Reaktive Systeme sollten jedoch auf jeden Fall bei der Planung von Grundwassersanierungen berücksichtigt werden.

 

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8. Schlussbetrachtungen

Im Hinblick auf die in den letzten 30 Jahren erstellten Planungen für CKW-Grundwassersanierungprojekte wurden die Sanierungsmaßnahmen häufig auf der Grundlage von nicht ausreichenden Daten geplant und durchgeführt. Die Erkundung über die Verunreinigungssituation besaßen häufig den Charakter von detaillierten Untersuchungen oder – im worst case – von orientierenden Untersuchungen. Für die Konzeptionierung einer sachgerechten Sanierung wären aber höhere Untersuchungsdichten und -qualitäten in Form der heute durchzuführenden Sanierungsuntersuchung notwendig gewesen. Als Hauptgründe für diese nicht optimalen Planungsgrundlagen sind das früher unzureichende Bewusstsein über die Bedeutung dieser Grundlagen anzusehen. Zwar ist die Erkundung von CKW-Phasenverunreinigungen im dreidimensionalen Untergrund schwierig und aufwendig, aber auf jeden Fall notwendig um Fehlentwicklungen bei den Sanierungen vorzubeugen. Defizitäre Planungsgrundlagen führen zwangsläufig zu suboptimalen Sanierungskonzepten und damit zu erhöhten Kosten und längeren Sanierungszeiträumen als unbedingt notwendig.

Zunächst ist zu berücksichtigen, dass bei Überlegungen zur Sanierungsoptimierung und dem möglichen Einsatz von zusätzlichen Maßnahmen zunächst im Rahmen der Planung und Umsetzung erhöhter personeller Bedarf und höhere finanzielle Aufwendungen entstehen, die im Verhältnis zu dem Gesamtprojekt stehen müssen. Hinzu kommt, dass heute bei vielen Sanierungspflichtigen weniger die Problematik der Gesamtkosten der Sanierung über den Gesamtzeitraum sondern mehr die Frage nach den in den nächsten ein bis zwei Jahren entstehenden Kosten in den Vordergrund gerückt ist. Da die Umsetzung von Maßnahmen, die zusätzlich zu Pump-and-Treat zu ergreifen sind, mit einer Investition in der nahen Zukunft verbunden ist, bestehen gegen dieses Vorgehen oft Vorbehalte.

Andererseits besteht die Chance, dass die Sanierungszeit bei erfolgreicher Durchführung einer Sanierungsoptimierung, erheblich verkürzt und das Sanierungsvorhaben ggfs. in wenigen Monaten oder Jahren beendet werden kann. Insofern erscheint die Prüfung von Sanierungsalternativen grundsätzlich sinnvoll. Bei derartigen Überlegungen ist dann einzelfallspezifisch zu prüfen:

Im Hinblick auf die erfolgreiche Optimierung von CKW-Grundwassersanierungen sind die behördlich festgelegten Sanierungszielwerte mit von entscheidender Bedeutung. Nur bei einer Unterschreitung der behördlich definierten Sanierungsziele kann die Grundwassersanierung abgeschlossen werden. Die Höhe der CKW-Sanierungszielwerte ist eine Einzelfallentscheidung der zuständigen Behörde und u. a. auch abhängig von den einzelfallspezifisch vorliegenden CKW-Einzelstoffen sowie dem Bundesland, in dem der Sanierungsstandort liegt. Die Spannweite der in der Praxis angewandten Sanierungsziele liegt bei den meisten CKW-Grundwassersanierungen zwischen 10 und 50 µg/l. Bei den meisten Grundwassersanierungsvorhaben müssen Sanierungszielwerte von 10 bzw. 20 µg/l CKW erreicht werden (Abbildung 9).

Grundsätzlich ist bei vielen laufenden Sanierungen eine erhebliche Einsparung von Kosten möglich. Eine genaue Analyse des aktuellen Sanierungsstadiums, der Standortsituation und alternativer Sanierungsoptionen ist die Grundlage zur Erreichung einer Kostenoptimierung. Im Hinblick auf einige Sanierungsverfahren, z. B. Alkohol-Spülung, Mikroemulsions-Spülung, Tensidinfiltration, In-Situ-Oxidation, Nano-Eisen und SUB-TSVE, bestehen noch zu geringe Felderfahrungen. Für eine stärkere Anwendung dieser Verfahren wäre es wünschenswert, das Wissen hierüber zu erweitern, um die Eintrittswahrscheinlichkeit des Erfolges von Sanierungsoptimierungen sicherer einschätzen zu können. Die weitere Entwicklung bleibt abzuwarten und darf mit Spannung verfolgt werden.

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Literaturverzeichnis

(1)   Pankow, J. F. & Cherry, J. A. (1996):
       Dense Chlorinated Solvents and other DNAPLs in Groundwater
       Waterloo Press, Potland, Oregon 97291-1399

(2)  Stupp, H. D. & Paus, L. (1999):
       Migrationsverhalten organischer Grundwasserinhaltsstoffe und Ansätze zur Beurteilung von    MNA
       TERRA TECH 5/1999, S. 32 – 37

(3)  Stupp, H. D. (2001):
       DNAPL in Boden und Grundwasser – Verhalten von LCKW und PAK-Ölen
       Handbuch der Altlastensanierung, Franzius – Wolf – Brandt
       27. Erg.-Lfg., 12/2001

(4)  Internet: www.sanierungsverfahren.de

(5)   Koenigsberg, S. S. & Norris, R. D. (Ed., 1999):
       Accelerated Bioremediation Using Slow Release Compounds
Regenesis Remediation Products, San Clemente, pp. 255

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Ein Service der

Hans Dieter Stupp,                                         Dr. Stupp Consulting GmbH
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