Infoveranstaltung der SBB und der IHKs in BrandenburgPlanung und Durchführung abfallarmer BodensanierungKosten- und abfalloptimierte Methoden der In-situ-Sanierung 08. Oktober 2009, IHK Potsdam

Dr. Thomas Held

Optimierte Entscheidungsfindung bei Verfahrenskombinationen

Warum Verfahrenskombinationen ?

Konzeptionelles Standortmodell

Prozesse

Sanierungsverfahren: Einige Designkriterien

Genehmigungsaspekte

Nachhaltigkeit

Asymptotischer Zielwert (Pump & Treat)

0

100

200

300

400

500

600

Jan 89 Jan 90 Jan 91 Jan 92 Jan 93 Jan 94 Jan 95 Jan 96 Jan 97 Jan 98 Jan 99 Jan 00

Ent

fern

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CK

W-M

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) [kg

] .

1

10

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Mitt

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LC

KW

-Kon

zent

ratio

n

. [µ

g/L]

Entfernte LCKW-MaseeMittlere Konzentration

SZW: 80 µg/L

Jedes Verfahren hat einen definierten optimale Kosten/Wirksamkeits-BereichJedes Verfahren hat einen definierten

optimale Kosten/Wirksamkeits-Bereich

Abfallproduktion (Eisenschlamm) und Betriebskosten (Energie) steigen nahezu

linear mit der Zeit

Abfallproduktion (Eisenschlamm) und Betriebskosten (Energie) steigen nahezu

linear mit der Zeit

Grundwasserstömung

Gesamtenicht-wässrige Masse (Phase)Sorbierte Masse

NAPL-Massemobil

residual

Migrierendegelöste Masse

Statische gelösteMasse

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

Scha

dsto

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fer[

kg/m

3 ]

SZW

Gesamte Masse in der Wasser-Phase

102

Schadstoffverteilung

10 kg

1 g

Effizient: > 99,99 % m˘ glich ?Effizient: > 99,99 % m˘ glich ?

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

0,001 0,1 10 1000 100000

Time [years]

F [m

g/d]

Benzene

Toluene

Ethylbenzene

p-Xylene

o-Xylene

Propylbenzene

1,2,4-Trimethylbenzene

1,2,3-Trimethylbenzene

1,3,5-Trimethylbenzene

Benzofuran

Indane

Indene

F total

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

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Time [years]

F [m

g/d]

0

1 Naphthalene2-Methylnaphthalene1-MethylnaphthaleneAcenaphthyleneAcenaphteneFluorenePhenanthreneAnthraceneFluoranthenePyreneBenz(a)anthraceneChryseneBenzo(b)fluorantheneBenz(a)pyreneDibenz(a,h)anthraceneF totalM/Mo

Zeitskalen: Schadstoff-Freisetzung (NAPL-Blobs)

Quelle: Grathwohl, 2001

Sanierungsabfolge (Treatment Train)

Zeit

0 1 2 3 4 5 6

Kon

zent

ratio

n

Verfahren 1 Verfahren 2 Verfahren 3MNA ?

Desorption

Generell: Ein Verfahren wird stets mit einem milderen

Verfahren ersetzt

Generell: Ein Verfahren wird stets mit einem milderen

Verfahren ersetzt

Technologie-Folgen (theoretisch)

ISCOISCO

TensidFlushingTensid

Flushing

EZVIEZVI

IRZIRZ

IRZIRZ

TensidFlushingTensid

Flushing ??

MNAMNA

MNAMNA

Sanierungsabfolge

q Kombination aufgrund unterschiedlicher Kosten/ Wirksamkeits-Bereiche

q Kombinierbarkeit

q Generelle Machbarkeit am Standort

Warum Verfahrenskombinationen ?

Konzeptionelles Standortmodell

Prozesse

Sanierungsverfahren: Einige Designkriterien

Genehmigungsaspekte

Nachhaltigkeit

The World is Heterogeneous

Schadstoffverteilung

NaturalAttenuationBioventing

Bioscreens

HydraulicalCircuitsBioslurping Groundwater

Circulation Wells Biosparging Funnel andGate

Konzeptionelles Standortmodell

q Stoffeigenschaften

q Transportprozesseq Geologieq Hydrogeologie

q Konzentrationsverminderungsprozesseq Abbau (biologisch, chemisch)

q Sorptionq Immobilisierung

Verteilung von LCKW-Phasen im Grundwasserleiter

Z [m

]

X [m]

DNAPL

‘‘Pooling‘‘ -Effekte infolge der gering durchlässigen Sandlinsen Schichteffekte im homogenen Sand infolge von kleinskaligen Heterogenitäten

Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und AltlastensanierungQuelle: H. Sheta

Datenintegration

3.5

6.7

10.4

1.2

0 11

3.5

6.7

10.4

1.2

Inverse Distance Methode

Konzeptionelles Standortmodell (CSM) – Definition

q CSM ist ein Zusammenstellung von regionalen und stand-ortspezifischen Daten zur Beschreibung des Standortes und der äußeren Umstände

q Zusammenführen aller Daten zur plausiblen Erklärung von Schadstoffverteilungs- und Abbauprozessen

q Optional wird auf Basis der erhobene Daten eine mathematische Modellvorstellung generiert. Darauf baut eine Modell-Evaluierung (analytisch oder numerisch) des Systemverhaltens und der Systemleistungen auf

q Ein konzeptionelles Modell kann qualitativ oder quantitativ sein

Konzeptionelles Standortmodell: Beispiel

Warum Verfahrenskombinationen ?

Konzeptionelles Standortmodell

Prozesse

Sanierungsverfahren: Einige Designkriterien

Genehmigungsaspekte

Nachhaltigkeit

Klassischer Transport und Schadstoffverminderung

Transport und SchadstoffverminderungRealistisches Konzept

Frühes Stadium der Fahnen-entwicklung

Gereifte Fahne

Nach der Entfernung der Quelle

Transport und SchadstoffverminderungErweitertes realistisches Konzept

Rückdiffusion

Zeitskalen: Diffusion in Tonschichten

TCE

Quelle: Grathwohl, 2001

MNA immer letztes Verfahren ?MNA immer letztes Verfahren ?

Sanierungsverfahren: Fixpunkte

q Ende: MNAq Start: Quellensanierung

q Wie weit muss die Quellensanierung reichen, damit ein Schutz sensitiver Rezeptoren gewährleistet ist oder

q Wie weit muss die Quellensanierung reichen, damit MNA ausreichend effektiv ist?

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Mass Reduction in the Source [%]

Surfactant FlushingISCOThermal TreatmentBiodegradation

Effekt der Quellensanierung

Ref.: McGuire et al., GWMR 26 (1), 73-84

Abn

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%]

Massenreduktion in der Quelle [%]

Rebound-Effekt

0 0.05 0.1

0.5

1,0

0.0

C/C

0

Strömungsstrecke [m]

Länge der Massentransferzone

Länge der Massentransferzone

Ref.: C. Eberhard, 2001

Rebound-Effekt Maximum

Median75. Percentil

Minimum25. Percentil

Legende

Biosanierung (n = 10)

ISCO(n = 7)

Tensid /L˘ sungs-vermittler

(n = 2)

ThermischeBehandlung

(n = 1)

Rel

ativ

e A

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(LC

KW

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10

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100

Sanierungs-ende

Ende Über-w achung

Sanierungs-ende

Ende Über-w achung

Sanierungs-ende

Ende Über-w achung

Sanierungs-ende

Ende Über-w achung

Ref: McGuire et al., GWMR 26 (1), 73-84

End of End of after End of End of after End of End of after End of End of afterremediation care monitoring remediation care monitoring remediation care monitoring remediation care monitoring

Warum Verfahrenskombinationen ?

Konzeptionelles Standortmodell

Prozesse

Sanierungsverfahren: Einige Designkriterien

Genehmigungsaspekte

Nachhaltigkeit

Sanierungsverfahren (Überblick)

q Quellensanierungq Phasenentfernungq Ex-situ-Verfahrenq In-situ-Verfahren

q Fahnensanierungq Aktive Verfahrenq MNA

In-situ-Verfahrenq Mikrobielle Verfahrenq Chemische Verfahrenq Physikalische Verfahrenq Mechanische Verfahren

Marktrends in den USA

1980 1990 2000 2010

Nat’l Acad. Sci. Bericht zu Pump-

and-Treat

Nat’l Acad. Sci. Bericht zu Pump-

and-Treat

Nat’l Acad. Bericht zu DNAPL-Sanierbarkeit

Nat’l Acad. Bericht zu DNAPL-Sanierbarkeit

US-EPA Bericht zu DNAPL-SanierbarkeitUS-EPA Bericht zu

DNAPL-Sanierbarkeit

P&T als Sanierungsverfahren

In-situ-Reaktive Zone als alleiniges

Sanierungsverfahren

Kombiniertes Verfahren:

Physikalische Quellensanierung

und In-situ-Reaktive Zone für

die FahneP&T als

Sicherungs-verfahren

Sanierungsverfahren: Auswahlkriterien

q Verfügbarkeitq Machbarkeit am Standortq Kostenq Nachhaltigkeit

Adaptive-Design-Konzept

3.5

6.7

10.4

1.2

0 11

3.5

6.7

10.4

1.2

Inverse Distance Methode

“Adaptive Design”

Ents

cheid

ungs

-

freud

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Daten-Disziplin

q Flexible Infrastrukturq Anpassbare Betriebsweise q „Daten → Design“-Abhängigkeitq „Daten → Entscheidung“-Abhängigkeit

In-situ-Sanierungs“verfahren“

q Airspargingq ISCO (In-situ Chemical Oxidation)q Alkohol-Spülungq Tensid-Spülungq Mikrobieller Abbau (IRZ, In-situ Reactive Zone)

(aerob oder anaerob)q nFe0 (Eisen-Nanopartikel) q Emulsified Zero-Valent Iron (EZVI)

(nFe0, Tenside, Speiseöl, Wasser)q Thermische Technologien (Dampfinjektion, Erhitzen)q Monitored Natural Attenuation (MNA)

Sanierungsverfahren

Für alle Injektionsverfahren hängt der Erfolg ab von:Für alle Injektionsverfahren hängt der Erfolg ab von:

qq Heterogenität q In-situ-Mischung (Preferential Flow)q Schadstoffmobilität (Verfügbarkeit)q Kontakt mit DNAPL q Rebound-Effektenq Reaktivität des Bodens (pH, TOC)q Verblockung (Braunstein, Eisenoxide)q Reichweite der Injektion (Pressure Pulse Technology)q Mangelnde Abbauaktivitätq Risiko unerwünschten Schadstofftransportesq Genehmigungsfähigkeit

Risikoprofil einer Sanierung

Fundamentales Problem: Abweichungen von den Schätzungen

Nominal-SchätzungW

ahrs

chei

nlic

hkei

t

Minderkosten Mehrkosten

Zeit und Kosten

Projektrisiko

q Design auf Basis weniger Punktinformationen

q Detailliertes Verständnis der Prozesse ist erforderlich

q Heterogenität offenbart sich bei flächigerBehandlung

Ü In-situ-Sanierungen erfordern umfangreicheKenntnisse (knowledge-intensive)

Kos

ten

(NPK

) bis

Sani

erun

gsen

de

ProjektgrenzenProjektgrenzen

Risikoprofil einer SanierungNPK = Nominale Projektkosten

Zeit bis Sanierungsende

Risikoprofil einer Sanierung

Mögliches Risiko für erhöhte Kosten und Zeit bis Sanierungsende

Mögliches Risiko für erhöhte Kosten und Zeit bis Sanierungsende

Nominalschätzung Zeit und KostenNominalschätzung Zeit und Kosten

Zeit bis Sanierungsende

Kos

ten

bis

Sani

erun

gsen

de

Zeit bis Sanierungsende

Kos

ten

(NPK

) bis

Sani

erun

gsen

de

Vergleich dreier Risikoprofile

IRZISCO

MNA

q In-situ-Verfahen erfordern hohe Detailkenntnisse (knowledge-intensive)

q Klassische Aufteilung ungeeignet(Ausführende Firma = Sanierer, Ingenieurbüro = Überwacher)

q Sanierungssteuerer nötig

q Realisierbar z.B. als GU mit/ohne GRiP®

Verantwortlichkeiten

GRiP® Guaranteed Remediation Program

q Sanierung des Standorts zum vorher vereinbarten Festpreis

q Garantie der behördlich genehmigten Altlastenfreistellung

q Versicherung der Sanierung gegen unvorhergesehene Mehrkosten

q Hohe Qualität und Terminsicherheit durch innovative Verfahren

Warum Verfahrenskombinationen ?

Konzeptionelles Standortmodell

Prozesse

Sanierungsverfahren: Einige Designkriterien

Genehmigungsaspekte

Nachhaltigkeit

Sanierungsabfolge (Treatment Train)

Zeit

0 1 2 3 4 5 6

Kon

zent

ratio

n

Problem: Jeweils Individuelle Diskussion der Verfahrenswechsel

mit den Behörden ?

Wechsel der Sanierungsverfahren (Bsp.)

q Beenden von Pump & Treat ∆c < 5 % (3 Monate)∆MF < 5 % (3 Monate)*

q Beenden der mikrobiellen In-situ-Sanierung ∆c < 5 % (6 Monate)∆MF < 5 % (6 Monate)*

q Letzter Schritt: MNAMF (max) < 20 g/d Aromaten, < 20 g/d LCKW

(min. Monitoringdauer für einzelne Quellbereiche ≥ 1 Jahr)cAbstrommessstelle < 20 µg/L Aromaten, 10 µg/L LCKW, 0,2 g/L PAK15

#

MF = Schadstofffracht

*) 5 einzelne Quellbereiche mit verschiedenen hydrogeologischen Bedingungen#) Kontrollwerte gem. BBodSchG

Warum Verfahrenskombinationen ?

Konzeptionelles Standortmodell

Prozesse

Sanierungsverfahren: Einige Designkriterien

Genehmigungsaspekte

Nachhaltigkeit

Nachhaltigkeit

Soziale Aspekte*Soziale

Aspekte*

ÖkonomischeAspekte

ÖkonomischeAspekte

ÖkologischeAspekte

ÖkologischeAspekte

Sozio-ökonomische Indikatoren

Sozio-ökologische Indikatoren

Öko-ökonomische Indikatoren

Quelle: NICOLE, SAGTA,Brundtland-Report, 1987*) incl. demografischer Wandel

Nachhaltigkeit (einige Elemente)

q Mehr als Kosten-Nutzen-Vergleich oder spezifische Sanierungskosten (€/kg oder €/m³)

q Grundstein: Risikoabschätzung

q Aber: Grundwasser = Quelle für Trinkwassergewinnung (→ Grundwasser als Schutzgut)

q Betrachtung in einem räumlich größeren Maßstab

q CO2-Emission

q Künftige städtebauliche Entwicklung

Ü Umfassende Betrachtungsweise

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

Volkswirtschaftliches Optimum

Quelle: UK Environmental Agency 2000

Volk

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Nur Überwachung

Sicherung Beseitigter Schadens-

herd

Komplett-sanierung

Imagine the Result

t.held@arcadis.deTel.: 06151 / 388 - 327

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