MNA-Konzepte - Grundlagen & Vorgehensweise -

System- und Prozessverständnis

Dr. Thomas Held, ARCADIS Deutschland GmbH

Bundesweite Fortbildung für Bodenschutzbehörden sowie für interessierte Sachverständige und Pflichtige

LABO Förderprojekt B 4.13 des Länderfinanzierungsprogramms „Wasser, Boden und Abfall“ www.laenderfinanzierungsprogramm.de

Konzeptionelles Standortmodell (Beispiel)

Stauhorizont

Wartungsgrube Untergrundtank

Sandaquifer

Auelehm

Sand

Auffüllung

AKW

LCKW

Bilanzraum muss so groß sein, dass alle Rezeptoren dargestellt werden können

Zusammenführen aller Daten zur plausiblen Erklärung

von Schadstoffverteilungs- und Abbauprozessen

(→ Konzeptionelles Standortmodell)

Schadstoffeigenschaften

Transportprozesse

Geologie

Hydrogeologie

Konzentrationsminderungsprozesse

Abbau (biologisch, chemisch)

Sorption

Immobilisierung

Prozessverständnis

Quelle: Enfield, C.G., 2001. Source reduction by flushing presentation, DNAPL Source Remediation Workshop, Dallas, TX.

Schadstoffquelle (Quellenarchitektur)

Quellbereich

Kontrollebene*

Hoch belastet

Gering belastet

*i. d. R. außerhalb der Quelle

Konzentrationsminderungsprozesse

* u.a. 1,1,1-TCA-Zerfall, Abbau von LCKW an Eisenmineralen

Verdünnung

Sorption

Diffusion

Verflüchtigung

Physikalisch Chemisch-Biologisch

Sequestrierung v. Metallen

Mikrobieller Abbau

Abiotischer Zerfall/Abbau* Destruktive

Prozesse

Schadstofffahne

Transport

Einfluss von Fluss-Hochwasser (Fall 1)

„Schlingern“ der Fahnenausbreitung an der Spitze

Deutliches Abschwenken über längere Zeiträume oft auch Folge von

Änderungen des Förderregimes von Wasserwerken

Hohe Variabilität der Milieu-Bedingungen im Fahnenrandbereich

Variabilität der Schadstoffkonzentrationen an einzelnen Messstellen

Wahrscheinlich aerobe cDCE/VC-Mineralisierung

LCKW-Fahne mit VC/cDCE an

der Fahnenspitze

Stromröhren (Fall 2)

• Altablagerung mit Aufhaldung durch Abfallumlagerung

• Abweichen der lokalen von der großräumigen Grundwasserströmung

Vertikalströmungen (Fall 2)

• BTEX, PAK, DOC u.a.

• Keine DNAPL

Durchgehend reduzierende

Bedingungen über die

Vertikale induzierte

Vertikalströmung nach unten

Vertikalströmung oft so

gering, dass sie nicht

messbar ist (Flowmeter)

Quelle: T. Held, Handbuch der Altlasten, 69. AL, Nr. 5854, 2013

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Niv

ae

u [

m ü

. N

N]

Temperatur [°C], pH [-], Gelöster O2 [mg/L], Electrische Leitfähigkeit[mS/cm]

Temperatur pH Gelöster Sauerstoff Eöektrische Leitfähigkeit

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-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250

Niv

ae

u [

m ü

. N

N]

Redoxspannung [mV]

Grundwasserfließrichtung

(saisonale Variation)

Grundwasserabstandsgeschwindigkeit

(saisonale Variation)

Vertikalströmung

MNA-Parameter

Hydrogeologie (Mindestdatensatz)

Transport und Schadstoffminderung

Realistisches Konzept

gelö

ster

Sch

adst

off

e

Stei

gen

de

Ko

nze

ntr

atio

n

Massenzentrum

Quellenebene

Fahneneinhüllende

Quelle: Payne, F.C., Quinnan, J.A., Potter, S.T. (2008) Remediation Hydraulics. CRC Press, Boca Raton, FL, USA

Transport und Schadstoffminderung

Erweitertes realistisches Konzept

Gereifte Fahne

Frühes Stadium der Fahnenentwicklung

Ste

ige

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e K

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trat

ion

ge

löst

er

Sch

adst

off

e

Nach der Entfernung der Quelle

→ Einfluss auf Frachtenbetrachtung

Quelle: Payne, F.C., Quinnan, J.A., Potter, S.T. (2008) Remediation Hydraulics. CRC Press, Boca Raton, FL, USA

Diffusion: Zeitskalen

Quelle: Grathwohl, 2001

Der Prozess ist sehr

langsam im Vergleich zur

Grundwasserströmung

Er führt zu vergleichsweise

geringen Konzentrationen

und Frachten

Fracht abhängig von der

Größe der Grenzflächen

Langzeitreservoir

Schadstofffahne

Abbau

Biologischer Abbau (Redoxreaktion)

Mineralisierung

Corg + Eox + H2O CO2 + Ered + H2O + Biomasse

Corg = Elektronendonator (z.B. nicht-chlorierter Schadstoff oder Melasse)

Eox = Elektronenakzeptor

Ered = „Verbrauchter“ (reduzierter) Elektronenakzeptor

MKW, AKW, PAK,

niederchlorierte LCKW, DOC…

Höherchlorierte LCKW, Chloraromaten, ..

Verlauf Redoxindikatoren (Beispiel)

Auf Fahnenachse verminderte Konzentration der Elektronenakzeptoren und

erhöhte Konzentration der Reaktionsprodukte

Redoxprozesse verlaufen nahezu gleichzeitig

Redoxindikatoren

Oft hochauflösende Beprobung erforderlich

Mitunter keine hinreichende Aussage möglich, welcher

Redoxprozess an welchem Ort vorliegt

Für den Abbau LCKW erforderliches geeignetes

biogeochemisches Milieu aber dennoch meist

nachweisbar

Konkurrenzsubstrat: DOC (Metabolite, natürlicher Corg

)

Nur Konzentrationsänderungen entlang einer

Fließstrecke erlauben Aussagen zur Zehrung der

Elektronenakzeptoren/-donatoren und Schadstoffe

(→ Punktkontamination)

Abbaunachweis: BacTraps (Punktmessung)

FSME und 13

C-Marker

4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00

Anwendungsbeispiele:

Chlorbenzol (anaerob)

Benzol (denitrifizierend)

cDCE (aerob)

Quelle: T. Held, Handbuch der Altlasten, 69. AL, Nr. 5854, 2013

Fingerprints: Indikator für anaeroben Abbau B

ei P

AK

akku

mu

liert

Acen

ap

hth

en

, (F

luo

ren

)

Quelle: T. Held, Handbuch der Altlasten, 69. AL, Nr. 5854, 2013

Abbaunachweis: Anaerober Ammoniumabbau

Nitrifikation NH3 + 2 O2 NO3- + H+ + H2O

Denitrifikation NO3- + 6 H+ + 6 e- N2 + 3 H2O

Anammox NH4+ + NO2

- N2 + NO3- (nicht stöchiometrisch)

Nitrifikation Denitrifikation

Anammox Anammox

qPCR (Fall 1)

d15N: 15,5 ‰

Nachweis eines Abbau„potentials”

qPCR-Anwendungsbeispiele:

NH4+, LCKW (reduktiv), cDCE (aerob), MTBE-Mineralisierung, nicht VC aerob

d15N: ca. 7,5 ‰

Quelle: T. Held, Handbuch der Altlasten, 69. AL, Nr. 5854, 2013

Sonderfall LCKW

Reduktive Dechlorierung von Tetrachlorethen (PCE)

C C

Cl

Cl

Cl

Cl

C C

H

Cl Cl

ClH+, e

-22

HCl

C C

H

Cl H

Cl

C C

H

Cl Cl

H

C C

H

Cl

H

H

H+, e

-22

HCl

Tetrachlorethen

(PCE) (TCE)

Trichlorethen

(trans-1,2-DCE)

trans-1,2-Dichlorethen

cis-1,2-Dichlorethen

(cis-1,2-DCE)

+H

+, e

-22

HCl

HClH

+, e

-22

Vinylchlorid

(VC)

C C

H

H

H

H

Ethen

PCE.CW 2

+

(1,1-DCE)

1,1-Dichlorethen

C C

Cl

Cl

H

H

Erfordert sulfatreduzierende bis methanogene Bedingungen !

PCE → TCE → cDCE → VC → Ethen

100 µg/L → 79 µg/L → 59 µg/L → 38 µg/L → 17 µg/L

0,61 µmol/L → 0,61 µmol/L → 0,61 µmol/L → 0,61 µmol/L → 0,61 µmol/L

Vollständiger LCKW-Abbau

Einflussparameter

Eintragsmassen (LCKW)

Eintragsmassen (Corg)

Redoxmileu (Hintergrund)

Sekundäreinträge

Art der Abbauprozesse

Quelle: T. Held, Grundwasser 13, 158-166, 2008

Ko

nze

ntr

atio

n

PCE TCE cDCE VC Ethen

Ko

nze

ntr

atio

nK

on

zen

trat

ion

Entfernung zur Quelle

NA uneingeschränkt wirksam

NA wirksam, wenn aerobe / abiotische

Mineralisierung nachweisbar ist

NA nicht wirksam

Elektronendonator

Schadstofffahne

Stationarität der Fahne

Stationarität der Fahne

Voraussetzung: Abnahme der Frachten entlang verschiedener

Kontrollebenen

Trendanalysen

Konzentration vs. Zeit (definierte GWM)

Konzentration vs. Entfernung

Statistik (Lineare Regression, Mann Kendall, Sen’s Slope)

Fahnenkartierung (flächige Ausdehnung zu verschiedenen Zeiten)

Zeitliche und räumliche Prognose erfordert numerische Modelle, die

auch den reaktiven Schadstofftransport berücksichtigen

K

on

ze

ntr

ati

on

Entfernung

Fazit (Prozessverständnis)

Es stehen zahlreiche unterschiedlich aufwändige und

unterschiedlich kostenintensive Methoden zur Verfügung

Auswahl der erforderlichen Methoden richtet sich nach den

standortspezifischen Gegebenheiten

Bei der Auswahl der Methoden Verhältnismäßigkeit beachten