Mechanische Bodenbearbeitungsverfahren zur Verbesserung der Sanierungseffizienz bei in situ Maßnahmen

Abstract

Die Sanierung von Boden- und Grundwasserkontaminationen durch in situ Maßnahmen (meist eine Spülung des Untergrundes mit Wasser oder Luft) hat sich in sehr vielen Fällen als uneffektiv erwiesen. Ursache hierfür sind die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Schadstoffe und die Heterogenität des Untergrundes, die insbesondere die Verteilung der Schadstoffe bestimmt. Diese wiederum beeinflußt in hohem Maße die Schadstoff-Freisetzungsraten, die entscheidend für die Sanierungseffizienz sind. Im Schadenszentrum treten weit verbreitet organische Flüssigphasen DNAPLs (dense non aqueous phase liquids) oder LNAPLs (light non aqueous phase liquids) auf, die entweder als tröpfchenförmig verteilte residuale Phase ('Blobs') oder als kohärente Lachen ('Pools') vorliegen. In Abwesenheit von organischer Flüssigphase stellen gering permeable Bereiche im Untergrund, die bei alten Verunreinigungen über lange Zeiträume Schadstoffe akkumulieren konnten, eine langanhaltende Schadstoffquelle dar. Durch die Anwendung der mechanischen Bodenbearbeitung sollen die durch die Heterogenitäten des Untergrundes bedingten geringen Freisetzungsraten gesteigert und somit die Sanierungseffizienz erhöht, bzw. die Sanierungszeit deutlich reduziert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden an ungestörten, gestörten sowie künstlich kontaminierten Bodenproben in Säulenversuchen die Schadstoff-Freisetzungsraten vor und nach einer mechanischen Bodenbearbeitung bestimmt. Dabei wurden verschiedene Kontaminanten, sorbiert und in Phase sowohl in der gesättigten als auch in der ungesättigten Zone berücksichtigt.

Die Untersuchungen zeigten, daß die Effizienz der mechanischen Bodenbearbeitung und damit die Verkürzung der Sanierungszeit stark vom Schadensbild abhängt. Die Anwendung der mechanischen Bodenbearbeitung in der gesättigten Zone mit DNAPLs oder LNAPLs ist von der Sättigungskonzentration der Schadstoffe und der Abstandsgeschwindigkeit des Grundwassers abhängig, da diese den Sanierungszeitraum bestimmen. So können z.B. PAK-Schadensfälle trotz maximaler Freisetzungsrate aufgrund der geringen Löslichkeit der Schadstoffe und der geringen Abstandsgeschwindigkeit des Grundwassers nicht in überschaubaren Zeiträumen saniert werden.

Die größte Steigerung der Sanierungseffizienz durch den Einsatz der mechanischen Bodenbearbeitung läßt sich bei der diffusionskontrollierten Schadstoff-Freisetung aus gering permeablen Bereichen in der ungesättigten Zone erzielen. Hier konnten die Schadstoff-Freisetzungsraten auch bei der Anwesenheit von residualer Phase entscheidend erhöht werden. Die dazu notwendige hohe Abstandsgeschwindigkeit einer mobilen Phase ist nur mit Luft im ungesättigten Bereich möglich.

Die Anwendung der mechanischen Bodenbearbeitung zur Verbesserung der Sanierungseffizienz bei in situ Maßnahmen ist daher nach den Ergebnissen dieser Arbeit auf die ungesättigte Zone beschränkt.

At many contaminated sites remediation did not result in successful decontamination even within long time periods. This is to some extent due to subsurface heterogeneities. Low permeability zones in the subsurface, e.g. silt- and clay lenses, are not readily reached by advection of a mobile phase (soil air or groundwater). The release of contaminants in these regions is limited by molecular diffusion in aqueous phase, which is a very slow process resulting in very long remediation times. Release of contaminants from residual phase which is determined by size and distribution of liquid phase blobs in the porous medium depends on the interfacial area between the mobile and residual phase.

Mechanical treatment causes a homogenization of soils which allows a more uniform advective flow and reduces channeling effects. Mechanical treatment also leads to a size reduction of soil aggregates and thus shortens diffusive distances into the mobile phase. Another effect of mechanical treatment is an increase of the interfacial area between the residual phase and the mobile phase. This results in an increase of the contaminant fluxes, e.g. during an in-situ soil vapor extraction.

In this dissertation results from a series of column experiments with disturbed and undisturbed soil samples are presented. The data obtained from this experiments show that mechanical treatment in the saturated Zone is not suitable as a efficient remediation technique. Because of the low water solubilities of organic compounds in water and the limited groundwater flow rates induced by pumping through the treated zones only a miner reduction of contamination content is reached during remediation. However, mechanical treatment in the unsaturated Zone combined with soil vapor extraction increases the flux of VOC (Volatile Organic Compounds) and thus leads to much shorter remediation times less than an hour due to high flow rates of air. The remediation times depend on the diffusion rate constant Da/a2 which can be strongly influenced by the mechanical treatment.

The removal efficiency of the mechanical treatment in the unsaturated Zone was found to be dependent on contaminant/media properties (e.g., Pore size, water content, sorption) and the intensity and duration of treatment. For improvement of the efficiency of soil decontamination, the application of the mechanical treatment in the unsaturated Zone seems to be a promising remediation technique.