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Ökologie

1.1.10 Sanierung mit Alkohol – Methoden der Erdölindustrie als Vorbild

Methoden der Erdölindustrie als Vorbild für den Umweltschutz? Dass dies durchaus möglich ist, hat ein Forscherteam in der Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung (VEGAS) der Universität Stuttgart gezeigt. Experten des dortigen Instituts für Wasserbau (IWS) und des Instituts für Hydromechanik der Universität Karlsruhe (IfH) entwickelten eine Sanierungstechnologie auf Alkoholbasis für kontaminierte Grundwasserleiter. Dabei konzentrierten sie sich hauptsächlich auf Kontaminationen mit mittel- bis schwerlöslichen Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Dichte (LNAPL/DNAPL).
Ergebnis ist ein Verfahren, mit dem sich derart verunreinigte Grundwasserleiter „in situ“ – also an Ort und Stelle – reinigen lassen.

Ende der 1980er Jahre wurde klar, dass weltweit zahllose Grundwasserleiter mit Kohlenwasserstoffen verunreinigt sind. Es war aber nur begrenzt möglich, die Methoden der Erdölindustrie für Reinigungszwecke weiterzuentwickeln. Dies lag einerseits am hochgesteckten Sanierungsziel „100-prozentige Reinigung“, aber auch daran, dass die in der Industrie verwendeten chlorierten Kohlenwasserstoffe (CKW ) eine größere Dichte als Wasser aufweisen. Sie gehören zu den sogenannten Dense Non Aquous Phase Liquids (DNAPL). Somit können Mittel zur Reduzierung der Grenzflächenspannung Schadstoffe unkontrolliert mobilisieren, die dann tiefer liegende Grundwasserleiter verunreinigen. Damit würde sich das Umweltproblem weiter verschärfen.

Bestimmte Alkohole aber verhindern, dass sich CKW unkontrolliert in Bewegung setzen. Somit rückten Alkoholspülungen für die In-situ-Grundwassersanierung wieder ins Blickfeld. Wirtschaftlich vertretbar ist diese Methode jedoch nur, wenn sich Alkohole finden, die einen schnellen und kontrollierten Schadstoffaustrag in gelöster Form oder als freie Phase ermöglichen und bei der Sanierung zurückgewonnen sowie mehrmals eingesetzt werden können.

Die Alkoholspülung bei LNAPL-kontaminierten Grundwasserleitern

Die Alkoholspülung bei LNAPL-kontaminierten Grundwasserleitern
Die Alkoholspülung bei LNAPL-kontaminierten Grundwasserleitern
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Großskalige Versuche

In dem vom BMBF geförderten Projekt „Entwicklung einer weitergehenden Grundwassersanierungstechnologie zur Abreinigung von anthropogenen chlorierten Kohlenwasserstoffen hoher Dichte (CKW) durch Alkoholinjektion“ testeten die Wissenschaftler von IfH und VEGAS, ob sich Alkoholspülungen für die Sanierung eignen und wie sie zu dimensionieren sind. Forschungsschwerpunkte waren Effizienz, Stabilität des Cocktails (Entmischbarkeit), Herstellungskosten und vor allem die hydraulische Kontrollierbarkeit. Dies bedeutet einerseits, dass ein Alkoholcocktail mit seinen spezifischen physikalischen Eigenschaften gezielt zum Schadensherd transportiert werden muss, und andererseits, dass eine unkontrollierte Mobilisierung des Schadstoffs zu vermeiden ist. Das IfH untersuchte, was geschieht, wenn Alkoholcocktails räumlich gezielt in einen kontaminierten Grundwasserleiter injiziert werden, und ob die Auswirkungen kontrollierbar bleiben. Um diese Fragen zu klären, führten die Experten beider Institute unter anderem zwei großskalige Versuche unter realitätsnahen Bedingungen durch.

In einem 6 x 3 x 4 Meter großen Behälter brachten die Forscher ein Gemisch von Kohlenwasserstoffen (BTEX ) mit geringer Dichte (LNAPL) so aus, dass der Schadstoff in residualer Sättigung – also durch Kapillarkräfte „gefangen“ – unter der Wasseroberfläche sowie als aufschwimmende Phase vorlag. Über einen Horizontalbrunnen injizierten sie nun eine Alkohol-Wasser-Mischung (Isopropanol und Wasser im Verhältnis 60 : 40) gezielt in den künstlichen Grundwasserleiter. Der Alkohol durchströmte den kontaminierten Bereich und löste den Schadstoff, der dann über zwei Vertikalbrunnen abgepumpt werden konnte. Das Ergebnis: Fast 90 Prozent ließen sich entfernen.

Große VEGAS-Rinne (Alkoholspülung bei DNAPL-Schadensfall)

Große VEGAS-Rinne (Alkoholspülung bei DNAPL-Schadensfall)
Große VEGAS-Rinne (Alkoholspülung bei DNAPL-Schadensfall)
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In weiteren Versuchen bauten die Wissenschaftler in einem heterogenen künstlichen Grundwasserleiter im Großbehälter (9 x 6 x 4,5 m) eine CKW-Schadstoffquelle (TCE) ein. Über einen Grundwasserzirkulationsbrunnen injiziierten sie im unteren Aquiferbereich einen Alkoholcocktail. Gleichzeitig wurde über denselben Brunnen im oberen Bereich die Alkohol-Wasser-Schadstoffmischung abgezogen. Auch hier schafften es die Wissenschaftler, über 90 Prozent des Schadstoffs zu entfernen – in gelöster, aber auch in mobilisierter Form. Hervorzuheben ist, dass dabei keine unkontrollierte vertikale Verlagerung des Schadstoffs nach unten stattfand.

Um Kosten und Abwassermenge zu reduzieren, werden die verwendeten Alkohole recycelt. Dazu entwarf und baute das Projektteam eine Abwasseraufbereitungsanlage.

Reinigungsstarke Alkoholcocktails

Aufgrund ihrer erfolgreichen Versuche können die Forscher nun genauere Aussagen dazu machen, welche Alkoholcocktails sich für welchen Sanierungsfall eignen. Für CKW-Schadensfälle beispielsweise empfiehlt sich ein Cocktail aus 2-Propanol (54 Volumenprozent), 1-Hexanol und Wasser (beide je 23 Volumenprozent). Mit dieser Mischung konnte das Bodenmaterial in allen Versuchen sicher und effizient gereinigt werden. Die erforderliche Anfangskonzentration des Gemischs hängt von den Strömungsverhältnissen und der Heterogenität des Bodens ab. Beachtet werden muss: je höher der Alkoholanteil, desto teurer die Sanierung. Je niedriger er ist, desto größer die Gefahr, dass sich der Cocktail entmischt.

KOMPLEXE EINSATZSZENARIEN

Basierend auf den Versuchsdaten stellten die Projektpartner schließlich mathematische Gleichungen für die Abhängigkeit der Dichte, Viskosität und Grenzflächenspannung von Temperatur und Mischungsverhältnis auf. Sie dienen derzeit dazu, das numerische Modell MUFTEUG (Multiphase Flow, Transport and Energy ModelUnstructured Grid) am Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung des IWS um ein Modul zu erweitern, das eine komplexe Mehrphasen-/Mehrkomponentenströmung simulieren kann.

Projekt-Website www.vegasinfo.de

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Fakultät für Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften
Institut für Hydromechanik
Prof. Gerhard H. Jirka
Kaiserstr.12
76128 Karlsruhe
Tel.: 0721/608-2200
Fax.: 0721/608-2202
Förderkennzeichen: 02WT0065

Universität Stuttgart
Institut für Wasserbau, VEGAS

Pfaffenwaldring 61
70550 Stuttgart
Tel.: 07 11/6 85-6 47 17
Fax: 07 11/6 85-6 70 20
E-Mail: vegas@iws.uni-stuttgart.de
Förderkennzeichen: 02WT0064

Wissenschaftlicher Leiter VEGAS
Dr. Jürgen Braun
Tel.: 07 11/6 85-6 70 18
E-Mail: juergen.braun@iws.uni-stuttgart.de

Technischer Leiter VEGAS
Dr.-Ing. Hans-Peter Koschitzky
Tel.: 07 11/6 85-6 47 16
E-Mail: hans-peter.koschitzky@iws.uni-stuttgart.de
Water as a resource
Schnellübersicht
Projekt-Website

www.vegasinfo.de