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Ökologie

1.1.11 Wärme als Beschleuniger – Heizlanzen machen Bodenschadstoffen Dampf

Hohe Temperaturen sind ein gutes Mittel, um belastete Böden von Schadstoffen zu befreien. Das haben Forscher der Versuchseinrichtung zur Grundwasserund Altlastensanierung (VEGAS) im Institut für Wasserbau an der Universität Stuttgart bewiesen. Ihre Technologie zur thermischen In-situ-Sanierung (THERIS), eines der thermischen Sanierungsverfahren, reinigt kontaminierten Untergrund durch starke Wärmezufuhr schneller als konventionelle Verfahren der „kalten“ Bodenluftabsaugung. In der Versuchseinrichtung VEGAS (siehe Projekt 1.1.09) haben Experten im Rahmen eines Forschungsprojekts beide Verfahren miteinander verglichen – mit eindeutigem Ergebnis.

Mittel- bis schwerlösliche, flüssige Kohlenwasserstoffe (LNAPL/DNAPL) vergiften den Boden und gefährden das Grundwasser. Zur Sanierung setzen Grundstückseigentümer häufig die sogenannte Bodenluftabsaugung (BLA) ein. Dabei werden die Schadstoffe, die bei ausreichend hoher natürlicher Temperatur in Gasform übergehen, über Rohre (Bodenluftpegel) zusammen mit der Luft aus dem belasteten Untergrund abgesaugt. In einer Abluftbehandlungsanlage wird der Schadstoff vor Ort aus der kontaminierten Bodenluft herausgefiltert und entsorgt. Die gereinigte Luft gibt die Anlage an die Atmosphäre ab. Diese Methode stößt jedoch schnell an ihre Grenzen: Die organischen Schadstoffe gehen bei den üblicherweise im Boden herrschenden Temperaturen von etwa zehn Grad Celsius nur in geringem Maß von der Flüssig- in die Gasphase über, was den Reinigungsprozess stark verlangsamt und verteuert. Außerdem sind feinkörnige Böden, in denen die Schadstoffe meist angereichert vorliegen, nicht durchlässig genug. Die Bodenluft lässt sich dann schlecht absaugen. Bei vielen dieser Anlagen ist nach mehreren Jahren noch immer ungewiss, ob sie das Sanierungsziel erreichen werden.

Wärmezufuhr fördert den Schadstoffaustrag

Prinzip des THERIS-Verfahrens

Prinzip des THERIS-Verfahrens
Prinzip des THERIS-Verfahrens
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Überwinden lassen sich diese Probleme mittels Wärmezufuhr, zum Beispiel über feste Wärmequellen, wie die elektrisch betriebenen Heizlanzen, auf denen das THERIS-Verfahren basiert. Heizt sich der Boden auf, gehen Schadstoffe schneller in die Gasphase über und werden auch aus geringer durchlässigen Bodenbereichen ausgetragen. Über die BLA werden die mit der Bodenluft vermischten gasförmigen Schadstoffe direkt aus dem Untergrund abgesaugt. Die abgesaugte, kontaminierte Bodenluft wird vor Ort (on-site) gereinigt. Einsatzgebiete für THERIS sind unterschiedliche Bodenarten, vor allem Lockergesteine (Sand, Schluff, Lehm) in der Bodenzone oberhalb des Grundwassers, der sogenannten ungesättigten Bodenzone. Im Gegensatz zum thermischen In-situ-Sanierungsverfahren – der Dampf- oder Dampf-Luft-Injektion – wird bei THERIS kein Wärmeträgermedium injiziert. Dadurch können mit THERIS auch mächtige, gering durchlässige Bodenschichten aufgeheizt und gereinigt werden. Vergleichende Untersuchungen im Großbehälter der VEGAS-Versuchseinrichtung und an einem Feldstandort sollten nun klären, wie sehr sich BLA und THERIS in Sanierungszeit, Zielerreichungsgrad und Energieverbrauch unterscheiden.

Experiment im VEGAS-Großbehälter

Die Forscher erprobten das THERIS-Verfahren zunächst in einem 150 Kubikmeter großen Behälter der VEGAS-Versuchseinrichtung, der mit einem geschichteten Bodenaufbau gefüllt und mit Messinstrumenten bestückt war. In die einen Meter mächtige, gering durchlässige Feinsandschicht infiltrierten sie lokal begrenzt 30 Kilogramm des Schadstoffs Trimethylbenzol (TMB, Siedepunkt 169 °C).

Zuerst betrieben sie für zwei Monate eine kalte Bodenluftabsaugung. Anschließend gingen vier quadratisch angeordnete, feste Wärmequellen (THERIS) in der Feinschicht in Betrieb, die bis zu 500 °C heiß werden. Die BLA lief mit konstanter Absaugrate weiter. Als nach nur 20 Tagen das TMB vollständig entfernt war, lagen die Bodentemperaturen zwischen den Heizelementen nicht einmal bei 100 °C.

Sanierung im Feldversuch

Anwendungsbereiche des THERIS-Verfahrens

Anwendungsbereiche des THERIS-Verfahrens
Anwendungsbereiche des THERIS-Verfahrens
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Zusätzlich starteten die Forscher einen Feldversuch. In einer etwa 3,5 Meter mächtigen Lehm-Mergel-Schicht befanden sich auf rund 80 Quadratmetern Fläche nach mehrjährigem Betrieb einer kalten BLA noch CKW in hohen Konzentrationen, vornehmlich Perchlorethen (PCE, Siedepunkt 121 °C). Zunächst wurde etwa eine Woche lang die BLA unverändert weiterbetrieben. Dann kamen die 22 Heizlanzen der mit modernster Mess-, Regelungs-, Datenerfassungs- und Übertragungstechnik ausgestatteten THERIS-Anlage zum Einsatz. Sie erwärmten den Boden gleichmäßig, und zwar relativ unbeeinflusst von geologischen Strukturunterschieden. Schon nach einem Monat waren etwa 80 °C, nach zwei Monaten großteils über 90 °C erreicht. Mit der BLA saugten die Forscher die von THERIS mobilisierten gasförmigen Schadstoffe ab.

THERIS hat die Nase vorn

Die Auswertung der Versuche ergab: THERIS spart im Vergleich zur kalten BLA rund 90 Prozent der Sanierungszeit und zwei Drittel der Energie ein. Vorhandene Unterschiede in den Absolutwerten zwischen Großbehälter und Feldanwendung gehen auf Standortfaktoren wie Geologie, Schadstoffart und -verteilung sowie Anlagenspezifika (z. B. Brunnenanordnung) zurück.

THERIS reinigt selbst gering durchlässige Böden in wenigen Wochen schnell, zuverlässig und nachhaltig. Eine signifikante Leistungssteigerung bewirken vor allem

  • die höhere Gasdurchlässigkeit und effektivere Diffusion aufgrund des getrockneten Bodens sowie
  • der durch die höheren Temperaturen beschleunigte Übergang der flüssigen Kohlenwasserstoffe in die Gasphase.

Heizlanzen und Bodenluftabsaugpegel beim Einbau in den Großbehälter

Heizlanzen und Bodenluftabsaugpegel beim Einbau in den Großbehälter
Heizlanzen und Bodenluftabsaugpegel beim Einbau in den Großbehälter
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Die Robustheit der THERIS-Anlagen erlaubt es, sie schnell zu installieren und sicher und wetterunabhängig zu betreiben. Die Installationskosten liegen – bedingt durch den Einbau von Heizelementen und Monitoringsystemen – höher als bei der kalten Bodenluftabsaugung. Diesen Mehrkosten stehen durch die kürzere Sanierungszeit aber geringere Betriebs- (für Energie, Anlagenmiete etc.) und Personalkosten gegenüber.

Projekt-Website www.vegasinfo.de

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: 02WT0266

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
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www.vegasinfo.de