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Ökologie

1.1.07 Verbundprojekt SAFIRA – Sanierungsforschung am Modellstandort Bitterfeld

Kohlebergbau und chemische Industrie haben Boden und Grundwasser im Raum Bitterfeld stark geschädigt. Die Erfahrungen der vergangenen 20 Jahre zeigen: Die hydraulische Boden- und Grundwassersanierung ist oft nicht effektiv – gerade bei großen Altlastenflächen, wenn der Schadensherd nicht genau lokalisiert oder nur schwer entfernt werden kann. Der Projektverbund „Sanierungs- Forschung in regional kontaminierten Aquiferen “ (SAFIRA) entwickelt daher am Beispiel des Modellstandorts Bitterfeld-Wolfen neue Technologien und Methoden zur In-Situ-Sanierung von Grundwasser, das mit komplexen Schadstoffgemischen belastet ist.

Noch heute leidet der Raum Bitterfeld-Wolfen unter Altlasten. Der Untergrund an den ehemaligen Industrie- und Deponiestandorten ist verseucht, das Grundwasser auf einer Fläche von rund 25 Quadratkilometern zum Teil hochgradig mit organischen Verbindungen, v.a. Chlorkohlenwasserstoffen (CKW ), kontaminiert. In Bitterfeld reicht diese Kontamination bis in Tiefen von 30 bis 40 Meter und betrifft schätzungsweise 250 Millionen Kubikmeter Grundwasser. Klassische Sanierungsverfahren erfordern meist langwierige und teure Pump- und Aufbereitungsmaßnahmen. Für derart großflächige Kontaminationen und komplexe Schadstoffgemische ist dagegen die In-situ-Reinigung eine interessante Methode, weil das Erdreich nicht ausgehoben und abtransportiert werden muss.

Aktive und passive Methoden

Bei den In-situ-Sanierungsmethoden unterscheidet man zwischen aktiven Technologien (z. B. Bodenluftabsaugung) und passiven Methoden, bei denen während der Sanierung nur wenig oder keine Energiezufuhr benötigt wird. Die am weitesten entwickelte passive Variante sind Reaktionswände. Während diese für einfache Schadstoffgemische bereits erfolgreich im Einsatz sind, besteht für komplexe Gemische noch Entwicklungsbedarf.

Der Projektverbund SAFIRA erkundete die hydrogeologischen und geochemischen Randbedingungen für kostengünstige In-situ-Verfahren und testete diese am Modellstandort Bitterfeld. Die Forscher des UFZ-Umweltforschungszentrums Leipzig-Halle und der Universitäten Dresden, Halle, Kiel, Leipzig und Tübingen konnten auf den Arealen der ehemaligen Bitterfelder Chemieindustrie in einem realen Szenario Technologien für passive Dekontaminationsverfahren entwickeln und testen, inwieweit sie sich für den praktischen Einsatz eignen.

In der Pilotanlage realisierte Verfahrensschritte

In der Pilotanlage realisierte Verfahrensschritte
In der Pilotanlage realisierte Verfahrensschritte
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Die Hauptziele des Projekts waren:

  • Entwicklung und stufenweise Umsetzung effizienter passiver Wasseraufbereitungstechnologien für organische Schadstoffgemische vom Labormaßstab bis zur Pilotanlage.
  • Technisch-ökonomische Optimierung der neuen Technologien einschließlich ihrer Kombination.
  • Demonstration ihrer Langzeitstabilität unter Feldbedingungen.
  • Zusätzlich sollten die tatsächlichen Betriebskosten sowie die umweltrechtlichen und -planerischen Aspekte von In-situ-Reaktionszonen bewertet werden.

Pilotanlage für unterschiedliche Verfahren

Herzstück des Projekts ist eine im Bitterfelder Grundwasser, 23 Meter unter der Geländeoberfläche errichtete Pilotanlage. Dort untersuchten die Wissenschaftler sieben Verfahren, die zuvor im Labormaßstab und im kleinskaligen Feldversuch mit einer mobilen Testeinheit erfolgreich erprobt worden waren:

Diese Verfahren auf den größeren Maßstab der Pilotanlage zu übertragen, erwies sich in einigen Fällen als problematisch. So sind die am Standort vorhandenen Mikroorganismen zwar in der Lage, unter anaeroben Bedingungen Chlorbenzene abzubauen. Die Abbaugeschwindigkeiten waren jedoch für eine Anwendung in der Praxis zu gering, so dass auch Verfahren zur Sauerstoffdosierung entwickelt werden mussten. Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass sich Palladium-Katalysatoren zwar für die schnelle reduktive Dechlorierung eignen, jedoch in sulfathaltigen Grundwässern vor den Produkten der mikrobiologischen Sulfatreduktion wie Schwefelwasserstoff besser geschützt werden müssen. Klassische Adsorbenzien (z. B. Aktivkohle) helfen dabei, Schadstoffe zu entfernen. Die Standzeiten von Reinigungswänden können durch mikrobiologische Besiedelung deutlich verlängert werden. Im Rahmen des Projekts zeigte sich ferner, dass oxidativ-katalytische Verfahren auch zur Behandlung komplexer Schadstoffgemische eingesetzt werden können. Optimierungsbedarf bestand bei Methoden zur Reaktivierung der Katalysatoroberflächen.

Umsetzung in konkrete Sanierungskonzepte

In weitergehenden Untersuchungen passten die Projektpartner ihre Forschungsarbeiten an die je nach Standort sehr unterschiedliche Schadstoffzusammensetzung an, insbesondere an die vielen verschiedenen Substanzen und die hohen Konzentrationen von Einzelstoffen in Bitterfeld. Die neuen Vorhaben konzentrierten sich auf drei Themenbereiche, die den größten Nutzen für zukünftige Sanierungskonzepte im Raum Bitterfeld-Wolfen versprachen:

Im Bereich innovative Sanierungstechnologien entwickelte das Projektteam eine neue Methode, die mittels Vakuumstrippen durch eine Hohlfasermembran Schadstoffe aus der wässrigen Phase in die Gasphase überführt, wo sie hocheffizient katalytisch zerstört werden. Die Technologie bewältigt ein breites Spektrum an Schadstoffen in hohen Konzentrationen. Nach dem erfolgreichen Betrieb einer entsprechenden Pilotanlage an verschiedenen Standorten wurde das Verfahren weiterentwickelt. Dabei stand das Entfernen und Zerstören von verfahrenstechnisch besonders kritischen Substanzen im Vordergrund. Eine neue Technologie soll nun die Behandlung eines speziell kontaminierten Grundwassers in der Region Bitterfeld- Wolfen deutlich vereinfachen. Getestet wird es mittels einer Pilotanlage, die neben einer Verfahrensstufe zur Strippung von Schadstoffen mit Hohlfasermembranmodulen auch Apparaturen zur Realisierung neuartiger Verfahrensschritte zur Entschwefelung der Strippgase (UFZ-Patent) enthält. Die Anlage soll bei komplexen Grundwasserkontaminationen, für die bisher kein ökonomisch sinnvolles Reinigungskonzept vorliegt, Alternativen demonstrieren. Dabei wird der Ansatz des „Treatment Train“ verfolgt, also der intelligenten Verknüpfung modularer Standard- und/oder innovativer Einzelverfahren, um eine ausreichende Gesamtreinigungsleistung zu erreichen.

Ein zweiter Schwerpunkt liegt auf der Kombination verschiedener mikrobiologischer Abbauwege in entsprechend konditionierten Aerob- /Anaerob-Zonen, die den sukzessiven Abbau bestimmter Schadstoffe oder Schadstoffgruppen erlauben. Im Rahmen des dritten Themenfelds wird eine digitale Datenbasis für Bitterfeld erarbeitet, die unter anderem ein geologisches Strukturmodell, die Beschreibung regionaler Grundwasserqualitäten in verschiedenen Zeitabschnitten und landnutzungsorientierte Sanierungsszenarien umfasst.

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ
Prof. Dr. Holger Weiß
Prof. Dr. Frank-Dieter Kopinke
Permoserstraße 15
04318 Leipzig
Tel.: 03 41/2 35-12 53
Fax: 03 41/2 35-18 37
E-Mail: holger.weiss@ufz.de
frank-dieter.kopinke@ufz.de
robert.koehler@ufz.de
Internet: www.ufz.de
Förderkennzeichen: 02WT9911/9
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