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
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
70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
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
70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
-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
nd
e K
on
zen
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
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
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