Bioremediation (2): Techn. Grundlagen – - Case Studies
Bioremediation (2):
Techn. Grundlagen –
- Case Studies
Übersicht: in-situ Bioremediation (= BR)
1. Techn.-gesteuerte BR 2. Ausnutzen von intrins.
Prozessen
3. Phyotoremediation
= Engin. BR
= Enhanced BR = Intrinsic BR
= Monitored Natural
Attenuation (NA)
Vorlesung: NA Injektion von EA‘s, ED‘s +
Nährstoffen
Flüssigphasen-
Injektion
Gasphasen-
Injektion
Injektion über
Festphasen
O2, H2 in gelöster Form
H2O2-Injektion,
Injectionsbrunnen
Bioventing (unges. Zone)
Biosparging (ges. Zone)
O2, H2 im gasförmigen Zustand
Über Injectionsbrunnen
Reaktive Wände
ORC‘s, HRC‘s
In situ - Bioremediation:
Technische Realisierungen
Luftinjektion zur Stimulierung des
aeroben Abbaus
Vorlesung: Reaktive Wände Gaswand
Welche Prozesse ? Charakterisieren Sie Injektion!
H2O2-Injektion zur Stimulierung
des aeroben Abbaus
Welche Prozesse ? Charakterisieren Sie Injektion!
Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers
UFZ: Degradation of chlorobenzene by autochtonous bacteria
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
01.12.99 01.02.00 01.04.00 01.06.00 01.08.00 01.10.00 01.12.00 01.02.01
[MC
B](
ou
t/[M
CB
](in
)
Reactor A Reactor B
Start NO3-- Dosage
Start H2O2-Dosage
End H2O2-Dosage
to reactor A
MCB - Monochlorobenzene
Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers
Welche Prozesse ? Welche Elektronenakzeptoren ?
Kombinierte Technologien:
Nährstoffinjektion
+ Biosparging
+ Bodenluftabsaugung (SVE)
Welche Prozesse ? Charakterisieren Sie Injektion!
Bioremediation: Case Study Auensee Gekoppellte ED-EA-Technologie zur
Sanierung eines PCE/TCE-Schadens
- aktuelles Kooperationsprojekt zwischen UFZ + 2 KMU‘s
- Wollen Schritt für Schritt Sanierungsprojekt verstehen!
- aktuelles und applikationsnahes SAN-Forschungsprojekt
- Exkursion: 22./23.6.
TCE PCE TCA
Übungsaufgabe: Bioremediation
Dechlorierungsreaktion: PCE + 2e- + H+ TCE + Cl- : (kPCE)
TCE + 2e- + H+ DCE + Cl- : (TCE)
Differentialgleichungen für „Parents-Daughter-Reaction“:
PCE
PCE
PCEPCE
PCE
PCE CR
k
x
C
R
u
t
C
PCE
TCE
PCETCE
TCE
TCETCE
TCE
TCE CR
kFC
Rx
C
R
u
t
C
Reine Advektion:
Steady-state-Lösung:
C(x,t) – Konzentration (mg/l), k – Abbaurate (1/Tag),
u – Abstandsgeschwindigkeit (m/Tag)
EXCEL-file: steady-state (siehe ÜA25 Bioremediation!)
x
u
kxCxC PCE
PCEPCE exp)0()(
x
ux
u
k
k
xCkFxC TCEPCE
PCETCE
PCEPCETCE
expexp
)0()(
Klausuraufgabe: Berechnen Sie die Länge einer stationäre Benzenfahne, die
als Fahnentyp III klassifiziert wurde ? u = 0.1m/d, Cmax = 1750 mg/L, k = 0.1 1/day
Keine Zeitabhängigkeit!
x
u
kxCtkFxC PCE
PCEPCETCE exp)0()(
PCETCE k
PCETCE k
Bioremediation:
Case Study „Auensee“
Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,
Projektunterlagen
Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse
- Abbildung zeigt PCE-Quelle (ehem. Chem. Reinigung) und Isohypsen (GWL 1)
- Wie führen Sie eine Risikoeinschätzung durch ?
- Zeitskalen? Welche Parameter benötigen Sie? Qualitative Diskussion!
Naherholungsgebiet
500 m
1 : 10000
1 cm : 100 m PCE-Quelle
Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse
Geologische Struktur
- Abbildung zeigt: Aquifer-Aquitard-Schichtung
- Charakterisieren Sie mögliche Kontaminationen (Quelle, Fahnentyp) für die
geologische Schichtstruktur! (PCE/TCE)
- Welche Sanierungstechnolgien sind ungeeignet und welche schlagen Sie vor?
?
Quelle Rezeptor
Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,
Projektunterlagen
Case Study: 2.2. LHKW-Kontaminationsuntersuchungen Grundwasser
?
Quelle Rezeptor
Schadstoffszenario: Infiltration von DNAPL, kontinuierliche Quelle: Kohleflöz,
Vermutlich DNAPL-Pool an Aquiferbasis (Aquitard: Rupelton)
Oberer GWL Unterer GWL
CPCEmax = 155 mg/L!
Was vermuten Sie für CPCE > 100 mg/L?
Case Study: 2.3. Ergebnisse der Quelltermuntersuchungen
Case Study: 2.4. – 2.5.:
Transportzeiten, Schadstofffrachten, Risikoabschätzungen,
Sanierungsziele
- Warum ist Transportzeit und Schadstofffracht notwendig, um
das Risiko abzuschätzen und realistisches SAN-Verfahren/Ziel festzulegen?
qualitative und quantitative Diskussion!
Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse
hydraulische Leitfähigkeit (kf-Wert)
- Schätzen Sie lokale Ausbreitungsgeschwindigkeit für oberen GWL ab!
- Welchen Prozeß, welches Gesetz?
- Welches sind realistische kf-Werte (Unsicherheit)?
- Woher eff. Porosität?
Totale und effektive Porosität
Skript
Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse
Naherholungsgebiet
500 m
1 : 10000
1 cm : 100 m
- Schätzen Sie lokale Ausbreitungsgeschwindigkeit für oberen GWL ab!
Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,
Projektunterlagen
Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten
nur mit Hilfe des Schadstoffszenarios (Quellen- und Fahnentyp)
und der Schadstofffracht können geeignete Sanierungsverfahren
„rational“ festgelegt werden
letztes Kriterium: Kosten-Analyse
Rechnung und Formeln!
2 Methoden: 1. Abschätzung über Feldmessungen (q und cS)
2. Säuleneperimente mit Bohr-Liner (q und cS(t) )
Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten:
Bilanzebenen und Hauptstrombahnen
Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten
Ist diese Annahme zulässig ?
Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten:
Retardationsfaktoren Sorption an OC !
Beachte: Retardation reduziert q und damit Schadstofffracht!
Kd R
Case Study: 2.5 Abschätzung der Schadstofffrachten:
Retardationsfaktoren Sorption an OC !
Beachte: Retardation reduziert q und damit Schadstofffracht!
Berechnen Sie die spezifische Schadstofffracht für oberen GWL und BK-Flöz !
Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,
Projektunterlagen
Diskussion des Risikos für Schutzgut Grundwasser (Zeitskalen, siehe ÜA) entlang
des Bewertungsprofils (Quelle – Rezeptor) – d.h. entlang der Hauptstrombahn –
und Betrachtung verschiedenen Gefährdungszonen ( Sanierungszonen)
Case Study: 2.6 Gefährdungsabschätzung (ÜA 1, 22),
Festlegung von Sanierungszonen und Sanierungszielen
Case Study: 2.6 Gefährdungsabschätzung (ÜA 1, 22),
Festlegung von Sanierungszonen und Sanierungszielen
Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,
Projektunterlagen
Case Study: 3. Vorauswahl grundsätzlich geeigneter Sanierungsverfahren
Case Study: 3. Vorauswahl grundsätzlich geeigneter Sanierungsverfahren
entspricht den Vorlesungsthemen!
Case Study:
Gekoppellte ED-EA-Technologie zur
Sanierung eines PCE/TCE-Schadens
- aktuelles Kooperationsprojekt zwischen UFZ + 2 KMU‘s
Darstellung:
Legende:
Sanierungsprinzip
08.01.2009
Zirkulationsbrunnen
Gasinjektionslanze
Filterbereich
Schematische
Ausbreitung H2
Schematische
Ausbreitung O2
In-situ Sensor
Redoxgesteuerte
hydro- dynamische
Fluidzone (RHDF)
Anaerober
Gaswand-
bereich
Aerober
Gaswand-
bereich
Abbau PCE und TCE
mit Hilfe von H2
Abbau cDCE und VC
mit Hilfe von O2
Einbringung Co-
substrate, Nährstoffe,
Hilfsstoffe
Projekt:
Leipzig, Friedrich
Bosse Str. 71
Erstellung:
Dipl.-Ing. A. Vossen
Datum:
Mixed Reaktor 2-Stufen-Durchfluß-Reaktor
Darstellung:
Legende:
Sanierungsprinzip
08.01.2009
Zirkulationsbrunnen
Gasinjektionslanze
Filterbereich
Schematische
Ausbreitung H2
Schematische
Ausbreitung O2
In-situ Sensor
Redoxgesteuerte
hydro- dynamische
Fluidzone (RHDF)
Anaerober
Gaswand-
bereich
Aerober
Gaswand-
bereich
Abbau PCE und TCE
mit Hilfe von H2
Abbau cDCE und VC
mit Hilfe von O2
Einbringung Co-
substrate, Nährstoffe,
Hilfsstoffe
Projekt:
Leipzig, Friedrich
Bosse Str. 71
Erstellung:
Dipl.-Ing. A. Vossen
Datum:
Prinzip der mikrobiellen reduktiven und oxidativen Dechlorierung
Bestimme EA + ED für
rD und oD von TCE!
Sequentielle Anaerob-Aerob Technologie zum reduktiven und oxidativen LCKW-
Abbau: Wasserstoff-Sauerstoff-Gasproduktion mittels Elektrolyse.
PCE DCE, VC
Anaerober Reaktionsraum
Mikrobiologischer Abbau:
Reduktive Dechlorierung
Aerober Reaktionsraum
Mikrobiologischer Abbau:
Oxidative Dechlorierung
3D-Sensornetz
TDR Optode
Redox, pH
Temp. O2-Direktgasinjektion in
3 Lanzen
H2
H2
H2
H2
H2
H2
H2
H2
Ar Ar
Ar
Ar
Ar
Ar
Ar
Ar
O2
O2
O2
O2
O2
O2
O2 O2 O2
O2
O2
O2
O2 O2
O2
O2
2 ROI
H2/Ar-Direktgasinjektion in
3 Lanzen
CO2, Cl
Die heterogene Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Gasverteilung sind als
irreguläre Flächen dargestellt. Die jeweiligen Kontrollräume zur
Dimensionierung (Massenbilanz) sind durch die gestrichelten Rechtecke
dargestellt. Um jede Lanze ist ein 3D-Sensornetz installiert.
Sequentiell-Gekoppelte Wasserstoff (ED)-Sauerstoff (EA)-Direktgasinjektion
zur reduktiven und oxidativen Dechlorierung von PCE
Probleme bei der Dimensionierung
abstromseitige Ausdehnung des reduktiven Reaktionsraumes
stationäre Lösung aus ÜA 25 (PCE TCE DCE)
keine Überlappung (Vermischung) der REAKTIONSRÄUME
H2-O2: Knallgas Explosionsgefahr
stöchiometrische Nachlieferung der EDs/EAs
entsprechend der Schadstofffracht (Massentransfer von Gasphase zu
Wasserphase Kinetik)
Vorlesung: Reaktive Gaswände
ÜA16 zur nächsten Vorlesung!
Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,
Projektunterlagen
nachträgliche Installation von Edelstahlelektroden mit hohen Investitionskosten
verbunden.
Neben den Investitionskosten müssen auch die Betriebskosten (i.W.
Stromkosten)
Thiem et al. (2008) schätzen für die vollständige Dechlorierung von 1 mg PCE
Stromkosten von 5 Euro pro Tag ab.
OXYWALL: Kosten für technischen Sauerstoff für eine einjährige
Sauerstoffbegasung zur Stimulation des aeroben BTEX-Abbaus im Rahmen des
OXYWALL-Projektes bei ca. 7000 Euro. Die BTEX-Grundwasserkontamination
betrug ca. 100 mg/L. Die Sauerstoffgaswand bestand aus drei sequentiellen 5-
Lanzen-Galerien und erstreckte sich über eine Länge von ca. 35 m.
Damit kommt das Bio-Elektrolyse-Verfahren für Standorte mit hohen PCE-
Konzentrationen (> 10 mg/L) aus Kostengründen nicht in Frage.
Ein weiteres Problem ist die Korrosionsanfälligkeit von Edelstahlelektroden in
aggressiven Grundwässern ehemaliger Chemiestandorte.
ÜA/Klausur: Kostenschätzung Bio-Elektrolyse-Verfahren
Für die Kostenabschätzung wurde eine durchflossene
Querschnittsfläche von 10 m 50 m, eine Porosität von 45 % und
eine mittlere Grundwassergeschwindigkeit von 1 m pro Tag
angenommen. Überträgt man diese Kosten auf einen Schadensfall
mit 100 mg PCE und einer Strömungsgeschwindigeit von ca. 2 m
pro Tag (standorttypische Daten des beantragten Projektes), dann
erhöhen sich die Kosten auf 1000 Euro pro Tag, d.h. für eine
Standzeit von einem Jahr wären 360000 Euro allein an
Stromkosten notwendig.