Mikrobieller In-situ-Abbau von LCKW: Managing the Challenges

Dr. Thomas Held

6. ÖVA Technologieworkshop: Mikrobiologische In-situ-Sanierungsverfahren / ENA, 23. April 2015, Tulln

Das Prinzip ist einfach ….

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, ..

Terminale Elektronenakzeptoren (DOC-Zehrer)

Fett = Analysierte Substanzen

Terminale Elektronenakzeptoren Prozess

TEAox TEAred

O2 H2O Aerobe Atmung

NO3- N2 Denitrifikation

Mn(IV) Mn(II) Manganreduktion

Fe(III) Fe(II) Eisenreduktion

SO42-

S2-

Sulfatreduktion

CO2 CH4 Methanogenese

Biogeochemisches Baseline Monitoring

Feld-Parameter: gel. Sauerstoff, elektrische

Leitfähigkeit, Redoxpotential, pH-Wert und

Temperatur

Schadstoffe

Redoxindikatoren (O2, Nitrat, Mn-II, Fe-II,

Sulfat, Sulfid, Methan, DOC)

Abbauendprodukte: Ethen, Ethan

Information über Aufwand, das vorhandene

Milieu in das für die Sanierung erforderliche

Milieu zu ändern

Injektionsregime

Rinj = 15 Tage Rinj = 5 Tage

Ct = Coe-lt

l = „Zehrungsrate“

Gru

nd

was

serm

igra

tionsz

eit

[d]

Vollflächige DOC-Versorgung

Reaktionsraum: 100 d

Rebound

PCE DNAPL Case Study - IW-7

-400 -200 0 200 400 600 800 1000

Meth

an

e (

mg

/L)

0

5

10

15

TO

C (

mg

/L)

0

2000

4000

6000

Methane

TOC

pH

4

5

6

7

8

pH

4

5

6

7

8

pH lower limit

TOC breakthrough level

Elapsed Time (days)

-400 -200 0 200 400 600 800 1000

Co

ncen

trati

on

(u

mo

l/L

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

PCE

TCE

cis-DCE

VC

Ethene

Ethane

PCE solubility limit

160 mg/L PCE

Zeit [d]

Ko

nze

ntr

ati

on

[µ

mo

l/L

]

Sorption (Aquifer Matrix) Intrinsisch

Organic Carbon Fraction (foc)

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010

Pe

rce

nt

So

rbe

d

0

20

40

60

80

100

Koc = 265 (PCE)

Koc = 36 (cis-1,2-DCE)

Koc = 94 (TCE)

Koc = 19 (vinyl chloride)

bla

nkin

g

Koc = 1,191 (Naphthalene)

So

rbie

rter

An

teil

[%

]

Anteil Organik (fOC) [-]

Transformation

Biotenside

Lösungsvermittler (Alkohole, Fettsäuren )

Mobilisierung =

Zunahme der

Bioverfügbarkeit

(Beschleunigung

der Sanierung)

Eckpunkte des Sanierungsdesigns

Vollflächige Versorgung mit TOC/DOC

Mindestreaktionsraum: ≥ 100 d

(Erfahrungswert)

Zielkriterium: Methanogenese

Zielkriterium: Bildung von Ethen und Ethan

Keine signifikante pH-Wert-Absenkung im

Bereich der Injektion

Abbaurate

0

50

100

150

200

250

300

PCE TCE cDCE tDCE VC Ethen Ethan

01.10.2010

Nullbepro bung

0

2

4

6

8

PCE TCE cDCE tDCE VC Ethen Ethan

01.10.2010

Nullbepro bung

Ko

nze

ntr

ati

on

[µ

mo

l/L

]

M 3

M 6

März 120 µmol/L

Okt. 360 µmol/L

März 9,2 µmol/L

Okt. 10,5 µmol/L

Summe C2

528 µg/L LCKW

Die Realität …. The Challenge

Rebound

The Challenges

Konkurrierende Nebenreaktionen

Thermodynamik (cDCE-Stopp)

Produktphasen (NAPL) (Pools, Blobs,

Ganglia)

Heterogenität

DOC-Versorgung / Mischung / Verdrängung

Managing the Challenge

Konkurrierende Nebenreaktionen

Konkurrierende Nebenreaktionen

Aktuell ist des Redoxmilieu gering reduziert

Hohe Konzentrationen an biogenem Fe-III

konserviert Eisenreduktion

(Beispiel: > 400 mg/L Fe-II)

Lösung: Slurry-Batchversuche im Labor

Eventuell andere Sanierungsverfahren besser

geeignet (ISCO)

Managing the Challenge

Thermodynamik

Thermodynamik

„cDCE stall“

Voraussetzung: geeignete

Bakterien sind in

ausreichender Anzahl

vorhanden

Transformation von cDCE

erfordert relativ geringe

DOC-Konzentrationen

Managing the Challenge

Produktphasen

Phasenmigration (DNAPL)

Verteilung von LCKW-Phasen im Grundwasserleiter (Tankexperiment)

Z [

m]

X [m]

DNAPL

„„Pooling„„ -Effekte infolge der gering durchlässigen Sandlinsen

Schichteffekte im homogenen Sand infolge von kleinskaligen Heterogenitäten Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung

Quelle: H. Sheta

Phasenmigration (LNAPL)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 20 40 60 80 100 120

Tie

fe [

m u

. GO

K]

Relative Konzentration [%]

PCE

TCE

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 10 100 1.000 10.000 100.000

Tie

fe [

m u

. GO

K]

Konzentration [mg/kg TM]

LCKW

PCE

TCE

DELCD [V]

Quelle: BSU, Hamburg

Rel. Konzentration [%] Konzentration [mg/kg TM]

Oil-Red-O

Partitioning Tracer Test

Laborversuch (Linerprobe)

Push-Pull-Feldversuch (GWM)

(1 m Filterstrecke, 500 L Tracer-Lösung)

Empfindlichkeit der Methode gering bei

20-cm-Ganglien

2-Propanol 800 mg/L

Butanol 800 mg/L

Hexanol 800 mg/L

Heptanol 350 mg/L

2-Ethyl-1-hexanol 100 mg/L

2,4-Dimethyl-3-pentanol 1000 mg/L

konservativ

partitionierend

x

z

a

pv

satz,p

V

LD2

zerfcC)L(C

„Ausbluten“ hochbelasteter Bereiche Fracht (Worst-Case-Ansatz)

Lp = 40 m

Lp = 10 m

Daten: BSU, Hamburg

DNAPL-Sanierung

Abbau erhöht Konzentrationsgradient

Mobilisierung der LCKW durch Organik ist

bekannt (Transformation, Lösungsvermittler,

Biotenside)

Phase verändert ihre Zusammensetzung

(Partitionierung von cDCE und VC)

Bis zu 16-fach schnellere Auflösung

Zeitbedarf für natürliche Auflösung ca. 70

Jahre (Standort X) („Grathwohl-Gleichungen“,

NSZD = Natural Source Zone Depletion)

Verringert auf 4,5 Jahre (Best Case)

Optimal: Substrat mit Depot-Effekt

(Speiseölemulsionen)

Managing the Challenge

Heterogenität

Transport und Schadstoffminderung

Ste

igen

de K

on

zen

trati

on

gelö

ste

r S

ch

ad

sto

ffe

Massenzentrum

Quellenebene

Fahneneinhüllende

Quelle: Payne, F.C., Quinnan, J.A., Potter, S.T. (2008) Remediation Hydraulics. CRC Press, Boca Raton, FL, USA

Gereifte Fahne

Frühes Stadium der Fahnenentwicklung

Nach der Entfernung der Quelle

IRZ-Konzept

0 1 2 3 4 5 6

Migrationszeit (Jahre) Reaktive Zonen

Desorptions-

zone

1 1 2

Desorptions-

zone

KOC = 265 L/kg

fOC = 0,001

VA = 1 m/d

Entfernung [m]

Ko

nzen

trati

on

gelö

ste

r S

ch

ad

sto

ffe

Abbaurate (Fahne)

Ende aktive Sanierung

→ Biomasseverbrauch

Managing the Challenge

DOC-Versorgung / Mischung /

Verdrängung

Automatisierte Infiltration

Sehr schneller Anstieg des Rückdrucks

→ Adaptierte Biozönose, Ausgasung von Methan

→ Ethanol, Methanol oder pH 10

Managing the Challenge

Ausblick

Drei Elemente der Sanierungsstrategie

3.5

6.7

10.4

1.2

0 1

1

3.5

6.7

10

.4

1.2

Inve

rse

Dis

tance

Meth

ode

“Adaptive Design”

Imagine the Result

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

t.held@arcadis.de

Tel.: 0151-17143-327

Managing the Challenge

Monitoring

Redoxindikatoren, DOC, TOC, LCKW + Endprodukte

Prozessmonitoring (ggf. Schöpfproben) Erfolgsmonitoring (LCKW)

Schöpf- und Pumpproben

„Auswaschung“ von LCKW (nur sorbierte LCKW)

Beispiel

Lp 40 m

Va 20 m/a

tTCE 60 Jahre

30

Schadstoffverteilung

Grundwasserstömung

Gesamte

nicht-wässrige

Masse (Phase) Sorbierte Masse

NAPL-Masse mobil

residual

Migrierende

gelöste

Masse

Statische

gelöste

Masse

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

Schadsto

ffm

asse im

Aquifer

[kg/m

3]

SZW

Gesamte Masse in

der Wasser-Phase

102