Technologieentwicklung zur In-situ-Sanierung der ungesättigten Bodenzone mit festen Wärmequellen

Abstract

Boden und Grundwasser sind Schutzgüter, deren Verunreinigung zu vermeiden bzw. zu beseitigen ist. Ziel dieser Dissertation war die Entwicklung eines thermischen In-situ-Sanierungsverfahrens (THERIS-Verfahren), mit dem Verunreinigungen infolge gering wasserlöslicher, organischer Schadstoffe (NAPL) unterschiedlicher Flüchtigkeit auch in gering durchlässigen Bodenschichten in der ungesättigten Bodenzone effizient saniert werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die für die Technologieentwicklung wichtigen Prozesse beim zeitgleichen Betrieb mehrerer Heizelemente auf technischer Skala untersucht. Für diese Untersuchungen wurde ein Messverfahren zur In-situ-Messung von Wassersättigungen bei hohen Temperaturen in schadstoffbelasteten Böden entwickelt (temperatur- und schadstoffresistente Time-Domain-Reflectometry-Sonden sowie neue Auswertungen für die Signalinterpretation). Anschließend wurden der Aufbau und das messtechnische Konzept für die Untersuchungen in einem Großversuchsstand mit einer Grundfläche von 6m x 6m und einer Höhe von 4,5m entwickelt und umgesetzt. Zunächst wurden die maßgeblichen Strömungs- und Wärmetransportprozesse im Großversuchsstand auf technischer Skala systematisch durch die Variation einzelner Betriebsparameter des späteren Sanierungsverfahrens untersucht. Die Leistungsfähigkeit des Sanierungsverfahrens wurde in einem Sanierungsexperiment unter kontrollierten Randbedingungen im technischen Maßstab untersucht. Eine konservative Abschätzung ergab hierbei eine Verkürzung der Sanierungszeit der „kalten“ Bodenluftabsaugung infolge der Austragssteigerung beim THERIS-Verfahren um mehr als 90%. Im Anschluss an die Großbehälterversuche wurde das entwickelte THERIS-Verfahren zur Sanierung eines CKW-Schadens an einem Feldstandort eingesetzt. Trotz Winterbetriebs konnte die THERIS-Sanierung nach drei Monaten erfolgreich abgeschlossen werden. Mittels Vergleichsrechnungen zwischen Großbehälterversuch und Feldstandort ließen sich die Ergebnisse aus den Untersuchungen auf technischer Skala qualitativ auf die Feldbedingungen übertragen. Die Prozesse bei der Sanierung von Schadstoffen mit einer Dichte kleiner oder größer als Wasser (LNAPL, DNAPL) sind vergleichbar. Die Gefahr einer unkontrollierten DNAPL-Mobilisierung besteht bei einer kontinuierlich betriebenen Bodenluftabsaugung nicht. Die Sanierungsleistung des THERIS-Verfahrens überstieg die standortspezifische Sanierungsleistung der „kalten“ Bodenluftabsaugung sowohl bei der Sanierung im Großbehälter als auch am Feldstandort um mehr als eine Größenordnung. Ergebnisse abschließender Ökobilanzierungen zeigten, dass das entwickelte THERIS-Verfahren gegenüber konventionellen Sanierungsverfahren energiesparend und ressourcenschonend ist. Diese ökologischen Vorteile des THERIS-Verfahrens decken sich mit seinen ökonomischen Vorteilen gegenüber konventionellen Sanierungsverfahren.

Soil and groundwater are protected properties. Contaminations have to be avoided or must be cleaned up. This thesis deals with the development of a thermally enhanced in-situ remediation method (THERIS method) for cleaning up contaminated soil layer with low permeability in the vadose zone by heating the treatment zone with thermal wells. The contaminants of interest are organic contaminants, known as non-aqueous phase liquids (NAPL). This thesis focuses on the identification of the processes during the simultaneous operation of several thermal wells on a technical scale. For this research, a method for an in-situ measurement of water saturation at higher temperatures in contaminated soils was developed (temperature- and contaminant-resistant Time-Domain-Reflectometry Sensors as well as new analyses for the interpretation of the measurement signals). Subsequently, the set-up and the measurement concept for experiments in a large-scale container with a base of 6m x 6m and a height of 4.5m are designed and the filling realised. The first large-scale experiment focuses on the flow and heat-transport processes on a technical scale. Therefore, individual operation parameters for the remediation plant are varied.The effectiveness of the remediation method is demonstrated in a technical-scale remediation experiment under controlled boundary conditions. As a result, according to conservative estimates on the basis of the mass recovery the remediation time of the 'cold' soil vapour extraction can be reduced by more than 90% with the THERIS method. In the next step, the developed thermally enhanced in-situ remediation method is applied to clean up a volatile organic compound (VOC) contaminated site. Although the field remediation is conducted during the winter, it is completed successfully within three months. Comparative calculations enable the transfer of qualitative large-scale container results to field-site conditions. The processes during the remediation of non aqueous phase liquids with a density lighter or denser than water (LNAPL, DNAPL) are comparable. There is no risk of uncontrolled DNAPL mobilisation during a continuously operated soil vapour extraction. The remediation effort of the THERIS method exceeds the site-specific remediation effort of the 'cold' soil vapour extraction by one order of magnitude in the large-scale container experiment as well as during field-site conditions. Results of life-cycle assessment analyses indicate that the THERIS method saves energy and uses fewer resources than conventional remediation methods. The environmental advantages of the thermally enhanced in-situ remediation method correspond to its economic benefits compared with conventional remediation methods.