Einführung
Chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW) und BTEX-Verbindungen sind Schadstoffe, die häufig in ehemaligen Industrie- und Gewerbegebieten in den Böden und Grundwasser vorkommen. Sie entstehen insbesondere aus der Nutzung von Lösungsmitteln, Kältemitteln oder Treibgasen in früheren Betrieben wie chemischen Reinigungsunternehmen, metallverarbeitenden Fabriken oder Tankstellen. Um diese Standorte wieder nutzen zu können, ist eine Altlastensanierung unerlässlich. Eine besonders effektive Methode zur Sanierung solcher Schadstoffe ist die thermische in-situ-Sanierung (TISS). Sie hat sich als besonders effizient in Bezug auf Zeit, Kosten und Sanierungsergebnisse erwiesen.
Die thermische in-situ-Sanierung baut auf der Erwärmung des Bodens und Grundwassers auf, um CKW und BTEX in die gasförmige Phase zu überführen. Diese Schadstoffe werden dann durch Bodenluftabsaugung und Grundwasserförderung gezielt aus dem Boden entfernt. Ein entscheidender Faktor für den Erfolg der Sanierung ist die Temperatur, mit der die Schadstoffe verdampft werden müssen. In diesem Artikel wird detailliert aufgezeigt, wie Temperatureffekte bei der CKW-Sanierung Einfluss auf die Effizienz und Dauer des Verfahrens nehmen, und welche Verfahren sich dabei bewährt haben.
CKW und BTEX als Schadstoffe in Böden und Grundwasser
CKW und BTEX-Verbindungen sind chemische Substanzen, die aufgrund ihrer hohen Löslichkeit und Dichte im Wasser oft in Böden und Grundwasser eindringen und sich dort anreichern. CKW bilden meist dichte nichtwäßrige Phase (DNAPL), was bedeutet, dass sie sich an der Unterseite von Aquifern ansetzen können und sich schwer verlieren lassen. BTEX hingegen sind leichtere Substanzen, die sich leichter in der Bodenluft verteilen können, jedoch ebenfalls langfristig im Grundwasser verbleiben.
CKW-Belastungen entstehen insbesondere in Standorten, die für metallverarbeitende Betriebe oder chemische Reinigungsunternehmen genutzt wurden. BTEX hingegen sind typisch für ehemalige Tankstellen oder Tanklager. Beide Substanzgruppen sind aufgrund ihrer toxischen Wirkung und ihrer Umweltgefährdung Gegenstand intensiver Sanierungsmaßnahmen.
Thermische in-situ-Sanierung (TISS) als Sanierungsverfahren
Die thermische in-situ-Sanierung ist ein Verfahren, das sich in den letzten Jahren als besonders effizient für die Sanierung von CKW- und BTEX-Belastungen erwiesen hat. Im Gegensatz zu konventionellen Sanierungsverfahren wie Bodenaustausch oder Bodenluftabsaugung, die oft Jahrzehnte in Anspruch nehmen, kann die TISS in der Regel innerhalb weniger Monate abgeschlossen werden. Dies liegt vor allem an der hohen Temperatur, die aufgebracht wird, wodurch sich die Schadstoffe rasch verdampfen und gezielt aus dem Boden entfernen lassen.
Ein zentrales Element der TISS ist die Verwendung fester Wärmequellen, die den Boden bis in Tiefe von mehreren Metern erwärmen. Dabei werden Heizelemente in den Boden eingebaut und kontrolliert betrieben. Die Temperatur wird so reguliert, dass sie sich auf den Verdampfungspunkt der Schadstoffe einstellt. CKW-Schadstoffe können in der ungesättigten Zone bereits bei Temperaturen von etwa 75 bis 95 °C vollständig verdampft werden. In der gesättigten Zone, wo sich CKW oft als DNAPL ansetzen, sind höhere Temperaturen erforderlich, um die Schadstoffe aus dem Grundwasser zu entfernen.
Ein Vorteil der TISS ist, dass sie in-situ, also direkt am Standort, durchgeführt werden kann, wodurch ein aufwendiger Bodenaustausch entfällt. Zudem ist es möglich, den Sanierungsbetrieb parallel zur Nutzung des Areals durchzuführen, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens weiter steigert.
Temperaturabhängigkeit der Verdampfung und Adsorption
Die Temperatur spielt eine entscheidende Rolle bei der Verdampfung von Schadstoffen. Je höher die Temperatur, desto schneller verdampfen CKW und BTEX. In der ungesättigten Bodenzone können CKW-Schadstoffe bei Temperaturen von 75 bis 95 °C innerhalb kurzer Zeit vollständig aus dem Boden entfernt werden. In der gesättigten Zone, wo CKW oft in Form von DNAPL angesammelt sind, sind höhere Temperaturen erforderlich. Zudem ist hier eine Kombination aus Bodenluftabsaugung und Grundwasserförderung erforderlich, um die Schadstoffe gezielt aus dem Boden zu entfernen.
Ein weiterer Aspekt, der von der Temperatur abhängt, ist die Adsorption von Schadstoffen an Aktivkohle. Aktivkohle wird häufig eingesetzt, um Schadstoffe aus der Bodenluft oder aus dem Grundwasser zu filtern. Die Adsorptionsfähigkeit hängt stark von der Temperatur ab: bei niedrigeren Temperaturen adsorbiert die Aktivkohle mehr Schadstoffe, bei höheren Temperaturen weniger. Dies ist ein wichtiger Faktor bei der Planung und Ausführung von Sanierungsmaßnahmen, da die Effizienz der Aktivkohlefilter von der Temperatur abhängt.
Die Adsorptionsisothermen zeigen, dass die Menge an Schadstoffen, die an Aktivkohle gebunden werden kann, von der Schadstoffkonzentration in der Luft oder im Wasser abhängt. Bei höheren Konzentrationen kann mehr Schadstoff gebunden werden. Die Beladung wird in Prozent angegeben und berechnet sich aus dem Verhältnis der Masse des Schadstoffs zur Masse der frischen Aktivkohle.
Praktische Anwendungen und Erfolge der TISS
Im Laufe der letzten Jahre wurden zahlreiche Projekte durchgeführt, bei denen die TISS erfolgreich eingesetzt wurde. Ein Beispiel hierfür ist die Sanierung der ehemaligen Lederfabrik Berninger in Idstein (Hessen). Hier war eine konventionelle Bodenluftsanierung aufgrund der geringen Durchlässigkeit des Bodens nicht erfolgreich. Die thermische in-situ-Sanierung (THERIS-Verfahren) erwies sich hingegen als effektiv. In nur zwei Monaten konnte die CKW-Belastung im Boden um eine Größenordnung reduziert werden. Vor der Sanierung lag die CKW-Belastung bei 160 mg/kg, nach zwei Monaten THERIS-Betrieb bei nur noch 17 mg/kg. Dies entspricht einer Reduktion um den Faktor 10.
Ein weiteres Beispiel ist die Sanierung eines Standorts in München, wo eine thermische in-situ-Sanierung nach etwa drei Jahren abgeschlossen wurde. Der Standort war zuvor über 20 Jahre lang mit einer klassischen Pump & Treat-Sanierung betrieben worden, ohne dass die Grundwasserkontamination signifikant reduziert werden konnte. Nach Wechsel auf das TISS-Verfahren konnten die Sanierungsziele erreicht werden. Dies zeigt, dass die TISS auch in komplexen geologischen Untergründen und bei langfristig bestehenden Kontaminationen effektiv ist.
Ein weiterer Vorteil der TISS ist, dass sie in laufenden Produktionswerken durchgeführt werden kann, ohne die Produktionsabläufe zu stark zu beeinträchtigen. Dies ist insbesondere für Industrieunternehmen von Bedeutung, bei denen eine Stilllegung über einen längeren Zeitraum nicht wirtschaftlich vertretbar ist.
Technische Ausrüstung und Prozesssteuerung
Die Durchführung einer TISS erfordert eine sorgfältige Planung und die Installation spezieller Ausrüstungen. Im Rahmen der Sanierung werden feste Wärmequellen in den Boden eingebaut, die den Boden kontrolliert erwärmen. Die Temperatur wird so reguliert, dass sie sich auf den Verdampfungspunkt der Schadstoffe einstellt. Die Verdampfung der Schadstoffe erfolgt dann über Bodenluftabsaugung und Grundwasserförderung. Die Schadstoffe werden dabei über Vakuumpumpen aus dem Boden entfernt und in einer Abluftreinigungsanlage behandelt.
Die Prozesssteuerung erfolgt in einem mobilen Umweltlabor, in dem Temperatur, Druck, Förderraten und Schadstoffkonzentrationen kontinuierlich überwacht werden. Die Proben werden vor Ort in mobilen Gaschromatographen analysiert, was eine schnelle und präzise Überwachung der Sanierungsfortschritte ermöglicht. Die Fernüberwachung und Automatisierung der Probenahme- und Monitoringsysteme sorgen für eine kontinuierliche Anpassung der Anlagenparameter an die jeweiligen Betriebsphasen.
Ein entscheidender Vorteil der TISS ist, dass sie in der Regel mit erneuerbaren Energien betrieben werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft für Standorte, bei denen die Nachhaltigkeit und ökologische Verträglichkeit der Sanierungsmaßnahmen im Vordergrund stehen. Der Einsatz regenerativer Energiequellen reduziert nicht nur die CO₂-Belastung der Sanierung, sondern trägt auch zur langfristigen Nachhaltigkeit der Standortnutzung bei.
Kosten und Wirtschaftlichkeit der TISS
Die Kosten einer thermischen in-situ-Sanierung hängen von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Größe des Sanierungsbereichs, die Tiefe der Schadstoffe, die geologischen Verhältnisse und die Dauer der Sanierung. Im Vergleich zu konventionellen Sanierungsverfahren wie Bodenaustausch oder Bodenluftabsaugung ist die TISS in der Regel kosteneffizienter, da sie in der Regel innerhalb weniger Monate abgeschlossen werden kann, während konventionelle Verfahren oft Jahrzehnte in Anspruch nehmen.
Ein Beispiel hierfür ist die Sanierung, bei der innerhalb von 26 Monaten über 5 Tonnen CKW und BTEX entfernt wurden. Mit konventionellen Verfahren hätte diese Menge an Schadstoffen in 20 Jahren abgebaut werden müssen. Die TISS reduzierte somit die Sanierungszeit um mehrere Jahrzehnte und ermöglichte eine wirtschaftlich sinnvolle Wiedernutzung des Standorts.
Ein weiterer Kostenfaktor ist der Einsatz von Aktivkohle zur Schadstoffbindung. Da die Adsorptionsfähigkeit von Aktivkohle stark von der Temperatur abhängt, ist es erforderlich, die Menge an Aktivkohle so zu planen, dass sie für die Dauer der Sanierung ausreicht. In einigen Fällen kann dies zu höheren Kosten führen, insbesondere bei Schadstoffen mit geringer Adsorptionsfähigkeit wie CKW.
Fazit
Die thermische in-situ-Sanierung (TISS) hat sich in den letzten Jahren als besonders effektives Verfahren zur Sanierung von CKW- und BTEX-Belastungen erwiesen. Sie ermöglicht eine rasche und wirtschaftliche Sanierung von Altlasten, wodurch die Wiedernutzung von ehemaligen Industrie- und Gewerbegebieten in den Griff genommen werden kann. Die Temperatur spielt dabei eine entscheidende Rolle, da sie den Verdampfungsvorgang der Schadstoffe beeinflusst und die Effizienz der Sanierung bestimmt. Zudem ist sie ein wichtiger Faktor bei der Adsorption von Schadstoffen an Aktivkohle, was die Planung und Ausführung von Sanierungsmaßnahmen beeinflusst.
Die Erfahrungen aus verschiedenen Projekten zeigen, dass die TISS in komplexen geologischen Untergründen und bei langfristigen Kontaminationen effektiv eingesetzt werden kann. Zudem ist sie in der Regel mit erneuerbaren Energien betrieben, was die ökologische Verträglichkeit der Sanierungsmaßnahmen weiter erhöht. Für Bauherren, Eigentümer und Projektentwickler bietet die TISS eine wirtschaftlich sinnvolle Alternative zu konventionellen Sanierungsverfahren, die oft Jahrzehnte in Anspruch nehmen.