Ingenieurgeochemie (eBook)

Peter Grathwohl ist Professor für Hydrogeochemie/Angewandte Geologie am Institut für Geowissenschaften der Universität Tübingen. Hauptarbeitsgebiete sind Labor- und Felduntersuchungen zum Verhalten organischer Schadstoffe in Boden, Wasser und Luft. Nach der Promotion 1988 in Tübingen war er bis 1990 im Rahmen eines DFG-Forschungsstipendium an der Stanford University, Department of Civil Engineering. 2004 wurde ihm der Heitfeld-Preis der Alfred-Wegener-Stiftung für Angewandte Geowissenschaften verliehen. 1998 - 2003 war er Mitglied im Wissenschaftlichen Beirat Bodenschutz der Bundesregierung und wurde anschließend in die Kommission Bodenschutz des Umweltbundesamtes berufen. Seit 1998 ist er Editor-in-Chief des J. of Contaminant Hydrology sowie Obmann und Mitglied mehrerer Normungsausschüsse (DIN, ISO, KRdL). Er koordiniert mehrere Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Gefahrenbeurteilung und Sanierung kontaminierter Standorte. Prof. Dr.rer.nat. Ulrich Förstner studierte Geologie und Mineralogie in Tübingen und arbeitete seit 1968 als Wissenschaftlicher Mitarbeiter und seit 1972 als Dozent und außerplanmäßiger Professsor an der Fakultät für Geowissenschaften der Universität Heidelberg; 1982 wurde er als Leiter des Arbeitsbereichs Umweltschutztechnik an die Technische Universität Hamburg-Harburg berufen. Mit über siebzig Forschungsprojekten, zahlreichen Mitgliedschaften in nationalen und internationalen Fachgremien und mit 16 Büchern ist er an den wesentlichen Entwicklungen auf dem Gebiet des Gewässer- und Bodenschutzes seit Ende der sechziger Jahre beteiligt. Das Buch "Umweltschutztechnik" liegt bereits in der sechsten Auflage vor und bietet als "Klassiker" einen vollständigen Überblick über Grundlagen, Techniken und Vorschriften im Umweltbereich.  

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 8
1 Technische Geochemie – Konzepte und Praxis 14
1.1 Ingenieurgeochemie – Einführung 18
1.1.1 Fachliche Grundlagen der Ingenieurgeochemie 20
1.1.2 Definitionen und Fallbeispiele 21
1.2 Geochemie im Leitbild „Nachhaltigkeit“ 24
1.2.1 Kapazitätsgrenzen für Stoffflüsse 24
1.2.2 Gekoppelte geochemische Systemfaktoren 28
1.2.3 Geochemische Barrieren-Konzepte 38
1.2.4 Leitbild „Endlagerqualität“ 48
1.2.5 Geowissenschaften und nachhaltige Abfallwirtschaft 52
1.3 Umweltchemie – Technologische Aspekte 56
1.3.1 Umweltchemische Konzepte 57
1.3.2 Umweltchemikalien und Stoffdynamik 68
1.3.3 Schadstoffquellen und Belastungspfade 74
1.3.4 Medienübergreifende Schadstoffflüsse 79
1.4 Umweltgeochemie – Grundlagen und Anwendungen 82
1.4.1 Globale und regionale Stoffflüsse 82
1.4.2 Untersuchung mobilisierender Einflussfaktoren 93
1.4.3 Natürliche Demobilisierung von Schadstoffen 103
1.4.4 Chemische Bewertung kontaminierter Feststoffe 108
1.5 Ingenieurgeochemie und Abfallwirtschaft 112
1.5.1 Abfallvermeidung bei der Rohstoffgewinnung 112
1.5.2 Langzeitstabilisierung von Abfall 122
1.5.3 Ingenieurgeochemisches Handlungskonzept 137
Literatur 146
2 Natürlicher Abbau und Rückhalt von Schadstoffen 164
2.1 Rückhalt/Sorption organischer Schadstoffe im Untergrund (Grundlagen) 164
2.1.1 Sorptionsmechanismen und -isothermen 164
2.1.2 Einfluss des natürlichen organischen Materials auf die Sorption 172
2.1.3 „Partitioning“ in natürlichem organischem Material 176
2.1.4 Sorption in heterogenen Materialien 180
2.1.5 Adsorption organischer Verbindungen durch Aktivkohlen 183
2.1.6 Sorptionskinetik 184
2.2 Stofftransport im Grundwasser Advektion/Retardation, Dispersion, Abbau 191
2.2.1 Advektion und Retardation 191
2.2.2 Dispersion und Verdünnung 192
2.2.3 Schadstoffabbau: Stationäre Fahnen 200
2.2.4 Transportvermittlung: Kosolventen/DOC/Kolloide/Partikel 204
2.3 Schadstoff-Freisetzung (Desorptionskinetik, Lösungskinetik) 205
2.3.1 Stoffübergang zwischen mobiler und immobiler Phase 206
2.3.2 Lösungskinetik feinverteilter residualer Phasen 210
2.3.3 Löslichkeit und Lösungskinetik 214
2.3.4 Schadstofflösung aus „Pools“ 223
2.3.5 Schadstoff-Freisetzung durch diffusionslimitierte Desorption 227
2.3.6 Rückdiffusion aus Geringleitern (Ton- und Kohlelagen) 231
2.4 Zeitskalen im Schadensherd und Natural Attenuation 234
2.4.1 Zeitskalen der Lösung residualer Flüssigphasen 234
2.4.2 Diffusionslimitierte Desorption 237
2.4.3 Wirkung von Lösungsvermittlern zur beschleunigten Sanierung von Schadensherden 241
2.4.4 Fazit: „Natural Attenuation“ im Schadensherd 244
Literatur 247
3 Ingenieurgeochemie im Boden- und Gewässerschutz– Praxisbeispiele und rechtlicher Rahmen 256
3.1 Sickerwasserprognose für anorganische Schadstoffe 268
3.1.1 Anforderungen nach Bundes-Bodenschutzverordnung 268
3.1.2 Materialuntersuchung 271
3.1.3 Ergänzende Verfahren 283
3.2 Langzeitverhalten von Deponien 286
3.2.1 Regelungen und Maßnahmen zur Emissionsminderung 287
3.2.2 Langzeitverhalten von organischen Deponien 292
3.2.3 Ablagerung von thermisch behandelten Abfällen 296
3.3 Geochemische In-situ-Stabilisierung von Bergbaualtlasten 311
3.3.1 Grundlagen der Sauerwasserbildung 311
3.3.2 Prognose der Sickerwasserqualität 315
3.3.3 Technologien und Behandlungsmethoden für Sauerwässer bei der Ablagerung von Bergematerialien und Tailings 318
3.3.4 Verwahrung von Untertagebergwerken und Tagebauen 326
3.3.5 Entwicklung umfassender Sanierungsstrategien –Das Fallbeispiel WISMUT 329
3.4 Gewässersedimente und Baggergut 343
3.4.1 Integrierte Prozessstudien 344
3.4.2 Problemlösungen für Überflutungssedimente 351
3.4.3 Subaquatische Lagerung 356
3.4.4 Capping – Aktive Barriere-Systeme 360
3.4.5 Strategien für ein integriertes Sedimentmanagement 370
3.5 Sedimente und WRRL – Fallstudien Rhein und Elbe 374
3.5.1 Forschungsinitiativen zum integrierten Sedimentmanagement 374
3.5.2 Erfassung von partikelgebundenen Schadstoffbelastungen 376
3.5.3 Qualitätssicherung bei der Untersuchung von Sedimentproben 380
3.5.4 Konzept der Sedimentstudien von Rhein und Elbe 393
2.5.5 Ausgewählte Ergebnisse der Rheinstudie – POR III 397
3.5.6 Ausgewählte Ergebnisse der Elbestudie – HPA 401
3.6 Integrierte Untersuchungen in Böden, Grundwässern, Sedimenten und Flüssen: Anwendungen vom EU ProjektAquaTerra 406
3.6.1 Einleitung 406
3.6.2 Zeitlich integrierende Messmethoden aus den Unterprojekten FLUX und BIOGEOCHEM 408
3.6.3 Konzeptionelles Modell der Schadstofffrachten 416
3.6.4 Modellierungen des Systems 417
3.6.5 Verbindungen von AquaTerra zu anderen Initiativen 418
Literatur 420
4 Materialien 450
4.1 Ausgewählte Ergebnisse aus dem BMBF-Verbundprojekt SiWaP 450
4.1.1 Einleitung 450
4.1.2 „Quellterm“ – experimentelle Befunde 451
4.1.3 „Transportterm“ – experimentelle Befunde 459
4.1.4 Aktuelle Aktivitäten zur Gefährdungsabschätzung und Verwertung 461
4.1.5 Zitierte Literatur 462
4.2 Durchströmte Reinigungswände – Verbund „RUBIN“ 464
4.2.1 Übersicht zum Stand des BMBF-Förderschwerpunktes RUBIN 464
4.2.2 Wissenschaftlich-technische Fragestellungen 466
4.2.3 Durchströmte Reinigungswände in Deutschland und Österreich 469
4.2.4 Zitierte Literatur 470
Sachverzeichnis 472
Verzeichnis der Dateien auf der beigefügten CD 484

1 Technische Geochemie – Konzepte und Praxis (S. 1)

Zwei allgemein bekannte Leitperspektiven des technischen Umweltschutzes sind die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien und eine weitestgehende Vermeidung von Abfall. In einem dritten Sektor entwickelt sich ohne besondere öffentliche Aufmerksamkeit ein neues Langzeitdenken, das in jeder Hinsicht dem Leitbild einer nachhaltigen zukunftsfähigen Entwicklung entspricht. Es handelt sich um die nachsorgefreie Ablagerung der letztlich unvermeidbaren Restabfälle, die Optimierung des Einsatzes von Primär- und Sekundärrohstoffen und um die naturnahe Behandlung von kontaminierten Grundwässern.

Diese Praxisanwendungen von geochemischen Grundlagen werden in dem vorliegenden Buch dargestellt. Die Bedeutung des geochemisch-technischen Ansatzes lässt sich anhand der strategischen Neuausrichtung bei der Abfallentsorgung zeigen: In der Tabelle 1.1 sind noch alle Sicherungselemente des früheren „Multibarrierenkonzeptes" (Stief 1986) von der Geologie des Deponieuntergrundes bis zur Nachsorge aufgeführt.

Auch nach der TA Siedlungsabfall (TASi) von 1993 sind „Deponien so zu planen, zu errichten und zu betreiben, dass mehrere weitgehend unabhängig wirksame Barrieren geschaffen und die Freisetzung und Ausbreitung von Schadstoffen nach dem Stand der Technik verhindert werden".

Betrachtet man jedoch das auf die praktische Umsetzung gerichtete Ziel der TASi, die Ablagerung thermisch behandelter Abfälle zum Regelverfahren werden zu lassen, dann erhält die primäre Schadstoffeinbindung in der Abfallmatrix („Innere Barriere") eine hohe Priorität gegenüber den nachgeschalteten „Barrieren". Bei einem überschaubaren Spektrum an Stoffen und Reaktionen wäre es künftig möglich, mit verbesserten Prüfverfahren allein über die Zuordnungskriterien eine langfristige und weiträumige Sicherheit zu gewährleisten.

Es ist das Ziel der geochemischen Verfahrensansätze in der Entsorgungstechnik, nicht nur naturnahe, sondern auch möglichst übersichtliche Ablagerungsbedingungen zu schaffen, die eine langfristige Prognose erlauben. Diese Voraussetzungen sind bei der Hausmüllverbrennung durch die Zerstörung reaktiver organischer Substanzen und eine nachfolgende Nassbehandlung nahezu perfekt gegeben1). Bei anderen Massenabfällen wie Bergbauresten oder Baggergut muss eine dauerhafte Sicherung über die Auswahl eines geeigneten Ablagerungsmilieus erfolgen. Langzeitprognosen sind auch hier integraler Bestandteil der technischen Maßnahmen, erfordern jedoch weitergehende Informationen über die mögliche Freisetzung von Schadstoffen.

Bei der geochemischen Immobilisierung von Schadstoffen über geologische Zeiträume empfiehlt es sich, die in der Natur vorkommenden Mineralassoziatio- nen, die sich als stabil während der „sedimentären Diagenese" erwiesen haben, zum Vorbild zu nehmen. Je besser die Übereinstimmung zwischen dem anthropogenen „Sediment" und dem entsprechenden geogenen Modell, desto realistischer wird die langfristige Prognose über die Stabilität der Abfälle.

Ein klassisches Beispiel, bei dem von Seiten der Technischen Mineralogie erstmals eine solche umweltrelevante Problemstellung gelöst wurde, ist die Mineralisierung von hochradioaktiven Abfalllösungen in der nuklearen Entsorgungstechnik (Ringwood u. Kesson 1988). Jedoch müssen nicht nur radioaktive Abfälle, sondern auch nichtradioaktive Sonderabfälle oftmals mit der gleichen Sorgfalt von der Biosphäre isoliert werden.

Geowissenschaftliche Erkenntnisse und Informationen gehören heute zu den unverzichtbaren Grundlagen langfristig umweltverträglicher und damit zukunftsträchtiger Technologien zum Schutze unserer Umwelt. Die Anwendung geochemischer Kenntnisse bei der Erschließung und Nutzung von Ressourcen lässt sich zwar bis in die Antike zurückverfolgen, jedoch erfolgte bezüglich des Umweltschutzes der eigentliche Durchbruch erst in jüngster Zeit – nicht zuletzt dank der Entwicklung des erforderlichen analytischen Instrumentariums.

Da sich auf lange Sicht jede Entsorgung innerhalb der Anthroposphäre auf die natürlichen biogeochemischen Kreisläufe auswirken wird, ist für neue entsorgungstechnische Konzepte ohne Einbeziehung der natürlichen Mechanismen zur Verringerung von negativen Umweltauswirkungen durch Schadstoffe bei steigendem Umweltbewusstsein keine breite Akzeptanz zu erwarten.