Schwerpunktthema Dezember 2011
Wasser und Altlasten
Grundwasser als erneuerbare Ressource
von Prof. Dr. Frank-Dieter Kopinke
Der weitaus größte Teil der nutzbaren Süßwasservorräte dieses Planeten ist Grundwasser (8 x 1015 Kubikmeter). Ein Vergleich mit dem Durchsatz im meteorologisch-hydrologischen Wasserkreislauf von 5 x 1013 Kubikmeter pro Jahr macht die Zeitskala in der Größenordnung von Jahrhunderten deutlich, die für die Bildung und Auffüllung der globalen Grundwasservorräte zutreffend ist. Der Anteil, mit dem Grundwasser zur Deckung des Trinkwasserbedarfs beiträgt, ist von Land zu Land sehr unterschiedlich (z. B. nur 2 Prozent in Kanada, aber 80 Prozent in der Schweiz). In Deutschland beträgt dieser Anteil rund 65 Prozent.
Grundwasser ist eine erneuerbare Ressource, da es sich im Kreislauf des Wassers ständig neu bildet. Jedoch ist es sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen,
insbesondere wenn es später als Trinkwasser genutzt wird. In Deutschland beträgt der Anteil von Grundwasser zur Deckung des Trinkwasserbedarfs 65 Prozent.
Foto: André Künzelmann/UFZ
Grundwasserbohrung in Jordanien.
Im Gegensatz zu Deutschland ist in vielen Ländern die Trinkwasserversorgung der Bevölkerung angespannt. In Jordanien sind beispielsweise aufwendige
Bohrungen notwendig, um Grundwasser aus großen Tiefen zu gewinnen.
Foto: André Künzelmann/UFZ
Glücklicherweise zählt Deutschland zu jenen Ländern mit einem ausreichenden Wasserdargebot (165 x 109 Kubikmeter pro Jahr). Im Unterschied zu anderen Rohstoffen wird Wasser nicht verbraucht, sondern nur gebraucht. Dennoch sollten wir uns eine Besonderheit der Ressource Grundwasser bewusst machen: Grundwasser wird im Kreislauf des Wassers ständig neu gebildet und ist insofern eine erneuerbare Ressource. Gleichzeitig ist es sehr empfindlich gegenüber Verschmutzung. Bereits kleinste Mengen an Verunreinigungen können große Grundwasservorkommen wegen der äußerst geringen Fließgeschwindigkeiten über lange Zeiträume unbenutzbar machen. Insofern besitzt es auch Eigenschaften einer nicht-erneuerbaren (oder nur langsam erneuerbaren) Ressource. Wir verstoßen nicht gegen Prinzipien der Nachhaltigkeit, wenn wir Grundwasser zur intensiven Nutzung entnehmen und dabei langfristig das Gleichgewicht zwischen Entnahme und Neubildung beachten. Wir hinterlassen nachfolgenden Generationen allerdings nur mit hohem Aufwand sanierbare Altlasten, wenn wir punktuelle Schadstoffeinträge in das Grundwasser zulassen. Die größte Gefahr für eine auch langfristig unumkehrbare Entwertung von Grundwasservorräten geht jedoch von diffusen, großflächigen Einträgen von Nähr- und Schadstoffen aus. Wir werden weder heute noch in Zukunft die technischen und ökonomischen Mittel haben, diese aus dem Grundwasser zurückzuholen.
Aus guten Gründen liegen Schadstoffgrenzwerte für die Trinkwassernutzung sehr niedrig, für viele organische Verbindungen im unteren ppb-Bereich (ppb = parts per billion). Anschaulich gesprochen: 1 Liter Benzol würde ausreichen, um 105 bis 106 Kubikmeter Wasser (je nach verwendetem Grenzwert) zu vergiften. 1 Liter Methyl-tertiärbutylether (MTBE), ein nahezu ungiftiger Stoff, würde wegen seiner niedrigen Wahrnehmungsschwelle (geruchsintensiv) noch 104 Kubikmeter Wasser ungenießbar machen. Beide Stoffe sind Bestandteile von Vergaserkraftstoffen und sind auf diesem Wege ubiquitär (weit verbreitet) geworden. Etwa zwei Drittel der oberflächennahen Grundwasserleiter in Deutschland gelten bereits heute als `anthropogen beeinflusst’, d.h. sie weisen Spuren menschlich (anthropogen) verursachter Belastungen auf. Anders als man vielleicht erwarten würde, ist die Industrie nur zu einem geringen Anteil (weniger als 5 Prozent direkt an der Grundwasserbelastung beteiligt. Die größten Anteile steuern die Landwirtschaft (Überdüngung, Biozide), häusliche Abwässer (undichte Abwasserkanäle) und der Verkehr bei. Zu einer langfristig unumkehrbaren Entwertung von Grundwasservorräten kann auch deren Versalzung durch künstliche Bewässerung führen.
Grundwasserschutz und Altlastensanierung
Die Kontamination von Grundwasserleitern ist, anders als die Verschmutzung von Oberflächengewässern, für die meisten Menschen nicht unmittelbar wahrnehmbar. Trotz dieses Umstandes wird Grundwasserschutz auf hohem Niveau akzeptiert, weil Trink- und Grundwasser im öffentlichen Bewusstsein, zumindest in Deutschland, eng miteinander verbunden sind.
Welches sind nun die übergeordneten Ziele bei der Sanierung von eingetretenen Grundwasserschäden? Zunächst und generell soll das Restrisiko für Schutzgüter vernachlässigbar gering und tolerierbar sein. Oberstes Schutzgut ist immer die Gesundheit des Menschen, daneben die Qualität von Ökosystemen. Ein Maßstab für zu unterschreitende Restkontaminationen kann die natürliche oder bereits anthropogen beeinflusste Hintergrundbelastung sein. Der Umkehrschluss, wenn keine konkreten Schutzgüter betroffen sind, besteht keine Sanierungsnotwendigkeit, scheint plausibel, ist jedoch problematisch. Sanierungsziele sollten immer unter Berücksichtigung der Angemessenheit des Aufwandes und der Umweltbilanz von Sanierungsmaßnahmen festgelegt werden. Ansonsten laufen wir Gefahr, dass technischer Umweltschutz gut gemeint, aber letztlich gegen die Umwelt gerichtet ist, weil die Sanierung mehr Ressourcen verbraucht als geschützt und regeneriert werden.
Allgemein kann man Schadstoffeinträge ins Grundwasser als diffus oder als punktuell klassifizieren. Diffuse Schadstoffeinträge, z. B. aus der Landwirtschaft, führen zu flächenhaften Kontaminationen. Punktuelle Schadstoffeinträge, z. B. aus Industrie oder Verkehr, führen zu räumlich begrenzten Kontaminationen, von denen aus sich sogenannte Schadstofffahnen im Aquifer (Grundwasserleiter) ausbreiten können. Letztere sind - wenn auch mit hohem Aufwand - prinzipiell sanierbar. Großräumige Grundwasserverschmutzungen sind nach heutigem Stand mit technischen Mitteln nicht sanierbar.
Konzepte und Technologien zur Grundwassersanierung
Häufig unterscheidet man Sanierungsverfahren nach der Intensität der technischen Maßnahmen in aktive und passive Verfahren oder nach dem Ort der Wasserbehandlung in ex situ- (außerhalb des Aquifers) und in situ-Maßnahmen (im Aquifer). In der Praxis dominieren seit Jahrzehnten Pump&Treat-Verfahren, bei denen das kontaminierte Grundwasser an die Oberfläche gepumpt und dort behandelt wird. Beispiele für passive Verfahren sind durchströmte Reinigungswände, sogennannte Permeable Reactive Barriers, bei denen das kontaminierte Grundwasser im Aquifer verbleibt und dort behandelt wird. Die am häufigsten genutzten Reinigungsmittel sind Aktivkohle und metallisches Eisen. Am unteren Ende einer Intensitätsskala von Maßnahmen steht das Konzept des natürlichen Abbaus und Rückhalts (Natural Attenuation), das auf die Selbstreinigungskräfte eines Aquifers setzt und diese gegebenenfalls durch technische Maßnahmen unterstützt (Enhanced Natural Attenuation).
Schadensszenario nach einem Benzinunfall mit in situ Reiningungswand.
Es gibt unterschiedliche Konzepte und Technologien zur Grundwassersanierung. In der Praxis weit verbreitet sind Pump&Treat-Verfahren, die jedoch häufig hohe Sanierungskosten
nach sich ziehen. Passive Reiningungswände sind eine energiesparende Alternative dazu. Natural Attenuation Verfahren nutzen den natürlichen Abbau von Schadsstoffen bzw. greifen nur punktuell in den Schadstoffabbau ein (Enhanced Natural Attenuation).
Grafik: André Künzelmann/UFZ
UFZ-Pilotanlage Compartment Transfer in Leuna, Sachsen-Anhalt.
Ein zu den Einfachtechnologien zählendes Verfahren ist das Konzept des Compartment Transfers. Nach diesem Konzept wird ein Schadstoff
von einem Umweltkompartiment, beispielsweise Grundwasser, in dem es schwer abbaubar ist, in ein anderes Kompartiment, wie die Atmosphäre, überführt.
Foto: André Künzelmann/UFZ
Für Pump&Treat-Verfahren steht das gesamte Spektrum der physikalischen, chemischen und biologischen Verfahren zur Abwasserreinigung zur Verfügung. Sie haben sich jedoch als wenig effektiv für eine Quellensanierung erwiesen und müssen meist über sehr lange Zeiträume von vielen Jahren bis Jahrzehnten betrieben werden. Die Folge sind hohe Sanierungskosten. Pump&Treat-Verfahren werden häufig, wohl zu Unrecht, als `Technologie von gestern‘ angesehen. Die große Mehrzahl aller in Betrieb befindlichen Grundwasserreinigungsanlagen in Europa und Nordamerika arbeitet nach diesem Prinzip. Pump&Treat-Verfahren bilden nach wie vor das Rückgrat der Grundwassersanierung in der Praxis.
Eine Alternative und sinnvolle Ergänzung zu Pump&Treat-Verfahren stellen passive Reinigungswände dar. Sie werden in situ im Abstrom von Schadensherden quer zur Grundwasserfließrichtung eingebaut und sind so konzipiert, dass die Abreinigung durch chemische Reaktionen oder Immobilisierung der gelösten Schadstoffe ohne externe Energiezufuhr passiv - über Jahre und Jahrzehnte hinweg funktioniert. Dieses Konzept ist auch für hydraulisch heterogene Aquifere geeignet. Es ist nicht nur wirtschaftlich, sondern auch aus psychologischer Sicht für den Schadenseigner attraktiv: aus einer `unendlichen Geschichte‘ mit ungewissem Ausgang wird eine klar definierte, abgeschlossene Maßnahme. Den offensichtlichen Vorteilen passiver in situ-Technologien stehen jedoch Grenzen und Nachteile gegenüber, z.B. wird nur die Schadstoffausbreitung unterbunden, nicht aber die Schadstoffquelle selbst saniert. Ohne die (Wieder)Entdeckung von metallischem Eisen (Fe0) als kostengünstiges und umweltfreundliches Reduktionsmittel hätten Reaktive Barrieren sicher niemals die große Aufmerksamkeit erfahren, die ihnen seit Veröffentlichung der ersten Arbeiten von R. W. Gillham von der Universität Waterloo Anfang der 90er Jahre zuteil geworden ist.
Das Konzept, aktive Sanierungsmaßnahmen durch Rückgriff auf das Selbstreinigungspotenzial von Böden und Aquiferen zu ersetzen, erscheint ökologisch und volkswirtschaftlich sinnvoll, weil damit
Ressourcen gespart werden können. Natural Attenuation beruht auf der Beobachtung, dass Schadstofffahnen in kontaminierten Aquiferen in aller Regel nur eine begrenzte Ausdehnung erreichen
und die meisten Schadstoffe langfristig auch ohne aktive Sanierungsmaßnahmen `verschwinden‘. Zum Stillstand einer Schadstofffahne tragen neben mikrobiologisch basierten Abbauvorgängen auch
Sorption (Anreicherung eines Stoffes in einer Phase oder an der Grenzfläche zwischen zwei Phasen), Verdünnung und Verflüchtigung bei, Prozesse, die keine Verringerung der Schadstofffracht
bewirken. Um Natural Attenuation als legitime Alternative zu aktiven Sanierungsmaßnahmen zu akzeptieren, könnte man zusätzliche Beweise für einen tatsächlichen Schadstoffabbau fordern.
Glücklicherweise bietet die moderne Isotopenanalytik einen eleganten Weg, diesen Nachweis zu führen. Die Isotopensignatur entlang einer Schadstofffahne kann Auskunft darüber geben, durch welche
Prozesse eine Konzentrationsabnahme verursacht wird und ob tatsächlich ein Schadstoffabbau stattfindet. Natural Attenuation- und Enhanced Natural Attenuation-Konzepte wirken über lange Zeiträume.
Sie erfordern in jedem Fall eine qualifizierte analytische Begleitung. Daraus ist der Begriff `Monitored Natural Attenuation‘ entstanden.
Aus der Sicht des Schadenseigners ist das NA-Konzept in seinen verschiedenen Versionen meist attraktiv, weil es mit deutlich geringeren Kosten verbunden ist als aktive Sanierungsmaßnahmen. Das
Risiko, damit zu versagen, wird jedoch in eine ferne Zukunft verlagert und möglicherweise der Allgemeinheit aufgebürdet. Die grundsätzlichen Bewertungen von Natural Attenuation-Konzepten
sind auch heute noch sehr kontrovers: Sie reichen vom 'kontrollierten Nichtstun' bis zur 'kostengünstigen Sanierungsmethode'.
In Fällen, in denen der Schadstoffherd im Aquifer begrenzt und gut lokalisierbar ist, ist eine Quellensanierung der Fahnenbegrenzung vorzuziehen. Dafür werden zunehmend in situ-Oxidationsverfahren angewendet. Sie basieren auf der Injektion von starken Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid, Permanganat oder Persulfat in den Aquifer, möglichst direkt in die Schadstoffquelle. Alle diese Reagenzien wirken aggressiv und schnell. Nach unserer Einschätzung verbleiben jedoch beträchtliche Risiken, insbesondere durch Bildung toxischer Abbauprodukte (Metabolite) aus den primären Schadstoffen, wenn man die Reaktionsbedingungen nur unvollständig kontrollieren kann. Genau diese Einschränkung trifft aber für praktisch alle in situ-Maßnahmen zu: Da das Reaktionsmedium - der Grundwasseraquifer - sehr heterogen ist, lassen sich die injizierten Reagenzien nur sehr schwer mit den Schadstoffen vermischen. Von einer Kontrolle der Reaktionsbedingungen kann nicht die Rede sein. Ebenso könnte man derartige in situ-Maßnahmen als 'ambitionierte Abenteuer' bezeichnen.
Trends bei der Entwicklung und Erprobung von in situ-Verfahren
Nach unserer Einschätzung ist gegenwärtig weltweit keine wirklich neue, Technologie-relevante Entwicklungslinie zu erkennen. Der Fortschritt besteht zurzeit in einer Verbesserung bekannter Verfahrensprinzipien und deren intensiver Erprobung im Feldmaßstab.
Neben der Entwicklung hochleistungsfähiger, meist relativ aufwändiger Reinigungstechnologien kann man einen Trend hin zu Einfachtechnologien beobachten, die mit einem minimalen, eben noch angemessenen technischen Aufwand auszukommen versuchen. Der Vorteil solcher Verfahren liegt neben niedrigen Kosten auch in dem Erfahrungssatz, dass einfache Technologien meist zuverlässiger arbeiten als hochtechnisierte Verfahren.
Dieser Trend wurde am UFZ in Form des Compartment Transfer-Konzeptes (COTRA) aufgenommen. Kerngedanke des Konzeptes ist die Überführung eines Schadstoffes aus einem Umweltkompartiment, z.B. Grundwasser, in dem er schwer abbaubar ist, in ein anderes Kompartiment, z.B. die Atmosphäre, in der er schnell (photochemisch) abgebaut wird. Der Aufwand für eine Schadstoffverlagerung ist meist deutlich geringer als für eine Schadstoffeliminierung. Schadstoffverlagerung verbunden mit der Kontamination eines anderen Mediums - Compartment Transfer - ist aber nach gängiger Meinung und Rechtslage in Deutschland kein erlaubtes Mittel. Insofern stellt es einen Tabubruch dar. Wir halten dieses Konzept dennoch für sinnvoll und - abhängig vom Einzelfall - für prüfenswert.
Offene Fragen - Forschungsbedarf
Das am UFZ entwickelte CarboIron ist ein Verbundmaterial aus Mikroaktivkohle und Nanoeisen. CarboIron wurde für den direkten Einsatz in belasteten Grundwasserleitern optimiert.
Foto: Dr. Robert Köhler/UFZ
In der Grundwasserreinigungsanlage am Standort Bitterfeld, die bis zu 200 Kubikmeter hochkontaminierten Grundwassers pro Stunde reinigt, führte das Stripping-Verfahren
zu Problemen mit den im Grundwasser enthaltenen Schwefelverbindungen. In einer Container-basierten Pilotanlage (blaue Container auf dem Foto) testeten UFZ-Wissenschaftler erfolgreich ein neues Verfahren zur
Entschwefelung dieser Strippgase.
Foto: Dr. Robert Köhler/UFZ
Bereits in den 90er Jahren wurde im Zusammenhang mit der Finanzierung des Superfund-Programms im US-Kongress intensiv darüber debattiert, woran die Ziele für eine Grundwassersanierung ausgerichtet werden sollten. Spätestens bei der Rechtfertigung der entstehenden Sanierungskosten ist die Frage zu beantworten: "How clean is clean?" Für die große Mehrzahl der kontaminierten Standorte gilt: Technologien nach dem Stand der Technik können Trinkwasserqualität (`health-based‘ Standards) nicht wieder erreichen - nicht mit vertretbarem Aufwand, nicht heute und wohl kaum in absehbarer Zukunft. Vorbeugender Grundwasserschutz ist unbestritten aus ökologischer und volkswirtschaftlicher Sicht die beste Strategie. Trinkwasser ist ein Naturprodukt und soll es bleiben. Und wie bereits in der Einleitung betont, verstoßen nicht gegen Regeln der Nachhaltigkeit, wenn wir große Mengen an Grundwasser zur Nutzung entnehmen. Wir belasten aber zukünftige Generationen, wenn wir Aquifere verschmutzen. Die Pflicht zum verantwortungsvollen Umgang mit der Naturressource Grundwasser sollten wir als Generationenvertrag begreifen und festschreiben. Alle guten Absichten können jedoch bestehende Grundwasserschäden - Altlasten - nicht ungeschehen machen und, realistisch betrachtet, das Entstehen zukünftiger Belastungen nicht vollständig ausschließen.
Sanierungsforschung am UFZ
Am UFZ wird ein breites Spektrum von Wasserbehandlungs- und Sanierungstechnologien bearbeitet. Sie reichen von naturnahen Einfachverfahren, wie Wurzelraumanlagen (Constructed Wetlands) bis hin zu ausgefeilten chemisch-katalytischen Verfahren, wie der Palladium-katalysierten Hydrodechlorierung von chlororganischen Verbindungen. UFZ-Forscher haben u.a. den weltweit leistungsfähigsten Katalysator für diese Reaktion auf Basis von Pd auf nano-Magnetit entwickelt. Das Trägermaterial Magnetit ist nicht nur umweltfreundlich, sondern ermöglicht wegen seiner ferrimagnetischen Eigenschaften auch eine elegante Abtrennung und Rückgewinnung der Nanoteilchen aus dem behandelten Wasser durch Magnetoseparation. Ein weiteres Beispiel für neue Sanierungsreagenzien ist das am UFZ entwickelte CarboIronTM, ein Verbundmaterial aus Mikroaktivkohle und Nanoeisen. Das Reagenz ist für die in situ-Anwendung in kontaminierten Aquiferen optimiert und verbindet die hervorragenden Sorptionseigenschaften von Aktivkohle mit der chemischen Reaktivität von metallischem Eisen.
Gleichberechtigt neben der Entwicklung neuer Materialien und Verfahren steht die Lösung konkreter, praktischer Probleme. Ein Beispiel dafür ist die Optimierung einer vorhandenen Grundwasserreinigungsanlage am Standort Bitterfeld mit einer maximalen Kapazität von 200 Kubikmetern pro Sunde hochkontaminiertem Grundwasser durch Entwicklung eines neuen, angepassten Verfahrens zur Entschwefelung von Strippgasen.
Schließlich stellt sich das UFZ auch dem Anspruch, deutschland- und weltweit ein sichtbares Kompetenzzentrum auf dem Gebiet der Sanierungsforschung mit einem klaren Schwerpunkt Grundwasser und Boden zu bilden. Wir sind Ansprechpartner für Sanierungspflichtige, Behörden und Politik.
Referenzen (Auswahl)
Roland, U., Holzer, F., Kopinke, F.-D. (2011):
Ambivalent Role of Water in Thermodesorption of Hydrocarbons from Contaminated Soil.
Environ. Sci. Technol. 45, 732-737
Kopinke, F.-D., Angeles-Wedler, D., Fritsch, D., Mackenzie, K. (2010):
Pd-catalyzed hydrodechlorination of chlorinated aromatics in contaminated waters _ Effects of surfactants, organic matter and catalyst protection by silicone coating.
Appl. Cat. B-Environm. 96, 323-328
Hildebrand, H., Kühnel, D., Potthoff, A., Mackenzie, K., Springer, A., Schirmer, K. (2010):
Evaluating the cytotoxicity of palladium/magnetite nano-catalysts intended for wastewater treatment.
Environ. Pollution 158, 65-73
Roland, U., Bergmann, S., Holzer, F., Kopinke, F.-D. (2010):
Influence of in-situ steam formation by radio-frequency heating on thermodesorption of hydrocarbons from soil.
Environ. Sci. Technol. 44, 9502-9508
Georgi, A., Gonzalez-Olmos, R., Köhler, R., Kopinke, F.-D. (2010):
Fe-zeolites as catalysts for wet peroxide oxidation of organic groundwater contaminants: mechanistic studies and applicability tests.
Separation Sci. Technol. 45, 1579-1586
Pörschmann, J., Trommler, U., Górecki, T. (2010):
Aromatic intermediate formation during oxidative degradation of Bisphenol A by homogeneous sub-stoichiometric Fenton reaction.
Chemosphere 79, 975-986
Angeles-Wedler, D., Mackenzie, K., Kopinke, F.-D. (2009):
Sulphide-induced Deactivation of Pd/Al2O3 as Hydrodechlorination Catalyst and its Oxidative Regeneration with Permanganate.
Appl. Cat. B-Environm. 90, 613-617
Hildebrand, H., Mackenzie, K., Kopinke, F.-D. (2009):
Pd/Fe3O4 nano-catalysts as tool for selective dehalogenation in wastewater treatment processes - Influence of water constituents.
Appl. Cat. B-Environm. 91, 389-396
Hildebrand, H., Mackenzie, K., Kopinke, F.-D. (2009):
Highly active Pd-on-magnetite nano-catalysts for aqueous phase hydrodechlorination reactions.
Environ. Sci. Technol. 43, 3254-3259.