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Direkte Sanierung verschmutzter Grundwässer


Im Zuge von Industrialisierung, Übergang zu intensiver Landwirtschaft und zunehmender Verkehrsdichte gelangen seit Jahrzehnten mehr und mehr toxische Stoffe in den Boden und damit oft ins Grundwasser. Meist aus Unwissenheit, mitunter aber auch fahrlässig hat man beispielsweise Produktionsabfälle vergraben, Leckagen aus Anlagen und Behältern in Kauf genommen, Pflanzenschutzmittel und schwer abbaubare Insektizide sowie Dünger großflächig ausgebracht und die Luft mit Gasen und Stäuben belastet, die sich niederschlagen. Mitunter ist nun das Grundwasser örtlich massiv verschmutzt, teilweise sind sogar ganze Landstriche betroffen.
Eine Besonderheit Deutschlands sind die Auswirkungen des Braunkohlen-Tagebaus. Das Absenken des Grundwasserspiegels hat nicht nur Probleme für die regionale Wasserversorgung und für die Natur von Feuchtgebieten zur Folge (Spektrum der Wissenschaft, April 1992, Seite 125); dadurch entstanden auch weiträumig zum Teil mehrere hundert Meter mächtige Zonen, in denen durch Sauerstoffzutritt das Mineral Pyrit (FeS2) oxidiert wird, so daß Sicker- und Grundwasser versauern und im Erdreich fixierte Schwermetalle wieder mobilisiert werden (siehe Kasten Seite 91).
Eine Sanierung wird spätestens dann notwendig, wenn Stoffe, die schon in geringen Konzentrationen toxisch oder krebserregend sind, die örtliche Trinkwasserversorgung gefährden. Sie stammen zumeist aus Altlasten in Deponien oder ehemaligen Industrieflächen.
So wurden chlorierte Lösemittel in vergangenen Jahrzehnten in großen Mengen etwa zur Textilreinigung oder in metallverarbeitenden Betrieben eingesetzt und gelangten als sehr flüchtige Substanzen gasförmig oder flüssig ins Erdreich (Bild 1). Weil es chemisch sehr stabile Verbindungen sind, die sich auch kaum an Bodenpartikel binden, verursachen sie oft kilometerlange Schadstoff-Fahnen im Grundwasser. Mikroorganismen vermögen sie nur sehr langsam und kaum vollständig abzubauen. Aus Per- und Tri-chlorethen können dabei zudem noch giftigere Substanzen wie das krebserregende Vinylchlorid entstehen.
Aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, also langkettige wie auch zu Ringen geschlossene Moleküle, bilden eine weitere Problemgruppe. Sie sind im Erdreich an Standorten von Tankstellen und Raffinerien zu finden; besonders problematisch sind Benzol und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe.
Teer und Teeröl verschmutzen den Untergrund ehemaliger Gaswerke, die praktisch in jeder Stadt ab etwa 40000 Einwohnern seit der Zeit um die Jahrhundertwende betrieben wurden. Die Gelände lagen ehedem am Siedlungsrand, wurden inzwischen aber als Wohngebiete oder für neue Industrieansiedlungen erschlossen. Sogenanntes Stadt- oder Leuchtgas hat man bis Mitte der fünfziger Jahre vorwiegend durch Entgasung von Steinkohle hergestellt; die dabei entstandenen Abfälle wurden oft an Ort und Stelle in Gruben deponiert (Bild 4).

Konventionelle Verfahren – teuer und langwierig

Das Beheben aller bislang bekannten Verunreinigungen des Grundwassers dürfte mit derzeit verfügbarer Technik nach Schätzungen des Umweltbundesamtes allein in Deutschland in den nächsten zehn Jahren zwischen 35 und 130 Milliarden Mark kosten. Für ganz Europa nennen verschiedene Experten für den gleichen Zeitraum 225 bis 880 Milliarden, und die amerikanische Umweltbehörde gibt für die USA etwa 360 Milliarden Mark an. Eine umfassende Sanierung können sich selbst reiche Industriestaaten also nur leisten, wenn es gelingt, den Aufwand durch neue Verfahren deutlich zu senken.
Freilich verdeutlichen diese Zahlen zugleich, daß für Unternehmen der Umwelt- und Entsorgungstechnik ein potentiell beachtlicher Markt existiert, zumal Asien und Afrika mit ihren problematischen industriellen Ballungsräumen bei diesen Schätzungen noch nicht berücksichtigt sind. Auch deshalb entwickelt man derzeit weltweit ökonomischere und effizientere Strategien.
Prinzipiell kann man den kontaminierten Boden ausheben und am Standort beziehungsweise fernab behandeln, oder man sucht den Untergrund an Ort und Stelle (in situ) zu reinigen. Letzteres wird favorisiert, weil es kostengünstiger ist und das Deponieren des verschmutzten Erdreichs entfällt.
Zu den am häufigsten eingesetzten In-situ-Verfahren gehört das Abpumpen des verunreinigten Grundwassers mit anschließender Aufbereitung sowie das Absaugen der Bodenluft, mit der dann leichtflüchtige Schadstoffe wie die chlorierten Lösemittel aus der Zone oberhalb des Grundwasserspiegels entfernt werden. Neuerdings sucht man die Effizienz dieser Methoden durch Tensidspülungen des Aquifers beziehungsweise Dampf-injektionen in die Zone darüber zu steigern; beide Verfahren werden von Teams mehrerer Hochschulen in der Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung in Stuttgart erprobt.
Wichtig für den Erfolg der Maßnahmen ist, daß sie am Schadensherd ansetzen und die Schadstoffe innerhalb weniger Jahre gelöst oder desorbiert werden können. Weil vielfach der Untergrund heterogen und die Geschichte einer Altlast selten genau bekannt ist, läßt sich der Herd allerdings häufig nur schwer ausmachen, eingrenzen und erkunden. Wurden die Schadstoffe vor Jahrzehnten deponiert, sind sie häufig schon zum Teil sehr tief versickert oder gar in wenig durchlässige Sediment- und Gesteinsschichten eingedrungen. Bei einer Sanierung können sie von dort wieder ins Grundwasser, gleichzeitig aber auch noch tiefer wandern; der Zeitaufwand wächst dadurch erheblich (Bild 2).
Generell kann die Desorption fester wie auch die Lösung flüssiger Schadstoffe im Grundwasser lange dauern, weil die Moleküle in diesem Medium nur langsam diffundieren. Das erschwert auch den Abbau organischer Schadstoffe durch Mikroorganismen. Chlorierte Lösemittel oder Teerinhaltsstoffe zu entfernen erfordert deshalb Jahrzehnte bis Jahrhunderte; viele derartige Sanierungsprojekte sind jedenfalls nach mehr als zehn Jahren Betrieb noch nicht erfolgreich abgeschlossen.
Hinzu kommt, daß beim Pumpen auch sauberes Grundwasser gefördert und dabei kontaminiert wird. Es ist mitunter sinnvoller, den Fluß durch den verschmutzten Bereich eher zu verringern. In den letzten Jahren beschränkt man sich deshalb gelegentlich auf reine Sicherungsmaßnahmen wie das Einkapseln des Schadensherdes durch vertikale Dichtungswände. Auch dazu muß er freilich hinreichend genau bekannt sein; zudem darf er aus Kostengründen nicht viel tiefer als 30 Meter liegen. Freilich kann von einer Sanierung dann nicht die Rede sein, vielmehr wird das Problem für kommende Generationen konserviert.

Innovative Verfahren

Die genannten Nachteile lassen sich mit neueren geochemischen Maßnahmen umgehen, die wir nun besonders intensiv erforschen: Man läßt das Grundwasser mit natürlichem Gefälle – also ohne zu pumpen – durch künstliche Reaktions-zonen strömen, in denen Schadstoffe abgebaut oder zurückgehalten werden. Dazu eignen sich durchlässige reaktive Wände oder Trichter-und-Tor-Systeme (funnel-and-gate), die aus senkrechten undurchlässigen Leitwänden und einem Durchlaß mit reaktivem Material bestehen (Bild 3).
Ein solches Verfahren hat Bob Gillham vom Wasserforschungszentrum der Universität Waterloo (kanadische Provinz Ontario) erstmals eingesetzt. Seine Reaktionswand bestand aus gröberen, beim Schrottrecycling kostengünstig anfallenden Eisenpartikeln. Das Material ist ein starkes Reduktionsmittel und vermag einige chlorierte Verbindungen in vertretbarer Zeit zu dehalogenieren. Die Teilchengröße von ein bis zwei Millimetern gewährleistet guten Durchfluß.
Der Erfolg dieser Reaktionswände, die nach nunmehr sechs Jahren noch wartungsfrei arbeiten, löste einen wahren Boom aus: Allein in Nordamerika gibt es derzeit mehr als 20 Feldanwendungen mit elementarem Eisen zur Reinigung des Grundwassers von chlorierten Kohlenwasserstoffen und Chromaten; zugleich wurde nach weiteren Materialien gegen andere Schadstoffe geforscht.
Ebenfalls gut untersucht ist inzwischen Aktivkohle als Adsorptionsmittel für schwer abbaubare hydrophobe Substanzen wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe. Das Land Baden-Württemberg fördert auf Initiative der Universität Tübingen und der Landesanstalt für Umweltschutz zwei Modellprojekte zum Einsatz beider Materialien in Trichter-und-Tor-Systemen.
Nitrat und Schwermetalle lassen sich mit organischem Material wie Torf oder Sägespänen entfernen. Des weiteren untersucht man Bimetallgemische und Katalysatoren wie Palladium, um Chlorkohlenwasserstoffe zu dehalogenieren und polyzyklische Aromaten in unschädlichere Moleküle aufzubrechen. Katalysatoren sind zwar sehr wirkungsvoll, werden durch anorganische Stoffe im Grundwasser aber schnell unbrauchbar; an der Universität Tübingen entwickelt Christoph Schüth Trägermaterialien wie hydrophobe Zeolithe, die dies verhüten sollen. Auch die Kombination geochemischer Prozesse mit mikrobiellem Schadstoffabbau scheint erfolgversprechend.
Solche Verfahren können indes nur wirtschaftlichen Erfolg haben, wenn die Materialien unter verschiedenen Grundwasserbedingungen ausreichend lange – als Faustregel gilt mindestens fünf bis zehn Jahre – wirksam sind, da ein Austausch die Betriebskosten erhöht. Einer von uns (Dahmke) untersucht deshalb mit seiner Arbeitsgruppe die Prozesse beim Abbau von Trichlorethen auf Eisen-Oberflächen unter realistischen Umgebungsbedingungen. Zum Beispiel können Sulfat und Karbonat darauf ausfallen und die Durchlässigkeit für andere Stoffe verringern, mithin die Abbaureaktion verlangsamen. Geforscht wird auch über Materialien gegen komplexe Schadstoffgemische und bisher nicht abbaubare Verbindungen wie die Chlorbenzole in Grundwässern der Industrieregion Bitterfeld. Das Umweltforschungszentrum Leipzig/Halle koordiniert derzeit ein Verbundvorhaben zur Weiterentwicklung der In-situ-Verfahren.

Abwarten und hoffen auf natürlichen Schadstoffabbau?

Zusätzlich oder alternativ zu künstlichen Reaktionsräumen könnten Selbstreinigungsprozesse im Grundwasserleiter helfen: Abbau, Fällung und Sorption kommen auch natürlich vor und beschränken den kontaminierten Bereich im Abstrom für manche Schadstoffgruppen auf Strecken von weniger als hundert Metern. Dies gilt insbesondere für nichtchlorierte Verbindungen wie Benzol oder Naphthalin, die von Mikroorganismen rasch abgebaut werden.
Im Rahmen eines Schwerpunktprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft untersuchen wir dazu gemeinsam mit weiteren Arbeitsgruppen detailliert das Langzeitverhalten von Schadstoffen an einem ehemaligen Gaswerksstandort (Bild 4). Wäre ihr Transport im Grundwasser begrenzt, ließe sich auf eine aufwendige Sanierung verzichten. Allerdings ist bislang ungeklärt, in welchen Fällen noch nicht bekannte Verbindungen oder Abbauprodukte auftreten, die toxisch oder kanzerogen oder beides sind und unter natürlichen Bedingungen nicht beziehungsweise nur sehr langsam zersetzt werden können. So enthalten amerikanische Kraftstoffe Additive, die aufgrund ihrer Mobilität und Persistenz im Grundwasser inzwischen lange Schadstoffahnen verursacht haben. Diese Zusätze sollen seit den siebziger Jahren die Schadstoff-Emission von Verbrennungsmotoren verringern; in Santa Monica (Kalifornien) mußten aber bereits 80 Prozent der Brunnen infolge der Kontamination damit stillgelegt werden – offensichtlich hat die Selbstreinigungskraft des Aquifers nicht ausgereicht.
Trotz großer Sanierungsanstrengungen in den letzten beiden Jahrzehnten ist abzusehen, daß massive Verunreinigungen auch in Zukunft ein gravierendes Problem unserer Wasserversorgung sein werden. Mit herkömmlichen Verfahren ist eine flächendeckende Sanierung kaum finanzierbar; Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit der hier vorgestellten neuen – eher passiven – Methoden müssen sich erst erweisen. Die im Grundwasser ablaufenden natürlichen Selbstreinigungsprozesse können sicherlich nur bei einigen Schadstoffgruppen und geeigneten Untergrundverhältnissen ausreichen. Um das Langzeitverhalten der sich selbst überlassenen Schadensherde zu prognostizieren, mangelt es ebenfalls noch an Erfahrungen und geeigneten Methoden. Und selbst wenn es in Zukunft gelingen würde, lokale Schadstoffeinträge zu minimieren, bleiben diffuse Belastungen des Grundwassers durch Landwirtschaft und atmosphärische Deposition von Schadstoffen, die nur durch weitreichende Umweltschutzstrategien zu begrenzen sind.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1998, Seite 89
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
4 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 4 / 1998

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