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Dr. R. Wienberg - Verfestigung von Abfällen
Verfestigung von Abfällen
und kontaminierten Böden
1 Kurzdarstellung
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Zur Reduzierung des Auslaugverhaltens von
kontaminierten Böden oder von gefährlichen Abfällen kann
eine Verfestigung des Materials mit verschiedenen Bindemitteln, Zuschlägen
und Additiven erfolgen. Dabei muss zum einen die Verarbeitbarkeit
des Materials gesichert und die langfristige Entwicklung der bauphysikalischen
Eigenschaften bekannt sein, zum anderen sind Prognosen zur Langzeitstabilität
des Materials und zur Zuverlässigkeit der Schadstoffeinbindung erforderlich.
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Konsistenz, Verarbeitbarkeitsdauer und
die Festigkeitsentwicklung variieren je nach angestrebtem Verfahren erheblich.
So werden einerseits zur in-Situ-Verfestigung kontaminierter Böden
suspensionsartige Frischmassen eingesetzt, andererseits auch steife, betonartige
Massen verwandt.
Bereits bei der Herstellung muss darauf geachtet
werden, dass die Schadstoffe nicht entweichen und die Arbeits- und
Umweltsicherheit gewährleistet ist. Auch dürfen die Schadstoffe
nicht mit den Bindemitteln oder Zuschlägen unter Freisetzung von schädlichen
Reaktions- Produkten reagieren.
Die
Anforderungen, die an das Langzeit- Verhalten der Verfestigungs- Produkte zu stellen sind, lassen sich folgendermaßen
zusammenfassen: Das Verfestigungsprodukt soll eine möglichst geringe Wasser-
Durchlässigkeit besitzen, um den Transport der im Wasser löslichen
Schadstoffe möglichst gering zu halten. Darüber hinaus ist eine
wesentlich bessere Schadstoffeinbindung möglich, wenn es zu einer
weitergehenden Fixierung der Schadstoffe in schwer lösliche und stabile
Mineralphasen kommt.
Auch auf sehr lange Dauer soll das Verfestigungsprodukt
unter Ablagerungsbedingungen stabil bleiben und seine Funktion behalten.
Bei langfristig ablaufenden Umsetzungs- und Abbauprozessen darf keine Schadstofffreisetzung
erfolgen; auch dürfen keine schädlichen Metabolite bzw. Reaktionsprodukte
entstehen und abgegeben werden.
Für die Prüfung und Beurteilung
von Verfestigungsprodukten gibt es in der TA Abfall einige Vorschriften.
Dort ist im Anhang H "Eignungsprüfungen für verfestigte Abfälle"
vorgesehen, daß die Festigkeit in Anlehnung an DIN 18136 und die
Durchlässigkeit in der Triaxialzelle in Anlehnung an DIN 18130 gemessen
werden soll. Als Elutionstest ist dort ein modifizierter Auslaugtest in
Anlehnung an DIN 38414 Teil 4 (S4-Test) angegeben, bei welchem ein Probezylinder
von 7 cm Durchmesser und Höhe mit demineralisiertem Wasser 24 Stunden
zu eluieren ist.
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Dieses
Mindestuntersuchungsprogramm wird
von uns kritisch gesehen; Deponiebetreiber und gelegentlich auch Behörden
und Verbände fordern nach dem Stand des Wissens zuverlässige
Prognosen über das Langzeitverhalten des schadstoffhaltigen verfestigten
Materials. Für Prognosen ist der in der TA Abfall vorgesehene Elutionstest
jedoch ungeeignet. Daher haben wir ein Methodenpaket entwickelt, welches
uns einerseits mit Hilfe von Zeitraffer-Tests Aufschlüsse über
die Langzeitbeständigkeit des Materials ergibt, andererseits mit
Desorptionsversuchen,
Diffusionstests, Untersuchungen der Schadstoff-Bindungsformen und ggf.
weitergehenden baustoffmineralogischen Untersuchungen Daten liefert, die
im Rahmen von Modellrechnungen Aussagen zur Art und Menge der auf Dauer
freiwerdenden Schadstoffe ermöglicht.
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Für die Prüfung von Verfestigungsprodukten
zur Sicherung von Altlasten gibt es keine der TA Abfall vergleichbaren
Anforderungen. In der Regel muß davon ausgegangen werden, daß
bei der in-Situ-Sanierung die in einer Deponie nach TA Abfall vorgesehenen
natürlichen und künstlichen Schadstoff-Barrieren fehlen. Umso
höhere Ansprüche müssen an das Verfestigungsprodukt und
an die Eignungsnachweise für das Verfahren und das Produkt gestellt
werden. Zumindest in diesem Fall sollte auf genauere Prüfung der Langzeitbeständigkeit
des Materials, auf eine Laboruntersuchung zur Schadstoffeinbindung und
auf eine modellmäßige Berechnung der Schadstoff-Langzeitströme
nicht verzichtet werden. Diese Modellrechnungen sollten Prognosen für
den vernünftigerweise anzunehmenden realistischen Fall, aber auch
für besonders ungünstige Bedingungen (worst-case-Betrachtungen)
enthalten.
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Im
Labor Dr. R. Wienberg
lagen mehr als fünfundzwanzigjährige Erfahrungen mit der Beurteilung von Bindemitteln
und Additiven sowie mit der Entwicklung von Verfestigungsrezepturen für
spezifische Abfälle bzw. kontaminierte Böden vor. Unsere Arbeiten
reichten von einfachen Untersuchungen nach TA Abfall bis hin zu umfangreichen,
aus Bundesmitteln geförderten Forschungs- und Entwicklungsvorhaben.
In unserem Speziallabor führten wir Elutionsversuche nach den einschlägigen
deutschen und ausländischen Normen sowie projektspezifische Sonderversuche
durch. Soweit möglich bedienten wir uns dabei der Tracer-Meßtechnik
mit aktiven (Modell-) Schadstoffen, was den Aufwand und die Kosten erheblich
reduziert.
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Zur Demonstration unserer Arbeitsweise
haben wir im folgenden Kapitel vier verschiedene Beispiele für Untersuchungen
im Bereich Verfestigung wiedergegeben. Eine weitergehende Darstellung der
Anforderungen an die Schadstoffbindung und die wirkenden Mechanismen ist
in der beigefügten Veröffentlichung "Grundlagen der Schadstoffbindung
bei Verfestigungsverfahren" zu finden. Die zweite Veröffentlichung
"Zur Verfestigung von Abfällen und den Prüfverfahren für
verfestigte Abfälle" war ein Diskussionsbeitrag zum Entwurf der TA
Abfall. Schließlich findet sich eine Liste weiterer Veröffentlichungen,
an denen wir beteiligt waren. Auf Anfrage senden wir Ihnen gern weitere
Arbeiten zu.
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2 |
Untersuchungsbeispiele
Verfestigung |
2.1 |
Sicherung einer PAK-Altlast
durch Bodenvermörtelung im Soilcrete-Verfahren |
Vorhaben: Ein Industriealtstandort
soll durch ein 2-Phasen-Soilcrete-Verfahren (überschneidende Bodensäulen)
saniert werden. Der entnommene Boden wird gereinigt und mit einer Restkontamination
behaftet vermörtelt und im Kontraktorverfahren in die aufgeschnittene
Bodensäule zurückgefüttert.
Fragestellung: Welche Restkontamination
kann geduldet werden?
Ziel der Untersuchungen:
Langzeitausbreitungsprognosen für die vermörtelten Schadstoffe
unter pessimistischen und realistischen Randbedingungen erstellen, um die
duldbare Restkontamination eingrenzen und begründen zu können.
Vorgaben: Zu untersuchen
sind die PAK Anthracen und Benz(a)pyren. Die Zusammensetzung und die Eigenschaften
des Mörtels - insbesondere der Durchlässigkeitsbeiwert - sind
in diesem Fall bekannt.
Lösung der Aufgabe:
Es wurden im Labor Dr. R. Wienberg
mit den gelieferten Baustoffen und Originalboden nach
den Rezepturen des Auftraggebers je eine Charge unter Zugabe von 14C-Anthracen
bzw. 14C-Benz(a)pyren mit dem Anmachwasser angemischt. Nach
28 Tagen wurden folgende Untersuchungen ausgeführt:
-
Bestimmung der Dichte und des volumetrischen
Wassergehalts als Schätzmaß für die Porosität,
-
Je 1 Elutionsversuch nach DEV S4, als 3-fach-Elution,
so daß dieser Versuch auch als konsekutiver Desorptionsversuch ausgewertet
werden kann,
-
Bestimmung der Sorptionsisothermen,
-
Bestimmung der Sorptionskinetiken,
-
Bestimmung des Desorptionsverhaltens nach
vorangegangener Adsorption,
-
Versuche zur Ermittlung des Diffusionskoeffizienten
nach ANS-16.01,
-
Versuche zur Ermittlung der Tortuosität
des Materials mit Bromid als Diffusionstracer mit Hilfe des Versuchs nach
ANS-16.01.
Der Versuchsbericht stellt für
die weitere Begutachtung folgende Daten zur Verfügung: Dichte, Porosität,
Tortuosität, Sorptivität (Verteilungskoeffizienten für beide
Schadstoffe, jeweils als größter und kleinster anzunehmender
Wert), effektive Diffusionskoeffizienten. Die Daten werden eingesetzt für
eine modellmäßige Betrachtung. Unter Vorgabe bzw. vernünftigen
Annahmen zur Geometrie des sanierten Bereiches, möglicherweise zu
erwartender hydraulischer Gradienten sowie zur Art des umgebenden Wasserleiters
werden für verschiedene Fälle eindimensionale Ausbreitungsberechnungen
durchgeführt. Ermittelt werden Konzentrationsprofile und Massenströme.
Auf dieser Grundlage erfolgt eine Empfehlung zur Höhe der duldbaren
Restkontamination in den Bodenmörteln.
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2.2 |
In-Situ-Bodenvermörtelung
eines Chrom-kontaminierten Bodens |
Vorhaben: Für die Sanierung
mehrerer Altstandorte galvanischer Metallbearbeitung möchte ein Bundesland
prüfen lassen, ob bei einer in-Situ-Bodenverfestigung Chrom ausreichend
immobilisiert wird und welche Bindemittel dazu in Betracht kommen.
Fragestellung: Können
die einschlägigen Grenzwerte mit Sicherheit unterschritten werden?
Welches Verfestigungsmaterial ist geeignet?
Ziel der Untersuchungen:
Bereitstellung eines schadstoffspezifisch angepaßten Bodenmörtels
(genaue Rezeptur und Anmachvorschrift) für die Verfestigung stark
chromkontaminierter Böden.
Vorgaben: Vorgegeben wird
eine Rezeptur für einen von den bauphysikalischen Eigenschaften her
geeigneten Vergleichsmörtel; der Bodenmörtel soll ihm in Bezug
auf Durchlässigkeit, Festigkeit, Konsistenz und Erstarrungsverhalten
ähneln.
Lösung der Aufgabe:
Im Labor Dr. R. Wienberg wurden mit vier verschiedenen Bindemitteln und Zusätzen Reihenanmischversuche
durchgeführt, um Mörtelrezepturen mit ähnlichen Eigenschaften
wie diejenigen des Vergleichsmörtels zu erhalten. An drei ausgewählten
Rezepturen sowie dem Vergleichsmörtel wurden Anmischversuche unter
Hinzudosierung von Chrom(III) bzw. Chrom(VI) durchgeführt. Bei den
Anmischversuchen wurde bestimmt:
-
Ausbreitmaß nach DIN 1060,
-
pH des Frischmörtels,
-
Erstarrungsbeginn und -ende in Anlehnung an
DIN 1164,
-
Biegezugfestigkeit und Druckfestigkeit jeweils
nach DIN 1164,
-
Wasserdurchlässigkeit im Karstenröhrchen.
An den ausgewählten Mörteln wurden
nach 28-tägiger Aushärtungsdauer Versuche zur Schadstoffrückhaltung
durchgeführt:
-
Je 1 Elutionsversuch mit Chrom(III) und Chrom(VI)
nach DEV S4 als 3-fach-Elution, so daß dieser Versuch auch als konsekutiver
Desorptionsversuch ausgewertet werden kann,
-
Rührelutionstests bis pH 4 (Elutionsverhaltens
bei saurem Angriff)
-
Bestimmung der Cr-Bindungsformen nach Groove
und Ellis
-
Bestimmung der Sorptionsisothermen,
-
Bestimmung der Sorptionskinetiken,
-
Bestimmung des Desorptionsverhaltens nach
vorangegangener Adsorption,
-
Versuche zur Ermittlung des Diffusionskoeffizienten
nach ANS-16.01,
-
Ermittlung der Tortuosität mit Bromid
als Diffusionstracer nach ANS-16.01.
Der Versuchsbericht beschreibt die Eigenschaften
der geprüften Mörtel, macht Angaben zum Elutionsverhalten der
chromkontaminierten, verfestigten Proben, stellt die Ergebnisse in Beziehung
zu den vorgegebenen Grenzwerten und macht schließlich Empfehlungen
zur Auswahl und zur Anwendung der Verfestigungsmethode.
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2.3 |
Wirksamkeit eines Verfahrens
zur Verfestigung von Schlämmen der metallverarbeitenden Industrie |
Vorhaben: Ein Anbieter eines
Verfestigungsverfahrens für Schlämme aus der metallverarbeitenden
Industrie - Hauptkontaminanten Chrom, Kupfer, Blei und Zink - wünscht
für die Deponierung des Materials eine gutachterliche Bearbeitung
über die Wirksamkeit seines Verfahrens.
Fragestellung: können
durch das Verfestigungsprodukt die Vorgaben der TA Sonderabfall eingehalten
werden? Findet durch die Verfestigung eine über eine mechanische Einbindung
hinausgehende wesentliche Schadstoffeinbindung statt? Ist längerfristig
eine Remobilisierung der Schadstoffe zu befürchten?
Ziel der Untersuchungen:
Elutionsverhalten des Materials im Vergleich mit vorgegebenen Grenzwerten;
Prognosen zum Langzeit-Schadstoffrückhaltevermögen und zur Langzeitbeständigkeit
des verfestigten Materials unter Deponiebedingungen.
Vorgaben: Der Auftraggeber
stellt die Baustoffe, die Verfestigungsrezeptur und die Abfallprobe sowie
Prüfzeugnisse für von dritter Seite gemessene Druckfestigkeiten
und Durchlässigkeiten. Verarbeitbarkeit und Eigenschaften des Frischmörtels
sind in diesem Fall nicht Gegenstand des Auftrages.
Lösung der Aufgabe:
Nach 28-tägiger Lagerung der Proben wurden im Labor
Dr. R. Wienberg folgende Untersuchungen
zur Schadstoffrückhaltung durchgeführt:
-
Eluatuntersuchungen nach DEV S4 in der Modifikation
der TA Sonderabfall,
-
Eluatuntersuchungen nach DEV S4 in der DIN-gemäßen
Fassung als Dreifachelution und mit Auswertung als Desorptionsversuch,
-
Rührelutionstest bis zum Erreichen von
pH 4 zur Bestimmung des Elutionsverhaltens bei saurem Angriff,
-
Versuche zur Ermittlung des Diffusionskoeffizienten
nach ANS-16.01,
-
Versuche zur Ermittlung der Tortuosität
des Materials mit Bromid als Diffusionstracer mit Hilfe des Versuchs nach
ANS-16.01.
Zur Frage der Dauerbeständigkeit wurden
folgende Lagerungsversuche bei 90-tägiger Versuchsdauer und Untersuchung
der Körper auf Massen- und Strukturveränderungen durchgeführt:
-
Einlagerung der Probekörper in ein Modell-Deponiesickerwasser
-
Einlagerung der Probekörper bei ständiger
Begasung mit CO2 zur Prüfung der Beständigkeit gegen
kalkangreifende Kohlensäure.
Der Untersuchungsbericht macht
Aussagen zur Eluierbarkeit der Schadstoffe und Abschätzungen zu mobilisierbaren
Schadstoff-Massenströmen. Es werden Prognosen zur Stabilität
des Verfestigungsproduktes unter Ablagerungsbedingungen, insbesondere bei
CO2-gesättigten Medien gemacht. Die Ergebnisse werden im
Vergleich zu bekannten anderen Verfahren kommentiert. Es werden Aussagen
gemacht, in wieweit die vorgegebenen Grenzwerte sicher einzuhalten sind.
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2.4 |
Beurteilung der Schadstoffbindung
und möglicher Konditionierungsmethoden für dioxinhaltige Rückstände
des Kupfererzaufschlusses (Kieselrot) |
Vorhaben: Die Deckschicht
eines Sportplatzes besteht aus "Kieselrot", einem Material aus dem sauren
Kupfererzaufschluß, der bedenklich mit hochtoxischen organischen
Schadstoffen kontaminiert sein kann. Dieses soll abgetragen und auf einer
Monodeponie abgelagert werden.
Fragestellung: Es soll untersucht
werden, in welchem Maße die organischen Schadstoffe potentiell eluierbar
sind und ob das Material mit dem Ziel der Verringerung der Eluierbarkeit
durch Verschnitt mit anderen Stoffen - insbesondere Braunkohlenflugaschen
oder Braunkohlenstaub - konditioniert werden soll.
Ziel der Untersuchungen:
Bestimmung der Feststoff/Wasser-Gleichgewichte für gering wasserlösliche
Schadstoffe am Ausgangsmaterial, den Zuschlagstoffen sowie dem konditionierten
Material.
Vorgabe: Der Auftraggeber
liefert ca. 200 g des Kieselrotmaterials. Er läßt von mehreren
Chargen Analysen für die problematischen organischen Schadstoffe durchführen.
Die ausgewählte, gelieferte Charge ist so gering belastet, daß
mit ihr unter den üblichen Sicherheitsmaßnahmen gefahrlos im
Labor umgegangen werden kann.
Lösung der Aufgabe:
Am Ausgangsmaterial wurden folgende Parameter gemessen: Korngrößenverteilung
(Siebung), Gehalt an organischem und anorganischen Kohlenstoff, pH in der
wäßrigen Aufschlämmung. Zur Bestimmung der Feststoff/Wasser-Gleichgewichte
wurden im Labor Dr. R. Wienberg folgende Sorptionsversuche mit dem radioaktiv markierten Modellschadstoff
14-C-Hexachlorbenzol
und dem Ausgangsmaterial, den Zuschlagstoffen sowie dem konditionierten
Material durchgeführt:
-
Sorptionsversuche zur Berechnung von Sorptionsisothermen
mit 4 Konzentrationsschritten in einem weiten Konzentrationsbereich,
-
Sorptionsversuche zur Ermittlung der Sorptionskinetik
mit 1 Konzentration und mit 11 Einzelschritten,
-
Sorptionsversuch mit drei konsekutiven Desorptionsschritten
-
Diffusionsversuche nach van der Sloot, Röhrchenversuch.
Der Untersuchungsbericht gibt
die gemessenen Verteilungskoeffizienten an und vergleicht die ermittelten
potentiellen Lösungskonzentrationen mit denen anderer üblicherweise
auf einer Monodeponie abgelagerter Feststoffe wie z.B. MVA-Aschen. Er legt
den Effekt der Zumischung weiterer hochsorptiver Zuschläge wie Braunkohlenflugaschen
und Braunkohlenstaub dar und leitet daraus Empfehlungen für die Behandlung
des Ausgangsmaterials ab.
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3 |
Weitere Veröffentlichungen
zur Verfestigung von Abfällen und kontaminierten Böden |
-
Khorasani, R., Wienberg, R., Förstner,
U.: Verfestigung, Stabilisierung
und Einbindung organischer Schadstoffe aus Deponien unter besonderer Berücksichtigung
anorganischer und organischer Füllstoffe und Bindemittel.- In: Wolf, K., van den Brink, W.J., Colon, F.J. (Hrsg.): Altlastensanierung
'88. Kluver Academic Publ., Dordrecht, 987-996 (1988)).
( Solidification, stabilization
and encapsulation of organic compounds from remedial actions using inorganic and
organic fillers and binding agents.- In: Wolf, K., van den
Brink, W.J., Colon, F.J. (Hrsg.): Contaminated Soil '88. Kluwer Academic Publ.,
Dordrecht, 967-976 (1988)
-
Wienberg, R., Förstner, U.: Immobilisierung
organischer Schadstoffe aus Deponien mit Braunkohlenstäuben und Bitumen. -
Abfallwirtschaftsjournal 1 (10), 67-75 (1989)
-
Wienberg, R., Khorasani, R., Schweer, C.,
Förstner, U.: Verfestigung, Stabilisierung und Einbindung organischer
Schadstoffe aus Deponien. - In: Thomé-Kozmiensky (Hrsg.): Altlasten 3,
227-259. EF-Verlag, Berlin (1989)
-
Gerth, J., Wienberg, R., Förstner, U.:
Chromium in contaminated soils: Bound forms and chromium immmobilization
by ferrous iron. - Heavy Metals in the Environment, Edinburgh, 16.-20.9.1991
.4 S. (1991)
-
Wienberg, R.: Schadstoffeinbindung in Bodenmörteln:
Fallbeispiel Goldbekhaus. In: Stegmann, R.: Bodenreinigung - Biologische
und chemisch-physikalische Verfahrensentwicklung unter Berücksichtigung
der bodenkundlichen, analytischen und rechtlichen Bewertung. Economica
Verl., Bonn, 347-377 (1993)
-
Gerth, J., Wienberg, R.: Bewertungsverfahren
für verfestigte kontaminierte Böden. Altlasten-Spektrum 3 (4),
239-240 (1994)
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Dr. Reinhard Wienberg
Umwelttechnisches Labor