Verfestigung von Abfällen und kontaminierten Böden

 1 Kurzdarstellung
 2 Untersuchungsbeispiele
 2.1   Sicherung einer PAK-Altlast
 2.2    In-Situ-Bodenvermörtelung
 2.3 Metallhaltige Schlämme
 2.4 Kieselrot
 4 Veröffentlichungen
 5 Powerpoint-Präsentation zur Verfestigung (1,4 MB)

 

1   Kurzdarstellung

 

Anmischversuche mit Ölschlamm und mit Zement, Kalk, Hochofenmehl, Flugasche u.a.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.

 

 

Zementverfestigter Ölschlamm wird in Wasser eingelagert. Sofort tritt Öl aus.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.

Nach einigen Augenblicken bilden sich erste Risse.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. 

Nach wenigen Minuten hat sich der ehemals sehr feste Probekörper zerlegt. 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.

 

 

Elektronenoptische Aufnahme: Ölschlamm verfestigt mit Zement. Das Öl verbleibt in großen, miteinander verbundenen Poren.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.

 

 

Hafenschlick mit Hochofenmehl und GipsFür 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.

 

 

Zementverfestigter HafenschlickIm 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.

 

 

Anmischung von Proben im kleinen LabormaßstabZur 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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Untersuchungsbeispiele Verfestigung
2.1    Sicherung einer PAK-Altlast durch Bodenvermörtelung im Soilcrete-Verfahren

Durchlässigkeitsprüfung in der Triaxialzelle bei gleichzeitiger Eluatgewinnung (IGH Hannover GmbH)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:

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:

An den ausgewählten Mörteln wurden nach 28-tägiger Aushärtungsdauer Versuche zur Schadstoffrückhaltung durchgeführt: 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:

Zur Frage der Dauerbeständigkeit wurden folgende Lagerungsversuche bei 90-tägiger Versuchsdauer und Untersuchung der Körper auf Massen- und Strukturveränderungen durchgeführt: 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:

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

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Dr. Reinhard Wienberg
Umwelttechnisches Labor