Source strength - part of the leachate prognosis : options and limitations of laboratory and field testing

Den Umgang mit kontaminierten Böden und Standorten im Rahmen des Boden- und Grundwasserschutzes regeln in Deutschland das Bundes-Bodenschutzgesetz und die Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV). Die Durchführung einer Sickerwasserprognose dient der Gefährdungsabschätzung einer Grundwasserkontamination durch Bodenbelastungen. Gemäß der BBodSchV umfasst sie Untersuchungen zur Mobilisierbarkeit von Stoffen durch das Bodensickerwasser sowie eine Transportbetrachtung der gelösten Stoffe bis zum Ort der Beurteilung, die Grenze zwischen der ungesättigten und der gesättigten Bodenzone. Neben dieser bundesweit geltenden Verordnung existieren landesinterne Regelungen sowie Verfahrensvorschläge in der Baustoffbranche zum Umgang mit Baustoff und Recyclingprodukten. Allen Fragestellungen gemein ist die Abschätzung der im Sickerwasser gelösten Stoffkomponenten sowie ihrer Konzentrationen nach dem Passieren eines kontaminierten Materials, was als Quellstärke bezeichnet wird. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Aussagen über die Vergleichbarkeit der in diesen Testverfahren erzielbaren Ergebnisse abzuleiten. Weiterhin stand die potenzielle Übertragbarkeit von Ergebnissen, die in Laborversuchen zur Bestimmung der Quellstärke im Rahmen einer Sickerwasserprognose ermittelt werden, auf reale Verhältnisse im Fokus der Untersuchungen. Basierend auf einer Beurteilung der Praxisrelevanz der einzelnen Laborverfahren sollte abschließend ein Verfahrensvorschlag zur Bestimmung der Quellstärke erarbeitet werden: In Batchversuchen wurden der Einfluss des Wasser-Feststoffverhältnisses (WFV) auf die qualitative und quantitative stoffliche Zusammensetzung des Eluats sowie die potenzielle Mobilisierbarkeit von Schadstoffe untersucht. Die Erhöhung des WFV bei anorganischen Stoffkomponenten führte in der Regel zu einer Verringerung der Stoffkonzentration. Im Gegensatz dazu wurden bei Materialien, die mit polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) kontaminiert waren, unabhängig vom jeweiligen WFV immer konstante PAK-Konzentrationen gemessen. Vergleichbare Ergebnisse wurden in Laborsäulenversuchen bei voller Wassersättigung erzielt. Aufgetragen über das WFV nehmen die Konzentrationen der meisten anorganischen Stoffkomponenten bei stationären Versuchsbedingungen mit zunehmender Versuchsdauer ab. Die PAK-Konzentrationen wiesen konstante Werte auf. Im Rahmen der Untersuchungen zum Einfluss der Schichthöhe wurde die absolute Kontaktzeit zwischen dem Eluat und dem Untersuchungsmaterial (Aufenthaltsdauer des Eluats in der Säule) variiert. Bei gleichem WFV entstanden keine Konzentrationsunterschiede aufgrund einer größeren Schichthöhe. Auch die Verringerung der Flussrate und damit eine Erhöhung der spezifischen Kontaktzeit (direkter Kontakt zwischen Eluat und Bodenmatrix pro Wegstrecke) führte bei anorganischen Schadstoffen nur in wenigen Fällen zu einer Konzentrationsänderung. Für PAK wurden unterschiedliche Ergebnisse in Abhängigkeit des pH-Werts erzielt. Bei einem pH-Wert von 8 wurde eine Konzentrationsabnahme um mehrere Größenordnungen registriert, bei einem pH-Wert von 12 zeigte sich keine Änderung der Konzentration. Diese Unterschiede wurden auf mikrobiologische Aktivität bei einem pH-Wert von 8 zurückgeführt, die in einem basischen Milieu weitestgehend unterbunden wird. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Laboruntersuchungen auf Feldsituationen beurteilen zu können, wurden Versuche mit Laborlysimetern und Freilandsäulen unter Teilsättigung durchgeführt. Für PAK führen Laborversuche häufig zu einer Überschätzung des Gefährdungspotenzials, da ein biologischer Abbau bei vollständiger Wassersättigung stark gehemmt wird. Die im Labor ermittelten Konzentrationen anorganischer Stoffkomponenten stimmten größenordnungsmäßig mit den Konzentrationen der Freilandversuche überein. Infolge natürlich wechselnder Niederschläge und Temperaturschwankungen wichen die im Freiland gemessenen Konzentrationen bei gleichem WFV immer wieder von den Konzentrationen der Laborversuche unter stationären Bedingungen ab. Basierend auf den Ergebnissen der Untersuchungen wurde ein Vorschlag für ein praktisches Verfahren zur Bestimmung der Quellstärke ausgearbeitet, der die Aspekte Wirtschaftlichkeit und Praktikabilität der Durchführung, insbesondere im Hinblick auf eine akzeptable Versuchsdauer, vereint. Das stufenweise Vorgehen unterscheidet zwischen Materialien die mit anorganischen Schadstoffen bzw. Materialien die mit PAK belastet sind. Zu Beginn der Quellstärkebestimmung von Materialien mit anorganischen Schadstoffen stehen einfache Batchversuche. In Abhängigkeit der daraus erzielbaren Ergebnisse folgen gegebenenfalls Laborsäulenuntersuchungen mit variierbaren Fließbedingungen. Die Quellstärke PAK-haltiger Materialien wird in Abhängigkeit ihres jeweiligen pH-Werts ebenfalls anhand einfacher Batchversuche oder anhand von aufwändigeren Laborsäulenuntersuchungen mit einer Wasserteilsättigung der eingebauten Materialschicht ermittelt.In Germany, the BBodSchG and the BBodSchV regulate how to deal with contaminated soils and sites with respect to soil and groundwater protection. The implementation of a seepage water prognosis to estimate the risk potential of groundwater contamination includes, according to the BBodSchV, both a review of the mobilization potential of contaminants and observing the transport path of the soluble components to the point of compliance, which is located at the interface between the unsaturated and saturated zone. Beyond the afore noted federal regulation, a multitude of state regulations, as well as a variety of recommendations from the building technologies industry exist on how to handle construction waste and recycled materials from the construction sector. The industry standard, which differs from the BBodSchV standard, defines the point of compliance as the bottom edge of the contaminated material. Nonetheless, the common focus remains on estimating the soluble components in the seepage and their concentrations after they have passed through a contaminated material, which is designated as the source strength. The objective of this research project was to draw conclusions about the comparability of different testing methods, as well as determining the relevancy of laboratory trials when interpolating in-the-field conditions based on leaching test results. Based on the evaluations of the applicability in practice a recommended protocol was then to be developed: Via batch trials the liquid-to-soil ratio’s (L/S) impact on both the qualitative and quantitative eluate’s components, as well as the potential extraction of pollutants, was researched. These showed that increasing the L/S generally results in a decrease of the eluate’s concentration for inorganic components. For materials, which are charged with Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), constant PAH-concentrations were measured in the eluates despite varying the L/S. Comparable results were found in column trials. The layered materials were saturated with water via an upwards directed water flow. An indirect relationship of the L/S to the eluate’s concentrations was noted for most inorganic compounds during constant flow rates while the eluate’s PAH-concentrations did not vary. Further experiments focused on the affects of different material layer heights. The absolute contact time between the eluate and the testing material, i.e. the retention time of the eluate in the column was varied. The results of these experiments showed that there was no change in the concentrations when taller material layers were used. Decreasing the flow rate and thus increasing the specific contact time, which describes the contact between the eluate and the soil matrix per path of travel, only rarely resulted in a change of the eluate’s concentration. For PAHs the results varied based on the pH-value of the eluate. A substantial decrease of concentrations was recorded with pH-values of 8, while there was no change of concentration with pH-values of 12. The differing outcomes were attributed to microbiologic activity, which can occur when pH-values of the eluate are 8, and which are largely disabled in a basic environment. To evaluate the comparability of laboratory results to actual sites, lysimeters filled with contaminated material were exposed to controlled and natural precipitation, maintaining unsaturated conditions. These showed that especially for PAHs the laboratory column trials, in which materials are saturated with water, can result in a severe over-estimation of the leachate in actual unsaturated conditions. This can be attributed to the fact that in the laboratory column trials biodegradation cannot occur. However, for most inorganic parameters laboratory column trials can produce comparable results to the lysimeter trials. Due to transient precipitation and temperature changes, recurring increases / decreases in the concentrations of the field conditions will occur when compared to the controlled conditions in laboratories. Meanwhile, PAHs up-scaling from laboratory results to actual sites continues to be problematic. As a conclusion to the research, a standard operating procedure was prepared for determining the source strength, which respects the scientific parameters, but also recognizes the practical / financial implications of a given testing method, particularly considering reasonable test durations. The incremental operating protocol differentiates between soils, which contain inorganic contaminants versus PAHs. To establish initial source strength values of materials with inorganic compounds, batch-tests are used. Depending on the outcome, one may need to follow up with laboratory column trials using varied flow rates. The source strength of materials containing PAHs shall be determined – depending on the pH-value – via simple batch tests or more involved laboratory column trials in which the contaminated material is saturated with water