Newsletter des Amts für Wasser und Abfall

Newsletter des Amts für Wasser und Abfall
Schwerpunktthema - Ausgabe 2 / 2016 - Juni
Freisetzung von Nitrit bei Sprengvorgängen
Die Freisetzung von Nitrit bei Sprengvorgängen und der Einfluss auf
die Umwelt - Ein Beispiel aus der Praxis im Kanton Bern
Für die Einleitung von fischtoxischem, nitrithaltigem Abwasser aus Baustellen in ein Gewässer besteht gemäss Gewässerschutzverordnung (GSchV) ein Grenzwert von 0.3 mg/l Nitrit-N. Erfahrungen oder gar konkrete Resultate über die Freisetzung von Nitrit sind in der Schweiz jedoch eher
bescheiden. Die BLS AG hat freundlicherweise zugestimmt, die auf der Baustelle Rosshäuserntunnel gewonnenen Erkenntnisse und die daraus erforderlichen Massnahmen im vorliegenden Bericht
zu publizieren.
Allgemeines
Der Einsatz von Bauchemikalien wie Betonverflüssiger, -beschleuniger oder -verzögerer sind auf heutigen Grossbaustellen kaum mehr wegzudenken. Wo
beim Tunnelbau nicht mit einer Tunnelbohr- oder Teilschneidmaschine gearbeitet werden kann, muss gesprengt werden. Heute kommen vorwiegend Emulsionssprengstoffe zum Einsatz, vereinzelt werden
noch gelatinöse Sprengstoffe eingesetzt. Vorteile bei
der Anwendung von Emulsionssprengstoffen sind
die geringere Anzahl an nötigen Bohrlöchern, die
gute Wasserunempfindlichkeit und die anpassbaren
Sprengstoffeigenschaften.
Bei dem in diesem Bericht beschriebenen Fall wurde der Emulsionssprengstoff Emulga der SSE (Société Suisse des Explosifs SA) eingesetzt. Dieser
besteht aus drei Komponenten, die einzeln nicht explosiv sind, was Transport und Lagerung erleichtert.
Die drei Komponenten werden im Mischladesystem
zusammengeführt und werden erst im Bohrloch,
nach erfolgter Ladephase, zum Sprengstoff. Dieser
Sprengstoff setzt sich vorwiegend aus Ammoniumund Natriumnitrat sowie Ölen zusammen.
Zur Zündung wird die Sprengschnur Detonex verwendet, eine schlauchförmige Sprengladung, welche
PETN (Pentaerythrithyltetra-Nitrat) enthält.
schwaden gemessen werden, allerdings sind die Resultate stark von den äusseren Bedingungen abhängig (Temperatur, Feuchtigkeit, Felstyp etc.).
Sprengstoffe setzen sich überwiegend aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff zusammen. Bei der detonativen Umsetzung werden
Wasserdampf und die Gase Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide, Kohlenwasserstoffe mit
einem grossen Anteil an Methan, Ammoniak und
Cyanwasserstoff freigesetzt. Aus dem Sauerstofflieferanten Nitrat kann sich durch Reduktion Nitrit bilden.
Ökotoxikologie
Nitrit-Ionen können bei Fischen über die Chloridzellen
der Kiemen aufgenommen werden (Konkurrenz-Reaktion). Dies führt zu einer Mangelaufnahme an Chlorid, was den Ionenhaushalt des Fisches beeinträchtigt. Infolge wird der Gehalt an Kalium-Ionen reduziert,
was zum Schrumpfen der Erythrozyten (rote Blutkörperchen) führt. Durch die Oxidation des Hämoglobins
(roter Blutfarbstoff) wird der Sauerstofftransport im
Blut beeinträchtigt und der Fisch erstickt.
Explosionsrückstände aus Sprengstoffen
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen nicht
detonierten Rückständen sowie den festen und den
gasförmigen Rückständen aus der Detonation.
Nicht detonierte Rückstände sind sogenannte untätige Bestandteile, die z.B. den Aspekt und die Dichte
des Sprengstoffes verändern. Oft werden Holzmehl,
Guarkernmehl, Aluminium, Eisenoxid, Sand und Öle
verwendet. Diese Stoffe bleiben nach der Detonation
unverändert oder liegen als Oxide vor.
Die Hauptrückstände sind jedoch die gasförmigen
Stoffe. Dies können grundsätzlich in den RauchGas- und Rauchaustritt unmittelbar nach Sprengung
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Freisetzung von Nitrit bei Sprengvorängen
Tunnelbaustelle Doppelspurausbau Rosshäusern - Mauss der BLS AG
Erfahrungen Seite Ost
Die Entwässerung des Ostportals erfolgte über Absetzbecken, Kammerfilterpresse, Neutralisation in die ARA
Sensetal. Für die Einleitung von nitrithaltigem Abwasser auf die Kläranlage besteht kein Grenzwert.
Abwasserbehandlung Seite Ost
Tunnel
Mischer
Schlamm
Entwässerung Installationsplatz
ARA
ARASchacht
Absetzbecken
Neutralisation
Tunnelzufahrt
Bewitterungswasser
Schematische Darstellung des Wasserflusses auf der Ostseite
Gemäss Unternehmer wurde nach der Sprengung ca. 30 – 60 min. mit einem feinen Sprühnebel bewittert,
um den Felsen zu reinigen aber auch um den Feinstaub schneller zu binden. Zur Bewitterung wurde Abwasser aus der Neutralisation eingesetzt. Über die Abwassermengen konnte keine Auskunft gegeben werden.
Eine erste Abwasseruntersuchung gab folgende Auskunft zur Schadstoffbelastung:
Parameter
Einheit Auslauf Kammerfilterpresse
Stunden nach
Sprengung
pH
-
Nitrit-N
mg/l
Nach Neutralisation
Auslauf Kammerfilterpresse
Anforderung
1.5 h
1.45 h
3h
12
8
12
6.5 - 9.0
0.22
0.14
0.21
0.30
Erwartungsgemäss lag die Konzentration von Nitrit-N nach der Neutralisation tiefer als nach der Filterpresse.
Einerseits könnte dies auf die Verdünnung mit Platzwasser zurückzuführen sein, aber auch auf die fortgeschrittene Oxidation des Nitrits zu Nitrat während des Aufbereitungsprozesses.
Die Messungen wurden über einen längeren Zeitabschnitt wiederholt.
Für diese Messreihe wurden zudem die Menge an eingesetztem Sprengstoff und die verbrauchte Wassermenge (Bewitterung und Bergwasser) ermittelt.
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Freisetzung von Nitrit bei Sprengvorängen
Messungen nach Filterpresse Sprengvortrieb Ost (Normalfall)
Der maximale Nitritausstoss erfolgte ca. 4 Stunden nach der Sprengung und lag bei 0.9 mg/l NO2-N. Der NitritN-Grenzwert für die Einleitung in ein Gewässer wurde somit an diesem Punkt rund 3-mal überschritten. Es ist
zu beachten, dass der Nitrit-N Gehalt bereits vor der Sprengung über dem Grenzwert lag!
Bei der Sprengung wurden 336 kg Emulga eingesetzt.
Gemäss SSE entstehen aus 1 kg Emulga 0.05 l NOx (gasförmig). Unter der Annahme, dass sich daraus nur
Nitrit bildet, ergibt dies 102.4 mg Nitrit (NO2) / kg Emulga bzw. 31.23 mg Nitrit-N / kg Emulga.
Aus 336 kg Emulga könnten sich demnach 34.4 g Nitrit bzw. 10.49 g Nitrit-N bilden.
Das Tunnelabwasser wurde mit 1 l/s abgepumpt.
Mit einem Nitrit-N Durchschnittswert von 0.35 mg/l* über den ganzen Verlauf von geschätzten, extrapolierten 8 Stunden, bis alles Nitrit aus dem Berg gefördert wurde und der Fördermenge von 1 l/s resultiert ein
Nitrit-N Ausstoss von 10.08 g.
Aus 1 kg Emulga gelangten bei dieser Sprengung effektiv rund 30 mg Nitrit-N ins Abwasser,
was recht gut mit der theoretisch berechneten Menge von 31.23 mg Nitrit-N übereinstimmt.
* Der Durchschnitt aller Messwerte betrug 0.72 mg/l Nitrit-N. Unter der Annahme, dass eine Grundkonzentration des
Bewitterungswassers von 0.37 mg/l bestand, ergibt dies für die effektive Freisetzung 0.35 mg/l Nitrit-N.
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Freisetzung von Nitrit bei Sprengvorängen
Erfahrungen Seite West
Auf der Westseite war ursprünglich nur ein Vortrieb
von ca. 50 m vorgesehen. Das Abwasser wurde nach
Absetzbecken und Neutralisation in den Flüelebach
eingeleitet.
Wegen Verzögerungen im Sprengvortrieb Seite Ost
hat die Bauherrschaft entschieden, den Sprengvortrieb auch auf der Westseite anzugehen.
Aufgrund der festgestellten Nitrit-Überschreitungen
auf der Ostseite, musste zu Beginn der Sprengungen auf der Westseite das Abwasser zwingend in die
Kanalisation eingeleitet werden. Vorbehalten blieb
die Versickerung oder die Installation einer Behandlungs-Anlage.
Nitrit im Abwasser kann durch Mikroorganismen
abgebaut werden oder es kann chemisch mit Ozon
oder Chlor (meist in Form von Javelwasser) zu Nitrat
oxidiert werden. Die Kosten für eine Ozonanlage liegen bei 200‘000 Franken. Beim Einsatz von Javel
muss zwingend darauf geachtet werden, dass nicht
überschüssiges Javel (fischtoxisch) in den Vorfluter
gelangt.
Die Möglichkeit zur Einleitung in die Schmutzwasserkanalisation war jedoch auf der Westseite begrenzt
(limitierte Kapazität der Kanalisation sowie grosse Distanz von ca. 1 km zum nächsten Einleitschacht). Die
Installation einer Behandlungsanlage zur Elimination
des anfallenden Nitrits war aus Platzgründen aber
auch aus Zeitgründen schwer realisierbar.
Während rund 24 Stunden wurde auf der Westseite das Abwasser nach der Neutralisation untersucht.
Das System war bereits vier Wochen in Betrieb und
somit eingefahren.
Abwasserbehandlung Seite West
Kluft- Hangwasser
Tunnel
Absetzbecken
ca. 20 m3
Schlamm
S
F
M
A
SF: Schlammfang
MA: Mineralölabscheider
Neutralisation
Bewitterungswasser
Waschplatz
ARASchacht
Probenahme 2
ca. 1000 m
LöschwasserRückhaltebecken
100 m3
möglich
Havariebecken
250 m3
möglich
Probenahme 3
Schematische Darstellung des Wasserflusses auf der Westseite
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Probenahme 1
Schacht
möglich
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Freisetzung von Nitrit bei Sprengvorängen
Messungen nach Neutralisation Sprengvortrieb West (verzögerter Nitrit-Austrag)
Erst rund 7 Stunden nach der ersten Sprengung
stieg die Nitrit-N-Konzentration (nach Neutralisation,
Probenahme 1) über den Nitrit-N Grenzwert an und
erreichte nach rund 12.5 Stunden den gemessenen
Höchstwert von 0.49 mg/l. Ein Rückgang unter den
Grenzwert konnte während der Messdauer nicht beobachtet werden.
Vermutlich waren die Anfangswerte so tief, weil die
Messkampagne an einem Montag durchgeführt wurde, nachdem über das Wochenende keine Sprengungen stattgefunden haben und somit einerseits
genügend Zeit bestand für die natürliche Oxidation
von Nitrit zu Nitrat und andererseits, weil übers Wochenende nur sauberes Bergwasser aus dem Tunnel
über das System abgeführt wurde und somit eine
Verdünnung stattfand.
Der Nitrit-N-Gehalt im ARA-Schacht (Probenahme
2) lag, gemessen in mehreren Stichproben über die
Messzeit verteilt, konstant bei 0.11 mg/l und somit
unter dem Grenzwert, was eine Einleitung in den
Bach ab diesem Schacht erlaubt hätte. Hier wurde
vermutet, dass durch die längere Verweilzeit im Havarie- und Löschwasserrückhaltebecken (LWR-Becken), einerseits die Oxidation zum Nitrat begünstigt
wurde andererseits auch hier die Verdünnung in den
Becken zum Tragen kam.
Um mehr Informationen zum Verhalten des Systems zu erhalten wurden folgende Proben untersucht:
Parameter Einheit Probe Nr. 1
12:00
LRW-Becken
Oberfläche
Nitrit-N
mg/l
0.31
Probe Nr. 1
Probe Nr. 3
14:15
14:55
LRW-Becken ARA-Schacht
Oberfläche
0.31
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0.18
Probe Nr. 4
Anforderung
Tagesmischprobe
LRW-Becken
unten
0.38
0.30
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Freisetzung von Nitrit bei Sprengvorängen
Die Proben, welche an der Oberfläche des LWR-Beckens genommen wurden, lagen nur knapp über
dem Einleitgrenzwert für Nitrit-N in ein Gewässer.
Aufgrund der akzeptablen Werte wurde eine Pumpe
ins Havariebecken gehängt um Abwasserproben aus
dem Beckenboden zu ziehen (vermutlich geringere
Oxidation zu Nitrat als an der Wasseroberfläche). In
sämtlichen Proben, über einen Zeitraum von 8.5 Stunden gezogen, lag der Nitrit-N Gehalt bei 0.38 mg/l.
Dies deutet darauf hin, dass an der Wasseroberfläche
doch relativ schnell eine Oxidation statt findet.
Parameter
Einheit
Nitrit-N
mg/l
Probe Nr. 1
0.27
Als Option bestand die Möglichkeit, das Kluft- oder
Hangwasser, welches bis anhin separat gefasst und
in den Vorfluter abgeleitet wurde, über das Havariebecken zu entwässern. Gemäss Unternehmer ist der
Kluftwasseranfall konstant und nicht witterungsabhängig.
Nachdem das Kluftwasser ins Havariebecken umgeleitet worden war, wurden zwei Mischproben gezogen.
Probe Nr. 2
0.27
Anforderung
0.30
In den beiden Mischproben wurde der Nitrit-N- Einleitgrenzwert für den Vorfluter nicht überschritten.
Unter gleichbleibenden hydrologischen Bedingungen
wie am Probenahmetag konnte einer Einleitung in
den Vorfluter zugestimmt werden.
Die Qualität des Abwassers wurde durch die örtliche
Bauleitung regelmässig mit einem Schnelltest kontrolliert. Dazu wurde ein kolorimetrischer Aquarientest
verwendet, welcher im Vergleich zum kolorimetrischen Labor-Test sehr gute Vergleichswerte ergab.
Beide Testverfahren gelten eher als etwas ungenau,
da sie mit Vergleichsskalen arbeiten und somit nur
subjektiv beurteilt werden können. Mit dem Stäbchenfärbetest konnten weniger gute Vergleichsmessungen erzielt werden. Auf einer anderen Baustelle
wurde mit einem Spektrofotometer gemessen und
entsprechend genauere Resultate erzielt.
Die behördliche Überprüfung konnte die Einhaltung
des Grenzwertes bestätigen.
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Anfangs Juni 2015 erfolgte dann der Tunneldurchbruch und entgegen der Annahme, dass der NitritN-Gehalt nun sinken würde, musste eine Zunahme
beobachtet werden, welche ihr Maximum vermutlich
Ende Juli mit 1.1 mg/l Nitrit-N erreichte. Obwohl der
Tunnel nach dem Durchbruch gründlich gereinigt
worden war, erfolgte der Nitritrückgang nur sehr langsam und lag erst im Februar 2016 wieder unter dem
Einleitgrenzwert.
Der Anstieg des Nitritgehaltes kurz vor dem Durchbruch ist vermutlich auf die Mobilisierung von
‚Schlamm‘ zurückzuführen. Dieser gelangte während
des Kalottenvortriebs (oberster Teil des Tunnels) auf
den Boden und drang möglicherweise auch ins Gestein ein. Durch den anschliessenden Bau einer provisorischen Fahrpiste aus Beton wurde das Material
immobilisiert und vor Sauerstoff geschützt, wodurch
eine Oxidation zum Nitrat verhindert wurde.
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Freisetzung von Nitrit bei Sprengvorängen
Beim Abbau der Strosse (Mittelstück des Tunnelprofils), welcher natürlich auch den Rückbau der Bodenplatte
voraussetzt, wurde dieser Schlamm wieder mobilisiert. Erst nachdem rund 2/3 der Strosse abgebaut waren,
sank der Nitrit-N-Gehalt wieder unter den Einleit-Grenzwert.
Kalotte, im Sprengvortrieb erstellt
Provisorische Fahrbahn
möglicher Nitriteinschuss
Strosse
Sohle
Fazit
Die Konzentration an freigesetztem Nitrit ist von verschiedenen Faktoren abhängig: Art und Menge
des Sprengstoffs, Menge Berg- und Kluftwasser, Tunnellänge und der damit verbundenen Immobilisation sowie dem Gestein selber. In jedem Fall ist ein ständiges Monitoring unabdingbar, auch wenn
die Grenzwerte für die Einleitung in ein Oberflächengewässer zwischenzeitlich eingehalten werden.
Die enge und unkomplizierte Zusammenarbeit und Absprache zwischen der örtlichen Bauleitung, der
kantonalen Fachstelle, der Umweltbaubegleitung und dem Bauherrn haben sich im vorliegenden Fall
bewährt und eine für alle Beteiligten konstruktive Lösungsfindung ermöglicht.
Nathalie Beaux
Gewässerschutzinspektorin
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