DE10058904C2 - Verfahren zum Nachweis von Bodenkontaminationen durch organische Flüssigphasen - Google Patents
Verfahren zum Nachweis von Bodenkontaminationen durch organische FlüssigphasenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von
Bodenkontaminationen durch organische Flüssigphasen (NAPLs),
anhand einer Bestimmung der Radonkonzentration (222Rn) der
Bodenluft in der grundwasserungesättigten Bodenzone.
Ein bekanntes weitverbreitetes Problem bei der Einschätzung
alter Industriestandorte hinsichtlich des von ihnen
ausgehenden Gefährdungspotentials sind Untergrundkon
taminationen durch organische Flüssigphasen, so genannte
"Non-Aqueous Phase-Liquids" (NAPLs), wie z. B. Kraftstoffe
oder Öle (Mineralölkohlenwasserstoffe). Zur Erkundung von
Untergrundverunreinigungen durch NAPLs werden
herkömmlicherweise Sondierungen abgeteuft
(Rammkernsondierungen). Diese werden möglichst in Bereiche
bekannter Kontaminationsherde bzw. potentieller
Kontaminationsfahnen positioniert. Aufgrund der häufig
unzureichenden Anzahl solcher punktuellen Probenahmeprodukte
kann die Ausdehnung von NAPL-Kontaminationen allerdings oft
nur unzureichend genau eingegrenzt werden. Das hat unter
Umständen Fehlentscheidungen bei der Sanierungsplanung und
damit einen erhöhten Sanierungsaufwand zur Folge.
Aus DE 199 07 461 C1 ist eine Messeinrichtung zur Untersuchung
des Migrationsverhalten von Gasen in Böden bekannt, mit
welcher Bodengasmigrationsprozesse kleinräumig simuliert
werden können und so auch der Einfluß von NAPLS untersucht
werden kann.
Des weiteren ist u. a. aus DE 43 10 096 A1 ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Messung des Radongehaltes im Bodengas
bekannt, wobei dem zu untersuchenden Standort Bodenluft
entnommen und die Radonkonzentration gemessen wird.
Zusammenhänge zwischen dem Radongehalt der Bodenluft und
Kohlenwasserstoffvorkommen im Untergrund (Erdöl, Erdgas)
wurden erstmals in der ersten Hälfte des 20. Jh. als
mögliches Hilfsmittel für die Kohlenwasserstoffprospektion
(Lagerstättenerkundung) untersucht. Seit dem werden so
genannte "Radiation Halos" bei der Erdöl- und Erdgassuche
erfolgreich eingesetzt. Im Jahr 1973 wurde durch Armstrong
und Heemstra eine Besprechung der bis dahin zu dem Thema
publizierten Daten vorgelegt (Armstrong, F. E. und Heemstra,
R. J. (1973) Radiation Halos and Hydrocarbon Reservoirs: A
Review. Information Circular 8579, US Department of the
Interior, Bureau of Mines). Die zusammenfassende Arbeit
macht deutlich, dass die Ursachen des zweifelsfrei
vorhandenen Zusammenhangs zwischen dem Radongehalt der
Bodenluft und Kohlenwasserstoffvorkommen im Untergrund
sowohl quantitativ als auch qualitativ sehr kontrovers
diskutiert werden. Generell wird jedoch bei Vorhandensein
einer Kohlenwasserstofflagerstätte von einem lokalen Maximum
des Radongehalts der Bodenluft oberhalb bzw. im Umfeld
dieser Lagerstätte ausgegangen.
Da die so genannten Radiation Halos, die bei der
Kohlenwasserstoffprospektion als Indikatoren verwendet
werden, nicht allein die Kohlenwasserstoffe im Untergrund
als solche, sondern die gesamte Kohlenwasserstoff-
Lagerstätte als komplexe geologische Struktur zur Ursache
haben, ist der bei der Kohlenwasserstoffprospektion genutzte
Effekt nicht unmodifiziert auf kleinräumige NAPL-
Kontaminationen anwendbar. Von vereinzelten Firmen als Stand
der Technik angebotene so genannte "Radon Surveys" zur
Lokalisierung von NAPL-Kontaminationen in der grundwasserun
gestättigten Bodenzone, die sich dieses Zusammenhangs
unmodifiziert bedienen und somit erhöhte Radongehalte der
Bodenluft mit NAPL-Kontaminationen in Zusammenhang stellen,
entbehren der wissenschaftlichen Grundlage und führen
grundsätzlich zu falschen Ergebnissen.
Aufgabe der Erfindung war es deshalb, eine effiziente
Methode zum Nachweis von NAPL-Kontaminationen in der
grundwasserungesättigten Bodenzone zu entwickeln, welche den
Radongehalt der Bodenluft als Indikator nutzt, die darüber
hinaus kostengünstig ist und reproduzierbare Ergebnisse
liefert sowie eine Lokalisierung und halbquantitative
Bewertung solcher Kontaminationen ermöglicht.
Die Erfindung wird gemäß den Ansprüchen realisiert. Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das in der
Bodenluft natürlich vorhandene radioaktive Edelgas Radon
(222Rn) eine sehr gute Löslichkeit in den meisten NAPLs
zeigt. Bei einer Temperatur um 20°C wird im Falle eines
Konzentrationsgleichgewichts in einer NAPL im allgemeinen
eine etwa zwölf mal höhere Konzentration angetroffen als in
der mit der NAPL im Kontakt stehenden Luft. Deshalb ziehen
Bodenkontaminationen durch NAPLs grundsätzlich eine Änderung
des Radongehalts der Bodenluft in der Umgebung dieser
Kontamination nach sich.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, der beschreibt, dass
sich oberhalb bzw. im Umfeld einer Kohlenwasserstoffstätte
ein lokales Radon-Maximum der Bodenluft einstellt, wurden im
Falle von NAPL (Kohlenwasserstoff)-Kontaminationen in der
grundwasserungesättigten Bodenluft in der Regel verringerte
Radonkonzentrationen der Bodenluft festgestellt. Das gilt
insbesondere für Schadensfälle mit schwerer flüchtigen
Komponenten und für ältere Schadensfälle. Die NAPLs agieren
hierbei als Radonsenke, indem sie der Bodenluft Radon
entziehen ("Akkumulations Effekt").
Erfindungsgemäß wird eine signifikante lokale Verringerung
der Radonkonzentration der Bodenluft als Indikator für eine
NAPL-Kontamination (Kohlenstoff-Kontamination) der
grundwasserungesättigten Bodenzone herangezogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis von
Bodenkontaminationen durch organische Flüssigphasen (NAPLs)
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Radonkonzentration
(222Rn) der Bodenluft in der grundwasserungesättigten
Bodenzone bestimmt und mit dem normalen Radongehalt der
Bodenluft des unkontaminierten Bodens, d. h. dem "geogenem
Background" verglichen wird. Anhand einer lokalen
Verringerung des Radongehaltes werden die Kontaminationen
nachgewiesen, wobei während der Bodenluftentnahme ein
Zutritt von Fremdluft ausgeschlossen werden muss. Auch
müssen das angesaugte Bodenluftvolumen und die
Probenahmetiefe während der Messkampagne unbedingt konstant
gehalten werden.
Die Bestimmung der Radonkonzentrationen erfolgt dabei nach
an sich bekannten Messtechniken unter Anwendung dem Fachmann
bekannter Sonden und Messgeräten für Radon.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, NAPL-Kontaminationen
der grundwasserungesättigten Bodenzone mit Hilfe der
Bestimmung des Radongehalts der Bodenluft zu lokalisieren.
Das Verfahren ist messtechnisch einfach realisierbar und
erlaubt eine unmittelbare Interpretation der gewonnenen
Daten.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung
verläuft das Verfahren zur Gewährleistung eines optimalen
Verfahrensablaufs, bei gleichzeitiger repräsentativer
Bodenluftprobenahme wie folgt:
- 1. Die Bodenluftprobenahme wird während einer Messkampagne aus einer konstanten und exakt nachvollziehbaren Tiefe vorgenommen. Dabei wird ein Zutritt von Fremdluft über die in den Boden einzubringende Bodenluftsonde ausgeschlossen. Die mögliche Beeinflussung des Radongehalts der Bodenluft durch tageszyklisch schwankende meteorologische Parameter erfordern eine gewisse Mindesttiefe für die Entnahme der Bodenluftprobe. Zur Optimierung des Messablaufes ist gleichzeitig eine möglichst geringe Probenahmetiefe zu wählen. Eine Probenahmetiefe von 50-70 cm hat sich im Zuge der durchgeführten Arbeiten als optimal erwiesen.
- 2. Das abgepumpte Bodenvolumen wird während einer Messkampagne konstant gehalten. Für das vollständige Füllen der Messkammer des verwendeten Radonmonitors mit frischer Bodenluft ist ein Mindestvolumen an Bodenluft erforderlich. Gleichzeitig sollte jedoch das abgesaugte Bodenvolumen so gering wie möglich gehalten werden, um den Zutritt von Fremdluft auszuschließen und eine exakt nachvollziehbare Probenahmetiefe zu gewährleisten. Das abgepumpte Bodenvolumen hängt somit letztlich vom Volumen der verwendeten Meßkammer ab. Als optimal hat sich in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung die Messung mit 11 Bodenluft erwiesen.
- 3. Darüber hinaus wird die Gaspermeabilität des Bodens mit Hilfe der für das Abpumpen der Bodenluftprobe benötigten Zeitspanne halbquantitativ bestimmt.
- 4. Ebenfalls erfolgt eine zeitparallele Aufnahme der meteorologischen Parameter Temperatur und Luftdruck und
- 5. die vorhandene Bodenfeuchte wird als weiterer Verfahrensparameter an jedem Probenahmepunkt ermittelt.
Die unter den Punkten 3. bis 5. genannten Bestimmungen
ermöglichen ggf. spätere Korrekturen der Radon-Messwerte.
Da die erfindungsgemäßen Radonmessungen vergleichsweise
unkompliziert, wenig zeitaufwendig und sehr präzise
durchführbar sind, lässt das vorliegende Verfahren eine
deutlich höhere Messpunktzahl als die konventionelle
Erkundung von NAPL-Kontaminationen durch
Rammkernsondierungen zu. Damit ist eine wesentlich präzisere
Eingrenzung von NAPL-Kontaminationen möglich. Außerdem
können Rammkernsondierungen und Grundwasser-Messstellen
nachfolgend zur Radonkartierung zielgerichteter positioniert
und somit in ihrer Anzahl deutlich verringert werden. Zudem
baut das Messverfahren auf einer wissenschaftlich fundierten
Basis auf.
Es wird eine wesentliche Verbesserung des Standes der
Technik erreicht, denn das Verfahren ist sowohl für die
Lokalisierung von NAPL-Kontaminationen, als auch für ein
Monitoring von Sanierungsaufnahmen anwendbar. In dieser
weiteren Ausführungsvariante der Erfindung wird die
Bestimmung der Radonkonzentration zur Verfolgung des
Rückgangs der Kontaminationen bei in-Situ-
Sanierungsmaßnahmen verwendet. Der Anstieg des Radongehalts
der Bodenluft dient dabei als Indikator einer
Bodenverbesserung.
Neben der qualitativen Lokalisierung der NAPL-Kontamination
mit Hilfe des lokalen Radon-Minimus kann über den Grad der
Verringerung der Radonkonzentration relativ zum Radongehalt
im unkontaminierten Umfeld (geogener Background) ggf. auch
eine halbquantitative Aussage zur Stärke der Kontamination
gemacht werden.
Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
Die Radonkartierung wurde entlang von insgesamt 14
Messprofilen vorgenommen, welche senkrecht zur
Grundwasserfließrichtung eingemessen wurden. Die Messprofile
hatten eine durchschnittliche Länge von 125 m. Der
Profilabstand betrug im Schnitt 35 m. Als Punktabstand auf
den Profilen wurde 10 m gewählt und dieser stellenweise
verdichtet. Zusätzlich zu den Messprofilen wurden außerhalb
dieser Profile weitere Verdichtungspunkte gelegt. Die
Radonkartierung wurde mit insgesamt 209 Radonmessungen in
einer Messkampagne durchgeführt, welche sich über einen
Zeitraum von insgesamt 10 Tagen erstreckte.
Die im Zuge der Messkampagne ermittelte Bodenfeuchte lag bei
6,1 ± 2,9%. Die Messungen ergaben eine sehr gleichmäßige
Verteilung der Bodenfeuchtewerte auf dem
Untersuchungsgelände. Aufgrund des Volumens der verwendeten
Messkammer (0,6 l) wurde jeweils 1 l Bodenluft entnommen.
Die Abpumpzeit für 1 l Bodenluft mit einer nominativen
Leistung der Pumpe von 1 l/min war für das gesamte
Untersuchungsgelände mit ca. 65 s konstant. Diese geringe
Abpumpzeit ist auf eine sehr hohe Gaspermeabilität des
Bodens im Messhorizont zurückzuführen. Als Trockendichte des
Bodens vom Standort wurde ein Wert von 1,6 g/cm3 ermittelt.
Im Zuge vorangegangener Untersuchungen war die
durchschnittliche Porosität des Bodens mit 0,36 festgestellt
worden.
Mit den oben genannten Werten, einem Emanationskoeffizienten
von 0,31 und einer für den Messhorizont ermittelten
durchschnittlichen spezifischen Radiumaktivität von 14 Bq/kg
ergibt sich als geogener Background der Radonkonzentration
der Bodenluft theoretisch ein Wert von ca. 19 kBq/m3. Die
auf dem Standort in 70 cm Tiefe gemessenen
Radonkonzentrationen der Bodenluft lagen in einem
Wertebereich zwischen < 1 kBq/m3 und 22 kBq/m3.
Das im Zuge der Radonkartierung auf dem Standort
festgestellte Radon-Verteilungsmuster ist in der
nachfolgenden Abbildung dargestellt. Das Kartenbild zeigt,
dass sich das auskartierte Radonminimum im Zentrum des
Untersuchungsgeländes gut mit der Verbreitung der NAPL-
Kontamination in der grundwasserungesättigten Bodenzone
deckt. Diese war im Vorfeld mit Hilfe von
Rammkernsondierungen festgestellt worden. Sowohl nach den
Ergebnissen der Radonkartierung als auch den Ergebnissen der
Rammkernsondierungen erstreckt sich der Kern der
kontaminierten Zone vom ehemaligen Schadensherd ausgehend,
dem Grundwasserstrom folgend in nordwestliche Richtung.
Ein weiteres, separates Radonminimum wurde westlich des
Schadenszentrums, im Bereich des Sanierungsbrunnens B2,
festgestellt. Dieses Radonminimum indizierte die im
Sanierungsbrunnen B2 angetroffene, wahrscheinlich ebenfalls
vom Schadenszentrum ausgehende NAPL-Kontamination der
grundwasserungesättigten Bodenzone.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die auf dem Standort
vorliegende großräumige NAPL-Verunreinigung mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Radonkartierung lokalisiert werden konnte.
Dabei wurden die NAPL-kontaminierten Bereiche durch sehr
deutliche Radonminima indiziert. Aufgrund der nahezu idealen
Messbedingungen war der für die Lokalisierung der
ausgedehnten NAPL-Kontamination notwendige Aufwand im
Vergleich zur Lokalisierung durch Rammkernsondierungen
gering.
Ergebnis der erfindungsgemäßen Radonkartierung im Vergleich
zu der durch Rammkernsondierungen lokalisierten Verbreitung
der NAPL-Kontamination (Pfeil zum Schadensherd)
-10-: Radon [kBq/m3]
B2Δ: Sanierungsbrunnen B2
⚫: Radonmesspunkt
: Mit Hilfe von Rammkernsondierungen nachgewiesene Verbreitung der NAPL- Kontamination
-10-: Radon [kBq/m3]
B2Δ: Sanierungsbrunnen B2
⚫: Radonmesspunkt
: Mit Hilfe von Rammkernsondierungen nachgewiesene Verbreitung der NAPL- Kontamination
Claims (4)
1. Verfahren zum Nachweis von Bodenkontaminationen durch
organische Flüssigphasen (NAPLs),
dadurch gekennzeichnet, dass
an dem zu untersuchenden Standort Bodenluft aus der
grundwasserungesättigten Bodenzone entnommen wird, die
Radonkonzentration (222Rn) dieser Bodenluft bestimmt und
mit der geogen bedingten Radonkonzentration der Bodenluft
des unkontaminierten Bodens verglichen wird und anhand
einer signifikanten Verringerung des Radongehaltes der
Bodenluft die Kontaminationen lokalisiert werden, wobei
bei der Entnahme der Bodenluft ein Zutritt von Fremdluft
ausgeschlossen wird sowie das entnommene Bodenluftvolumen
und die Probenahmetiefe konstant gehalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
zeitparallel zur Messung der Radonkonzentration der
Bodenluft die Gaspermeabilität des Bodens, die
metereologischen Parameter Temperatur und Luftdruck sowie
die Bodenfeuchte bestimmt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der
Radonkonzentration zur Verfolgung des Rückgangs der
Kontaminationen bei in-Situ-Sanierungsmaßnahmen verwendet
wird, wobei der Anstieg des Radongehalts der Bodenluft
als Indikator dient.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Bodenluftsonde so in den Boden eingebracht wird, dass über eine radondichte Pumpe eine definierte Menge Bodenluft aus einer definierten Tiefe entnommen wird,
über die Pumpzeit eine halbquantitative Ermittlung der Gaspermeabilität des Bodens erfolgt,
gleichzeitig die Bodenfeuchte an der Basis des Sondenloches bestimmt wird
sowie eine zeitparallele Messung von Temperatur und Luftdruck erfolgt.
eine Bodenluftsonde so in den Boden eingebracht wird, dass über eine radondichte Pumpe eine definierte Menge Bodenluft aus einer definierten Tiefe entnommen wird,
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