DE19600655A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Feststellung von Leckagen bei Abfallend- und Zwischenlagern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung von Leckage bei Abfallend- und/oder Zwischenlagerbecken, die mit einer wasserundurchlässigen Abdichtschicht gegenüber dem Erdreich abge­ dichtet sind.

Derartige Lager, beispielsweise Mülldeponien, Abwasserklärbecken oder Klärschlammzwischenlagerbecken, werden üblicherweise mit wasserun­ durchlässigen Schichten, beispielsweise Tonschichten und/oder Kunst­ stoffolien gegenüber ihrem Untergrund abgedichtet. Diese Abdichtung soll verhindern, daß durchsickerndes Regenwasser, aber auch zu klärendes Abwasser oder im Klärschlamm noch enthaltenes, kontaminiertes Wasser in das Grundwasser eindringt. Für den Fall eines undichten Abwasser­ beckens ist mit einem Schadstoffaustrag in den Untergrund und letztlich mit einer Kontamination des Grundwassers zu rechnen. Diese wird bisher durch die Beprobung von Beobachtungsbrunnen erkannt, was in Abhän­ gigkeit vom Abstand der Pegel zum Becken, den Beprobungsintervallen sowie den örtlichen Abstandsgeschwindigkeiten evtl. erst Jahre nach Be­ ginn der Leckage der Fall sein kann.

Es ist bekannt, daß ein Abwasseraustrag ab dem Zeitpunkt des Austritts die elektrische Widerstandsverteilung in der unmittelbaren Nähe der Aus­ trittsstelle beeinflußt. Der Einflußbereich vergrößert sich dabei mit anhal­ tendem Austrag. Die Messung des spezifischen, d. h. materialabhängigen Widerstandes zur Erkundung des Untergrundes ist eine traditionelle und bewährte Methode der angewandten Geophysik. Die beiden heute ge­ bräuchlichsten Verfahren zur geoelektrischen Tiefensondierung wurden Anfang des 20. Jahrhunderts von dem Franzosen C. Schlumberger und dem Amerikaner F. Wenner entwickelt. Die dafür notwendigen mathema­ tischen Grundlagen der Potentialtheorie gehen auf Mathematiker wie Laplace, Gauß und andere zurück. Grundprinzip ist die geoelektrische Untersuchung und Erfassung der elektrischen Widerstandsverhältnisse im Untergrund. Dies kann im Fall von geoelektrischen Tiefensondierun­ gen die Erkundung vertikaler Schichtabfolgen oder im Fall von geoelektri­ schen Kartierungen die lateralen Widerstandsänderungen sein.

So besitzen z. B. glaziale Geschiebemergel deutlich geringere spezifische Schichtwiderstände (10-100 Ωm) als Sande. Eine Durchfeuchtung mit Frischwasser oder auch belastetem Abwasser stellt sich jedoch zumeist auch hier flächig bzw. räumlich als Anomalie gegenüber den umgebenden normalen Verhältnissen dar. Bei tonigem Boden dagegen handelt es sich um eine andere Leitfähigkeitsform, denn hier findet der Stromfluß nicht durch die Porenflüssigkeit, sondern durch die plättrige Anordnung und dichte Lagerung der Tonminerale statt. Bei reinem Ton ist allerdings auch kaum mit einer Schadstoffausbreitung über den Wasserpfad zu rechnen. Grundsätzlich aber gilt, je wasserdurchlässiger das Material ist, desto kla­ rer sind die Unterschiede zwischen trockenem und feuchtem Untergrund bzw. zwischen Frischwasser und höher mineralisiertem Wasser im Boden. Die Veränderung des Widerstandes wäre schnell zu erkennen, wenn sich die Meßsonden in der Nähe des Austritts befinden würden. Bei größerer Entfernung ist die Beeinflussung des Gesamtwiderstandes durch einen kleinen kontaminierten Teilbereich zu gering, um meßbare Größen anzu­ nehmen.

In der Elektrotechnik sind die Verhältnisse sehr einfach, da der Kabel­ querschnitt und die Kabellänge genau definiert sind. Der spezifische Wi­ derstand eines Kabels wird gemessen, indem man an den beiden Enden des Kabels einen Teststrom I einspeist und die Spannung U abgreift, um aus dem Quotient U/I den Widerstand R zu bestimmen. Dieses wird in jedem handelsüblichen Multimeter standardmäßig geräteintern vorge­ nommen, so daß man den Widerstand direkt ablesen kann. Zur Bestim­ mung des spezifischen Widerstandes braucht man nur noch die Kabel­ länge und den Kabelquerschnitt abzumessen und kann über P = RA/L den spezifischen Widerstand berechnen.

In der Geoelektrik ist das Untersuchungsobjekt kein Leiter eines bestimm­ ten Querschnitts und einer bestimmten Länge, sondern der gesamte Un­ tergrund. Es liegen daher völlig andere Voraussetzungen in der Zusam­ mensetzung des Gesamtwiderstandes vor. Würde man, wie in der Elek­ tronik, den Widerstand über zwei Elektroden mit einem normalen Hand­ meßgerät messen, so würde man im wesentlichen nur den Übergangswi­ derstand von der Elektrode in den Boden messen, da dieser Übergangs­ widerstand sehr viel größer ist als der Widerstand des Bodens selbst. In der Geoelektrik wird daher üblicherweise mit sogenannten 4-Punkt-Elektrodenanordnungen gearbeitet, bei denen der Strom über zwei Strom­ elektroden in den Boden eingespeist und die anfallende Spannung über zwei Potentialsonden abgegriffen wird. Eine Vertauschung von Stromelek­ troden und Potentialsonden ist dabei möglich, und bei lateralen Kartie­ rungen wird von dieser Vertauschung oft Gebrauch gemacht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eventuelle Undichtigkeiten von Klärschlammbecken oder Deponien erkannt und einer Kontaminierung des Grundwassers vorgebeugt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß im Bereich der Beckensohle in ei­ nem vorbestimmten Abstand bandförmige, von Beckenrand zu Becken­ rand verlaufende Meßsonden unter der Abdichtschicht verlegt werden, die Meßsonden über Meßsondenanschlüsse auf einer Seite mit einer Strom­ quelle und auf der anderen Seite mit einer Widerstandsmessung verbun­ den werden und die Meßsondenanschlüsse mit einer Meß- und Schalt­ zentrale verbunden werden.

Durch diese Maßnahmen wird unter dem zu überwachenden Gelände ein dichtes Netz von Meßpunkten geschaffen, mit dem die Änderung des elektrischen Widerstandes des darunter liegenden Erdreiches sofort bei ihrem Auftreten erkannt werden kann. Treten Veränderungen der elektri­ schen Widerstände auf, so ist dies als ein Zeichen für das Vorhandensein einer Leckage dedektiert. Die Leckagestelle kann relativ genau lokalisiert und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Beispielsweise kann die be­ troffene Stelle abgeteilt, geräumt und wieder abgedichtet werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Leckagen von Klärschlammbecken lokalisiert werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß in einem vorbestimmten Abstand Meßelektroden in Bereich der Beckensohle verlegt und die Meßelektro­ den über Anschlüsse wechselweise mit Stromquellen und Widerstands­ aufzeichnungsgeräten verbunden sind.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrie­ ben. Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer geoelektrischen 4-Punkt-Meßanordnung;

Fig. 2 die schematische Darstellung der Ablaufschritte einer geoelektrischen Kartierung mit einer 4-Punkt-Meßanordnung nach der Fig. 1;

Fig. 3 die perspektivische Darstellung eines leeren Schlamm­ zwischenlagerbeckens mit von Beckenrand zu Becken­ rand verlaufenden, bandförmigen Meßsonden;

Fig. 4 die Draufsicht auf ein Schlammzwischenlagerbecken nach der Fig. 3;

Fig. 5 die schematische Darstellung einer Anschlußstelle, in der erfindungsgemäß über ein Bi-Metall eine Band­ elektrode aus Edelstahl mit einer Meßleitung aus Kup­ fer verbunden ist;

Fig. 6 die perspektivische Darstellung eines Klärschlammzwi­ schenlagerbeckens nach der Fig. 3, mit zusätzlicher, in das Abwasser reichender Beckenelektrode;

Fig. 7 die schematische Darstellung der Anordnung stabförmi­ ger, um ein Klärschlammzwischenlagerbecken oder ei­ ne Deponie, mit bis in das Grundwasser getriebenen Stangenelektroden;

Fig. 8 die Seitenansicht nach der Anordnung nach Fig. 7;

Fig. 9 die Detaildarstellung einer stabförmigen Stangenelek­ trode nach den Fig. 7 und 8.

Die in der Fig. 1 dargestellte sogenannten 4-Punkt-Meßanordnung 10 besteht im wesentlichen zwei Stromelektroden 11A und 11B, über die Strom 15 in das Erdreich 17 eingespeist wird. Die anfallende Spannung 16 wird dann über zwei Potentialelektroden 12M und 12N abgegriffen. Die Stromelektroden 11 bestehen dabei aus Metall, während die Potentiale­ lektroden 12 nicht polarisierbare Sonden sind. Zwischen den Stromelek­ troden 11A und 11B verlaufen Stromlinien 13, die sich mit zwischen den Potentialelektroden 12M und 12N und der Erdoberfläche 18 verlaufenden Äquipotentiallinien 14 schneiden. Allen in der angewandten Geophysik gebräuchlichen Verfahren liegt dieses Prinzip der 4-Punkte-Meßanordnung 10 zugrunde. Eine Vertauschung von Stromelektroden 11 und Potentialelektroden 12 ist dabei möglich.

Wie die Fig. 2 zeigt, erfolgt in einem ersten Meßschritt 19 zunächst eine Einspeisung von Strom 15 in Meßpunkten 20 über die als Metallspieße ausgebildeten Stromelektroden 11. Nach erfolgter Messung wird die Stromelektrode 11A nach vorn vor die Stromelektrode 11B gesetzt. Für den nun folgenden zweiten Meßschritt 19a wird Elektrode 12M auf den nächsten Meßpunkt 20+1 gesetzt und wird zu Elektrode 11A. Ebenso werden die Elektrode 12N zu Elektrode 11B, Elektrode 11B zu Elektrode 12N und Elektrode 11A zu Elektrode 11B. ieses Umsetzen wiederholt sich n-mal bis zum Meßschritt 19n im Meßpunkt 20+n.

Eine Kläranlage besteht aus einer ganzen Galerie mit einer Vielzahl von Klärbecken 21, und es wird angestrebt, ein undichtes Becken gezielt beräumen und sanieren zukönnen, während der übrige Klärbetrieb weiter­ laufen kann. Dazu sind kleinräumige geoelektrische Veränderungen meßbar zu machen. Dies erfolgt erfindungsgemäß mit Meßsonden, die in unmittelbare Nähe der zu untersuchenden Fläche eingebracht werden.

Für ein Klärschlammzwischenlagerbecken 21, wie es in der Fig. 3 dar­ gestellt ist, bedeutet dies die Implantierung der Strom I führenden und Spannung U messenden Bandelektroden 24, die direkt unter die Becken­ sohle 23 von Beckenrand 22 zu Beckenrand 22 verlaufen. Durch diese erfindungsgemäße, engräumige rasterförmige Elektrodenanordnung kön­ nen in-situ Messungen in 4-Punkt-Meßanordnung 10 vorgenommen wer­ den. Die Bandelektroden 24 können wahlweise und in beliebiger Form als Stromelektroden oder Potentialelektroden einsetzt werden. Dies setzt ei­ ne isolierte Kabelführung mit offenem Kontakt bis zum jeweiligen Segment für jede einzelne Elektrode voraus.

Da für die Installation an Abwasser- bzw. Klärschlammzwischenlagerbec­ ken eine Funktionsdauer von mindestens dreißig Jahren angestrebt wird, ist dieser Ablauf aufgrund auftretender Korrosionserscheinungen wenig geeignet, zumal für jede einzelne Elektrode ein eigenes Kabel verlegt werden müßte. Aus diesem Grund wird eine erfindungsgemäße 4-Linien-Meßanordnung vorgenommen, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist.

Die Punktelektroden werden durch linienförmige Bandelektroden 24 er­ setzt, die in einem vorbestimmten Abstand 28 verteilt über die gesamte Breite des Beckens 21 verlaufen. Um die Meßanordnung der oben be­ schriebenen lateralen sog. Wenner-Kartierung zu erreichen, werden nicht isolierte Nirosta-Stahlbänder verwendet, die die geforderte Korrosions­ beständigkeit aufweisen. Diese linienförmige Bandelektroden 24 bestehen aus Nirosta-Edelstahl und werden jeweils auf halber Breite unmittelbar unter dem Becken 21 bzw. dessen Abdichtfolie 32 in der Beckensohle 23 verlegt.

Um oberflächennahe Einflüsse, z. B. durch Witterung, zu minimieren, wer­ den die Elektroden 24 bis in eine Tiefe von ca. 1,5 m isoliert. Der Abstand 28 der einzelnen Bandelektroden 24 sollte höchstens 2 m betragen, um eine genügend dichte Meßwerterfassung zu gewährleisten.

Die freien Enden der Bandelektroden 24 haben auf beiden Seiten einen kurzen Überstand, mit dem sie aus dem Erdreich 17 herausragen und mit denen sie in Anschlüssen 26 mit einer Meßleitung 27 verbunden werden können. Die Meßleitungen 27 führen zu einer Schaltzentrale 31, von der aus der genaue Meßverlauf gesteuert wird. Dies kann in manueller Form durch Stromeingabe und Spannungsablesung an den jeweiligen An­ schlüssen 26 erfolgen. Sinnvoll kann auch eine vollautomatische Steue­ rung mit Speicherung der Daten auf einem geeigneten, nicht dargestell­ ten, Speichermedium sein. Dadurch kann ein kontinuierlicher Meßvor­ gang mit täglicher oder sogar stündlicher Meßwerterfassung realisiert werden. Die Auswertung der Daten könnte z. B. monatlich erfolgen und über Jahre hinaus beobachtet werden.

Wie die Fig. 5 zeigt, kann ein derartiger Anschluß 26 in einem unter der Erdoberfläche 18 verlegten Gehäuse 41 sein. In dem Gehäuse 41 werden die einlaufende, aus Edelstahl bestehende Bandelektrode 24 über ein Bi-Metall 25 an die auslaufende, aus Kupfer bestehende Meßleitung 27 an­ geschlossen. Das Bi-Metall 25 ist dabei einerseits über Verbindungsmittel 43 mit der Bandelektrode 24 und andererseits mit der Meßleitung 27 ver­ bunden. Durch die erfindungsgemäße Zwischenschaltung des Bi-Metalls 25 wird ein Eigenpotential wirksam vermieden.

Zusätzlich zu den beiden jeweiligen Bandelektroden 24 im Bereich der Beckensohle 23 ist, wie die Fig. 6 zeigt, als dritte Elektrode eine Bec­ kenelektrode 29 in das Becken 21 geführt. Diese Beckenelektrode 29 steht im direkten Kontakt zum Abwasser 30. Durch die Zusatzmessungen in Form einer Stromeinspeisung durch diese Beckenelektrode 29 und je­ weils eine auf der Beckensohle 23 verlaufenden Bandelektrode 24 kann ein Abwasseraustritt aufgrund des dadurch deutlich veränderten Strom­ flusses erkannt werden.

Durch die kontinuierliche Überwachung des spezifischen elektrischen Wi­ derstandes am Beckenrand 22 bzw. an der Beckensohle 23 kann ein Austritt von Abwasser in Form einer Widerstandsanomalie beobachtet werden, denn die räumliche Ausdehnung und elektrische Leitfähigkeit nimmt dadurch zu. Durch die zu erwartende Zunahme der Anomalie kön­ nen witterungs- oder jahreszeitlich bedingte Schwankungen ausgeschlos­ sen werden, denn die relevante Meßgröße ist die relative Änderung der elektrischen Leitfähigkeit.

In den Fig. 7 und 8 ist eine Überwachung des Grundwassers 34 im Bereich um ein Klärschlammzwischenlagerbecken 21 oder eine Deponie mit Hilfe von Stangenelektroden 33 dargestellt. Das zu überwachende Klärbecken 21 ist mit einer über seine Beckensohle 23 von Beckenrand 22 zu Beckenrand 22 verlegten, wasserundurchlässigen Abdichtfolie 32 abgedichtet. Um das Becken 21 sind Stangenelektroden 33 bis in das Grundwasser 34 getrieben.

Wie die Fig. 9 im Detail zeigt, besteht eine Stangenelektrode 33 aus einer korrosionsbeständigen Metallstange 35, vorzugsweise aus einem Edelstahl, um die ein Isolationsrohr 36 angeordnet ist. Das Isolationsrohr 36 besteht aus einem Kunststoff und kann mit einem Freiraum 37 gegen­ über der Metallstange 35 frei liegen. Die Metallstange 35 weist unten eine Rammspitze 40 auf, die mit einem nicht isolierten Bereich 39 gegenüber der Unterkante des Isolationsrohres 36 freiliegt. Das Isolationsrohr 36 ist gegenüber der Metallstange 35 wasserdicht abgedichtet.

Das aus dem Erdreich 17 heraus ragende obere freie Ende der Metall­ stange 35 ist mit einer Schraubkappe 38 abgedichtet, die ebenfalls aus Kunststoff besteht. Im Bereich der Schraubkappe 38 ist die Metallstange 35 über einen Anschluß 26 mit einem erfindungsgemäßen Bi-Metall 25 mit der aus Kupfer bestehenden Meßleitung 27 verbunden.

Die Meßleitungen 27 sind zu einer Meß- und Schaltzentrale 31 geführt, wo die gemessenen geoelektrischen Widerstände registriert und die oben beschriebenen Umschaltungen von Meßsonde (Metallstange 35 oder Bandelektroden 24) zu Meßsonde vorgenommen werden. Ist schadstoff­ belastetes Wasser in das Grundwasser 34 durchgesickert, so ändert sich dessen geoelektrischer Widerstand, und diese Widerstandsänderung wird registriert. Je nach Ableseintervallen kann so innerhalb kürzester Zeit ei­ ne qualitative Aussage über das Vorhandensein von Leckagen getroffen werden.

Bezugszeichenliste

10 4-Punkt-Meßanordnung
11 Stromelektrode
12 Potentialelektrode
13 Stromlinie
14 Äquipotentiallinie
15 Strom
16 Spannung
17 Erdreich
18 Erdoberfläche
19 Meßschritt
20 Meßpunkt
21 Becken
22 Beckenrand
23 Beckensohle
24 Bandelektrode
25 Bi-Metall
26 Anschluß
27 Meßleitung
28 Abstand
29 Beckenelektrode
30 Abwasser
31 Schaltzentrale
32 Abdichtfolie
33 Stangenelektrode
34 Grundwasser
35 Metallstange
36 Isolationsrohr
37 Freiraum
38 Schraubkappe
39 nicht isolierter Bereich
40 Rammspitze
41 Gehäuse
42 Gehäusedeckel
43 Verbindungsmittel

Claims (11)

1. Verfahren zur Feststellung von Leckage bei Abfallend- und/oder Zwi­ schenlagerbecken, die mit einer wasserundurchlässigen Abdichtschicht gegenüber dem Erdreich abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Beckensohle in einem vorbestimmten Abstand bandförmi­ ge, von Beckenrand zu Beckenrand verlaufende Meßsonden unter der Abdichtschicht verlegt werden, die Meßsonden über Meßsondenan­ schlüsse auf einer Seite mit einer Stromquelle und auf der anderen Seite mit einer Widerstandsmessung verbunden werden und die Meßsonden­ anschlüsse mit einer Meß- und Schaltzentrale verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wider­ standsmessung kontinuierlich erfolgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonden isoliert bis in Grundwasser führende Schichten ver­ legt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahren zur Feststellung von Leckage bei Abfallend- und/oder Zwischenlagerbecken, die mit einer wasserundurchlässigen Abdichtschicht gegenüber dem Erdreich abge­ dichtet sind, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem vorbestimmten Abstand (28) Meßelektroden (24, 33) in Bereich der Beckensohle (23) verlegt und die Meßelektroden (24, 33) über An­ schlüsse (26) wechselweise mit Stromquellen und Widerstandsaufzeich­ nungsgeräten verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meße­ lektroden (24) bandförmig ausgebildet sind und in der Beckensohle (23) vom Beckenrand (22) zu Beckenrand (22) verlaufen.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bandförmigen Meßsonden (24) Nirosta-Edelstahlbänder sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßsonde (33) aus einer korrosionsbeständigen Metallstange (35) be­ steht, um die ein Isolationsrohr (36) angeordnet ist und die an ihrem unte­ ren freien Ende in einem nicht isolierten Bereich (39) eine Rammspitze (40) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Isola­ tionsrohr (36) aus einem Kunststoff besteht.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsrohr (36) gegenüber der Metallstange (35) wasserdicht abgedichtet ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (26) zur Verbindung der Meßelektroden (24, 33) mit den Meßleitungen (27) mit einem Bi-Metall (25) versehen sind.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden (24, 33) an eine kontinuierliche, elektronische Widerstandsauswertung (31) angeschlossen sind.