DE19615061A1 - Verfahren zur Messung der Schadstoffausbreitung im Grundwasser und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Messung der Schadstoffausbreitung im Grundwasser und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von
Parametern, die die Schadstoffausbreitung im Grundwasser
steuern und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Diese Parameter werden zur Gefährdungsabschätzung und Erkundung
grundwassergefährdender Altlasten verwendet.
Gegenwärtig bekannte Prognosewerkzeuge sind meist rein
hydrologische Modelle des Systems Boden/Grundwasser mit
fehlender oder mangelhafter Berücksichtigung physikochemischer
Vorgänge im Aquifer. Die chemischen Parameter werden meist nur
geschätzt, so daß Prognosefehler in Größenordnungen möglich
sind.
Andererseits werden in Batchversuchen auch Adsorptionsparameter
gemessen. Batchversuche liefern jedoch nur Gleichgewichtsdaten,
d. h. die Parameter sind nur unter der Voraussetzung anwendbar,
daß im Aquifer das Sorptionsgleichgewicht zwischen Bodenkorn
und Grundwasser eingestellt ist. Die Sorptions-/De
sorptionsdynamik wird nicht oder nur unzureichend ermittelt.
Hinzu kommen die erheblichen Kosten für derartige Anlagen zur
Versuchsdurchführung.
In weiterhin bekannten Analysemethoden werden Säulenversuche
mit diskontinuierlicher oder mit kontinuierlicher
on-line-Analytik durchgeführt. Weil bei der diskontinuierlichen
Analytik für eine Reihe von Schadstoffen bei geringer
zeitlicher Auflösung relativ große Probenvolumina erforderlich
sind, führt diese Methode oftmals zur Verfälschung der
Analysenergebnisse. Säulenversuche mit kontinuierlicher on-line
Analytik sind bisher erfolgreich nur mit Hilfe radioaktiv
markierter Stoffe realisiert worden, bei deren flächendeckender
Anwendung die Sicherheitsproblematik Grenzen setzt.
Schließlich beschreibt die DE-OS 44 14 017 ein Verfahren zur
Bestimmung von Umweltbelastungen, indem in einem geeigneten
tierischen Indikatororganismus aus dem zu untersuchenden Gebiet
die Blutstromfrequenz bestimmt wird, und daß der ermittelte
Wert mit der Blutstromfrequenz in einem Organismus der gleichen
Art aus unbelastetem Gebiet verglichen wird. Eine signifikante
Abweichung ist als Indiz für eine Umweltbelastung zu werten.
Auch diese Methode, abgesehen von dem Erfordernis des Einsatzes
von Versuchstieren, kann keine quantitativen Meßergebnisse
liefern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
marktfähige Meß- und Auswertemethode zu entwickeln, die es
ermöglicht, Schadstoffausbreitungen im Grundwasser eines
konkreten Gebietes unter konkreten hydrogeologischen und
chemischen Gegebenheiten genauer und kostengünstiger als bisher
zu prognostizieren. Den für Umweltfragen zuständigen Behörden
soll mit der erfindungsgemäßen Lösung ein Kriterium
bereitgestellt werden, mit dessen Hilfe die Qualität von
Altlastengutachten und Sanierungskonzepten beurteilt werden
kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausge
staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie im
Nebenanspruch zur Vorrichtungsanordnung gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungs
beispiele näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des Analyseverfahrens,
Fig. 2 Durchbruchskurve, gemessen an einem braunkohlehaltigen
Sand, Medium: Wasser mit NaCl beladen.
Die Analyse des schadstoffbelasteten Grundwassers erfolgt in
einer Analysenanordnung, bestehend aus dem Behälter 1 mit
unbelasteten Grundwasser und einem Behälter 2 mit belasteten
Grundwasser, die miteinander über eine Entlüftung 3 verbunden
sind und in eine Säule 4 einmünden. Am Säulenausgang ist eine
Meßelektrode bzw. Meßzelle 5 angeordnet, über welche die
Meßergebnisse über analoge 6 und digitale Meßgeräte 7 einem
Meßrechner 8 zur unmittelbaren Auswertung zugeführt werden. Die
Umgehung der Säule 4 ist durch eine Bypass-Verbindung 9
ermöglicht. Zusätzlich ist vor dem Säuleneingang eine Zuleitung
10 zu einem Piezometer 11 mit y-Auslauf 12 zur Messung der
Höhendifferenz angeordnet, die mit Abflußleitung 13 der Säule
4 verbunden ist.
Die Messungen der Schadstoffbelastung erfolgen im dynamischen
Durchlaufsystem, indem die bodengefüllte Säule 4 bei konstantem
Druckgradienten vom Grundwasser durchströmt wird. Zunächst wird
mit unbelastetem Grundwasser aus Behälter 1 ein stabiles
Strömungsregime aufgebaut und zu einem Zeitpunkt "t-0"
schadstoffbelastetes Grundwasser auf die Säule 4 gegeben. Die
Konzentration des Schadstoffes am Säulenauslauf wird
kontinuierlich gemessen, so daß eine Durchbruchskurve gemäß Fig
2 entsteht, die den zeitlichen Verlauf des Schadstoff
durchbruches am Säulenende anzeigt. Diese Kurve wird nach einem
physikalisch-chemischen Ansatz auf dem Meßrechner 8 modeliert,
der den konvektiven und dispersiven Stofftransport in der Säule
4 sowie die Ad- und Desorptionsprozesse beschreibt. Dermaßen
wird für jeden konkreten Schadstoff eine Meßmethode
bereitgestellt, die ein analoges elektrisches Signal liefert,
welches mit der am Säulenausgang vorliegenden Konzentration
über eine Eichfunktion gekoppelt ist. Außer für die
verschiedenen Schadstoffe wird für einen sogenannten Tracer,
einen Stoff der nicht vom Boden zurückgehalten wird, ebenfalls
eine on-line Meßmethode bereitgestellt, um in der Bodensäule
die Dispersivität ermitteln zu können, wobei als Tracer
vorzugsweise das Chloridion vorgesehen wird.
Für die Bestimmung flüchtiger organischer Substanzen wird als
Meßzelle 5 ein Photoionisationsdetektor (PID) eingesetzt. Dabei
wird der vom PID angesaugte Luftstrom in einer kleinen Kammer
durch die Lösung gezogen und belädt sich so mit dem zu
analysierenden Stoff. Im PID wird dann das elektrische
Meßsignal erzeugt.
Zur Messung ionischer Schadstoffe und für das als Tracer
dienende Chloridion wird ein kontinuierlich arbeitender
Polarograph verwendet. Dieser wird auf ein Potential im Bereich
des Grenzstromes für das jeweilige Ion eingestellt und die
aktuelle Größe des Grenzstromes c-analog als Meßwert
übernommen. Mit dieser Methode werden alle üblichen
Schwermetalle, das Chloridion aber auch andere Anionen sowie
einige organische Moleküle gemessen.
Für die Messung jeder Einzelsubstanz wird zunächst eine
wäßrige Verdünnungsreihe des Schadstoffes hergestellt, die mit
der jeweiligen Meßmethode analysiert wird. Daraus erhält man
eine erste Eichfunktion sowie Informationen über die
Bestimmungsgrenze der Methode. Dabei werden grundsätzlich
destilliertes Wasser und Leitungswasser als Modellgrundwasser
parallel untersucht, um Matrixeffekte, d. h. Einflüsse des
Wassers auf die Eichfunktion festzustellen. Hat die Messung im
ersten Schritt gute, möglichst lineare Eichfunktionen
geliefert, wird die Meßapparatur an den Auslauf der Säule 4
angeschlossen. Hier wird die Bodensäule zunächst leer gelassen
und mit der wassergefüllten Säule mehrere Durchbruchskurven
bestimmt, wobei die Schadstoffkonzentrationen denen der vorher
verwendeten Verdünnungsreihe entsprechen. Außerdem wird die
Strömungsgeschwindigkeit variiert. Diese Messungen dienen zur
Feststellung von Verlusten beim Passieren der Apparatur, um
diese ggf. als systematischen Fehler zu berücksichtigen.
Nach Erreichen einer gut reproduzierbaren on-line-Analytik wird
danach der untersuchte Aquiferboden in die Säule eingebracht
und ein konstantes Strömungsregime eingestellt. Der Boden wird
zuvor hinsichtlich Sieblinie, organischer Kohlenstoff etc.
charakterisiert. Die Durchbruchskurven werden gemessen, indem
der Meßrechner 8 in vorher definierten Zeitabständen den
aktuell anliegenden Spannungswert einliest und mit der
implementierten Eichfunktion in einen Konzentrationswert
umrechnet.
Claims (5)
1. Verfahren zur Messung von Parametern, die die Schadstoff
ausbreitung im Grundwasser steuern, zur Gefährdungsab
schätzung und Erkundung grundwassergefährdender Altlasten,
dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse des schadstoffbela
steten Grundwassers in einer Analysenanordnung im dynami
schen Durchflußsystem erfolgt, indem eine bodengefüllte
Säule (4) bei konstantem Druckgradienten vom Grundwasser
durchströmt wird, daß zunächst mit unbelastetem Grundwasser
aus Behälter (1) ein stabiles Strömungsregime aufgebaut und
zu einem Zeitpunkt "t-0" schadstoffbelastetes Grundwasser
auf die Säule (4) gegeben wird, daß die Konzentration des
Schadstoffes am Säulenauslauf kontinuierlich gemessen wird,
so daß eine Durchbruchskurve entsteht, die den zeitlichen
Verlauf des Schadstoffdurchbruches am Säulenende anzeigt,
daß diese Durchbruchskurve nach einem physikalisch -
chemischen Ansatz auf einem Meßrechner (8) modeliert wird,
der den konvektiven und dispersiven Stofftransport in der
Säule (4) beschreibt und so für jeden konkreten Schadstoff
eine entsprechende Meßmethode bereitstellt, die ein
analoges elektrisches Signal liefert, welches mit der am
Säulenausgang vorliegenden Konzentration über eine Eich
funktion gekoppelt ist und daß aus den gewonnenen Meßer
gebnissen für jeden Schadstoff eine entsprechende Durch
bruchskurve erstellt wird, daß für die Messung jeder Einzel
substanz zunächst eine wäßrige Verdünnungsreihe des
Schadstoffes hergestellt und mit der jeweiligen Meßmethode
analysiert wird, um die Bestimmungsgrenze über eine erste
Eichfunktion feststellen zu können, daß danach mehrere
Durchbruchskurven bestimmt werden, daß nach Erreichung einer
gut reproduzierbaren on-line-Analytik der zu untersuchende
Aquiferboden in die Säule (4) eingebracht und ein konstantes
Strömungsregime eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß außer
für die verschiedenen Schadstoffe für einen Tracer, ein
Stoff, der nicht vom Boden zurückgehalten wird, ebenfalls
eine on-line Meßmethode bereitgestellt wird, um in der
Bodensäule die Dispersivität ermitteln zu können, wobei als
Tracer vorzugsweise das Chloridion vorgesehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für
die Bestimmung flüchtiger organischer Substanzen als Meß
zelle (5) ein Photoionisationsdetektor eingesetzt wird,
wobei der angesaugte Luftstrom in einer kleinen Kammer durch
die Lösung gezogen wird, damit er sich mit dem zu analysie
renden Stoff belädt, so daß durch den Photoionisations
detektor das elektrische Meßsignal erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur
Messung ionischer Schadstoffe und für das als Tracer
dienende Chloridion ein kontinuierlich arbeitender Pola
rograph verwendet wird, dieser auf ein Potential im Bereich
des Grenzstromes für das jeweilige Ion eingestellt und die
aktuelle Größe des Grenzstromes c-analog als Meßwert über
nommen wird.
5. Analysenanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den
Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß diese aus
einem Behälter (1) mit unbelasteten Grundwasser und einem
Behälter (2) mit belasteten Grundwasser besteht, die über
eine Entlüftung (3) miteinander verbunden sind und in eine
Säule (4) einmünden, daß am Säulenausgang eine Meßelektrode
bzw. Meßzelle (5) angeordnet ist, über welche die Meßergeb
nisse über analoge (6) und digitale Meßgeräte (7) einem Meß
rechner (8) zuführbar sind, die Umgehung der Säule (4) durch
eine Bypass-Verbindung (9) realisierbar ist und vor dem
Säuleneingang eine Zuleitung (10) zu einem Piezometer (11) mit
y-Auslauf (12) zur Messung der Höhendifferenz angeordnet
sind, die mit der Abflußleitung (13) der Säule (4) verbunden
ist.
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