DE4131216C2 - Verfahren zur Vermeidung einer Explosions- oder Vergiftungsgefahr bei der Entfernung eines im Boden über oder an einer Grundwasseroberfläche enthaltenen Schadstoffes - Google Patents
Verfahren zur Vermeidung einer Explosions- oder Vergiftungsgefahr bei der Entfernung eines im Boden über oder an einer Grundwasseroberfläche enthaltenen SchadstoffesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung einer
Explosions- oder Vergiftungsgefahr bei der Entfernung eines im
Boden über oder an einer Grundwasseroberfläche enthaltenen
Schadstoffes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In der Sanierung von nicht mit Wasser gesättigten Böden
(Non-Aquifer), die u. a. mit Erdöl und Raffinerieprodukten
aus Erdöl, besonders den mittel- und höhersiedenden Fraktionen
wie Kraftstoffe für Otto- und Dieselmotoren, Heizöl,
Kerosin, und/oder mit Mittelölen, schweren Heizölen, Raffinerierückständen
(Sumpfphase) und vergleichbaren Produkten
wie Schwelereiölen und -teeren, Kokereiölen und -teeren,
Altölen sowie mittel- und höhersiedenden Organohalogenen
und ähnlichen organischen Verbindungen wie nitrierten Kohlenwasserstoffen
(nachfolgend "Ölprodukt" genannt) aber
auch Cyaniden belastet sind, bestehen besondere Probleme:
die genannten Schadstoffe entziehen sich weitgehnend aufgrund
ihres chemisch-physikalischen Verhaltens den Methoden
der traditionellen Bodengasabsaugung und haften an den Bodenpartikeln.
Bei z. B. Benzinprodukten erzeugen leichtflüchtige
Bestandteile wie Benzole Explosionsgefahr und
Ausgasungen an explosiven, krebserzeugenden und/oder toxischen
Stoffen.
Größere Mengen dieser Ölprodukte haben die Eigenschaft, auf
dem Grundwasser aufzuschwimmen und einerseits das Grundwasser
mit Schadstoffen zu belasten und andererseits die über
dem Grundwasserleiter befindlichen Bodenhorizonte zu durchtränken
und den Boden zum Speichergestein umzufunktionieren.
Insbesondere bei Böden mit einem höheren Anteil an
Feinkorn, beispielsweise Böden mit einem Durchlässigkeitsbeiwert
kf < = 10-6 m/s, ist es bekannt, daß die
Schadstoffe nicht oder nur zu einem geringen Teil mit den
traditionellen Methoden des Abpumpens der flüssigen oder
öligen Phase im Absenktrichter eines oder mehrerer Sanierungsbrunnen
aus dem Boden entfernt werden können. Dieses
Abpumpen erfaßt nur die im Boden freien Ölprodukte, während
die Saugspannung gerade mehr oder minder bindiger Böden
diese Produkte im Boden festhält und somit ihrer Entfernung
aus dem Boden entzieht.
Sind keine freien Ölprodukte im Porenraum des Bodens vorhanden,
versagt die Methode des Abpumpens vollständig. Dieses
Abpumpverfahren, das Stand der Technik ist und bei der
Ausbeutung von Erdölfeldern seit etwa hundert Jahren eingesetzt
wird, ist nur teilweise erfolgreich. Die maximal mögliche
Förderquote beträgt in Böden mit geringer Saugspannung
nach Erfahrungswerten etwa 30 bis 35% der im Boden
befindlichen Menge an Ölprodukten. Die bisherige Sanierungsmethode
besteht im wesentlichen darin, den belasteten
Boden auszuheben und außerhalb der Baustelle entweder thermisch
oder mit Waschverfahren zu reinigen oder einen Bodenaustausch
durchzuführen. Die genannten Verfahren sind kostenaufwendig.
Es sind Versuche bekannt geworden, wonach mit Hilfe von adaptierten
Mikroorganismen die Ölprodukte im Boden zerlegt
werden. Dieses Verfahren ist zunächst langwierig und löst
nicht die Sicherheitsprobleme an der Boden- oder Geländeoberfläche.
Zudem sind häufig in diesen Schadstoffen hochtoxische
Substanzen wie PCB, Zyanide, Dioxine, Phenole und
Phenolderivate usw. enthalten, die den mikrobiellen Abbau
hemmen oder unmöglich machen. Bei der mikrobiellen Behandlung
der Böden entstehen zudem Stoffwechselprodukte und Um-
und Abbauprodukte, die zum Teil wie beispielsweise Schwefelwasserstoff,
Hexanon usw. noch toxischer und wassergefährdender
sind als die Ausgangsschadstoffe. Schließlich
werden durch dieses Verfahren wertvolle Ressourcen einfach
vernichtet.
Aus dem US-Patent 4 497 370 ist für den Sonderfall der auf
dem Grundwasser aufschwimmenden flüssigen Phase eine Apparatur
und eine Methode zum Auffangen flüssiger Kohlenwasserstoffe
aus dem Grundwasser bekannt. Dieses Verfahren
löst jedoch nicht das Problem der im darüberliegenden Speichergestein
aufgrund der Saugspannung zurückgehaltenen Mengen
an Ölprodukten.
Aus der DE 36 26 145 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem
leichtflüchtige Verunreinigungen aus dem Erdreich durch Absaugen
von Luft aus einem Schacht entfernt werden können,
wobei das Eindringen der Luft oder eines anderen Trägergases
in die tieferen Bodenbereiche dadurch erleichtert
wird, daß am Rande des Schadensherdes Einbringöffnungen für
Luft oder andere Gase geschaffen werden. Dieses Verfahren
löst zum einen nicht die Probleme der genannten mittel- und
höhersiedenden Fraktionen im Boden, da sie kaum in die
Dampfphase übertreten und sich somit der Absaugung entziehen,
zum anderen ist diese Anordnung bei größeren Schadensherden
und/oder bindigen Böden nicht anwendbar, da der anlegbare
Unterdruck im Hauptschacht nicht ausreicht, um über
größere Distanzen durch einfaches Ansaugen der Umgebungsluft
oder druckloses Einspeisen von anderen Gasen den Boden
zu belüften oder zu begasen. Bei mit den genannten Ölprodukten
getränkten Böden funktioniert dieses drucklose System
nicht, da der Boden als gasdicht oder weitestgehend
gasdicht gelten muß.
In den älteren deutschen Patentanmeldungen P 41 03 719.7
und P 41 12 893.1 ist ein Verfahren vorgeschlagen, das mit
Hilfe eines definierten Gleichstromes durch Ingangbringen
elektroosmotischer Vorgänge, unterstützt durch Zugabe anionischer
Tenside die Auswaschung der Ölprodukte aus dem Boden
zum Ziel hat. Dabei wird einer speziellen Anlage wie
z. B. einem Koaleszenzölabscheider die ölige Phase von der
wäßrigen Phase getrennt. Dieses Verfahren ist jedoch nur
für den wassergesättigten Bereich geeignet.
Aus der DE-OS 40 40 838 geht ein Verfahren hervor, bei dem
zur Verhinderung explosiver Gemische anstelle von Luft ein
inertes Gas, vorzugsweise Stickstoff- oder Kohlendioxid, in
das Grundwasser über Injektionsrohre eingeleitet wird. Das
inerte Gas durchperlt danach das Grundwasser und belädt
sich dabei mit leichtflüchtigen Halogenwasserstoffen. Das
so beladene inerte Gas wird schließlich oberhalb des Grundwasserspiegels
mit Absaugrohren abgesaugt. Ein Problem besteht
dabei darin, daß die Effektivität dieses Verfahrens
im Hinblick auf die Vermeidung einer Explosions- oder Vergiftungsgefahr
insofern begrenzt ist, als das direkt an dem
Schadstoffaustrag teilnehmende Inertgas lediglich vom
Grundwasser aus senkrecht nach oben zu den Absaugbereichen
aufsteigt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur
Vermeidung einer Explosions- oder Vergiftungsgefahr bei der
Entfernung eines im Boden über oder an einer Grundwasseroberfläche
enthaltenen Schadstoffes zu schaffen, das ein
sicheres Entfernen der Schadstoffe ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
bei Bodensanierungen Explosions- oder Vergiftungsgefahren
sicher vermeidbar sind.
Gemäß der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung wird -
abhängig von den Umständen des Einzelfalles - im Boden über
dem zu entfernenden Schadstoff, z. B. Ölprodukte, eine
Schutzgasatmosphäre erzeugt und während der Dauer der Sanierung
aufrechterhalten. Die Entfernung des Schadstoffes aus
dem Boden wird vorzugsweise so vorgenommen, daß in dem von
diesem Stoff eingenommenen Bodenbereich eine in Richtung zu
einer im Boden angeordneten Auffangstelle für den Schadstoff, abfallende
und eine Bewegung des Schadstoffes in die Auffangstelle
bewirkende Druckdifferenz zum Bewegen erzeugt wird. Unter
Schadstoff werden dabei auch mehrere unterschiedliche
Schadstoffe einzeln oder in Kombination verstanden.
Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre
wird der Boden über den Ölprodukten mittels
einer oder mehreren Injektionslanzen mit einem Schutzgas
unter Druck geflutet und die Flutung bis zum Abschluß der
Entfernung des Stoffes aus dem Boden aufrechterhalten.
Abfließende Mengen an Schutzgas werden ersetzt.
Die Injektionslanzen werden vorzugsweise bis zur
Oberkante des vom Schadstoff
eingenommenen Bodenbereiches in den Boden eingebracht
(Anspruch 3). Als Injektionslanze wird bevorzugt eine Lanze
in Form eines Pegelrohres mit Filtergewebe verwendet
(Anspruch 4).
Vorzugsweise wird ein Schutzgas verwendet, das CO₂ oder N₂
aufweist (Anspruch 5). Es können aber auch andere
Schutzgase verwendet werden. Insbesondere kann auch ein Gemisch
aus solchen Schutzgasen verwendet werden. Die Wahl
der Schutzgase richtet sich nach den Stoffen, gegen welche
der Bereich an oder über der Bodenoberfläche geschützt werden
soll. Bei der Bodensanierung wird vorteilhafterweise
die Schutzgasatmosphäre über dem Schadstoffherd bis zur Erreichung
des Sanierungszieles aufrechterhalten.
Bei der Erzeugung der Schutzgasatmosphäre kann eine durch
die Schutzgase bedingte elektrostatische Aufladung des Bodens
auftreten. Als Abhilfe wird zweckmäßigerweise ein Potentialausgleich
zur Vermeidung oder Beseitigung einer solchen
elektrostatischen Aufladung des Bodens herbeigeführt
(Anspruch 6). Dies kann beispielsweise durch Erdung der Injektionslanzen
oder anderweitiger bekannter Mittel zur Erdung,
des Bodens, beispielsweise mit zusätzlichen Erdungsstäben,
vorgenommen werden.
Als unterstützende Maßnahme zur Aufrechterhaltung der
Schutzgasatmosphäre wird vorzugsweise die Oberfläche über
dem vom Schadstoff eingenommenen Bodenbereich abgedichtet
(Anspruch 7), sofern nicht bereits eine Versiegelung des
Bodens vorhanden ist. Vorzugsweise wird die Bodenoberfläche
oder das zu behandelnde Sanierungsgebiet mit einem Geotextil,
vorzugsweise einem Geotextil mit Bentonit
als Dichtmittel abgedichtet. Das Geotextil
wird vorzugsweise bewässert und kann mit
einem Beschwerungsmaterial, vorzugsweise Kies
oder Sand, beschwert werden. Geotextilien mit
Bentonit als Dichtmittel sind handelsüblich. Die Abdichtung
hat ferner den Zweck, den Boden trocken zu legen und zu
halten und die Vakuumtrocknung insbesondere bindiger Böden
zwecks Erhöhung der Gasdurchlässigkeit zu ermöglichen.
Sollte sich eine Gasphase im Boden oder unter der abgedichteten
Bodenfläche bilden, beispielsweise eine Gasphase aus
leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffen, wird diese zweckmäßigerweise
abgesaugt.
Sofern in den Bodenbereich oberhalb der Ölprodukte enthaltenden
Bodenhorizonte leichtflüchtige Substanzen auftreten
oder ihr Auftreten erwartet werden kann, kann das erfindungsgemäße
Verfahren und die Anordnung zum Aufbau und zur
Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre vorzugsweise wie
folgt ergänzt werden.
Eine oder mehrere der vorbeschriebenen Lanzen werden als
Druck- und Injektionslanzen für das oder die Schutzgase organisiert,
während eine oder mehrere andere Lanzen als Unterdruck- und Absauglanzen
eingerichtet werden. An den Injektionslanzen
wird das Schutzgas oder das Schutzgasgemisch
unter Druck in den Bodenbereich oberhalb der Kontaminationszone
eingedüst. Die Höhe des Druckes richtet sich nach
dem Abstand zwischen der oder den Injektionslanzen und der
oder den Absauglanzen sowie dem Durchlässigkeitsbeiwert des
Bodens.
Das Schutzgas wird sodann an der Absauglanze mittels einer
Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdruckes, vorzugsweise
einer Vakuumpumpe abgesaugt, wobei zwischen der Lanze und
der Vakuumpumpe eine geeignete Gasreinigungsanlage, z. B.
Molekularsiebe, "Kältefallen", Absorber usf., zwischengeschaltet
ist. Das die leichtflüchtigen Substanzen enthaltende
Schutzgas wird in der Gasreinigungseinrichtung gereinigt
und sodann unter Druck über ein Hosenrohr (gabelförmiges Rohrstück, an das die
Schutzgasversorgungsanlage angeschlossen ist, wieder in die
Injektionslanze eingespeist. Über ein Regel- bzw. Mischerventil
kann das Verhältnis von Kreislaufmenge zur Auffrischmenge
des Schutzgases gesteuert werden. Die Gasabsaugung
und die Abgasreinigung sind Stand der Technik.
Diese Verfahrensanordnung sei beispielhaft an einem Raffineriegelände
von 22 ha Größe verdeutlicht. Auf diesem Gelände wird das Grundwasser in 8,35 m Tiefe ab der Geändeoberkante
angetroffen. Auf dem Grundwasser schwimmt bis
3,75 m Tiefe unter der Geländeoberkante eine Phase aus Ottokraftstoffen
auf und sättigt den Non-Aquifer, bestehend
aus Lößlehm (bis 4,5 m Tiefe unter der Geländeoberkante)
mit einem kf von 3,85 × 10-8 m/s, darunter bis zum Aquifer
Geschiebemergel mit einem kf von 1,75 × 10-6 m/s.
Im Rastermaß von ca. 10 × 10 m werden abwechselnd Reihen
von Injektions- und Absauglanzen bis ca. 3,6 m Tiefe ab Geländeoberkante
bereits unter Schutzgas eingebracht. Als
Schutzgas wird CO₂ eingesetzt, das aus Containern tiefkalt
mit einem Druck von ca. 6,5 bar in dem Boden eingedüst
wird. Die eingedüste CO₂-Menge beträgt ca. 1,5 m³/h. An die
Absaugstellen wird ein Unterdruck von -0,9 bar (=90% Vakuum)
bei einer Absaugleistung von ca. 1,6 m³/h angelegt.
Teilbereiche des Geländes werden mit bewässerten Geotextilien
abgedichtet. Die aus den Ottokraftstoffen ausgasenden
Benzole und Xylole werden in einer mit CO₂ gekühlten
Kältefalle auskondensiert und rückgewonnen. Das über A-Kohle
nachgereinigte Schutzgas wird auf 6,5 bar verdichtet,
mit CO₂ aus dem Container aufgefrischt und über die Injektionslanzen
in den Boden zurückgefiltert. Die aus Stahl gefertigten
Lanzen ebenso wie die mittig zwischen den Lanzenreihen
angeordneten, bis ca. 3 m Tiefe eingebauten Erdungsstäbe
aus Kupfer sind an Erdungsleitungen zum Potentialausgleich
angeschlossen, um eine Selbstentzündung der Gase zu
verhindern.
Die Sanierungsanordnung zur Entfernung der Ölprodukte wird
vorzugsweise vom Schutzgassystem dissoziiert in den Boden
eingebracht. Hierzu wird eine oder werden mehrere Injektionslanzen
und Absauglanzen, deren Abstand voneinander nach den bodenphysikalischen
Kenndaten bestimmt wird, vorzugsweise bis
zum Grundwasserspiegel, und sofern kein Grundwasserspiegel
nachweisbar ist, bis in Tiefen unterhalb des Kontaminationsherdes
in den Boden eingebracht.
Zur Erzeugung der oben genannten Druckdifferenz wird vorzugsweise
ein gasförmiges Medium unter Druck durch ein oder
mehrere mit Abstand von der Auffangstelle in den Boden eingebrachte
Pegelrohre mit einem Abschnitt aus Vollrohr über
den Ölprodukten und einem Abschnitt aus Filterrohr im von
den Ölprodukten eingenommenen Bodenbereich in den Boden gepreßt
und die Auffangstelle (Absaugstelle) unter einem im
Vergleich zu diesem Druck kleineren Druck gehalten
(Anspruch 8).
Vorzugsweise wird ein Pegelrohr mit einem sich von der Bodenoberfläche
bis unterhalb der Schutzgaszone erstreckenden Abschnitt
aus Vollrohr und mit
einem sich darunter befindlichen und bis zur Grundwasseroberfläche
bzw. bis unterhalb des Kontaminationsbereiches
reichenden Abschnitt aus Filterrohr (Anspruch 9) verwendet.
Vorzugsweise wird ein Pegelrohr aus Kunststoff und/oder
Stahl verwendet.
Der Abstand eines Pegelrohres von der Auffangstelle errechnet
sich unter anderem aus den bodenphysikalischen Parametern
wie Durchlässigkeitsbeiwert des Bodens. Vorzugsweise
wird ein Pegelrohr in einem Abstand von 4 Meter bis 30 Meter
von der Auffangstelle angeordnet (Anspruch 10).
Als gasförmiges Medium wird vorzugsweise gemäß Anspruch 11
Heißluft, Dampf, Oxidationsmittel, vorzugsweise Ozon
und/oder Inertgas als Extraktionsmittel verwendet.
In einem Einphasenverfahren wird ein aus einer individuellen
Substanz bestehendes gasförmiges Medium verwendet,
während bei einem Mehrphasenverfahren mehrere
individuelle Substanzen als gasförmiges Medium verwendet
werden, wobei vorzugsweise die mehreren
individuellen Substanzen alternierend oder sequentiell unter
Druck in den Boden eingepreßt werden (Anspruch 13).
Die Auswahl des gasförmigen Mediums und die Festlegung der
Verfahrensschritte richtet sich nach den chemisch-physikalischen
Eigenschaften der Ölprodukte wie der Viskosität der
Ölprodukte und dem Sanierungsziel.
Der Druck, mit dem das gasförmige Medium in den Boden einzupressen
ist, richtet sich im wesentlichen nach dem Durchlässigkeitsbeiwert
des Bodens und dem Abstand der Injektionslanzen
von den Absaugstellen, ebenso wie der Unterdruck
an den Absaugstellen durch die gleichen Parameter bestimmt
wird. Vorzugsweise wird das gasförmige Medium mit einem
Druck von 0,5 bis 15 bar in den Boden eingebracht (Anspruch
14). Vorteilhafterweise wird an den Absaugstellen ein möglichst
hoher Unterdruck, der u. a. nach den bodenphysikalischen
und hydrogeologischen Daten bestimmt wird, ausgelegt.
Die Auffangstelle (Absaugstelle) kann vorteilhafterweise
durch einen oder mehrere im Boden ausgebildete Auffangbrunnen
definiert werden (Anspruch 15), wie er in der älteren
deutschen Patentanmeldung P 40 06 435.2 vorgeschlagen und
in seiner Ausstattung und Betriebsweise beschrieben ist.
Bei Verwendung eines oder mehrerer Auffangbrunnen, insbesondere
eines oder mehrerer Auffangbrunnen, wie sie in der
Patentanmeldung P 40 06 435.2 beschrieben sind, wird vorzugsweise
an den Auffangbrunnen ein Unterdruck angelegt,
dessen Parameter sich nach der Teufe der Grundwasseroberfläche
und den physikalisch-chemischen Parametern des oder
der auszutreibenden Stoffe, richtet.
Die auszutreibenden Stoffe werden durch das Druckgefälle
zwischen den Pegelrohren und den Auffangbrunnen oder Auffangstellen,
gegebenenfalls unterstützt durch weitere Phänomene
wie Desorption von Ölprodukten durch das Inertgas
oder gasförmige Medium und/oder Vakuumverdampfung
und/oder durch Viskositätsänderungen und/oder oxidative
Zerlegung der Ölprodukte in gasförmige Substanzen zu den
Auffangstellen getrieben und können dort in situ in der
Gasphase abgesaugt
und/oder flotiert und/oder als auf dem Grundwasser aufschwimmende beispielsweise
öige/flüssige Phase
abgepumpt werden (Anspruch 16).
Vorzugsweise werden mehrere Pegelrohre und mehrere Auffangstellen
verwendet, die rasterförmig mit einem vorbestimmten
Rastermaß über der Bodenoberfläche verteilt sind (Anspruch
17). Das vorbestimmte Rastermaß beträgt vorzugsweise 4 × 4
Meter bis 30 × 30 Meter (Anspruch 18). Vorzugsweise werden
die Pegelrohre und Auffangstellen in Reihen, Hexagonen
und/oder anderen Polygonen angeordnet. Vorzugsweise
wird für die Pegelrohre ein elektrostatischer Potentialausgleich,
beispielsweise durch Erdung und/oder Einbau
von Erdungsstäben geschaffen (siehe Anspruch 6).
Als vorteilhafte unterstützende Maßnahme wird vorzugsweise
im von dem zu entfernenden Schadstoff eingenommenen Bodenbereich
Schwingungsenergie erzeugt oder eingebracht.
Es kann dabei beispielsweise Ultraschall, vorzugsweise im
Frequenzbereich von 20 kHz bis 1 mHz als Schwingungsenergie
eingesetzt werden und/oder im Bodenbereich
eine Schwingung in Form von Druckimpulsen verwendet werden.
Die entsprechenden Schwinger sind handelsüblich.
Durch diese Maßnahme können die zu entfernenden
Stoffe, z. B. in Aerosole überführt und somit der Absaugung
zugänglich gemacht werden. Insbesondere ist diese Maßnahme
bei mittel- und höhersiedenden Stoffen, beispielsweise
den mittel- und höhersiedenden Ölprodukten vorteilhaft,
weil dadurch diese Stoffe in Aerosole überführt und dadurch
der Absaugung zugänglich gemacht werden.
Nach der Entfernung des Schadstoffes aus dem
Bodenbereich kann eine Feinreinigung des Bodens vorgenommen
werden. Diese Feinreinigung wird vorzugsweise mittels
elektroosmotischen Transportvorganges und/oder Auswaschen
des Bodenbereiches vorgenommen. Besonders
geeignet dafür sind die bereits in den genannten älteren
deutschen Patentanmeldungen P 41 03 719.7 und P 41 12 893.1
beschriebenen Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders zur Entfernung
der eingangs definierten Ölprodukte aus dem Non-Aquifer
verwendbar (Anspruch 19).
Eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens weist mehrere
rasterförmig über der Bodenoberfläche verteilte Pegelrohre
im Boden mit jeweils einem Abschnitt aus Vollrohr über dem
zu entfernenden Stoff und einem Abschnitt aus Filterrohr im
vom Stoff eingenommenen Bodenbereich auf, wobei durch eine
Gruppe Pegelrohre ein gasförmiges Medium in den Boden einpreßbar
ist und eine andere Gruppe Pegelrohre als Auffangsstellen
definiert ist. Diese Anordnung ist
insbesondere deshalb vorteilhaft, weil die die Auffangsstellen
definierenden Pegelrohre leicht zu Auffangbrunnen
und leicht in die für die Auswaschung erforderlichen
Einrichtungen umgerüstet werden können.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur in der nachfolgenden
Beschreibung beispielhaft näher erläutert.
Die Figur zeigt ausschnitthaft einen Schnitt durch einen
beispielhaften Boden mit einem von dem zu entfernenden Schadstoff
eingenommenen Bodenbereich über einer Grundwasseroberfläche
und mit in den Boden eingebrachten Injektionslanzen,
Absauglanzen und Pegelrohren, von denen jeweils
nur ein Exemplar gezeigt ist.
Die Figur ist schematisch und nicht maßstäblich.
Der Boden nach dieser Figur weist in der Tiefe einen grundwasserführenden
Grundwasserleiter 1 (Aquifer) und einen
darüber befindlichen, bis zur Bodenoberfläche 20 reichenden,
nicht mit Wasser gesättigten Bodenabschnitt 2 mit einem
von dem zu entfernenden Schadstoff eingenommenen Bodenbereich
4 auf. Das Liegende des Grundwasserleiters 1 ist mit
3 bezeichnet. Die Grundwasseroberfläche ist mit 10 bezeichnet.
Die Oberkante des vom zu entfernenden Stoff eingenommenen
Bodenbereich 4 ist mit 40 bezeichnet. In der Horizontalen
erstreckt sich dieser Bodenbereich 4 über den Bereich
41.
Bis zur Oberkante 40 des Bodenbereiches 4 ist eine Injektionslanze
5, beispielsweise in Form eines Stahlpegelrohres
mit Filtergewebe von 2,54 cm bis
2 × 2,54 cm Durchmesser eingebracht. Durch diese Injektionslanze
5 wird Schutzgas, beispielsweise CO₂ oder N₂, unter
einem Druck p₁ von beispielsweise 2 bis 15 bar in dem Bodenhorizont
2 eingepreßt und dadurch der über dem Bodenbereich
4 liegende Bodenabschnitt 24 mit dem Schutzgas geflutet.
Diese Flutung wird während der Dauer der Sanierung
aufrechterhalten. Zur Vermeidung einer elektrostatischen
Aufladung des Bodenabschnittes 24 werden das Rohr 5 und
auch die später zu beschreibenden Pegelrohre 6 und 7 geerdet.
Es können auch zusätzliche, nicht dargestellte Erdungsstäbe
in den Boden eingebracht werden. Durch die Flutung
mit dem Schutzgas wird im Bodenabschnitt 24 eine
Schutzgasatmosphäre über dem Bodenbereich 4, beispielsweise
ein Schadstoffherd, aufgebaut, der beispielsweise im Falle
einer Bodensanierung bis zur Erreichung des Sanierungszieles
aufrechterhalten wird. Als nicht immer notwendige unterstützende
Maßnahme zur Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre
kann die Bodenoberfläche, beispielsweise im
Bereich des zu behandelnden Sanierungsgebietes, abgedichtet
werden, vorzugsweise mit zu bewässernden und gegebenenfalls
mit Kies, Sand oder Erdboden als Beschwerungsmaterial 9 zusätzlich
zu beschwerenden, handelsüblichen Geotextilien 8
mit Bentonit als Füllmittel. In der Figur ist diese Abdichtung
nur ausschnittsweise dargestellt. Zweckmäßigerweise
würde sie sich über den ganzen Bereich 41 der Bodenoberfläche
20 erstrecken. Sollte sich eine Gasphase aus beispielsweise
leichtflüssigen Kohlenwasserstoffen im Bodenhorizont
oder nicht wasserführenden Bodenabschnitt 2 oder unterhalb der Abdichtung 8 gebildet
haben, kann diese mit Methoden nach dem Stand der Technik
abgesaugt werden, wobei diese Gasphase zusammen mit dem
Schutzgas aus dem Pegelrohr 7 mittels einer Vakuumpumpe 17 o. ä.
abgesaugt, in einer Gasreinigungsanlage 18 abgetrennt wird,
wobei das gereinigte Schutzgas am Pegelrohr 6 wieder unter
Druck in den Bodenbereich 24 eingegeben wird. In der Abbildung
ist diese Anordnung nicht dargestellt.
Nach Ausbildung der Schutzgasatmosphäre im Bodenabschnitt
24 werden Pegelrohre 6 und 7, vorzugsweise aus Stahl oder
Kunststoff, in den Boden bis in das Liegende 3 des Grundwasserleiters
1 eingebaut. Diese Pegelrohre 6 und 7 bestehen
in einem oberen Abschnitt 61, vorzugsweise bis unter
die Oberkante 40 des von dem zu entfernenden Schadstoff eingenommenen
Bodenbereiches 4 aus Vollrohr, sodann in einem unteren
Abschnitt 62 bis zum Grundwasserleiter 1 aus Filterrohr.
Diese Pegelrohre 6 und 7 sind beispielsweise in Reihen,
Hexagonen und/oder anderen Formen angeordnet. Das Rastermaß
dieser Pegelrohre ist von den Umständen des Einzelfalles
abhängig und errechnet sich unter anderem aus den
bodenphysikalischen Parametern wie Durchlässigkeitsbeiwert
des Bodens und beträgt vorzugsweise zwischen 4 × 4 Meter
und 30 × 30 Meter.
Eine Gruppe Pegelrohre, die Pegelrohre 6, dienen als Versorgungsstelle
für das gasförmige Medium, das aus inertem Gas,
vorzugsweise CO₂ oder N₂, Oxidationsmitteln, vorzugsweise
Ozon und Peroxide, und/oder Heißluft und/oder Dampf bestehen kann.
Die genannten individuellen Substanzen werden im Einphasenverfahren
einzeln oder in einem Mehrphasenverfahren sequentiell
oder alternierend unter einem Druck p₂ von vorzugsweise
zwischen 0,5 und 10 bar oder mehr in dem von zu entfernendem
Schadstoff eingenommenen Bodenbereich 4, beispielsweise
den mit Ölprodukten belasteten Bodenbereich 4 des
nichtwasserführenden Bodenabschnitts 2 eingepreßt. Die Wahl dieses Druckes p₂ richtet
sich insbesondere nach dem Durchlässigkeitsbeiwert des
Bodens. Die Auswahl der individuellen Substanzen und des
gasförmigen Mediums richtet sich nach u. a. den chemisch-
physikalischen Parametern wie z. B. der Viskosität der auszutreibenden
Stoffe oder Ölprodukte.
Die andere Gruppe Pegelrohre, die Pegelrohre 7, dienen als
Auffangstelle (Absaugstelle) für die auszutreibenden
Schadstoffe. Bei Bedarf können diese Auffangstellen zu Auffangpegeln
erweitert werden, deren Ausstattung und Betriebsweise
sich nach der genannten deutschen Patentanmeldung P
40 06 435.2 richtet. Jedoch wird vorzugsweise an diese Pegelrohre
7 ein Unterdruck angelegt, dessen Parameter sich
nach der Teufe der Grundwasseroberfläche 10, den physikalisch-
chemischen Parametern der zu entfernenden Schadstoffe usw.
richtet. Die zu entfernenden Schadstoffe werden nunmehr durch
das in Richtung des Pfeiles 67 zur Auffangstelle 7 gerichtete
Druckgefälle zwischen den Pegelrohren 6 und 7, unterstützt
durch weitere Phänomene wie Vakuumverdampfung
und/oder Desorption von Ölprodukten durch das Inertgas
und/oder gasförmige Medium und/oder durch Viskositätsänderungen
zu den Auffangstellen/-brunnen 7 getrieben und können
dort entweder in situ in der Gasphase abgesaugt
und/oder, je nach Art der Auffangstelle aus dem Grundwasser
flotiert, beispielsweise mit Hilfe einer in der Auffangstelle
7 beim Grundwasser angeordneten Flotationspumpe 14
oder aber als ölige/flüssige Phase auf dem Grundwasser aufschwimmend,
abgepumpt und der Wiederaufarbeitung bzw. Entsorgung
zugeführt werden.
In geeigneter Tiefe, vorzugsweise im mittleren oder unteren
Bereich des Bodenbereiches 4, wird entsprechend der geringen
Wirkreichweite ein (oder mehrere) Ultraschallschwinger
81 mit 20 kHz bis 1 mHz und maximal 6 kW Leistungsaufnahme
bzw. Druckimpulsgeber (max 200 bar, 260 Nm, 900
Pulse/min) 81 mittig zwischen den Pegeln 6 und 7 eingebaut
und entweder intermittierend oder dauernd betrieben.
In der dritten Verfahrensstufe erfolgt die Feinreinigung
des Bodens. Hierzu wird nach dem Verfahren der genannten
deutschen Patentanmeldung P 41 03 719.7 und P 41 12 893.1
vorgegangen und die Pegelrohre 7 entsprechend ergänzt oder
umgerüstet.
Über die Absauglanze 10 kann das in den Boden eingebrachte
Schutzgas zusammen mit einer Gasphase aus dem zu entfernenden
Schadstoff beispielsweise mittels einer einen Unterdruck P₄
erzeugenden Vakuumpumpe 11 abgesaugt und nach einer Reinigung
in einer Gasreinigungsanlage 12, die wie die Anlage 18
Aktivkohle enthalten kann, als gereinigtes Schutzgas wieder
durch die Injektionslanze 5 unter dem Druck P₁ im Boden
eingebracht werden.
Die aus dem Grundwasser entfernten Ölprodukte, beispielsweise
die mit der Flotationspumpe ausflotierten Schadstoffe,
können z. B. mittels eines Koaleszenzölabscheiders 15 zur
Entsorgung und/oder zum Recycling aufbereitet werden.
bei dem vorstehend beschriebenen vorliegenden Verfahren,
bei dem der zu entfernende Schadstoff in Gegenwart einer
Schutzgasatmosphäre entfernt wird, kann neben den vorstehend
bereits angegebenen Verfahren zur Entfernung der
Schadstoffe vorteilhaft auch folgendes Verfahren verwendet werden.
In den die Schadstoffe enthaltenden Stoffherd bzw. Bodenbereich wird
ein die Schadstoffe mobilisierendes und/oder zerlegendes Medium
unter Überdruck eingebracht und die mobilisierten Stoffe
und/oder aus diesen gewonnenen Zerlegungsprodukte werden aus
dem Boden entfernt. Das an einer Stelle unter Überdruck
eingebrachte Medium wird vorzugsweise an einer anderen
Stelle abgesaugt. Dabei können leicht flüchtige Stoffbestandteile
und/oder Zerlegungsprodukte sowie Aerosole aus
dem Boden gleich mitentfernt werden. Als Medium eignen
sich vorteilhaft Oxidationsmittel wie beispielsweise Ozon,
CO₂, N₂ und/oder Heißluft und/oder Dampf. Durch Oxidationsmittel,
insbesondere hochaggressive Oxidationsmittel, insbesondere
Ozon, ist eine in situ Zerstörung von Schadstoffen wie Cyaniden,
öligen und festen Schadstoffen, PCB usw. möglich.
Mittels CO₂, N₂, Heißluft und Dampf ist eine Extraktion der
Schadstoffe möglich. Zu beachten ist hierbei, daß Dampf in
bindigen Böden nicht anwendbar ist, da das Kondensat den
tonhaltigen Boden quellen läßt und diesen somit gasdicht
macht.
Dieses Verfahren ist insbesondere im Bereich des nicht mit
Wasser gesättigten Bodens anwendbar und beruht auf den zum
Teil alternativen, zum Teil komplementären Wirkungsmechanismen:
- - Absaugen leichtflüchtiger Bestandteile und von Zerlegungsprodukten,
- - in situ Zerstörung von Schadstoffen durch hochaggressive Oxidationsmittel,
- - Aerosolbildung und Absaugung von Aerosolen, und
- - Strippen (Extraktion) der Schadstoffe mittels eines oder mehrerer Gase.
Ein besonderer Vorteil der beschriebenen vorliegenden
Verfahren besteht darin, daß sie mit ein und
derselben Anordnung durchgeführt werden können, d. h., daß
mehrere Sanierungsstrategien mit ein oder derselben Anordnung
verfolgt werden können.
Diese vorteilhafte Anordnung ist gekennzeichnet durch jeweils mindestens
eine an ein Schutzgas und ein Schadstoff mobilisierendes
und/oder -zerlegendes Medium enthaltende Überdruckquelle
11, 17 anschließbare Lanze 5, 6 zum Einbringen
des Schutzgases und Mediums, und durch mindestens jeweils eine in
den Boden eingebrachte und an eine Unterdruckquelle 11, 17
anschließbare Lanze 10, 7 zum Absaugen des Schutzgases und
Mediums zusammen mit im Boden enthaltenen oder erzeugten
leichtflüchtigen Schadstoffbestandteilen, Zerlegungsprodukten
und/oder Aerosolen.
Ist der Grundwasserspiegel bis 6 Meter unter dem Stoffherd
bzw. dem vom Schadstoff eingenommenen Bodenbereich 4, oder kann
der Boden bewässert werden, so ergibt sich die Möglichkeit,
zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Verfahren die
elektrochemische Bodenwäsche einzusetzen. Bei Benzinschäden
muß notwendigerweise die elektrochemische Bodenwäsche diese
Verfahren ergänzen, da der Grundwassersaum (Kapillarraum)
nur so saniert werden kann.
Zum besseren Verständnis des vorliegenden Verfahrens dienen folgende Beispiele:
Im nicht wasserführenden Bodenabschnitt 2 sind Vorprodukte aus der TNT-Herstellung, d. h.,
deren zum Teil feste Abbauprodukte wie Amine, und TNT vorhanden.
Diese Produkte werden mittels Ozon in situ zerstört
und die bisher öligen bzw. festen Substanzen in ihre gasförmigen
Ausgangsprodukte wie CO₂, Wasser und gegebenenfalls
Ammoniak zerlegt, die abgesaugt werden.
Ein Gelände, bei dem der Grundwasserspiegel in 60 Meter
Tiefe unterhalb der Geländeoberkante liegt, ist mit
Altölen, PCB und anderen Organohologenen belastet. Hier
wird im Zweiphasenverfahren zunächst mit Ozon das Altöl
einschließlich PCB zerstört und anschließend mit CO₂ ausgetrieben.
Das CO₂ kann durch Heißluft mit 120°C ersetzt werden.
Auf einem 6700 qm großen Gelände wurden zum Ausgleich von Geländeunebenheiten
Gaswerkschlacken in das Gelände eingebaut,
die extrem hoch mit Cyaniden (Berliner Blau), Polyziklen
und anderen Stoffen belastet sind. Hier erfolgt die
Zerstörung der Cyanide durch Ozon mit anschließender Gasspülung.
(CO₂). Hier ist der Aufbau einer Schutzgasatmosphäre
erforderlich, nicht weil etwa die Schadstoffe explosibel
wären, sondern weil sich Blausäure aus dem Berliner
Blau abspaltet.
Auf einem Raffineriegelände schwimmt bis 4,8 Meter über dem
Grundwasserspiegel eine Öl- und Kraftstoffschicht auf, auf
der, über MAK-Werte liegend, Benzole in die Umgebungsluft
diffundieren, die eine entsprechend hohe Krebsrate der
dort Beschäftigten hervorrufen. Die Öle und Kraftstoffe
sättigen den bindigen Boden (Lößlehm und Geschiebemergel)
und bilden auf dem Grundwasser eine Kontaminationszone.
Hier ist sowohl die Schutzgasatmosphäre als auch die Kombination
des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der elektrochemischen
Bodenwäsche und dem CO₂-Stripping-Verfahren (CUS)
erforderlich.
Was generell die Schutzgasatmosphäre betrifft, so genügt
nicht eine einfache Flutung des Bodens, da das Gas abwandert.
Es sollte aufgefrischt und ergänzt,
und vorzugsweise im Kreislauf geführt
werden.
Die eigentliche Bodensanierung setzt entweder chemisch-
physikalische Methoden ein (Desorption durch z. B. CO₂, Aerosolbildung,
Vakuumverflüssigung oder -verdampfung) oder
zerstörte Schadstoffe werden im Boden durch Oxidationsmittel zerstört.
Dies hat zwei Vorteile: es gibt kaum Entsorgungsprobleme
auf der Erdoberfläche und der Grundwasserleiter bleibt unangetastet
mit allen Vorteilen.
Claims (20)
1. Verfahren zur Vermeidung einer Explosions- oder Vergiftungsgefahr
bei der Entfernung eines im Boden über oder
an einer Grundwasseroberfläche enthaltenden Schadstoffes,
wobei eine Schutzgasatmosphäre im Boden über dem zu entfernenden
Schadstoff durch Einbringen eines Schutzgases erzeugt
wird, das über wenigstens eine Injektionslanze (5) und
einem Druck (p₁) zur Flutung des Bereiches über dem Schadstoff
eingebracht wird, wobei die Flutung während der Dauer
der Schadstoffentfernung aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Entfernung des Schadstoffes in dem von diesem eingenommenen
Bodenbereich (4) eine Bewegung des Schadstoffes
in eine im Boden angeordnete Auffangstelle (7) bewirkende
Druckdifferenz (p₂-p₃) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Injektionslanzen (5) bis zu einer Oberkante
(40) des vom Schadstoff eingenommenen Bodenbereiches
(4) in den Boden eingebracht werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Injektionslanze (5) in Form eines
Pegelrohres mit Filtergewebe verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein CO₂ oder N₂ aufweisendes
Schutzgas verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Potentialausgleich zur Beseitigung
einer schutzgasbedingten elektrostatischen Aufladung
des Bodens herbeigeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenoberfläche (20) über
dem vom Schadstoff eingenommenen Bodenbereich (4) abgedichtet
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Druckdifferenz (p₂-p₃)
ein gasförmiges Medium unter Druck (p₂) durch ein oder
mehrere mit Abstand von der Auffangstelle (7) in den Boden
eingebrachte Pegelrohre (6) mit einem Abschnitt (61) aus
Vollrohr bis zu dem oder bis in den vom Schadstoff eingenommenen
Bodenbereich (4) und einem Abschnitt (62) aus Filterrohr
im vom zu entfernenden Schadstoff eingenommenen Bodenbereich
(4) in den Boden gepreßt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Pegelrohr (6) mit einem sich durch den vom Schadstoff
eingenommenen Bodenbereich (4) und bis zur Grundwasseroberfläche
(10) des Grundwassers erstreckenden Abschnitt
(62) aus Filterrohr verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Pegelrohr (6) in einem Abstand von 4 Meter
bis 12 Meter von der Auffangstelle (7) angeordnet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß als gasförmiges Medium Heißluft,
Dampf, gasförmiges Oxidationsmittel, CO₂ und/oder Inertgas,
insbesondere N₂, verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß ein CO₂ und/oder N₂ und/oder Ozon und/oder Peroxid aufweisendes
Inertgas verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß unterschiedliche gasförmige Medien alternierend
unter Druck (p₂) eingebracht werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium mit einem
Druck (p₂) von 0,5 bis 15 bar in den Boden eingepreßt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß als Auffangstelle (7) zumindest ein im
Boden ausgebildeter Auffangbrunnen verwendet wird.
16. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Auffangstelle
(7) bewegte Schadstoff als Gasphase abgesaugt
und/oder flotiert und/oder als auf dem Grundwasser aufschwimmende
Phase abgepumpt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere Pegelrohre (6) und Auffangstellen
(7) verwendet werden, die rasterförmig mit einem
vorbestimmten Rastermaß über der Bodenoberfläche (20)
verteilt sind.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß ein vorbestimmtes Rastermaß von 4 × 4 Meter bis 30 × 30
Meter verwendet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß als Schadstoffe ein oder mehrere
Ölprodukte entfernt werden.
20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch wenigstens
eine in den Boden eingebrachte Injektionslanze (5), die
mit einer Überdruckquelle (11) verbunden ist, die das
Schutzgas enthält.
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DE4131216A DE4131216C2 (de) | 1991-09-19 | 1991-09-19 | Verfahren zur Vermeidung einer Explosions- oder Vergiftungsgefahr bei der Entfernung eines im Boden über oder an einer Grundwasseroberfläche enthaltenen Schadstoffes |
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1991
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