CH705883A2 - Verfahren zur Härtestabilisation von Bergwasser in Entwässerungssystemen. - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur intervallartigen Härtestabilisation von Bergwasser in Entwässerungssystemen des Tiefbaus, wobei die Intervalle dazu dienen, dass sich keine Biofilmschichten in den Entwässerungssystemen ansiedeln können und/oder bereits bestehende Biofilmschichten dadurch reduziert oder eliminiert werden können.

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtestabilisation von Bergwasser insbesondere bei gleichzeitiger Vermeidung von Biofilmschichten in Entwässerungssystemen z.B. des Tiefbaus.

STAND DER TECHNIK

[0002] Fast alle Gebäude des Hoch- und Tiefbaus besitzen ein Entwässerungssystem (EWS). Bei den Hochbauten verfügen vor allem die grossen Bauten wie Hochhäuser, Hotelanlagen, Einkaufszentren, Fussballplätze oder Wohnüberbauungen über nennenswerte Entwässerungssysteme. Bei Tiefbauten, wie z.B. Flugplätzen, Staumauern, Strassen, Bahnanlagen, und Tunnelbauwerken, gehören Entwässerungssysteme zur Standardausrüstung und sind überall auf der Welt anzutreffen. Insbesondere bei unterirdischen Tiefbauwerken mit hoher Überdeckung wie z.B. U-Bahnhöfen, Wasserkraftzentralen, oder Tunnelbauten wird viel Geld in den Bau langfristig funktionstüchtiger Entwässerungssysteme investiert.

[0003] Bei der Entwässerung von Tiefbauwerken fallen Wässer an, die gelöste Wasserinhaltsstoffe mitführen, die im EWS selbst ausfallen können. Im Hochbau spricht man dabei von Sicker- oder Grundwässern während dem im Tiefbau fast ausschliesslich von Bergwässern die Rede ist.

[0004] Diese Zuflüsse können verschiedener Herkunft sein, wie beispielsweise Grund-, Sicker-, Karst- oder normale Bergwässer einzeln oder in Mischungen. Beim Eintritt des Bergwassers in das Entwässerungssystem verändern sich die physikalischen Bedingungen derart, dass die ursprünglich gelösten Wasserinhaltsstoffe harte, fest haftende Verkrustungen bilden, welche in amorpher oder kristalliner Form vorliegen können. Besonders betroffen davon ist die Kalklöslichkeit des Bergwassers. Da beim Zuströmen des Bergwassers zum EWS des Bauwerks ein Druckabfall entsteht, kommt es zur Ausgasung des gelösten CO2. Als Gegenreaktion wird Kalk aus dem Bergwasser ausgeschieden. Zudem erhöhen basische Baustoffe, allen voran die Zemente, den pH-Wert dieser Wässer, was die Bildung der Verkrustungen ebenfalls stark begünstigt.

[0005] Die Verkrustungen bestehen zum weitaus grössten Teil aus Kalk (meist < 95%), der aus dem Bergwasser ausgeschieden wird, in Kombination mit unbedeutenden Mengen anderer Ionen wie Silicium, Magnesium, Barium, Eisen und dergleichen. In seltenen Fällen kann es zur Ansammlung von Eisenocker kommen, dessen Konsistenz gelartig ist und ebenfalls zu Verstopfungen im Entwässerungssystem führen kann. Daneben gibt es noch andere, i.d.R. untergeordnete Parameter, die die Verkrustungsbildung beeinflussen, wie z. B. die Temperatur oder die Mischung verschiedener Wässer.

[0006] Diese vorwiegend anorganischen Wasserinhaltsstoffe verursachen im unzugänglichen und im zugänglichen Teil der Entwässerungssysteme oft harte Verkrustungen. Das unzugängliche Entwässerungssystem umfasst die Elemente des Entwässerungssystems, die nach Fertigstellung des Gebäudes nicht mehr frei zugänglich sind, wie z.B. der umgebende Baugrund, aussen liegende Noppenbahnen bzw. -streifen, Drainagematten, Vliese, Drainagebohrungen, Sickerpackungen um die Drainagerohre herum, Sickerschichten, Öffnungen der Drainagerohre (aussen) und dgl.

[0007] Das zugängliche Entwässerungssystem eines Tiefbauwerks beinhaltet die nach der Fertigstellung des Gebäudes frei zugänglichen Elemente des EWS wie z.B. die Drainagerohre (innen), Schächte, Schlammsammler, Wasserableitungen, Hauptentwässerungsleitungen und dgl.

[0008] Die Verkrustungen verkleinern den Abflussquerschnitt der Entwässerungssysteme, so dass die Wassermengen nicht mehr frei abfliessen können und dadurch ein Rückstau gebildet wird, der zu grossen Schäden führen kann. Die zurzeit üblichen Verfahren zum Entfernen dieser Verkrustungen sind die elektromechanische Reinigung sowie Hochdruckspülung oder Hochdruckfräsen mit Wasser. Diese Verfahren sind aufwändig, teuer und führen zu Betriebsunterbrüchen.

[0009] Nur der regelmässige Unterhalt am Entwässerungssystem garantiert für die dauerhafte Funktionstüchtigkeit des Tiefbauwerks. Der wichtigste Teil der Unterhaltsarbeiten besteht aus der regelmässigen Reinigung des EWS. Normalerweise werden dazu die Drainage- und Entwässerungsrohre innwendig gespült. Dennoch entstehen durch die anfallenden Bergwässer sehr oft harte bis sehr harte Verkrustungen, die fast immer aus Kalk bestehen.

[0010] Das Entfernen dieser Kalkschichten ist zeitintensiv, aufwändig, und kostet sehr viel Geld. Oft lassen sich diese Verkrustungen mit konventionellen Hochdruckspülungen nicht mehr entfernen und es müssen andere Reinigungsverfahren eingesetzt werden. Zu diesen zählen Fräsen und oder Kettenschleudern. Diese Verfahren fuhren aber zu einem grossen Verschleiss des EWS und man sollte wenn immer möglich darauf verzichten. Der Verlust oder das Fehlen eines funktionstüchtigen Entwässerungssystems kann je nach Gebäude katastrophale Folgen für den Betrieb sowie für die Dauerhaftigkeit der Anlage nach sich ziehen. Ohne EWS oder bei defektem EWS staut sich das anfallende Wasser auf und es entsteht ein Wasserdruck, der zu grossen Schäden führen kann. So kann der Wasserdruck die Belastbarkeit der Tragstruktur übersteigen und zudem die Korrosion der verwendeten Baumaterialien potenziell beschleunigen.

[0011] Beim Unterhalt von Entwässerungssystemen fallen also hohe Kosten an. Der Unterhalt des Entwässerungssystems kann so teuer werden, dass sich einzelne Bauherren dazu entschliessen, ohne Entwässerungssystem zu bauen, d.h. auf ein Entwässerungssystem ganz zu verzichten und stattdessen das Gebäude so stark auszubilden, dass der entstehende Wasserdruck aufgenommen werden kann, ohne Schäden in Kauf zu nehmen. Dies ist zwar deutlich teurer, scheint sich aber dennoch für gewisse Gebäude zu lohnen.

[0012] Aus diesem Grund wurden in den vergangenen rund 20 Jahren verschiedene Verfahren zur Konditionierung von Bergwässern in Bauwerksentwässerungssystemen entwickelt und verfeinert.

[0013] Bei all diesen Verfahren wird über ein Verteilsystem mit oder ohne Dosieranlagen an einer oder mehreren Stellen des unzugänglichen oder zugänglichen Entwässerungssystems ein Wirkstoff, der so genannte Härtestabilisator, in wässriger und/oder fester Form zugegeben. Dieser Härtestabilisator vermischt sich auf dem nachfolgenden Fliessweg mit den Wässern im Entwässerungssystem, verhindert das Ausfallen von Ablagerungen und schützt dieses damit vor der Bildung von harten Verkrustungen. Diese Art der Wasserbehandlung ist im Tiefbau nun fast seit 20 Jahren bekannt und wurde in den folgenden Patentschriften ausführlich dargestellt. All diese Verfahren sind im Tiefbau unter dem Begriff «Verfahren zur Härtestabilisation von Bergwässern» bekannt. Im Folgenden soll dieser Begriff übernommen werden.

[0014] Die wichtigsten Patentschriften die die Verfahren der Härtestabilisation von Bergwässern beschreiben sind: EP-A-638 049: Hier wird der Einsatz flüssiger Wasserkonditionierungsmittel in Bauwerksentwässerungssystemen beschrieben. CH-A-689 452: Hier wird der Einsatz von Polyasparaginsäure als Wirkstoff in fester und/oder flüssiger Form zur Behandlung von Wasser in Bauwerksentwässerungssystemen beschrieben. CH-A-694 022: Diese Patentschrift beschreibt die Verwendung von Polysuccinimid als Wirkstoff, in fester Form zu so genannten Depotsteinen gepresst zur Verhinderung von Ablagerungen in Entwässerungssystemen. EP-A-1 724 240: Hier wird ein spezielles Rückführungssystem zur Verhinderung von Ablagerungen im unzugänglichen Teilen eines EWS beschrieben.

[0015] Der Härtestabilisator kann also in fester und/oder flüssiger Form in den zugänglichen wie auch in den unzugänglichen Teil eines EWS eingebracht werden. Als flüssige Härtestabilisatoren besonders geeignet sind Fruchtsäuren, Polyasparaginsäure sowie Polycarbonsäuren. In fester Form kommen Polysuccinimid, Polycarbon- sowie Fruchtsäuren, alle in Verbindung mit geeigneten Trägersubstanzen in Frage.

[0016] Es hat sich aber gezeigt, insbesondere bei starker Dosierung derartiger Härtestabilisatoren, dass derartige Systeme nicht immer gewährleisten können, dass der freie, drucklose Ablauf des Wassers auch langfristig gesichert ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0017] Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, die Verfahren der Härtestabilisation im Tiefbau problemlos auch langfristig einzusetzen.

[0018] Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Probleme mit den oben genannten, aus dem Stand der Technik bekannten Härtestabilisatoren damit zusammenhängen, dass diese, neben ihrer gewünschten Funktion als Härtestabilisator, gewissermassen als Nahrungsmittel für biologische Organismen dienen und entsprechend deren Wachstum fördern. Es bilden sich mit anderen Worten unter anderem wegen der Zugabe von solchen Härtestabilisatoren, aber auch gegebenenfalls aufgrund von anderen Substanzen im Wasser, Biofilme, die ihrerseits die Abflusssysteme verstopfen können. Wegen der Zugabe des Härtestabilisators zum Wasser muss also fast immer mit der Bildung von Bakterien-und Algenschichten innerhalb des zu behandelnden EWS gerechnet werden.

[0019] Entsprechend ist es zudem Ziel der vorliegenden Erfindung, die dadurch entstehenden Probleme mit Biofilmen zuverlässig, wirtschaftlich, ungefährlich und an erster Stelle ökologisch unbedenklich in den Griff zu bekommen, sodass eine für alle Beteiligten vorteilhafte Verwendung der Verfahren der Härtestabilisation möglich wird.

[0020] Gerade diese so genannten Biofilme stellen ungeahnte Probleme dar, die einen zuverlässigen und wirtschaftlichen Einsatz der Verfahren der Härtestabilisation oft verunmöglichen.

[0021] Biofilme bestehen aus einer dünnen Schleimschicht (Film), in der Mikroorganismen (z. B. Bakterien, Algen, Pilze, Protozoen) eingebettet sind. Biofilme entstehen, wenn sich Mikroorganismen an Grenzflächen ansiedeln. Sie bilden sich überwiegend in wässrigen Systemen, entweder auf der Wasseroberfläche oder auf einer Grenzfläche zu einer festen Phase wie beispielsweise der Rohroberfläche des EWS. Biofilme können, wie kürzlich genauere Untersuchungen ergeben haben, in den EWS des Tiefbaus Schichtstärken von mehr als 10cm erreichen und auch bei hohen Fliessgeschwindigkeiten existieren. Oft ist dabei der ganze Querschnitt des EWS von der Biofilmschicht betroffen. In der Nähe der Zugabe der Härtestabilisatoren treffen wir in der Regel die stärksten Biofilme an, mit zunehmender Verdünnung durch die zufliessenden Bergwasser reduziert sich der Biofilm in der Regel. Biofilme können sich problemlos über das ganze EWS ausbreiten.

[0022] Der Biofilm enthält ausser den Mikroorganismen hauptsächlich Wasser. Von den Mikroorganismen ausgeschiedene extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) bilden in Verbindung mit Wasser Hydrogele, so dass eine schleimartige Matrix entsteht, in welcher Nährstoffe und andere Substanzen gelöst sind. In Biofilmen leben normalerweise verschiedene Mikroorganismen gemeinsam. Neben den ursprünglichen Biofilm-Bildnern können auch andere Einzeller (Amöben, Flagellaten u. a.) integriert werden. Im Abstand von wenigen hundert Mikrometern können aerobe und anaerobe Zonen vorkommen, sodass aerobe und anaerobe Mikroorganismen eng nebeneinander leben können. Im Inneren von Biofilmen werden gelöste Stoffe überwiegend durch Diffusion transportiert.

[0023] Oft werden von der Matrix auch anorganische Partikel oder Gasbläschen eingeschlossen. Die Gasphase kann je nach Art der Mikroorganismen mit Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Methan oder Schwefelwasserstoff angereichert sein.

[0024] Gerade auch diese Gasbildung kann im Tiefbau verheerende Folgen haben. So wurden in einem Bauwerk in einem Vorfall zwei Bauarbeiter bewusstlos als sie Reinigungsarbeiten am EWS ausführen wollten und dabei, wie sich später herausstellte (als erkannt wurde, dass diese Biofilme im EWS ausgebildet werden und derart ausgeprägt sind), Gase der Biofilme eingeatmet haben. Die im EWS enthaltenen Gase waren so konzentriert und toxisch, dass die Arbeiter das Bewusstsein verloren.

[0025] Des Weiteren reduzieren diese Biofilme die Konzentrationen an Härtestabilisator in den Bergwässern des EWS, wodurch die Wirkung der Verfahren der Härtestabilisation reduziert oder stromabwärts sogar teilweise ganz verhindert wird.

[0026] Je nach der Stärke dieser Bio-Schichten können sie sogar zu einem Verschluss wichtiger Teile des Entwässerungssystems führen oder auch die Anlagen zur Konditionierung der Bergwässer ausser Gefecht setzen. Ein wichtiges Verfahren der Härtestabilisation im Tiefbau wird als so genanntes Rückführungssystem (RFS) bezeichnet. Dabei wird mittels Verteilleitungen bereits vorkonditioniertes Bergwassers vom zugänglichen Teil des EWS wieder in den unzugänglichen Teil des EWS zurückgeführt. Dort vermischt sich das vorkonditionierte Bergwasser mit frischem Bergwasser und schützt dabei den unzugänglichen Teil des EWS vor der Bildung von Ablagerungen. Ausführlich beschrieben wird ein solches Rückführungssystem z.B. in der EP-A-1 724 240. Treffen wir nun auf Biofilmschichten im EWS, besteht die Gefahr, dass Teile der Verteilleitungen und deren Öffnungen durch das bereits vorkonditionierte Bergwasser bei der Rückführung in den unzugänglichen Teil des EWS durch diesen Biofilm verstopft und wertlos werden.

[0027] Unter Wässer, die in einem EWS anfallen, soll, für die vorliegende Erfindung, die Summe aller möglichen Wasserzuflüsse, verstanden werden. Diese Zuflüsse können verschiedener Herkunft sein, wie beispielsweise Grund-, Sicker-, Karst- oder normale Bergwässer einzeln oder in Mischungen. Eine klare Abgrenzung zwischen Grund-, Sicker-, Karst- und Bergwasser zu definieren ist fast unmöglich, denn gerade im Übergangsbereich von Hoch-und Tiefbau treffen wir auf eine Vielzahl von Mischformen. Da sich die vorliegende Erfindung auf den Tiefbaubereich beschränkt wollen wir, aus historischen Gründen, alle anfallenden Wässer in Entwässerungssystemen des Tiefbaus, nur kurz als Bergwässer bezeichnen.

[0028] Konkret betrifft die vorliegende Erfindung mit anderen Worten ein verbessertes Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in Entwässerungssystemen des Tiefbaus.

[0029] Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass es im Zusammenhang mit der Verwendung von bioabbaubaren Konditionierungsmitteln (wie beispielsweise Milchsäure) möglich ist, die Ausbildung von Biofilmen zu verhindern, indem gewissermassen die Bioorganismen in Intervallen ausgehungert werden. Mit anderen Worten wird ein Verfahren gewählt, bei welchem dem Wasser des Entwässerungssystems ein wenigstens teilweise bioabbaubares Konditionierungsmittel zur Verhinderung und/oder für den Abbau von fällungsbedingten organischen und/oder anorganischen Ablagerungen intermittierend zugegeben wird indem in Intervallen alternierend in einem ersten Zeitabschnitt das Konditionierungsmittel zugegeben wird und in einem folgenden zweiten Zeitabschnitt kein Konditionierungsmittel zugegeben wird. Dabei werden die Intervalle so gewählt, dass die Länge der ersten Zeitabschnitte gerade genügend lang ist, um den Aufbau der fällungsbedingten organischen und/oder anorganischen Ablagerungen zu reduzieren/verhindern oder um einen Abbau solcher Ablagerungen sicherzustellen, und die zweiten Zeitabschnitte auf der anderen Seite so gewählt werden, dass bestehende Biofilmschichten reduziert werden, verschwinden und/oder keine neuen Biofilmschichten entstehen.

[0030] Das Konditionierungsmittel verhindert die Bildung von neuen organischen und/oder anorganischen Verkrustungen, in Form von Kalkablagerungen, und/oder induziert oder fördert den Abbau von bestehenden organischen und/oder anorganischen Verkrustungen, in Form von Kalkablagerungen.

[0031] Die Länge der entsprechend notwendigen Intervalle respektive der ersten Zeitabschnitte und der zweiten Zeitabschnitte hängt von unterschiedlichen Faktoren ab, so vom Gehalt des Wassers an Mineralien, von den Druckverhältnissen und Temperaturverhältnissen, von der Art und Konzentration des zugegebenen Konditionierungsmittels, der Flussgeschwindigkeit, etcetera. Die Einstellung der entsprechenden Längen der Intervalle kann durch Versuche ermittelt werden, wobei eine Balance zu finden ist zwischen optimaler Verhinderung von Ablagerungen infolge Zugabe von Konditionierungsmittel und optimaler Verhinderung von Biofilm-Aufbau durch Unterbruch dieser Zugabe.

[0032] Es stellt sich nun also die Frage nach der Länge der Intervalle in denen die Härtestabilisation durchgeführt werden soll und die Zeit, in der die Anlage ruht. Es ist aufgrund unserer Erfahrungen notwendig, die Anlage während mindestens 1, normalerweise mindestens 3 Tagen ruhen zu lassen, ansonsten man keine Reduktion der Mikroorganismen verzeichnen kann. Die besten Resultate erzielt man mit gegenseitigen Intervallen von 5-20 Tagen. In einzelnen EWS ist die Versinterungsbildung so stark, dass die Betriebsphase deutlich über der Ausschaltphase liegen muss, beispielsweise 14 Tage Betrieb und danach 3 Tage Ruhe. In anderen Bauwerken ist die Versinterunsgbildung so schwach, dass auch die Ausschaltphase sehr lang sein kann und es danach immer noch möglich ist mit einer kürzeren Betriebsphase die neuen Ablagerungen zu entfernen. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass die Ausschaltphase typischerweise mindestens 3 Tage betragen sollte, um überhaupt eine Wirkung zu erzielen, aber nicht länger als 3 Monate dauern sollte, da sonst die Entfernung der neuen Ablagerungen nicht mehr gewährleistet werden kann und der Betrieb überproportional viel Härtestabilisator verbraucht. Die Betriebsphase sollte mindestens 1 Tag und nicht länger als 3 Monate dauern sollte, da ansonsten die Mikroorganismen wieder ihre ursprüngliche Stärke erreicht haben. Grundsätzlich sollte der Verbrach an Härtestabilisator, unabhängig von der Wahl der Intervalle, pro Jahr und EWS konstant gehalten werden wobei Schwankungen bis zu 25% sicher vorkommen können.

[0033] Die Intervalle führen dazu, dass keine Biofilmschicht im EWS entsteht und/oder die bestehende Biofilmschicht reduziert wird oder verschwindet, sodass sich keine gefährlichen Gase im EWS bilden können, und durch den Wirkstoff die intervallartige Auflösung der sich während der Ausschaltphase bildenden Kalkverkrustungen möglich wird.

[0034] Umfangreiche Versuche haben zusammenfassend also ergeben, dass typischerweise der erste Zeitabschnitt im Bereich von 1-100 Tagen, vorzugsweise im Bereich von 3-20 Tagen, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 5-15 Tagen liegt.

[0035] Auf der anderen Seite liegt typischerweise der zweite Zeitabschnitt im Bereich von 3-100 Tagen, vorzugsweise im Bereich von 3-20 Tagen, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 5-15 Tagen.

[0036] Für viele Bedingungen zeigte es sich insbesondere als vorteilhaft, wenn der erste Zeitabschnitt im Bereich von 5-10 Tagen liegt und der zweite Zeitabschnitt im Bereich von 5-10 Tagen liegt.

[0037] Grundsätzlich kann wenigstens innerhalb der zweiten Zeitabschnitte ein Biozid dem Wasser des Entwässerungssystems zugeführt werden.

[0038] Welche Möglichkeiten stehen nämlich heute zur Verfügung, um Biofilme zu bekämpfen. Als erster Gedanke fällt einem die Zugabe eines geeigneten Biozids ein. Doch die Wahl eines geeigneten Biozids ist häufig äusserst schwierig, handelt es sich doch meist um Bauwerke, deren Entwässerungssysteme Wasser aufnehmen und danach in aller Regel wieder an einen Vorfluter abgeben oder sogar an anderer Stelle wieder im Boden versickern lassen. Es werden deshalb sehr hohe Anforderungen an die Umweltverträglichkeit gestellt, wobei gleichzeitig eine gewisse Wirksamkeit des Biozids notwendig ist, und dies auch unter den schwierigen pH-Bedingungen solcher Wässer. Im Folgenden ein kurzer Abriss über das allgemeine Gebiet der Biozide.

[0039] Der Zusatz von Halogenen, wie Chlor, Brom und Iod, oder halogenabgebenden Verbindungen ist aus Gründen des Umweltschutzes nicht geeignet. Zudem ist ihre Wirkung nur von beschränkter Dauer.

[0040] Die Verwendung von Ozon und Chlordioxid führt zwar zu einer verblüffend raschen und guten Keimtötung, die Wirkung verpufft jedoch rasch. Diese Mittel können in hohen Dosen ausserdem sehr gefährlich sein. Auch sind sie temperaturempfindlich, karzinogen und mutagen und erfordern ausser einer äusserst sorgfältigen Handhabung kostspielige Einrichtungen. Sie eignen sich daher i.d.R. nicht.

[0041] Ein weit verbreitetes, geruchfreies und mit keinerlei Gefährdung der Gesundheit behaftetes Verfahren ist das sogenannte Katadynverfahren. Dieses sehr langsam wirkende Verfahren ist wegen seines hohen Preises wiederum in seiner Anwendung beschränkt.

[0042] Ferner wäre noch die UV-Bestrahlung zu erwähnen, welche den Vorteil hat, dass keine Beimischung eines Fremdstoffes erfolgt und eine gute Wirkung zeigt, die allerdings nicht anhält. Ausser grossen und kostspieligen Einrichtungen benötigt dieses Verfahren aber auch sehr viel elektrische Energie. Zudem kann in einem EWS nicht an einer Stelle eine zentrale Bestrahlung erfolgen, sondern es müssen alle Wasserzuflüsse gesondert behandelt werden. Dies wiederum bedeutet einen unvernünftig hohen technischen Aufwand.

[0043] Sehen wir uns weiter auf dem chemischen Gebiet um, so stossen wir am Ende auf Wasserstoffperoxid gegebenenfalls in Verbindung mit Silber in kolloidaler Form. So zum Beispiel die unter dem Namen Sanosil verfügbaren Produkte. In der Schweiz wird Sanosil beispielsweise erfolgreich in Kühlwasserkreisläufen von Kernkraftwerken zur Bekämpfung von Biofilmen eingesetzt. Es wurde versucht, dieses Produkt im Adlertunnel der Schweizerischen Bundesbahnen in der Rigole des EWS einzusetzen. Im Adlertunnel wird das Bergwasser, das in der Rigole zusammenfliesst, seit rund 10 Jahren zu Beginn mit Polyasparaginsäure und seit rund 3 Jahren mit Milchsäure, gegen die Bildung von harten Kalkablagerungen, behandelt. Die Milchsäure ist dabei der Polyasaparginsäure in ihrer Wirkung weit überlegen aber leider entsteht dabei ein unansehnlicher Biofilm mit den weiteren oben erwähnten Nachteilen, der zwar bei der Verwendung von Polayasparaginsäure auch zu beobachtet war, aber nicht in vergleichbarer Stärke. So wurde versucht, mit Sanosil in unterschiedlichen Konzentrationen den Biofilm der Milchsäure zu bekämpfen. Das Resultat war aber unbefriedigend, denn die Zugabe von Sanosil zum Bergwasser verhindert zwar die Bildung von Biofime aber die dafür notwendigen Konzentrationen für eine erfolgreiche Dauerbehandlung sind zu hoch. Damit wird die Zugabe des Biozids teurer als die eigentliche Härtestabilisation. Zudem sind zusätzliche Dosieranlagen und Vorratsbehälter in das Bauwerk einzubauen, die wesentlich grösser sind als jene der Härtestabilisationsanlagen. Was aber die ganze Sache fast verunmöglicht, ist die Tatsache, dass Wasserstoffperoxid in konzentrierter Form als Raketentreibstoff Verwendung findet und dadurch die sowohl die Lagerung wie auch die Verwendung z.B. in einem Tunnel verboten sind (Brandschutz). In verdünnter Form ist die Verwendung zwar möglich, aber die benötigen Mengen werden dann so gross, dass dafür schlicht und einfach kein Platz vorhanden ist.

[0044] Nun wurde aber völlig überraschend eine ganz andere Möglichkeit zur Bekämpfung der Biofilmschichten gefunden und zwar dergestalt, dass man die Härtestabilisationsanlage über einen gewissen Zeitraum eben ganz abstellt oder ohne Zugabe des Härtestabilisators respektive Konditionierungsmittels weiterlaufen lässt und dadurch die Mikroorganismen verhungern lässt. Unterbricht man in einem normalen Tiefbauwerk die Härtestabilisation, so ist innert weniger Stunden kein Konditionierungsmittel mehr im gesamten EWS nachweisbar. Danach wird die Härtestabilisationsanlage wieder in Betrieb genommen. Wird diese intervallartige Dosierung über einen längeren Zeitraum ohne jegliche Verwendung von Bioziden beibehalten, so reduzieren sich die Biofilmschichten kontinuierlich bis sie entweder ganz verschwinden, oder auf jeden Fall kein technisches Problem mehr darstellen. In der Regel dauert dies einige Monate bis wenige Jahre. Danach kann das Intervall beibehalten und gegebenenfalls die Zugabe des Härtestabilisators optimiert werden.

[0045] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich also dadurch aus, dass wenigstens innerhalb der zweiten Zeitabschnitte im Wasser des Entwässerungssystems kein Biozid zugeführt wird.

[0046] Doch nun stellt sich die Frage was geschieht mit der Ablagerungsbildung im EWS in dem Zeitraum in dem die Härtestabilisationsanlage abgestellt ist? Es bilden sich erneut Ablagerungen und so ist es umso erstaunlicher, dass diese bei der erneuten Einschaltung der Anlage zur Zugabe des Konditionierungsmittels in der Regel wieder zum Verschwinden gebracht werden können. Die sich neu bildenden Ablagerungen sind in den ersten Tagen und Wochen noch nicht so hart wie die alten Ablagerungen. Dies bedeutet, dass, wenn die HS-Anlage wieder in Betrieb genommen wird, der Härtestabilisator durch den vereinfachten Stofftransport besser wirkt und die neuen Ablagerungen in kurzer Zeit wieder aufzulösen vermag. In der Regel reicht dazu u.U. Die normale Dosierung an Härtestabilisator nicht aus, sie muss entsprechend den Intervallen (Ein- / Ausschaltzeiten) erhöht werden. Zudem eigenen sich nicht alle Härtestabilisatoren gleich gut, um bereits bestehende Ablagerungen, alte und/oder auch neue, wieder aufzulösen. Hier haben die Fruchtsäuren, allen voran die Milchsäure gegenüber der Polyasparaginsäure deutliche Vorteile.

[0047] Das Konditionierungsmittel wird bevorzugtermassen in einer Konzentration zwischen 0,5 und 50 000 g/m<3> an zu behandelndem Wasser, vorzugsweise in einer Konzentration zwischen 1 - 10000 g/m<3> zugegeben. Dabei spielt es natürlich eine Rolle an welcher Stelle die Konzentration gemessen wird. Die Konzentration an Härtestabilisator liegt bei der Einspeisstelle hoch, in der Regel > 100 g/m<3>und fällt danach, wegen des kontinuierlichen Zuflusses von Bergwasser, bis zum Ende des Entwässerungssystems, auf in der Regel < 20 g/m<3>.

[0048] Unter Fruchtsäuren verstehen wir einen Sammelbegriff für die in Obst vorkommenden organischen Hydroxycarbonsäuren und Dicarbonsäuren. Zu den Fruchtsäuren gehören Äpfelsäure, Zitronensäure, Fumarsäure, Gluconsäure, Glycolsäure, Mandelsäure, Milchsäure, Oxalsäure, Salicylsäure, α-Hydroxycaprylsäure und Weinsäure.

[0049] Besonders geeignet für das erfindungsgemässe Verfahren zur Verhinderung von Verkrustungen, insbesondere von Kalkverkrustungen in Entwässerungssystemen, ist die Milchsäure. Die Milchsäure besitzt bezogen auf das spezifische Gewicht das grösste Kalkauflösevermögen und kann gleichzeitig den bereits im Wasser gelösten Kalk am besten stabilisieren. Grundsätzlich eigenen sind aber auch alle bisher in Tunnelbauwerken verwendeten Härtestabilisatoren, zur Verhinderung von Ablagerungen im EWS, wie Phoshoncarbonsäuren, Polycarbonsäuren, Polyasparaginsäuren und dergleichen.

[0050] Eine Zugabe des Härtestabilisators in fester Form eignet sich kaum dazu, da die Tabletten/Formkörper intervallmässig im EWS ausgelegt und wieder entfernt werden müssten, was einen unvernünftigen Aufwand bedeuten würde.

[0051] Als Konditionierungsmittel wir also bevorzugtermassen Milchsäure allein oder im Gemisch mit anderen Fruchtsäuren, Polyasparaginsäure oder Polycarbonsäure zugegeben wird.

[0052] Insbesondere bevorzugtermassen wird als Konditionierungsmittel ausschliesslich eine im Wesentlichen 80-95%ige wässrige Lösung von Milchsäure, bevorzugt in technischer Qualität, verwendet.

[0053] Das Konditionierungsmittel kann in flüssiger, bevorzugt wässrig gelöster Form mittels einer für die Intervalle gesteuerten Dosieranlage dem zugänglichen Teil des Entwässerungssystems zugegeben werden, wobei gegebenenfalls danach der Wirkstoff mittels Rückführungssystem in den unzugänglichen Teil des Entwässerungssystems. Das Entwässerungssystem kann sich in einem Tunnel befinden oder an einen Tunnel angeschlossen sein.

[0054] Die Intervalle können durch eine Zeitschaltuhr gesteuert werden, die die Ausschalt- und Betriebsphasen vorgibt.

[0055] Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

[0056] Um die Wirksamkeit der Intervalldosierung zu überprüfen wurde eine vertrauliche Versuchsreihe im Adlertunnel der Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) gestartet. Dort wird bisher mit einer konventionellen Härtestabilisationsanlage Milchsäure in konstanten Mengen von rund 800kg/Jahr in die Rigole (offene Ablaufrinne, die das Bergwasser zum Portal leitet) des Entwässerungssystems nahe dem Südportal zudosiert. Die Zugabe der Milchsäure hat zur Folge, dass sich ein dezimeterdicker Biofilm in der Rigole ansiedelt, der von der Dosierstelle aus das ganze Entwässerungssystem erobert. Der Aufbau des Biofilms benötigte rund 6 Monate. Durch Spülungen und Reinigungen des Entwässerungssystems lässt sich der Biofilm entfernen, er kehrt dann aber bereits nach 3 Monaten wieder voll zurück.

[0057] Die Versinterungen, die entstehen, wenn die Milchsäurebehandlung ausgesetzt wird, sind gewaltig. Innert eines Jahres bauen sich stellenweise 10cm neuer Kalk in der Rigole auf. Der sich neu bildende Kalk kann bereits nach 1 - 2 Wochen beobachtet werde. Nun haben wurde die Dosieranlage abgeschaltet und auf ein Intervall von 14 Tagen umprogrammiert. Die Härtestabilisationsanlage stand nun also 14 Tage in Betrieb, danach war sie 14 Tage ausgeschaltet und so weiter. Die Dosierung wurde in der Betriebsphase verdoppelt, sodass die Verbrauchsmenge an Milchsäure konstant blieb.

[0058] Nach rund einem Monat wurde die Anlage kontrolliert und die Biofilmschicht in der Rigole ausgemessen. Zudem wurde die Neubildung von Versinterungen beurteilt. Der Rückgang der Biofilmschicht war nachweisbar aber nicht so stark wie erhofft. Der Rückgang der Biofilmschicht betrug gesamthaft betrachtet etwa 20%.

[0059] Gleichzeitig konnte sich etwas neuer Kalk bilden und zwar am Ende des Entwässerungssystems im Bereich des Nordportals.

[0060] Daraufhin wurden die Dosierintervalle auf 10 Tage verkürzt und nach rund 1 Monat erneut das Entwässerungssystem kontrolliert. Der Rückgang der Biofilmschicht war diesmal viel grösser als beim ersten Mal und betrug rund 60%, wobei sich kein neuer Kalk ansammeln konnte.

[0061] Nun wurde erneut das Intervall auf 7 Tage verkürzt. Wieder, nach rund 1 Monat, wurden die Biofilmschicht und die Kalkneubildung beurteilt. Erstaunlicherweise hat sich nun der Biofilm nur noch unwesentlich verändert, dies offenbar, weil die Unterbruchzeiten zu klein sind, um für die Mikroorganismen gefährlich werden zu können. Neuer Kalk konnte sich nirgends mehr bilden.

[0062] Nun wurde das Intervall wieder auf 10 Tage vergrössert der Biofilm begann erneut sich drastisch zu verkleinern. Nach rund 3 Monaten war die Biofilmschicht an den schlimmsten Stellen kaum mehr zu erkennen und auf rund 80% der Gesamtlänge des Tunnels war sie vollständig verschwunden. Neuer Kalk konnte wiederum keiner beobachtet werden.

[0063] Das optimale Dosierintervall liegt also unter diesen Bedingungen im Bereich von 10 Tagen. Nun könnte man die Dosierung noch reduzieren, bis sich neuer Kalk bildet aber dies ist kaum der Mühe wert, denn in ein paar Monaten steigt die Wassermenge vielleicht wieder an, sodass man wiederum mehr dosieren müsste, um neuen Kalk zu vermeiden.

[0064] In einem anderen Tunnelbauwerk der SBB dem Oberen Hauensteintunnel wurde ein zweiter Versuch durchgeführt. Auch hier wurde bis anhin Milchsäure in konstanten Mengen zu den beiden Drainageleitungen zudosiert. Wiederum hat sich nach einiger Zeit ein unansehnlicher Biofilm aufgebaut.

[0065] Um die Intervalldosierung zu überprüfen, wurde wiederum gleich wie beim Adlertunnel verfahren. Das optimale Intervall liegt hier bei 7 Tagen dosieren und danach 10 Tage Ruhe. Der jährliche Gesamtbedarf an Milchsäure ist wiederum mehr oder weniger konstant. Eine höhere Dosierung führt hier zu einem sehr starken Anstieg der Biofilmschicht sodass man hier sehr vorsichtig vorgehen muss. Ein Intervall von 14 Tagen ist ungeeignet, da sich der Biofilm wieder zu stark regenerieren kann.

[0066] In einem letzten Tunnel wurde das so genannte Rückführungssystem überprüft. In der Umfahrung Lieli des Kantons Aargau in der Schweiz wurde vor rund 4 Jahren das so genannte Rückführungssystem eingebaut. Dazu wird mit einer normalen Härtestabilisationsanlage zuerst das Bergwasser im zugänglichen Teil des Entwässerungssystems mit Milchsäure behandelt. Danach wird dieses Bergwasser mit Tauchpumpen in den Schächten gefasst und über Verteilleitungen wieder in den unzugänglichen Teil des Entwässerungssystems zurückgeführt. Auch hier hat sich im Laufe der Jahre ein starker Biofilm entwickelt, der droht, die Verteilleitungen zu verstopfen, wenn Teile des Films in die Tauchpumpen gelangen. Wiederum wurde eine Intervalldosierung installiert und versucht, das beste Dosier- und Ruheintervall herauszufinden. Hier sind die Standzeiten des Bergwassers im Tunnel sehr viel länger und deswegen fallen auch die optimalen Dosier- und Ruheintervalle viel länger ausn. Es dauert hier viel länger, wenn die Dosieranlage ausgeschaltet wird, bis sich effektiv kein Mittel mehr im unzugänglichen Teil des Tunnels befindet. Dies bedeutet, dass man viel länger keine Milchsäure mehr dosieren darf bis endlich die kritische Grenze erreicht ist, die für die Mikroorganismen gefährlich wird. Die Hungerphasen dauern hier also länger. Demgegenüber kann man aber auch die Dosierzeiten nicht beliebig verlängern. So entstehen Intervalle mit 20 Tagen und mehr an Ruhezeit und 10 Tagen Dosierzeit.

[0067] Parallel dazu wurden Bauwerke, die auch mit dem Verfahren der Härtestabilisation behandelt werden, bei denen aber Polyasparaginsäure als Wirkstoff verwendet wird, beobachtet. Hier ist die Problematik der Bildung von Biofilmschichten kleiner als bei der Verwendung von Fruchtsäuren als Härtestabilisator. Die Intervallzeiten können hier nochmals reduziert werden. Als Untergrenze konnte eine Ausschaltzeit von 3 Tagen bestimmt werden, geringere Unterbrüche in der Dosierung ergeben keine negativen Effekte auf das Wachstum der Biofilmschichten.

[0068] Andere herkömmliche Härtestabilisatoren wie Polycarbonsäuren, Phosphoncarbonsäuren und dergleichen weisen in der Regel geringere Probleme mit der Bildung von Biofilmschichten auf, da sie biologisch schlechter abzubauen sind. Wenn das Bergwasser aber sehr lange Verweilzeiten im Entwässerungssystem aufweist, kommt es auch hier zur Bildung von übelriechenden Biofilmschichten oder dickflüssigen Biofilmflüssigkeiten.

[0069] Wie lässt sich die Intervalldosierung ab einfachsten und dennoch zuverlässig umsetzen. Für Bauwerke, die bereits über eine Härtestabilisationsanlage verfügen, kann eine einfache programmierbare Zeitschaltuhr eingebaut werden. Die Intervallzeiten für den Betrieb sowie das Ausschalten der Anlage lassen sich für lange Zeiträume zum Voraus programmieren. Der Einbau soll aber so erfolgen, dass beim Umschalten der Betriebsfunktion kein Alarm an die eventuell vorhandenen Überwachungseinrichtungen gesendet wird. Es ist darauf zu achten, dass sich nach der Ausschaltphase keine Luft -oder Gasblasen - in den Ansaugleitungen zu den Dosierpumpen bilden können, weil dadurch der Betrieb unterbrochen wird. Dazu sind die Ansaugleitungen möglichst kurz zu gestalten und der maximale Höhenunterschied zwischen Vorratsbehälter und Dosierpumpe sollte minimiert werden. Sonst wird der Unterdruck in der Ansaugleitung zu gross und während der Ausschaltphase können sich Gasblasen in der Ansaugleitung bilden, die beim Einschalten der Anlage in die Dosierpumpen gelangen und diese blockieren. Der Höhenunterschied zwischen dem Wirkstoff im Vorratsbehälter und der Dosierpumpe sollte deshalb nie mehr als 1,5 Meter betragen.

[0070] Bei Neuanlagen, in denen eine Härtestabilisationsanlage neu in Betrieb genommen wird, sollte die Intervalldosierung von Anfang an durchgeführt werden d.h. bevor sich überhaupt eine Biofilmschicht eingenistet hat. Der Aufwand zum Entfernen der Biofilmschicht ist wesentlich grösser, wenn sie schon lange Zeit besteht, als wenn man von Beginn weg deren Entstehung verhindern kann. Die Erfindung betrifft also nicht nur ein Verfahren zur Reduktion von Biofilmschichten, sondern auch zu deren Vermeidung.

Claims (15)

1. Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in Entwässerungssystemen des Tiefbaus, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasser des Entwässerungssystems ein wenigstens teilweise bioabbaubares Konditionierungsmittel zur Verhinderung und/oder für den Abbau von fällungsbedingten organischen und/oder anorganischen Ablagerungen intermittierend zugegeben wird indem in Intervallen alternierend in einem ersten Zeitabschnitt das Konditionierungsmittel zugegeben wird und in einem folgenden zweiten Zeitabschnitt kein Konditionierungsmittel zugegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der zweiten Zeitabschnitte so gewählt wird, dass bestehende Biofilmschichten reduziert werden, verschwinden und/oder keine neuen Biofilmschichten entstehen.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitabschnitt im Bereich von 1-100 Tagen, vorzugsweise im Bereich von 3-20 Tagen, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 5-15 Tagen liegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zeitabschnitt im Bereich von 3-100 Tagen, vorzugsweise im Bereich von 3-20 Tagen, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 5-15 Tagen liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitabschnitt im Bereich von 5-10 Tagen liegt und der zweite Zeitabschnitt im Bereich von 5-10 Tagen liegt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens innerhalb der zweiten Zeitabschnitte ein Biozid dem Wasser des Entwässerungssystems zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens innerhalb der zweiten Zeitabschnitte im Wasser des Entwässerungssystems kein Biozid zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierungsmittel die Bildung von neuen organischen und/oder anorganischen Verkrustungen, in Form von Kalkablagerungen, verhindert und/oder den Abbau von bestehenden organischen und/oder anorganischen Verkrustungen, in Form von Kalkablagerungen, induziert oder fördert.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierungsmittel in einer Konzentration zwischen 0,5 und 50 000 g/m<3> an zu behandelndem Wasser, vorzugsweise in einer Konzentration zwischen 1 – 10 000 g/m<3> zugegeben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Konditionierungsmittel bei der Einspeisstelle desselben im Bereich von mehr als 100 g/m<3> liegt und bevorzugt am Ende des Entwässerungssystems, auf < 20 g/m3 abfällt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Konditionierungsmittel Milchsäure allein oder im Gemisch mit anderen Fruchtsäuren, Polyasparaginsäure oder Polycarbonsäure zugegeben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als • Konditionierungsmittel ausschliesslich eine im Wesentlichen 80-95%ige wässrige Lösung von Milchsäure, bevorzugt in technischer Qualität, verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierungsmittel in flüssiger, bevorzugt wässrig gelöster Form mittels einer für die Intervalle gesteuerten Dosieranlage dem zugänglichen Teil des Entwässerungssystems zugegeben wird, wobei gegebenenfalls danach der Wirkstoff mittels Rückführungssystem in den unzugänglichen Teil des Entwässerungssystems gebracht werden kann.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Entwässerungssystem in einem Tunnel befindet oder an einen Tunnel angeschlossen ist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intervalle durch eine Zeitschaltuhr gesteuert werden die die Ausschalt-und Betriebsphasen vorgibt.