DE10017605A1

DE10017605A1 - Verfahren und Gerätesystem zur Reinigung organisch kontaminierter Grundwässer und zur Abschottung im Grundwasserleiter

Info

Publication number: DE10017605A1
Application number: DE2000117605
Authority: DE
Inventors: Siegfried Rueger; Karl-Heinz Aleit; Ralf Ruske; Hartmut Schran
Original assignee: ALEIT KARL HEINZ
Current assignee: ALEIT KARL HEINZ
Priority date: 2000-04-08
Filing date: 2000-04-08
Publication date: 2001-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein entsprechendes Gerätesystem zur Reinigung organisch kontaminierter Grundwässer mittels hydraulischer Wand, wobei nach der Reinigung der ursprüngliche Zustand der Grundwasserströmung wieder hergestellt wird. Das Grundwasser soll unter Verwendung einer besonderen Anordnung von Förderbrunnen (1) und Infilrationsbrunnen (2) und einer oxidativen Reinigungsanlage (5, 6) gereinigt werden. Erfindungsgemäß strömt das Grundwasser zuerst Förderbrunnnen (1) an, die das Grundwasser heben und der Reinigungsanlage (5, 6) zuführen. Danach erfolgt die Infiltration über die Brunnen (2). Die Fördermengen und die Brunnenabstände sind so gewählt, daß die Grundwasserströmung zwischen Förderbrunnen (1) und Infilrationsbrunnen (2) durch Bildung einer hydraulischen Wand (3) unterbrochen wird. DOLLAR A Es werden verschiedene Vorschläge zur Anordnung der Förder (1)- und Infiltrationsbrunnen (2) unterbreitet, z. B. durch ringförmige Anordnung, um ein Kontaminationsgebiet (7) abzuschotten. DOLLAR A Im Hinblick auf die Ausbildung der hydraulichen Wand (3) wird auf die Figur 4 verwiesen. DOLLAR A Figur 4 wird für die Veröffentlichung vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein entsprechendes Gerätesystem zur Reinigung organisch kontaminierter Grundwässer, wobei nach der Reinigung der ursprüngliche Zustand der Grundwasserströmung wieder hergestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin die Abschottung von Kontaminationszonen und den Schutz der im Grundwasserabstrom liegenden Gebiete.

Es ist bekannt, daß die Reinigung organisch kontaminierter Grundwässer z. Z. meist nach der "pump and treat"-Technologie erfolgt. Diese bedingt durch die angewandten Reinigungsverfahren mit Flotationsstufen, Entschäumer, Abgasvolumenstromreinigung, Enteisenung, Sediment schlammabscheidung, nachgeschalteter Kies- und Aktivkohlefilter und anschließender Einleitung der behandelten Wässer in den Vorfluter einen hohen bau- und finanztechnischen Aufwand. Dementsprechend ist eine derartige Wasserreinigung bei großräumigen Grundwasserbelastungen kaum finanzierbar. Es werden auch mikrobielle Verfahren angeboten, bei denen mit Hilfe von Mikroben im aeroben Milieu Schadstoffe abgebaut werden. Diese Methoden versagen oft, wenn mehrere unterschiedliche Schadstoffe im Grundwasser vorhanden sind.

Im PREUSSAG-Bericht "Technik für die Umwelt - Wasser und Boden - Band 1" wird über die Sanierung einer Grundwasserverunreinigung mit chlorierten Kohlenwasserstoffen berichtet. Dabei handelt es sich im Prinzip um die vorher beschriebene klassische Technologie, verbunden mit einem enormen Kostenaufwand, wobei die Förderung des kontaminierten Wassers nach dem Bohren von Suchbrunnen erfolgt und nach der Reinigung des Wassers dieses in ein oberirdisches Gewässer abgeleitet wird.

Im Band 2 Pkt. 5 des oben genannten PREUSSAG-Berichtes wird von Ölabschöpfungssystemen und einzelnen Förderbrunnen in den am stärksten kontaminierten Bereichen berichtet, wobei das gehobene Wasser in einer zentralen Abwasserbehandlungsanlage gereinigt und in den Vorfluter eingeleitet wird. Es sind auch Infiltrationsbrunnen vorgesehen, die mit gereinigten Oberflä chenwasser beaufschlagt werden, um die Grundwasserabsenkung zu kompensieren. Diese Verfahrensweise stellt einen Eingriff in die Grundwasserströmung dar, deren ursprünglicher Zustand nicht wieder hergestellt wird.

Das im Band 2 Pkt. 6 des bereits genannten Berichtes beschriebene Verfahren betrifft eine hy draulisch-mikrobiologische in situ-Sanierung auf einem engen begrenzten Raum (ca. 12 m × 20 m Sanierungsfläche) unter Verwendung eines Bio-Reaktors und nachgeschaltetem Aktivkohlefilter.

Es erfolgt nach der Reinigung eine Versickerung bzw. Infiltration, ohne daß dabei die Grund wasserströmung von Bedeutung ist.

Nunmehr sei noch auf die Patentschrift DE 39 37 539 C1 verwiesen. Es werden in Fließrichtung des Grundwassers nebeneinander positionierte Infiltrationsbrunnen und stromabwärts davon nebeneinander angeordnete Förderbrunnen vorgesehen, wobei der Kreislauf zwischen Förder brunnen und Infiltrationsbrunnen eine Sauerstoffanreicherung vorsieht. Ein Reaktor für die Sauerstoffanreicherung dient nur der Beeinflussung des biologischen Abbaus. Durch die Anordnung der Infiltrationsbrunnen vor den Förderbrunnen ist kritisch festzustellen, daß die normale Fließmenge erhöht wird. Zwischen Infiltrationsbrunnen und Förderbrunnen ist damit ein erhöhter Durchsatz vorhanden, der mit einem erhöhten Druckverlust verbunden ist und die Anströmung des Grundwassers bremst.

Zusammenfassend kann zum Stand der Technik festgestellt werden, daß zur Reinigung organisch belasteter Grundwässer im allgemeinen nach wie vor die traditionellen Aufbereitungstechnologien, die einen hohen finanziellen und technologischen Aufwand bedeuten, zur Anwendung kommen. Bei dem Verfahren gemäß DE 39 37 539 ergeben sich, bedingt durch die Anordnung der Infiltrationsbrunnen vor den Förderbrunnen (in Grundwasserfließrichtung) Druckverluste, verbunden mit den o. g. Nachteilen. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, organisch kontaminierter Grundwässer unter Verwendung und besonderer Anordnung von Förderbrunnen, Infiltrationsbrunnen und einem Reaktor zu reinigen, welcher die Schadstoffe durch Sauerstoff einwirkung und Elektronenbeschuß abbaut und mineralisiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 8.

Zur Erläuterung der Erfindung sollen weitere Ausführungen erfolgen:
Die Ausbreitung der mit unterschiedlichen organischen Schadstoffen (Chemie-Cocktail) verunreinigten Grundwässer wird durch das Anlegen eines Brunnenriegels mit der Funktion einer hydraulischen Wand, bestehend aus Förder- und Infiltrationsbrunnen, verhindert, wie sich das aus dem 1. Patentanspruch ergibt.

Dabei werden die Förderbrunnen vor den Infiltrationsbrunnen (in Fließrichtung des Grundwassers gesehen) angeordnet. Wenn genau soviel Wasser aus dem Grundwasserleiter entnommen wird, daß sich die Entnahmebreiten des einzelnen Förderbrunnen berühren, entsteht zwischen Förder- und Infiltrationsbrunnen eine Totwasserzone, die eine "hydraulische Wand" darstellt - ähnlich einer mechanischen Wand, sofern durch einen ausreichenden Brunnenabstand ein Kurzschlußverhalten zwischen den beiden Brunnenarten ausgeschlossen wird.

Durch das Wiedereinleiten des geförderten Wassers (nach Reinigung) wird der Urzustand der Grundwasserströmung - wie schon gesagt - wieder erreicht. Im Gegensatz zu mechanischen Wän den erfolgt somit keine Störung oder Beeinflussung, des Grundwasserleiters.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, beide Brunnenarten versetzt anzuordnen, weil die Druckwirkung des Infiltralionsbrunnens an der Nahtstelle der Entnahmebreiten ein "Vorbeifließen" am Förder brunnen weitgehendst einschränkt bzw. verhindert.

Die Berücksichtigung von Anomalien im Aquifer, die örtlich unterschiedliche Strömungsge schwindigkeiten bedingen und damit ein "Durchbrechen" der hydraulischen Wand hervorrufen können, wird unter Umständen eine größere Fördermenge als die Ergiebigkeit des Grundwasser leilers aussagt, ergeben. Diese führt zwangsläufig zu einer Rückströmung von den Infiltrations brunnen zu den Förderbrunnen, die das "Durchbrechen" unterbindet.

Selbstverständlich braucht der Verlauf der hydraulischen Wand nicht geradlinig zu sein, sondern kann den oberirdischen Gegebenheiten angepaßt werden. Der als optimal geltende Anströmwinkel von 90° zwischen Grundwasserströmung und Brunnenachse ist auch keine Bedingung.

Bezüglich der Erfassung der Schadstoffahnen, Schadstoffrachten und der detaillierten dreidimen sionalen hydraulischen und hydrochemischen Verhältnisse sind hydrogeologische Erkundungen unabdingbar. Sie bilden gleichzeitig die Grundlage für die Positionierung der Brunnen und der Entnahmetiefen der Wässer.

Ausgehend vom Prinzip der Erfindung, der Errichtung einer hydraulischen Wand, bezieht sich ein Einsatzgebiet auf die Abschottung von Kontaminationszonen und den Schutz der im Grundwas serabstrom liegenden Gebiete. Sofern die Grundwasserströmung wechselhaft oder das Kon taminationszentrum unklar ist, kann auch eine ringförmige hydraulische Wand um ein Konta niinationsgebiet gebaut werden und ein Ausbruch von kontaminiertem Wasser durch Zu-/Ab schalten von Brunnenkombinationen verhindert werden.

In Verbindung mit dem grundlegenden Gedanken der Erfindung, der Errichtung einer hydraulischen Wand, wird folgende oxidative Reinigung des Grundwassers vorgesehen:
Aus den Förderbrunnen werden die kontaminierten Wässer unter Milieukonstanz (Druck, Temperatur, gelöste Gase) gehoben und durch einen Reaktor geleitet. In ihm werden die Schadstoffe durch Sauerstoffeinwirkung und Elektronenbeschuß oxidativ unter Mitwirkung in situ gebildeter, freier O- und OH-Radikale abgebaut und mineralisiert, so werden die chemischen Elemente C zu Kohlendioxid, H zu Wasser, Cl zu Chlorid, S zu Sulfat usw. umgewandelt.

Das Verfahren wirkt sowohl in der Flüssigkeit-, als auch Gasphase bei vollständiger Umsetzung aller Organica, die oxidativ abbaubar sind, so daß auch hochgiftige Stoffe eliminiert werden.

Das gereinigte Wasser wird unter Einhaltung des natürlichen Milieus des Grundwassers über die Filtrationsbrunnen wieder in den Aquifer eingeleitet und sichert abstromseitig den Abfluß schadstofffreien Grundwassers. Es soll noch einmal hervorgehoben werden, daß gerade die Einhaltung des natürlichen Milieus des Grundwasserleiters nach Einleitung des gereinigten Wassers eine wichtige Aufgabenstellung der Erfindung ist und daß diese Aufgabe unter Einbeziehung der oxidativen Reinigung, wie vorher beschrieben, gelöst wird.

Sollten durch oxidative Nebenreaktionen mit anorganischen Substanzen Fällungen oder Flockungen auftreten, die die Infiltrationsbrunnen zusetzen könnten (z. B. Eisen-III-hydroxid), so ist eine Filtration möglich. Der anfallende Schlamm ist, da aus dem bereits gereinigten Wasser abgeschieden, schadstofffrei (sofern das Grundwasser nicht noch zusätzlich anorganische Schadstoffe bereits enthielt) und kann als Rohstoff genutzt oder problemlos entsorgt werden. Ansonsten ist keine weitere Behandlung des Grundwassers vorgesehen, kann aber durchaus bei Bedarf erfolgen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist wesentlich kostengünstiger als die "pump and treat"- Technologie, weil mehrere Prozeßstufen wegfallen, keine schädlichen und entsorgungspflichtigen Reststoffe entstehen und das natürliche Milieu des Grundwasserleiters erhalten bleibt.

Gegenüber mikrobiellen in situ-Verfahren ist bei der vorgeschlagenen Lösung die Sicherheit gegeben, daß nur erfolgreich behandeltes Wasser wieder in den Grundwasserleiter gelangt. Grundwasserabsenkungen sind nur geringfügig und beschränken sich auf die unmittelbare Umgebung der Förderbrunnen.

Die Erfindung soll nunmehr anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert werden.

Die einzelnen Figuren zeigen in Prinzipdarstellung:

Fig. 1 Bauelement der "Hydraulischen Wand", Grundriß,

Fig. 2 Schnittdarstellung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 Förder- und Infiltrationsbrunnen, Anordnung hintereinander,

Fig. 4 Förder- und Infiltrationsbrunnen, Anordnung versetzt,

Fig. 5 Linienanordnung mit Zentralanlage für Reinigung,

Fig. 6 Linienanordnung mit Gruppenanlage,

Fig. 7 Linienanordnung mit Einzelanlagen,

Fig. 8 Ringanordnung,

Fig. 9 Ausführungsvorschlag für Brunnenanordnung mit Bemessungsbeispiel.

Die verwendeten Positionszeichen bedeuten: 1 Förderbrunnen
2 Infiltrationsbrunnen
3 Hydraulische Wand
4 Grundwasserstand
5 Oxidative Reinigungsanlage in Container oder stationär angeordnet
6 Oxidative Reinigungsanlage in Brunnenstube (ober- oder unterirdisch)
7 Kontaminationsgebiet
8 Sicherheitsbrunnen
X Durchbruchsmöglichkeit des Grundwassers

1. Ausführungsbeispiel

Es wird auf die Fig. 1, 2 und 3 verwiesen. Dabei wird ersichtlich, daß in Fließrichtung des Grundwassers zuerst die Förderbrunnen 1 angeströmt werden. Die Förderbrunnen 1 und die Infiltrationsbrunnen 2 sind quer zur Fließrichtung des Grundwassers angeordnet. In Fließrichtung des Grundwassers gesehen, sind die Infiltrationsbrunnen 2 den Förderbrunnen 1 nachgeordnet, wobei sich durch die Anordnung der Brunnen 1, 2 eine hydraulische Wand 3 ausbildet, die im vorliegendem Beispiel einen Verlauf als Gerade quer zur Grundwasserströmung aufweist. Da genausoviel Wasser aus dem Grundwasserleiter entnommen wie eingeleitet wird, so daß sich die jeweiligen Entnahmebreiten bzw. Versickerungsbreiten berühren, entsteht eine Totwasserzone, die mit hydraulischer Wand 3 bezeichnet wird.

2. Ausführungsbeispiel

Es wird auf Fig. 4 verwiesen.

Im Unterschied zum 1. Ausführungsbeispiel werden beide Brunnenarten versetzt angeordnet. Durch die Druckwirkung der Infiltrationsbrunnen 2 kann es an der Nahtstelle der Entnahmebreiten nicht zu einem "Vorbeifließen" an den Förderbrunnen 1 kommen.

3. Ausführungsbeispiel

Es wird auf die Fig. 5 bis 8 verwiesen.

Es sind verschiedene Kombinationen der Elemente der hydraulischen Wand 3 mit einer oxidativen Reinigungsanlage dargestellt.

Die Zentral-/Gruppenanlage gemäß Fig. 5 und 6 hat den Vorteil des Abfangens von Kontami nationsspitzen, die Einzelanlage gemäß Fig. 7 den Vorteil kurzer Rohrleitungssysteme. Das Zusammenspiel zwischen Anlagengröße, Brunnenanzahl und Rohrleitungs-/Verkabelungssystemen ist im Einzelfall optimal gestaltbar.

Fig. 8 zeigt die optimale Anordnung zusätzlicher Förderbrunnen 1 im Kontaminationsgebiet 7, wodurch auch langfristig ein Grundwasseraustausch erfolgen kann.

Die Ausbildung der hydraulischen Wand 3 ist ab ca. 100 m bis zu mehreren Kilometern Länge möglich, dies gilt auch für die Ringanordnung.

4. Ausführungsbeispiel

Es wird auf Fig. 9 verwiesen.

Entsprechend Fig. 9 ist beispielsweise eine Anordnung mit einem Förderbrunnen und zwei versetzten Infiltrationsbrunnen angegeben, was eine Reinigung letzterer ermöglicht. Um mögliche Durchbrüche des Grundwasserleiters zu erkennen oder zu verhindern ist zusätzlich ein Sicher heitsbrunnen 8 installiert, der falls der Durchbruch im Brunnen festgestellt wurde, zugeschaltet wird oder der als Förderbrunnen mit Kleinmenge im Dauerbetrieb läuft. Damit ist ein überaus sicheres System herstellbar.

Der Wirkungsradius eines Brunnens ist jeweils Entnahmebreite bzw. Versicherungsbreite, geteilt durch 2 π, das ergibt für den Förderbrunnen 16 m, die zwei Infiltrationsbrunnen je 8 m, der Mindestabstand wäre 24 m (vorhanden sind 40 m).

Setzt man eine festgestellte Durchflußgeschwindigkeit von 0,4 m/d im Aquifer bei 25% Porenvolumen und eine Höhe des Grundwasserleiters von 15 m an, so werden pro Förderbrunnen 150 m³/d, das sind 6,25 m³/h gefördert werden müssen. 20% Zuschlag zur Verhinderung von Durchbrüchen ergibt 7,5 m³/h.

Der Energiebedarf liegt bei 0,75 kW (0,1 kWh/1 m³). Für den Reaktor wird ein Energiebedarf von 25 kW/kg Schadstoffabbau (Wirkungsgrad η = 60%) eingeschätzt. Bei einer angenommenen Schadstoffkonzentration von 40 mg/l sind dies 0,25 kg/h, die 6,25 kW erfordern. Insgesamt werden 7,5 kW benötigt.

Abschließend ist festzustellen, daß mit der hydraulischen Wand mit Grundwasserreinigung die Ausbreitung von Grundwasserkontaminationen sicher zu verhindern ist und daß anderweitige Sanierungsmaßnahmen an oder in kontaminierten Gebieten so ohne Zeitdruck durchgeführt werden können.

Claims

1. Verfahren zur Reinigung organisch kontaminierter Grundwässer und zur Abschottung im Grundwasserleiter unter Verwendung von Förder- und Infiltrationsbrunnen, dadurch ge kennzeichnet, daß das Grundwasser zuerst Förderbrunnen (1) anströmt, über die För derbrunnen (1) gehoben und einer oxidativen Reinigungsanlage (5, 6) zugeführt wird und nach der Reinigung stromabwärts in Fließrichtung über Infiltrationsbrunnen (2) wieder in den Grundwasserleiter eingeleitet wird, wobei die Fördermenge und die Brunnenabstände so ge wählt werden, daß die Grundwasserströmung zwischen Förderbrunnen (1) und Infil trationsbrunnen (2) durch Bildung einer hydraulischen Wand (3) unterbrochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geförderte Grundwasser in einer kontinuierlich arbeitenden Reinigungsanlage (5, 6) einem Elektronenbeschuß ausgesetzt wird, wobei alle oxidierbaren organischen Verbindungen in der Gas- und Flüssigphase mineralisiert werden und zwar bei den angetroffenen Wassertemperaturen und -drücken oder mit Entspannung bei drucklosem Reaktorbetrieb.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reinigungsanlage (5, 6) eine Sauerstoffzugabe zur Aufrechterhaltung oder zum Ingangsetzen der Reaktion in Form von Luft, abgesaugter Bodenluft, technischem Sauerstoff, Ozon, Wasserstoffperoxid wahlweise einzeln oder kombiniert erfolgt.

4. Gerätesystem zur Reinigung organisch kontaminierter Grundwässer und zur Abschottung im Grundwasserleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der hydrau lischen Wand (3) in Fließrichtung des Grundwassers die Förderbrunnen (1) vor den Infil trationsbrunnen (2) angeordnet sind.

5. Gerätesystem nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der hy draulischen Wand (3) Förderbrunnen (1) und Infiltrationsbrunnen (2) quer oder annähernd quer zur Fließrichtung des Grundwassers angeordnet werden.

6. Gerätesystem nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Förderbrunnen (1) und die Infiltrationsbrunnen (2) quer zur Fließrichtung des Grundwassers gegeneinander versetzt angeordnet werden.

7. Gerätesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer hydraulischen Wand (3) die Brunnen (1, 2) innerhalb eines kontaminierten Gebietes zum Grundwasser austausch oder außerhalb eines kontaminierten Gebietes als Schutzwall gegen abströmendes Grundwasser oder ringförmig um ein Kontaminationsgebiet (7) mit Zu- und Abschaltung von Brunnen (1, 2) bei unklaren oder wechselnden Grundwasserströmungen angeordnet werden.

8. Gerätesystem nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine oxidative Reinigungsanlage (5, 6) im Sinne des Verfahrensablaufes zwischen den Förder brunnen (1) und den Infiltrationsbrunnen (2) angeordnet ist.