DE10113724A1 - Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Verteilung von Schadstoffen und abbauaktiven Bereichen in kontaminierten Grundwassersystemen - Google Patents

Description

In den letzten Jahren hat sich herauskristallisiert, dass Schadstofffahnen in Grundwässern im Vergleich zur Aquifermächtigkeit sehr dünn sind. Durch das laminare Strömungsverhalten des Grundwassers entfallen konvektive Vermischungen und das kontaminierte Grundwasser vermischt sich deshalb nur extrem langsam über diffusive und dispersive Prozesse mit dem umgebenden, sauberen Grundwasser. Für den mikrobiellen Schadstoffabbau hat das zur Folge, dass in den dünnen, hochkonzentrierten Schadstofffahnen die Elektronenakzeptoren Sauerstoff, Nitrat, Eisen (III) und Sulfat schnell aufgebraucht sind und nur langsam über die Randzonen durch Diffusion nachgeliefert werden. An diesen Randzonen treffen Schadstoffe und Elektronenakzeptoren aufeinander und der biologische Abbau kann stattfinden. Es bestehen deshalb parallel nebeneinander Wasserflüsse, die keine Schadstoffe aber Elektronenakzeptoren enthalten und anderseits Strombahnen die schadstoffbelastet sind, in denen aber die Elektronenakzeptoren verbraucht sind.

Bisher wurden Schadstofffahnen mit vollverfilterten Brunnen untersucht, in denen das Grundwasser aus der gesamten Aquifermächtigkeit beprobt wird und die Schadstoffkonzentrationen analysiert werden. Bei dieser Art der Untersuchung vermischen sich die unterschiedlichen Strombahnen bei der Probenahme und man kommt zu der scheinbaren Situation, dass Schadstoffe und Elektronenakzeptoren gleichzeitig nebeneinander vorhanden sind und trotzdem nur geringer Abbau stattfindet. Aus den oben aufgeführten Überlegungen geht aber hervor, dass in Wirklichkeit Schadstoffe und Elektronenakzeptoren räumlich voneinander getrennt sind, wenn man den Aquifer nur feinskalig genug betrachtet, und somit der Abbau limitiert wird.

Die Überlegung, dass biologischer Abbau nur an den Grenzflächen der Fahne auftreten kann, führt zu dem Schluss, dass alle Prozesswärme die beim mikrobiellen Abbau anfällt, an diesen Grenzflächen auftreten muss. Ein gewisser Teil der Erwärmung wird sich auch im Zentrum der Schadstofffahne ergeben, da gelöste Elektronenakzeptoren mit dem Grundwasserstrom in die Schadstoffquelle transportiert und da verbraucht werden. Zusätzlich besteht eine Wärmedispersion aus den Fahnenrändern. Da sich alte Kontaminationen oft seit vielen Jahren im Fließgleichgewicht befinden, wird auch nur wenig chemische Energie in Form von zusätzlicher Biomasse gebunden und es muss nahezu aller Energieumsatz in Prozesswärme frei werden. Diese Prozesswärme soll durch das hier beschriebene Verfahren genutzt werden, um die räumliche Ausbreitung der Schadstofffahne und der mikrobiell aktiven Zonen zu beschreiben.

Beschreibung der Erfindung

Aufgabe des neuen Verfahrens ist die Ermittlung der räumlichen, dreidimensionalen Ausdehnung einer Schadstofffahne oder eines Schadensherdes und der Lokalisation der biologisch aktiven Zonen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden Temperaturmessfühler in den Boden gebracht und die Prozesswärme, die beim biologischen Schadstoffabbau oder chemischen Reaktionen entsteht, wird genutzt, um Quellen und Ausbreitung von Schadstofffahnen zu detektieren oder mikrobielle Aktivität bzw. deren räumliche Verteilung im Untergrund zu lokalisieren. Biologisch aktive Zonen zeichnen sich dabei durch eine erhöhte Temperatur des Grundwassers im Vergleich zur Umgebungstemperatur aus.

Für die Messung der Temperaturprofile werden Lanzen in den Untergrund gebracht (z. B. mit Hilfe einer Ramme oder ähnlichem), auf denen in kleinen Abständen (z. B. 2-5 cm) Temperaturmessfühler angebracht sind (Fig. 1). Die Lanzen gehen im Idealfall durch die gesamte Mächtigkeit der Fahne. Im Inneren oder in geeigneten Führungen der Lanzen ist jeder einzelne Messfühler verkabelt oder alle Elemente über BUS-Systeme verbunden und die Kabelenden werden an die Oberfläche geführt. Von da aus sind die Temperaturdaten abrufbar bzw. erfassbar. Als biologisch aktive Zone wird der Bereich von Messfühlern definiert, der eine Temperaturerhöhung gegenüber den Messfühlern der Umgebung zeigt. Durch die Einfachheit der Messungen und der Datenverarbeitung können viele Lanzen auf der Schadensfläche verteilt in den Untergrund eingebracht werden und somit neben der vertikalen auch die horizontale Ausdehnung der Aktivitätszonen erfasst werden. Durch die Verbindung des Wissens über die horizontale und die vertikale Verteilung der Aktivitätszonen wird ein dreidimensionales Bild der Fahne im Untergrund erstellt (Fig. I). Dabei müssen Störeinflüsse wie z. B. unbekannte Abwasserrohre, die Wärme abgeben können, durch Vergleich mit anderen Messstellen eleminiert werden.

Bisheriger Stand der Technik

Inder Fahnenerkundung wird durchgängig eine klassische Erkundung der Schadstoffgehalte im Grundwasser über vollverfilterte Brunnen praktiziert. Durch Probenahme und Analyse der Schadstoffkonzentrationen wird versucht, ein zweidimensionales Bild der Schadstofffahne zu generieren. In den meisten Fällen sind jedoch aus Kostengründen nicht genügend Messstellen vorhanden, um Modellierungen des Fahnenverlaufs durchzuführen. Bei der Implementierung der Bohrlöcher besteht außerdem die Gefahr, dass die Fahne gar nicht getroffen, sondern dass neben der Fahne abgeteuft wird oder diese nur gestreift wird. Durch genügend starkes Pumpen oder sogar integrale Langzeitpumpversuche, die den Einzugsbereich der Brunnen vergrößern, können solche Gefahren verkleinert werden. Man ist sich aber auch hier nie sicher, in welchem Bereich der Fahne man sich bewegt. Das heist, es ist schwierig, das Zentrum der Fahne, in dem auch die höchsten Schadstoffgehalte sind zu lokalisieren. Für die vertikale Lokalisation der Fahne können momentan nur Multilevelbrunnen verwendet werden, die üblicherweise eine maximale Auflösung von einem Meter erlauben. Bei diesen Brunnen können horizentierte Probenahmen vorgenommen werden.

Ein neues Verfahren der Firma GeoProbe kann für eine vertikal auflösende Untersuchung von Schadstofffahnen verwendet werden. Dazu wird ein Messkopf, an dem eine Membran angebracht ist, stufenweise in den Boden gerammt. Die Schadstoffe werden über die Membran direkt in einen Stickstoffstrom weitergeleitet werden und über einen FID Detektor on line gemessen. Dieses Verfahren kann zwar relativ genaue Profile der Schadstoffverteilung liefern, ist aber nicht für Langzeitmonitoring geeignet, weil die Messtechik zwangsläufig das Beproben während des Rammvorgangs erfordert.

Nachteile des Stands der Technik

Die Erkundung einer Fahne über Grundwasserbrunnen ist bis jetzt ein kostspieliges und zeitintensives Verfahren. Da man nicht genau vorhersagen kann, wie die Fahne verläuft, werden die Brunnen mehr oder weniger zufällig abgeteuft ausgehend von der abgeschätzten Grundwasserströmungsrichtung. Selbst wenn einige Brunnen erfolgreich die Fahne treffen, ist es schwer, den genauen Verlauf des Schadstoffabstroms zu bestimmen. Das ist überlicherweise durch die limitierte Anzahl von Brunnen verursacht, was wiederum aus dem hohen Zeit und Geräteaufwand für die Brunnenbohrung und die kostspielige Analytik der Schadstoffe begründet ist. Weiterhin kann durch die ungenaue Kenntnis des Fahnenverlaufs auch eine eventuelle Sanierungsmaßnahme nicht zielgerecht eingesetzt werden, und oft wird der gesamte Wasserkörper eines Schadensfalls saniert obwohl nur ein kleiner Teil kontaminiert ist.

Ein wesentlicher Nachteil der üblichen Praxis sind der große Zeitaufwand für die Genehmigung von Brunnenbohrungen. Nach der Genehmigung kommt es zum Bohren der Brunnen, was bei vollverfilterten Brunnen ebenfalls zeitaufwendig ist.

Normalerweise bleiben die Brunnen im Grundwasserleiter bestehen und können nur mit größerem Aufwand entfernt werden. Um zu verlässlichen Aussagen über das Verhalten der Fahne zu kommen braucht man relativ langes Beproben und Monitoring, wofür jeweils Personal zur kontaminierten Stelle fahren muss und viele Stunden bis Tage im Feld arbeitet.

Bei zu großer Anzahl von Brunnen im Grundwasserleiter besteht die Gefahr eines hydraulischen Kurzschluss durch den Brunnen selber, indem Grundwasserströme durch den Brunnen in andere Stockwerke des Aquifers fließen.

Vorteile des neuen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik

Die Erfassung der räumlichen Verteilung der biologischen Aktivität über Temperaturmesslanzen ist messtechnisch einfach und schnell implementierbar. Da die Temperaturmessfühler z. B. auf Lanzen aufgebracht in den Untergrund gerammt werden können, ist die Einrichtung von 10 Messstellen pro Tag völlig problemlos. Damit können z. B. in 2 Tagen etwa 20 Messstellen eingebracht werden, was in der Fläche gesehen ein extrem dichtes Netz darstellt, verglichen mit den bisher üblichen Messstellendichten bei Grundwasserbrunnen. Die Temperaturfühler können auch auf Montagschienen montiert werden, auf denen sie in vorgefertigte Löcher im Boden eingebracht werden. Durch die einfache Implementierung der Messstellen lässt sich das horizontale Netz der Messstellen erheblich verdichten und ein vergleichsweise genaueres flächiges Bild des Schadens erarbeiten als beim Arbeiten mit Brunnen.

Dadurch wird die Zeit der Vorerkundung entscheidend verkürzt. Es sind in der Vorerkundung keine Genehmigungsverfahren für Grundwassermessstellen nötig. Im Vergleich zum Bohren der Brunnen und der nachfolgenden Analytik ist das neue Verfahren wesentlich schneller mit gleichzeitig wesentlich größerer räumlicher Auflösung.

In der Vertikalen liefern die eingebrachten Messstellen eine Auflösung die bisher selbst von den besten Multilevelbrunnen nicht erreicht werden kann. Zudem werden aus Kostengründen üblicherweise überhaupt keine Multilevelbrunnen eingerichtet. Das neue Verfahren kann in der Vertikalen eine zentimetergenaue Anordnung der Fahne beschreiben.

Die Messtechnik über Temperaturmessung ist sehr genau, einfach und billig. Nach dem Einbringen der Messfühler in den Untergrund ist der weitere Kostenaufwand verschwindend gering.

Die Daten der einzelnen Messpunkte einer Lanze und aller Lanzen zusammen sind elektronisch abrufbar und können deshalb direkt in geeignete Computerprogramme eingespeist werden, die ein dreidimensionales Bild der Fahne generieren.

Das Speichern der Daten kann über Datenaufzeichungsgeräte (DataLogger) erfolgen. Die Daten werden dann über eine mobile Telefonanlage übertragen. Somit kann vom Bürotisch aus ein Monitoring der Fahne und deren Veränderungen erfolgen.

Durch die genaue Kenntnis des Fahnenverlaufs können anschließend Grundwasserbrunnen für Konzentrationsmessungen oder Sanierungsmaßnahmen direkt in das Zentrum der Fahne eingebracht werden.

Die bisher unerreichte dreidimensionale Abbildung der Fahne und der Quelle erlaubt neue Anwendungsmöglichkeiten für die Prozesssteuerung bei Sanierungen, für punktgenau gesteuerte in situ Sanierungen u. a. Die Messsysteme können dabei beliebig lange im Boden bleiben, da sie das Grundwasser nicht beeinflussen.

Anwendungen des neuen Verfahrens

• - Das neue Verfahren kann z. B. in der Vorerkundung angewendet werden, um in einem erstmals untersuchten Schadensfall die Fahne oder die Quelle genau zu lokalisieren. Es kann innerhalb weniger Tage ein dreidimensionales Bild der Grenzen der Schadstoffverteilung erstellt werden. Diese Daten können für eine erste Riskoabschätzung verwendet werden.
• - Im weiteren können die Daten aus der Temperaturermittlung durch das Abteufen von Brunnen und die anschließende Analyse von Schadstoffkonzentrationen in Wasserpoben unterstützt werden.
• - Das neue Verfahren kann auf einem bestehenden, mit Brunnen ausgebauten Feld eingesetzt werden, um die Kenntnis über den genauen Verlauf der Fahne oder Quelle zu vertiefen. Dieses Wissen kann genutzt werden um
  • 1. die Kosten für das Monitoring zu verringern, da die Analyse von Schadstoffkonzentrationen sehr kostspielig ist. Durch das neue Verfahren können Veränderungen der Fahne erfasst werden und deshalb die Probenahmeintervalle auf dem Feld vergrößert werden. Im Idealfall dienen die konventionellen Grundwasserproben nur noch zur Absicherung der Daten aus den Temperaturmessungen, was einen erheblichen Preisvorteil darstellen kann.
  • 2. Der genaue Verlauf der Fahne kann in einem Sanierungsansatz über Verstärkte Natürlichen Selbstreinigung (Enhanced Natural Attenuation) genutzt werden, um zielgenau Elektronenakzeptoren für den biologischen Schadstoffabbau in das Zentrum der Fahne oder Quelle einzuspeisen.
  • 3. Der genaue Verlauf der Fahne kann verwendet werden, um eine Sanierungsmaßnahme wie Pump-and-Treat zielgenau zu implementieren. Dabei ist vorallem die Kenntis über die vertikale Lokalisation wichtig, um nicht den gesamten Wasserkörper zu reinigen sondern nur die kontaminierten Bereiche.
  • 4. Sanierungsmaßnahmen können über das neue Verfahren überwacht werden und somit genauer gesteuert werden. Hierbei werden die neu entstehenden biologisch aktiven Zonen bestimmt und Änderungen der Fahne festgestellt.

Das neue Verfahren kann genutzt werden, um eine bisher unbekannte Schadstofffahne zu erkunden und neue Grundwasserbrunnen exakt in das Zentrum einer Abstromfahne abzuteufen. Damit ist die Qualität anderer Analyseverfahren wie z. B. konventioneller Konzentrationsbestimmungen wesentlich verbessert. Es kann auch der vertikale Verlauf einer Kontamination stärker als bisher berücksichtigt werden, was eine verbesserte Analyse der Schadstoffkonzentrationen und anschließende Sanierung ermöglicht, weil die Probenahme- oder Sanierungsbrunnen in die richtigen Tiefen abgeteuft werden können.

Das neue Verfahren kann genutzt werden, um sehr schnell die Ausdehnung einer Schadstofffahne zu bestimmen. Dadurch kann bei überraschend auftretenden Kontaminationen, die z. B. im Rahmen einer Baumaßnahme entdeckt werden, schnell eine Entscheidungsgrundlage für das weitere Vorgehen erstellt werden. Es kann z. B. abgeschätzt werden, ob eine Auskofferung des Materials durchfürbar ist oder ob die Kontamination so groß ist, dass nur eine langfristige Pump-and-Treat Sanierung in Frage kommt. Die schnelle Beschaffung dieser Informationen stellt einen gravierenden Vorteil für den betroffenen Unternehmer dar, der gerade ein Bauwerk errichten will.

Beispiel 1

Bei Abriss einer Tankstelle wird entdeckt, dass in den vergangenen Jahren Mineralöl ausgetreten ist. Mit dem neuen Verfahren kann innerhalb von 1-2 Tagen ein dichtes Messstellennetz von ca. 20 Messstellen errichtet werden und untersucht werden, ob sich eine Schadstofffahne im Grundwasser gebildet hat und wie groß die Ausdehnung der Kontamination ist. Somit ist eine vergleichsweise sehr schnelle Reaktion des Bauträgers auf die plötzlich auftretenden Schwierigkeiten möglich. Abhängig von der späteren Nutzung werden dann Maßnahmen getroffen. Z. B. ist als Nutzung eine Überbauung mit einem Einkaufszentrum geplant und es wird bei der Untersuchung der Fahne festgestellt; dass eine kleinere Auskofferungsmaßnahme zwar den Schadstoffherd beseitigen kann, aber nicht die mehrere hundert Meter lange Fahne. Es wird deshalb eine abgestufte Sanierung beschlossen und die Fahne über konventionelle Verfahren oder Pump-and- Treat saniert. Dabei werden aufgrund der genauen Kenntnis der Fahne die Beobachtungsbrunnen genau in das Zentrum der Fahne abgeteuft und die Sanierungsbrunnen knapp ausserhalb der kontaminierten Zonen.

Beispiel 2

Bei einer Sanierungsmaßnahme wird das kontaminierte Feld mit einem dichten Netz von Temperaturmessstellen versehen. Aufgrund der Temperaturdaten kann ermittelt werden, ob die Sanierung die relevanten Zonen erreicht und wann die Sanierung nicht mehr zu einem signifikanten Schadstoffabbau führt. Daraufhin können die Prozessparameter verändert werden.

Beispiel 3

Ein bekanntes schadstoffbelastetes Feld wird mit dem neuen Verfahren genau untersucht indem ein dichtes Netz von 20 bis 30 Temperaturmessstellen eingerichtet wird. Es soll eine zielgerichtete Sanierung durch Enhanced-Natural-Attenuation durchgeführt werden. Durch die genaue Kenntis der Schadstoffverteilung werden Elektronenakzeptoren für den Schadstoffabbau (Wasserstoffperoxid, Sauerstoff, Nitrat, Sulfat) vertikal und horizental genau in das Zentrum der Fahne oder oberstromig der Quelle injiziert. Dies erfolgt entweder über Brunnen oder Injektionslanzen. Dadurch kann die Schadstofffahne saniert werden, ohne dass die eingespeisten Stoffe am falschen Platz landen, mit dem Grundwasser abtransportiert werden ohne durch Mikroorganismen verbraucht zu werden und das Grundwasser selbst belasten. Gleichzeitig übertragen die Temperaturlanzen über Datalogger, die mit mobilen Telefoneinheiten ausgestattet sind, die Daten der räumlichen Verteilung in regelmäßigen Abständen auf den PC im Büro und erlauben somit ein Monitoring vom Bürotisch aus, das in gewissen Abständen über konventionelle Methoden verifiziert wird.

Claims (10)

1. Verfahren zum Ermitteln der dreidimensionalen räumlichen Ausdehnung einer Schadstofffahne oder Schadstoffquelle in der Umwelt, dadurch gekennzeichnet, dass vertikale und horizontale Temperaturprofile gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dichtes flächiges Netz von vertikalen Temperaturmessstellen auf dem Feld implementiert wird und somit ein dreidimensionales Bild der Schadstoffverteilung generiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzflächen der Schadstoffverteilung oder die Bereiche der biologischen oder chemischen Aktivität durch einen Temperatursprung im Vergleich zur Umgebung gekennzeichnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdaten in ein Computerprogramm eingespeist werden, um ein dreidimensionales Bild der Schadstoffverteilung zu erzeugen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturfühler der Messstellen ihre Messwerte direkt durch z. B. Kabel an die Oberfläche geben und dort entweder kontinuierlich durch installierte Datenaufzeichnungsgeräte aufgezeichnet werden und, oder diskontinuierlich in Abständen über telefonische Datenübermittlung abgefragt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturmessstelle aus einer Lanze oder Montageschiene besteht, die mit einer Ramme in der Boden gerammt werden kann oder in vorgefertigte Bohrlöcher eingebracht werden kann, und auf deren Oberfläche Temperaturmessfühler aufgebracht sind, die mit den Datenerfassungsgeräten über Datenweiterleitungssysteme wie Kabel verbunden sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass langfristige Veränderungen von Schadstofffahnen über die Temperaturaufzeichnung verfolgt werden wobei die Daten telefonisch abgerufen werden können.

8. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass räumliche Veränderungen der Schadstoffverteilung in der Umwelt bestimmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der biologischen Aktivität und der räumlichen Veränderungen der Temperaturverteilung bei Sanierungsmaßnahmen benutzt wird, um den Prozess zu überwachen und zu optimieren.

10. Verfahren nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwassertemperatur benutzt wird, um den Schadstoffabbau zu beschreiben, quantifizieren und bilanzieren.