DE10159806C1

DE10159806C1 - Brunnensystem, insbesondere zur Gewinnung einer leichten, nicht aquatischen Flüssigphase aus dem Grundwasserspiegelbereich

Info

Publication number: DE10159806C1
Application number: DE10159806A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Luckner; Reinhard Schinke
Original assignee: GRUNDWASSERFORSCHUNGSINSTITUT
Current assignee: GRUNDWASSERFORSCHUNGSINSTITUT
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2021-12-06

Abstract

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Brunnensystem derart auszubilden, dass eine Kontamination der tieferen Schichten verringert wird und dass eine effizientere und damit eine kostengünstige Trennung und Entsorgung von LNAPL und Grundwasser ermöglicht wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Brunnensystem derart gestaltet wird, dass mindestens zwei gegeneinander abgedichtete Brunnen mit Filtern in unterschiedlicher Teufe angeordnet werden, wobei durch die relative Lage der Brunnenfilter, bezogen auf die Grundwasseroberfläche und zueinander, ein Grundwasserabsenkrichter derart ausgebildet wird, dass der höher angeordnete Brunnenfilter sich im Grundwasserspiegelbereich befindet und primär die LNAPL aus dem Grundwasserspiegelbereich und der tiefer angeordnete Brunnenfilter primär das Grundwasser fasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brunnensystem, insbesondere zur Gewinnung einer leichten, nicht aquatischen Flüssigphase aus dem Grundwasserspiegelbereich.

Vorrichtungen der vorstehend genannten Gattung werden beispielsweise zur Sanierung eines durch eine leichte, nicht aquatische Flüssigphase (Light Non Aqueous Phase Liquid - LNAPL) kontaminierten Untergrundes eingesetzt.

Bei den LNAPL handelt es sich um nicht mit Wasser mischbare, meistenteils ölige Flüssigkeiten, deren Dichte kleiner als die des Wassers ist. Insbesondere sind dies verschiedene flüssige Kohlenwasserstoffe und deren Gemische, die durch unerwünschte Versickerung in den Untergrund gelangen konnten und diesen kontaminieren.

Als Beispiele sind Schadstoffe, wie Benzole, Ethylbenzole, Toluole, Xylole, Naphthaline, Phenole und viele andere Wasserschadstoffe, zu nennen, welche sich teils in das Grundwasser einlösen und das Schutzgut Grundwasser gefährden.

Gelangen nun die mit Wasser nicht mischbaren LNAPL in den Untergrund, so reichern sie sich in den Porenräumen, im Bereich über und unter der Grundwasseroberfläche, an. Bei Strömungen mit freier Grundwasseroberfläche wird der Anreicherungsbereich durch den Ort bestimmt, an dem der Porenwasserdruck etwa gleich dem Atmosphärendruck ist.

Der Porenraum des Untergrundes wird in diesem Bereich anteilig vom Wasser, LNAPL und zum Teil auch von Gas eingenommen.

Mobil im Untergrund ist der Anteil der LNAPL, der den immobilen LNAPL-Anteil übersteigt.

Die mobilen LNAPL bewegen sich im grundwasserspiegelnahen Bereich, dem Grundwasserspiegelgefälle folgend, d. h. die Neigung des Grundwasser spiegels ist die treibende Kraft der mobilen LNAPL-Bewegung.

Es ist häufig Aufgabe und Ziel von Sanierungsverfahren, die mobilen LNAPL dem Untergrund möglichst hoch konzentriert, d. h. mit möglichst wenig Wasseranteilen, zu entziehen.

Die in diesem Zusammenhang verwendeten Vorrichtungen zur Beseitigung dieser Stoffe werden bei der Untergrunddekontamination, zum Beispiel in der Altlastensanierung, Havariebekämpfung und Reinigung von Grundwasser leitern und der Aerationszone, eingesetzt.

Nach dem Stand der Technik erfolgt dies vorwiegend durch Ölabschöpf brunnen, beispielsweise gemäß Fig. 1.

Mit Ölabschöpfbrunnen werden die mobilen LNAPL und das Grundwasser nach oben gefördert. Während die LNAPL beispielsweise thermisch entsorgt werden, wird das kontaminierte Grundwasser gereinigt und nachfolgend z. B. der Vorflut zugeführt.

Ölabschöpfbrunnen 1 nach herkömmlicher Bauart weisen einen einheitlichen Brunnenfilter 6 auf, über den die mobilen LNAPL 4 und das anstehende Grundwasser 5 dem Brunneninnenraum 9 zugehen. Durch die Abförderung von Wasser aus dem Brunneninnenraum 9 wird ein Absenktrichter des Grundwasserspiegels 3 bewirkt, der in etwa den Einzugsbereich des Brunnens 1 für die mobilen LNAPL 4 bestimmt. Die dem Brunnen 1 zugehenden LNAPL 4 werden meist mit einem eigenständigen Ölabschöpfsystem 7 aus dem Brunneninnenraum 9 abgefördert. Das Grundwasser 5 wird über das Wasserabfördersystem 8 aus dem Brunneninnenraum 9 an die Erdoberfläche. 2 gefördert.

Eine Vorrichtung dieser Art wird auch in DE 39 09 372 A1 beschrieben. Nach der Lehre dieser Erfindung wird mittels eines speziellen Entnahmevorrichtung und Steuerung die auf der Grundwasseroberfläche schwimmende flüssige Phase aufwändig entfernt.

Die herkömmlich eingesetzten Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinnung von LNAPL sind mit mehreren Nachteilen behaftet.

Insbesondere kommt es zu einer unerwünschten Schadstoffverschleppung. Nach dem Einlösen der mobilen LNAPL werden die Gelöststoffe längs der sich geohydraulisch ausbildenden Grundwasserströmungsbahnen durch den Untergrund zu den technischen Systemen bzw. Ölabschöpfbrunnen hintransportiert. Diese geohydraulisch bestimmten Transportbahnen tauchen oftmals in größere, weitgehend unkontaminierte Grundwasserbereiche ab.

Das ist nachteilig und unerwünscht, weil dadurch auch diese Bereiche kontaminiert werden, indem Schadstoffe durch Sorption oder andere Immobilisierungsvorgänge dort angereichert werden können.

Weiterhin ist problematisch, dass dem Ölabschöpfbrunnen das Grundwasser zufließt, das im Umfeld in unmittelbarem Kontakt mit den LNAPL steht und deshalb mit den wasserlöslichen Schadstoffen der LNAPL vollständig oder weitgehend gesättigt ist.

Darüber hinaus ist als nachteilig zu nennen, dass das im Ölabschöpfbrunnen gefasste Grundwasser mit dem im Brunneninnenraum aufschwimmenden LNAPL in Kontakt bleibt und sich auch weniger kontaminierte, vom Brunnen gefasste Grundwasseranteile mit den wasserlöslichen Schadstoffen der LNAPL noch im Brunnen weiter aufsättigen können.

Zudem ist die Eintrittsfläche für die LNAPL in das Brunneninnere bei den relativ schlanken Ölabschöpfbrunnen nach dem Stand der Technik relativ klein und damit der Zutritt der LNAPL, vor allem nach Verklebung dieser Eintrittsfläche, stark behindert.

Auch ist das im Brunneninnenraum gesammelte LNAPL-Volumen in den relativ schlanken Filtern klein, so dass eine weitgehend wasserfreie LNAPL- Abförderung einer diffizilen Steuerung bedarf. Die bekannten Ölabschöpfbrunnen fördern deshalb auch hoch kontaminiertes Grundwasser ab, dessen Entsorgung oft kostspielig ist.

Des Weiteren altern die Abschöpfbrunnen nach dem Stand der Technik schnell und müssen häufiger durch neue ersetzt werden.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung derart auszubilden, dass bei der Abförderung von LNAPL und Grundwasser eine Kontamination der tieferen Schichten verringert wird und dass eine effizientere Trennung von LNAPL und unterschiedlich kontaminierter Grundwasseranteile erfolgen kann und damit eine kostengünstige Trennung und Entsorgung von LNAPL und Grundwasser ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Brunnensystem, insbesondere zur Gewinnung einer leichten, nicht aquatischen Flüssigphase (LNAPL) aus dem Grundwasserspiegelbereich derart gestaltet wird, dass mindestens zwei gegeneinander abgedichtete Brunnen mit Filtern in unterschiedlicher Teufe angeordnet werden, wobei durch die relative Lage der Brunnenfilter, bezogen auf die Grundwasseroberfläche und zueinander, ein Grundwasserabsenktrichter derart ausgebildet wird, dass der höher angeordnete Brunnenfilter sich im Grundwasserspiegelbereich befindet und primär die LNAPL aus dem Grundwasserspiegelbereich und der tiefer angeordnete Brunnenfilter primär das Grundwasser fasst.

Nach der Konzeption der Erfindung wird das Brunnensystem aus zwei, im Wesentlichen voneinander unabhängigen Brunnen gebildet. Das hat zur Folge, dass zwar bei Anordnung der Brunnen in unmittelbarer Nähe zueinander nur ein Absenktrichter ausgebildet wird, aber die verschiedenen Flüssigphasen, zum einen die aufschwimmende Ölphase, und zum anderen die Grundwasserphase, mit den unterschiedlichen Brunnen gefasst werden.

Dabei wird vorteilhaft erreicht, dass die separat im oberen Brunnenfilter gewonnene Ölphase nicht direkt mit dem Grundwasser aus dem unteren Brunnenfilter in Kontakt kommt und sich somit das Grundwasser nicht noch im Brunnen mit wasserlöslichen Schadstoffen aufsättigen kann. Daraus resultiert, dass das geförderte Grundwasser, im Vergleich zu dem Grundwasser, welches in einem herkömmlichen Ölabschöpfbrunnen gefördert wird, viel geringer kontaminiert ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Brunnensystems besteht darin, dass der Absenktrichter des Grundwassers gezielt ausgebildet werden kann. Erfindungsgemäß wird durch die relative Lage der Brunnenfilter, bezogen auf die Grundwasseroberfläche und zueinander, und durch die Grundwasser förderate die Ausbildung des Absenktrichters des Brunnensystems gezielt beeinflusst.

Ein weiterer Vorteil der getrennten Ausbildung der Brunnen besteht darin, dass der obere Brunnenfilter, aus dem die aufschwimmenden LNAPL abgefördert werden, mit einem relativ großem Durchmesser ausgebildet werden kann, so dass die LNAPL-Abförderung nicht aufwändig gesteuert werden muss, da die ölige Phase in diesem Brunnen ein relativ großes Volumen einnimmt.

Von besonderem Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung ist, dass das durch den unteren Brunnen geförderte Grundwasser relativ gering kontaminiert ist, wodurch sich Entsorgung oder Wiederverwendung kostengünstig realisieren lässt. Fördert man aus dem oberen Brunnen nicht nur die aufschwimmenden LNAPL, sondern mittels einer gesonderten Pumpe auch das dort stark kontaminierte Wasser ab, um es separat zu reinigen, wird das aus dem unteren Brunnen abgeförderte Grundwasser noch geringer kontaminert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 2 Prinzipskizze eines Teleskopbrunnens,

Fig. 3 Detailzeichnung eines Teleskopbrunnens.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zwei Brunnen zu einem Teleskopbrunnensystem verbunden. Dieses Brunnensystem besteht aus einem schlanken inneren, tiefer reichenden und einem äußeren, übergestülpten und höher angeordneten Brunnen. Der tiefer reichende Innenbrunnen ist nur in seinem Tiefenbereich verfiltert. Ihm strömt deshalb primär tieferes, relativ unkontaminiertes Grundwasser zu. Da in seinem Innenraum das gefasste Wasser auch nicht mit LNAPL in Kontakt kommt, ist aus ihm relativ unkontaminiertes Grundwasser abförderbar.

Bei gleichem Fördervolumen eines Ölabschöpfbrunnens nach dem Stand der Technik mit simultaner Wasserhebung und eines erfindungsgemäßen Teleskopbrunnens bildet sich ein etwa gleich großer Absenktricher des Grundwasserspiegels und damit ein etwa gleich großes Einzugsgebiet der mobilen LNAPL im Grundwasserspiegelbereich aus.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist der im Grundwasserspiegel bereich verfilterte, äußere übergestülpte Brunnen einen relativ großen Durchmesser auf, so dass seinem Innenraum die LNAPL über eine große Eintrittsfläche zugehen können. Die Brunnenalterung wird so verlangsamt und die Einsatzdauer des Brunnens erhöht.

Infolge des großen Durchmessers ist auch das Brunnenvolumen groß, so dass gegenüber dem Brunnen nach dem Stand der Technik mit seinem geringen Durchmesser pro Zentimeter aufschwimmenden LNAPL entsprechend mehr LNAPL-Volumen zur Abförderung bereitsteht. Darüber hinaus kann das Wasser, das ungewollt mit der LNAPL-Abförderung aus dem oberen Brunnen mitgeführt wurde, nach Abscheidung wieder in den oberen Brunnen zurückgeführt werden. Dies ist besonders darum vorteilhaft, wenn das stark kontaminierte Wasser des oberen Brunnens ohnehin separat abgefördert und einer eigenständigen Reinigung zugeführt wird.

Die Reinigung des durch den inneren, tieferen Brunnen geförderten Wassers ist wegen der geringeren Verunreinigung im Vergleich zu dem nach dem Stand der Technik geförderten Grundwasser kostengünstig. Der Durchmesser des Innenbrunnens wird darüber hinaus klein gehalten, so dass auch die Baukosten beschränkt bleiben.

Gemäß Fig. 2 besteht das Brunnensystem aus einem oberen Brunnen 10 und seinem Filter 12 sowie aus einem unteren Brunnen 11 und dessen Filter 13. Bevorzugt werden diese beiden Brunnen mit kreiszylindrischem Durchmesser ausgeführt und koaxial angeordnet. Sehr wichtig ist, dass die beiden Brunnen gegeneinander abgedichtet werden, so dass das Brunneninnere des Brunnens 10 nicht mit dem Brunneninneren des Brunnens 11 in stofflichen Kontakt kommt. Die Brunnen weisen im Beispiel jeweils ein Sumpfrohr 14 und 15 auf.

Erfindungsgemäß wird der Hauptteil des Grundwassers vom Brunnen 11 und der Hauptteil der LNAPL vom Brunnen 10 gefasst. Die relative Anordnung des Brunnenfilters 13 zur Grundwasseroberfläche führt zur Ausbildung des speziellen Absenktrichers, durch welchen die LNAPL 4 weitgehend horizontal an den Brunnen 10 herangeführt werden und nach Durchdringung des Filters 12 von der Entnahmevorrichtung 16 abgefördert und entsorgt werden können.

Die Entnahmevorrichtung 17 für Grundwasser 5 des Brunnens 11 ist im Sumpfrohr 15 unter dem Filter 13 angeordnet. Mit der Entnahmevorrichtung 17 kann weitgehend unkontaminiertes Grundwasser 5 dem Brunnen 11 entzogen werden. Der Filter 12 des Brunnens 10 wurde im Grundwasserspiegelbereich 3 angeordnet.

Die Entnahmevorrichtung 20 für stark kontaminiertes Wasser des oberen Brunnens 10 ist im Sumpfrohr 14 unter dem Filter 12 angeordnet. Mit der Entnahmevorrichtung 20 wird stark kontaminiertes Wasser einer separaten Reinigungsanlage zugeführt und das durch die Entnahmevorrichtung 17 abgeförderte Grundwasser somit noch weitergehend vor Kontaminationen bewahrt bzw. entlastet.

In Fig. 3 wird eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Das erfindungsgemäße Brunnensystem ist dabei derart dimensioniert, dass die benetzten Umfänge der Brunnenfilter 12 und 13 für die flüssigen Phasen zueinander ein Verhältnis von 3,0 aufweisen. Erfindungsgemäß lassen sich weiterhin Umfangsverhältnisse im Bereich von 1,5 bis 5 vorteilhaft realisieren. Weiterhin dargestellt ist die Anordnung und Verfüllung der Materialien in und um den Brunnen herum.

Das Brunnensystem wird bei einem Grundwasserschwankungsbereich zwischen 14 m und 16 m Tiefe durch einen Teleskopbrunnen gebildet. Der obere Brunnen 10 ist kreiszylindrisch mit einem Durchmesser von 600 mm und einer Tiefe von 20 m bei einer Filterhöhe von 8 m ausgeführt, wobei sich der Brunnenfilter 12 von einer Tiefe von 10 m bis zu einer Tiefe von 18 m erstreckt. Darunter ist das Sumpfrohr 14 angeordnet. Der untere Brunnen 11 mit einem Durchmesser von 200 mm ist koaxial zum Brunnen 10 angeordnet und verläuft zunächst in dessen Innerem. Der Brunnen 11 erstreckt sich teleskopartig über den Brunnen 10 hinaus bis in eine Tiefe von 32 m und eine Filterhöhe von 5 m, wobei sich der Brunnenfilter 13 von einer Tiefe von 26 m bis zu einer Tiefe von 31 m erstreckt. Das Sumpfrohr 15 ist darunter angeordnet.

Die Höhe der LNAPL-Schicht ist nicht beeinflussbar, wodurch die Filterfläche und die Filtrationsgeschwindigkeit durch den Umfang bzw. den Durchmesser der Brunnenfilter bestimmt wird.

Für die erfindungsgemäße Funktion des Brunnensystems ist die Abdichtung der einzelnen Brunnen 10, 11 gegeneinander erforderlich. Der Dichtheit der Bodenplatte 18 des Brunnens 10 und ihrer Einbettung kommt somit besondere Bedeutung bei, um ein Durchströmen der Bohrung mit kontaminiertem Grundwasser oder LNAPL in tiefere Schichten zu verhindern.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach vorangehend beschriebener Dimensionierung besteht gegenüber herkömmlichen Brunnen insbesondere darin, dass die größer gestaltete Eintrittsfläche des oberen Brunnens für das Öl durch den größeren Durchmesser bei gleicher Förderleistung der beiden Systeme zu einer geringeren Filtereintrittsgeschwindigkeit führt. Wohingegen der untere Brunnen, welcher weitgehend unkontaminiertes Grundwasser fördert, ohne weiteres von seinem Durchmesser und seiner Zugangsfläche kleiner gehalten werden kann.

In diesem Zusammenhang ist es weiterhin als vorteilhaft zu verzeichnen, dass die Materialien für den Brunnenausbau gezielt nach Anforderungsprofil und somit kostengünstig ausgewählt werden können.

So ist der obere Brunnen mit Materialien auszugestalten, welche gegen LNAPL unempfindlich sind. Zum Beispiel kann Edelstahl (V2A oder V4A) als Wickeldrahtfilter zur Anwendung in diesem Bereich kommen.

Der untere Brunnen kann sowohl vom Filtermaterial als auch vom Brunnenmaterial in konventioneller Weise ausgeführt sein. Im Ausführungsbeispiel wird beispielsweise Kunststoff, wie HDPE, verwendet. Für den Vollrohrbereich kommt wiederum Edelstahl infrage, da das Rohr selbst in Kontakt mit der nichtaquatischen Flüssigkeit kommt und sich die Festigkeit dieses Materials positiv auf die Stabilität des Brunnens auswirkt.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1

Ölabschöpfbrunnen

2

Erdoberfläche

3

Grundwasserspiegelbereich

4

LNAPL

5

Grundwasser

6

Brunnenfilter

7

Ölabschöpfsystem

8

Wasserabfördersystem

9

Brunneninnenraum

10

Brunnen, oberer Brunnen

11

Brunnen, unterer Brunnen

12

oberer Brunnenfilter

13

unterer Brunnenfilter

14

Sumpfrohr des oberen Brunnens

15

Sumpfrohr des unteren Brunnens

16

Entnahmevorrichtung für LNAPL

17

Entnahmevorrichtung für Grundwasser

18

Bodenplatte

19

Bodenplatte

20

Entnahmevorrichtung für hoch kontaminiertes Wasser

Claims

1. Brunnensystem, insbesondere zur Gewinnung einer leichten, nicht aquatischen Flüssigphase (LNAPL) aus dem Grundwasserspiegel bereich, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gegeneinander abgedichtete Brunnen (10, 11) mit Brunnenfiltern (12, 13) in unterschiedlicher Teufe vorgesehen sind, wobei durch die relative Lage der Brunnenfilter (12, 13), bezogen auf die Grundwasseroberfläche und zueinander, ein Grundwasserabsenktrichter derart ausgebildet wird, dass der höher angeordnete Brunnenfilter (12) sich im Grundwasser spiegelbereich befindet und primär die LNAPL (4) aus dem Grundwasserspiegelbereich fasst und der tiefer angeordnete Brunnenfilter (13) primär das Grundwasser fasst.

2. Brunnensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brunnen (10) als äußerer Brunnen und der Brunnen (11) als innerer Brunnen ausgebildet und teleskopartig koaxial zueinander angeordnet sind.

3. Brunnensystem nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die benetzten Umfänge der Brunnenfilter (12, 13) ein Verhältnis von 1,5 bis 5 aufweisen
[1,5 ≦ U_{(Brunnenfilter (12))}/U_{(Brunnenfilter (13)}) ≦ 5].

4. Brunnensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die benetzten Umfänge der Brunnenfilter (12, 13) ein Verhältnis von 3 aufweisen.

5. Brunnensystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brunnenfilter (12) gegen LNAPL beständig als Edelstahl- Wickeldrahtfilter ausgeführt ist.

6. Brunnensystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brunnenfilter (13) als Kunststofffilter ausgeführt ist.

7. Brunnensystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brunnen (10) im Kontaktbereich mit LNAPL aus Edelstahl ausgeführt ist, welches gegen LNAPL beständig ist.

8. Brunnensystem nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brunnenfilter (12) bei einem Grundwasserschwankungsbereich zwischen 14 und 16 m Tiefe kreiszylindrisch mit einem Durchmesser von 600 mm und einer Tiefe von 20 m bei einer Höhe des Filters (12) von 8 m ausgeführt ist, wobei sich der Brunnenfilter (12) von einer Tiefe von 10 m bis zu einer Tiefe von 18 m erstreckt und darunter ein Sumpfrohr (14) angeordnet ist und dass der Brunnen (11) mit einem Durchmesser von 200 mm koaxial zum Brunnen (10) zunächst in dessen Innerem verläuft und sich teleskopartig darüber hinaus bis in eine Tiefe von 32 m erstreckt und eine Filterhöhe von 5 m aufweist, wobei sich der Brunnenfilter (13) von einer Tiefe von 26 m bis zu einer Tiefe von 31 m erstreckt und darunter ein Sumpfrohr (15) angeordnet ist.

9. Brunnensystem nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmevorrichtung (16) für die LNAPL im Filterbereich (12), die Entnahmevorrichtung (20) für das hoch kontaminierte Wasser im Sumpfrohr (18) und die Entnahmevorrichtung (17) für das Grundwasser außerhalb des Filters (13) angeordnet ist.