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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von Verunreinigungen
in einem Medium eines Bodengefüges
in situ.
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Aus
der Praxis sind bereits Verfahren zur Sanierung von kontaminierten
Böden oder
ganz allgemein zur Verringerung verschiedener im Boden vorhandener
Verunreinigungen bekannt, die in situ angewendet werden. Dies bedeutet,
dass die Verringerung der Verunreinigungen direkt im Boden erfolgt und
keine Entnahme von Bodenschichten oder Grundwasser erforderlich
ist. Bei den bekannten Verfahren werden bestimmte Reagenzien in
das Grundwasser eingebracht, um die Verunreinigungen chemisch oder
biologisch umzusetzen. Bei einigen bekannten Verfahren wird Kaliumpermanganat
oder Wasserstoffperoxid in das Grundwasser eingebracht, um organische
Verunreinigungen zu oxidieren.
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Bei
dem aus der
US 5,520,483 bekannten Verfahren
wird neben Wasserstoffperoxid auch Essigsäure und ein Eisen(II)-Salz
wie beispielsweise Eisensulfat zur Umsetzung des Wasserstoffperoxids eingebracht.
Diese Umsetzung ist als Fenton-Reaktion bekannt und führt zur
Bildung von Hydroxylradikalen (OH-Radikale).
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Ferner
ist es bekannt, Eisen als Chelatkomplex, in den Boden einzubringen,
um das spontane Ablaufen der Fenton-Reaktion zu verhindern. Diese läuft dann
erst allmählich
im Boden ab.
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Die
bekannten Verfahren weisen eine Reihe von Nachteilen hinsichtlich
Ihrer Anwendung, Ihrer Betriebskosten und der Effizienz, mit der
eine Verringerung von Verunreinigungen erzielt wird, auf. Die Verfahren
sind letztlich noch nicht ausgereift.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte
und zuvor näher beschriebene
Verfahren derart weiterzubilden und auszugestalten, dass die aus
dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise vermieden werden
können.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte:
- – Einbringen
wenigstens eines Feststoff-Katalysators in wenigstens einen in dem
Bodengefüge
vorhandenen Hohlraum,
- – Zuführen von
einem fluiden Oxidationsmittel zu dem Feststoff-Katalysator,
- – Bildung
von aktiven Komponenten durch heterogenkatalytische Umsetzung des
Oxidationsmittels in dem Hohlraum und
- – Einleiten
der aktiven Komponenten in das Medium.
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Die
Erfindung hat überraschend
erkannt, dass die Verringerung von Verunreinigungen in Böden durch
die heterogene Katalyse eines Oxidationsmittels an einem Feststoff-Katalysator
in einem Hohlraum sehr einfach und kostengünstig durchgeführt werden
kann. Zudem werden gute Reinigungsleistungen erreicht, ohne dass
das Bodengefüge
durch den Eintrag von Reagenzien nachhaltig verändert oder beeinträchtigt wird.
Insbesondere kann das Verfahren auch in bereits bestehenden Schächten/Stollen
oder anderen geeigneten Hohlräumen
angewendet werden.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass lediglich für
das Einbringen des Oxidationsmittels gesorgt werden muss und ggf.
auf bestehende Hohlräume
zurückgegriffen werden
kann. Auch die Katalysatoren können
ohne weiteres in einer Vielzahl von Anwendungen wiederverwendet
werden.
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Anstatt
reaktive Komponenten wie Fe(II) in den Boden einzuleiten, die dort
etwa als Folge von Fällungsreaktionen
verbleiben und die Wasserwegsamkeit beeinträchtigen können, werden erfindungsgemäß lediglich
die aktiven Komponenten, die bei der katalytischen Umsetzung des
Oxidationsmittels gebildet werden, in den Boden eingeleitet. Dort
reagieren sie rückstandsfrei
ab. Zudem können
ohne weiteres definierte Parameter für die Umsetzung des Oxidationsmittels
im Hohlraum eingestellt werden.
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Die
fluiden Oxidationsmittel müssen
dem Feststoff-Katalysator
nicht unmittelbar, also im gleichen Hohlraum, zugeführt werden.
Es ist auch möglich,
hierzu ggf. andere vorhandene oder zu erstellende Hohlräume auszunutzen
und vorhandene Grundwasserströmungen
zum Transport zum Feststoff-Katalysator auszunutzen.
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Das
Oxidationsmittel kann in reiner Form oder vorzugsweise auch in wässriger
Lösung
verwendet werden. Im Folgenden wird der Einfachheit halber lediglich
der Begriff Oxidationsmittel verwendet. In welcher Zusammensetzung
das Oxidationsmittel verwendet werden kann, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt
und für
die Erfindung von geringerer Bedeutung, solange die katalytische
Umsetzung zu aktiven Komponenten sichergestellt ist.
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Bei
der heterogenen Katalyse des Oxidationsmittels wird dieses vorzugsweise
unter Bildung von radikalischen Verbindungen umgesetzt, die sich durch
eine hohe Reaktivität
auszeichnen und mit einer Vielzahl von Verbindungen reagieren. Insbesondere
werden dabei OH-Radikale
gebildet, die organische Verunreinigungen bis zu den Endprodukten Kohlendioxid
(CO2) und Wasser oxidieren können. Das
Verfahren ist somit besonders geeignet, um organische Verunreinigungen
in situ zu verringern. Außerdem bleiben nach dem Abreagieren der OH-Radikale
keine unerwünschten
Verbindungen im Boden oder im Grundwasser zurück.
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Unter
Umständen
können
bei den Reaktionen der OH-Radikale mit den im Boden vorhandenen Verbindungen
sogenannte Intermediate gebildet werden, die ihrerseits zu einer
Zersetzung organischer Verbindungen beitragen. Bei den Intermediaten
kann es sich teilweise selbst um radikalische Verbindungen handeln.
Durch diese "Verzögerung" kann letztlich die
reinigungsaktive Zone um den wenigstens einen Hohlraum herum vergrößert werden.
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Bevorzugt
wird als Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid eingesetzt, das als
wässrige
Lösung
zugeführt
werden kann. Es können
aber auch Ozon oder Persäuren,
die wiederum organisch oder anorganisch sein können, sowie weitere Oxidationsmittel Verwendung
finden.
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Der
Feststoff-Katalysator kann verschiedene katalytische Komponenten
aufweisen, wobei Nichteisen-Katalysatoren bevorzugt verwendet werden. Lösliche Eisensalze
können
sich so nicht bilden und in den Boden eindringen. Ferner wirkt der
Katalysator vorzugsweise als Katalysator im eigentlichen Sinne, so
dass er sich chemisch bei der Umsetzung des Oxidationsmittels nicht
verändert.
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Als
katalytische Komponenten kommen insbesondere Platin, Palladium,
Irridium, Rhodium, Ruthenium, Mangandioxid, Titanoxid, Wolframoxid und/oder
Legierungen davon in Betracht, die etwa als Katalysatorpellets oder
als Gewebe in ein Gehäuse eingebracht
und dort mit dem Oxidationsmittel beaufschlagt werden. Erst danach
tritt des Oxidationsmittel bzw. die aktiven Komponenten aus dem
Gehäuse aus,
um eine unerwünschte
Verdünnung
des Oxidationsmittels vor der Katalyse zu verhindern.
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Bei
dem zu reinigenden Medium kann es sich um Grundwasser oder die mit
Grundwasser gesättigte
Bodenschicht handeln. Dann reicht der wenigstens eine Hohlraum vorzugsweise
bis hinab in das Grundwasser, wobei der Katalysator bzw. das Katalysatorgehäuse in das
Grundwasser eingetaucht werden kann. Zur Verteilung der aktiven
Komponente in dem zu reinigenden Medium kann dann ferner die Grundwasserströmung ausgenutzt
werden. Gleichzeitig führt
die Grundwasserströmung
ständig
neues, mit Verunreinigungen belastetes Grundwasser zu.
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Bei
dem zu reinigenden Medium kann es sich auch um die Bodenluft oder
eine Bodenzone oberhalb des Grundwasserspiegels handeln. Um dieses
Medium mit den aktiven Komponenten zu erreichen kann das Oxidationsmittel
nach dem Passieren des Katalysators in dem entsprechenden Medium versickert
werden.
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Eine
mögliche
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, zu beiden Seiten des wenigstens
einen Hohlraums Leitelemente senkrecht oder leicht schräg zur Grundwasserströmung in
den Boden einzubringen, so dass der wenigstens eine Hohlraum im Bereich
einer Öffnung
zwischen den Leitelementen angeordnet ist. Das gegen die Leitelemente
strömende
Grundwasser wird gestaut und strömt
gezielt durch die Öffnung
ab. Diese Strömung
wird vorzugsweise durch den wenigstens einen Hohlraum bzw. die reinigungsaktive
Zone um den Hohlraum herum geleitet. Somit kann bereits durch einen
einzigen Hohlraum eine große
Menge Grundwasser in kurzer Zeit gereinigt werden. Ferner kommt
es bei dem Aufstauen vor der Öffnung
zum Auswaschen von Verunreinigungen aus der oberhalb des Grundwassers
liegenden Bodenschicht.
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Alternativ
kann wenigstens ein Teil des die Verunreinigungen aufweisenden Mediums
durch Trennwände
umgeben und somit letztlich eingeschlossen bzw. gegenüber den
umliegenden Bereichen abgetrennt werden. Anschließend kann
dieser eingeschlossene Bereich mit wenigstens verminderten Wechselwirkungen
mit den angrenzenden Bereichen behandelt werden. Bedarfsweise wird
der eingeschlossene Bereich des verunreinigten Mediums wenigstens
teilweise geflutet, was vorzugsweise durch Zuführen des Oxidationsmittels
durchgeführt wird.
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Werden
die Trennwände
so eingesetzt, dass sie wenigstens eine Öffnung zum Abströmen des
innerhalb der Trennwände
aufgestauten Flüssigkeit, bei
der es sich um Grundwasser, Oxidationsmittel und Reaktionsprodukte
in beliebiger Zusammensetzung handeln kann, bietet es sich an, den
wenigstens einen Hohlraum in der Strömung der durch die Öffnung der
Trennwände
abströmenden
Flüssigkeit
vorzusehen. Auch dann wird eine effiziente Verringerung der Verunreinigungen
im Bereich des dort vorgesehenen Hohlraums erreicht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann kontinuierlich aber auch diskontinuierlich durchgeführt werden,
wenn dies etwa zu einer Einsparung an Oxidationsmittel führt. Je
nach Anwendungsfall wird das Verfahren über einen Zeitraum von mehreren
Monaten oder gar Jahren durchgeführt.
Dabei ist es grundsätzlich
bevorzugt, das Redoxpotential der im Hohlraum vorhandenen Flüssigkeit
zu messen. In Abhängigkeit
des Redoxpotentials kann dann die Zufuhr von Oxidationsmittel geregelt
werden.
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Selbst
wenn der Reinigungseffekt des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen kleineren
Bereich um den wenigstens einen Hohlraum herum begrenzt sein sollte,
so werden vorzugsweise durch eine vorhandene oder erzeugte Strömung diesem Bereich
stets weitere Verunreinigungen zugeleitet. Jedenfalls wird durch
das Verfahren aber eine allmähliche
Sanierung eines größeren Areals
erreicht, ohne dass eine Vielzahl von Hohlräumen vorgesehen werden muss,
was zu hohen Kosten führen
würde. Dennoch
können
bei größeren Arealen
mehrere Hohlräume
vorgesehen und wirtschaftlich sein. Dabei können auch verschiedene der
zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens miteinander kombiniert
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch
die Anwendung eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 schematisch
die Anwendung eines zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 schematisch
die Anwendung eines dritten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 schematisch
die Anwendung eines vierten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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5 schematisch
die Anwendung eines fünften
Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist
das Verfahren zur Sanierung des Grundwassers bzw. die gesättigten
Bodenschicht 1 eines in Schnittdarstellung gezeigten Bodengefüges in situ
dargestellt. In die mit Grundwasser gesättigte Bodenschicht 1 reicht
ein Hohlraum 2 hinab. Dieser wurde entweder zunächst ausgehoben
oder war bereits vorhanden. Vorhandene Schächte können grundsätzlich problemlos für das beschriebene
Verfahren verwendet werden. Einerseits stellt das Verfahren keine
besonderen Ansprüche
an einen solchen Hohlraum. Andererseits können die in den Hohlraum einzubringenden
Einrichtungen ohne weiteres an unterschiedliche Hohlraumquerschnitte
angepasst werden.
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Bei
diesen Einrichtungen handelt es sich im Wesentlichen um einen Katalysator 3 und
eine Leitung 4, die oberirdisch an einen Vorratstank 5 angeschlossen
ist. In der Leitung 4 kann eine Pumpe 6 vorgesehen
sein, die ein Oxidationsmittel aus dem Vorratstank 5 zu
dem Katalysator 3 in dem Hohlraum 2 pumpt.
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Es
versteht sich, dass nicht nur das kontinuierliche Zuführen des
Oxidationsmittels aus einem Vorratstank von der Erfindung umfasst
ist, sondern auch ein diskontinuierliches Zuführen. So ist es beispielsweise
möglich,
in regelmäßigen Zeitabständen eine
vorgegebene Menge Oxidationsmittel in einen entsprechenden Hohlraum
einzubringen.
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Der
Katalysator 3 ist in einem Gehäuse 7 angeordnet,
das einen Anschluss für
die Leitung 4 aufweist, über die Oxidationsmittel dem
Gehäuse 7 zugeführt und
anschließend
gezielt mit dem Katalysator 3 in Kontakt gebracht wird.
Anschließend
werden die aktiven Komponenten über
wenigstens eine Öffnung im
Gehäuse 7 nach
außen
in den Hohlraum 2 und von dort in den Boden geleitet. Aufgrund
eines entsprechenden Strömungswiderstands
im Boden ergibt sich im Bereich des Hohlraums 2 eine Pegelüberhöhung 8 die
ggf. in Bodenschichten oberhalb der Grundwasserlinie 9 vorhandene
Verunreinigungen auswäscht.
Eine solche Überhöhung des
Pegels ist aber nicht zwingend.
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In 2 ist
das Verfahren schematisch dargestellt, wie es für die Umsetzung von Verunreinigungen
in der Schicht oberhalb der Grundwasserlinie 9 eingesetzt
werden könnte.
Der Hohlraum 2 ist hier mitsamt dem Katalysator 3 oberhalb
der Grundwasserlinie 9 angeordnet. Von dort versickert
das katalytisch umgesetzte Oxidationsmittel und reagiert mit Verunreinigungen
in dieser Schicht. Später
können noch
weitere Reaktionen im gesättigten
Bereich 1 erfolgen.
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Alternativ
kann der verunreinigte Bereich entsprechend 3 auch ganz
oder abschnittsweise durch Trennwände 10 abgetrennt
und geflutet werden. Vorzugsweise wird dabei der Katalysator 3 unterhalb
der eigentlichen Grundwasserlinie 9 positioniert, um eine
möglichst
gute Rückvermischung
zu erzielen, durch die die weiter oben ausgewaschenen Verunreinigungen
dem Katalysator 3 über
kurz oder lang zugetragen werden.
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Das
in 4 dargestellte Verfahren baut auf dem in 3 dargestellten
Verfahren auf, wobei die Trennwände 10 eine Öffnung 11 in
Form eines Überlaufs
oder dergleichen aufweisen, durch die das gestaute Wasser abströmen kann.
In dem Bereich der Öffnung 11 ist
ein weiterer Hohlraum 2' mit
Katalysator 3' vorgesehen.
Dieser Bereich wird letztlich zwangsdurchströmt, wodurch die Effizienz des
Verfahren erhöht
werden, auch wenn hier zwei Schächte 2, 2' und zwei Katalysatoren 3, 3' nebst entsprechender
Peripherie vorgesehen werden müssen.
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Eine
alternative Möglichkeit,
das Grundwasser zwangsweise an dem hoch reaktiven Bereich rund um
den Hohlraum vorbeizuführen,
besteht darin, Leitelemente 12 strömungstechnisch der Fließrichtung
des Grundwassers angepasst und parallel zum Hohlraum 2 verlaufend
anzuordnen, so dass der Hohlraum 2 im Bereich der verbleibenden Öffnung zwischen
den Leitelementen 12 angeordnet ist. Die Leitelemente 12 können wie
in 5 dargestellt senkrecht zu der üblichen
Grundwasserströmung oder
leicht V-förmig
schräg
gegen diese geneigt angeordnet sein. Im Ergebnis wird das Grundwasser vor
den Leitelementen 12 gestaut und fließt anschließen durch die reaktive Zone
im Bereich des Hohlraums 2, wobei die mitgeführten Verunreinigungen oxidiert
werden.