DE102009055182B4 - Verrieselungsstrippmodul und Verfahren zur Entfernung flüchtiger gelöster Stoffe aus Grundwasserströmen durch anoxisches Vakuumstrippen - Google Patents

Abstract

Verrieselungsstrippmodul zur in-situ Entfernung flüchtiger gelöster Stoffe aus Grundwasserströmen, aufweisend – mehrere in Wasserdurchströmungsrichtung in Reihe geschaltete, vertikal übereinander angeordnete, vakuumdruckfeste Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2), wobei jede Verrieselungskolonne (1.1, 1.2) im Kopfteil eine Wasserverteiler- und Gassammeleinheit (3.1) und im Bodenteil eine Gasverteiler- und Wassersammeleinheit (3.2) aufweist und wobei in den Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) zwischen Kopfteil und Bodenteil Füllkörper (2) angeordnet sind, welche als Quarzkiesschüttung (2) ausgebildet sind, und wobei die Gasverteiler- und Wassersammeleinheit (3.2) als ein Siebboden (3.2-1) zur diskret-quasiflächigen Aufteilung der Gasströme in Teilströme mit Gaseintrittsrohren (3.2-2) und Gaseintrittssieben (3.2-3) zum druckverlustarmen Gaseintrag in die Füllkörperschüttung (2) ausgebildet ist, und – ein Trägergassystem mit einer Vakuumpumpe (7), einem Trägergasreinigungsmodul (8) und einem Trägergasdosiersystem, wobei das Trägergassystem derart vorgesehen ist, dass das gereinigte Trägergas parallel in die Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) einspeisbar ist und dass aus einer Verrieselungskolonne (1.2) austretendes Trägergas in eine vorgeschaltete Verrieselungskolonne (1.1) eingespeist werden kann, und wobei das Trägergas im Kreislauf und im Gegenstrom zum Grundwasser geführt und das Grundwasser anoxisch in den Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) verrieselt werden kann und wobei im Trägergaskreislauf ein mehrstufiges Trägergasreinigungsmodul (8) vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernung flüchtiger gelöster Stoffe aus Grundwasserströmen durch anoxisches Vakuumstrippen mit Konditionierung mittels eines in-situ Verrieselungsstrippmoduls.
• Gattungsgemäße Verfahren dienen der physikalischen anoxischen in-situ Abtrennung von leicht- bis mittelflüchtigen, beispielsweise organischen, Schadstoffen aus Grundwasserströmen in einen Trägergasstrom.
• Einsatzgebiete der Erfindung liegen beispielsweise in der in-situ Durchleitung von Grundwasserströmen, wobei dem Grundwasser die leicht- bis mittelflüchtigen organischen Schadstoffe entzogen werden, ohne dadurch eine Störung weiterer Grundwasserbeschaffenheitsparameter hervorzurufen.
• Im Stand der Technik sind diverse Verfahrensvarianten des Vakuumstrippens und entsprechende Vorrichtungen dazu bekannt.
• Aus der DE 38 42 740 A1 geht ein Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus dem Grundwasser in einem Brunnenschacht hervor, welcher bis in den Bereich des Grundwassers reicht. Das im Brunnen befindliche Grundwasser wird mindestens einmal durch eine unterhalb der Geländeoberkante im Brunnenschacht installierte Einrichtung gepumpt und durch ein Strippverfahren gereinigt. Es handelt sich dabei um ein in-situ Gegenstromstrippverfahren mit Luft als Trägergas. Bei dem Verfahren wird ohne ein hohes Vakuum, jedoch unter Anwesenheit von Luftsauerstoff gearbeitet. Nachteilig ist, dass eine anoxische Verfahrensführung nicht möglich ist und dass über die Höhe der Einrichtung kein effizienter Stoffaustausch erfolgt, da dieser von Entmischungsvorgängen beeinträchtigt wird.
• Weiterhin ist aus der DE 41 38 414 C2 eine Anordnung zum Reinigen von verunreinigtem Grundwasser bekannt, welche einen Grundwasserzirkulationsbrunnen mit Wirbelbettreaktor offenbart.
• Die Anordnung zum Reinigen von verunreinigtem Grundwasser besteht im Wesentlichen aus zwei voneinander entfernten, oberhalb und unterhalb des Grundwasserspiegels angeordneten wasserdurchlässigen Bereichen, die durch eine Wand getrennt, aber mit einem Durchgangskanal verbunden sind. Im unteren Bereich ist eine Filterschüttung vorgesehen, durch die der Grundwasserstrom zirkuliert. Der Nachteil dieser Verfahrensweise besteht darin, dass die Filterschüttung aufwändig ausgewechselt und entsorgt werden muss.
• Weiterhin nachteilig ist, dass die Durchleitung und Reinigung von Grundwässern in in-situ Bauwerken nach dem Stand der Technik im Bereich der Wiedereintrittsfläche in den Grundwasserleiter durch eine Milieuverschiebung, vor allem des Redox- und pH-Milieus, und auch durch eine Verschiebung der Temperatur und durch Präzipitatbildungen, zum Beispiel Eisenhydroxide und -oxyhydrate, Calzit und andere schwerlösliche Karbonate, technisch erschwert oder nicht stabil ausführbar beziehungsweise unwirtschaftlich ist.
• Die Strippverfahren auf der Basis on-site betriebener gepackter Füllkörperstrippkolonnen nutzen die Stoffbeladungskapazität des Gasstromes unvollständig und unwirtschaftlich aus, weil ein relativ großer Gasvolumenstrom mit kurzer Aufenthaltszeit in der Strippkolonne und entsprechend kurzer Kontaktzeit zum zu reinigenden Grundwasser durchgeleitet wird.
• Weiterhin sind nur relativ kurze on-site Kolonnenhöhen typischerweise kleiner als acht Meter und häufig kleiner als fünf Meter realisiert. Diese Parameter sind häufig mit relativ kleinen inneren Oberflächen von weniger als 100 Quadratmeter pro Kubikmeter Kolonnenraum verbunden. Dies führt zu kurzen Kontaktlängen und Kontaktzeiten in Strippkolonnen.
• Strippverfahren auf der Basis on-site betriebener gepackter Füllkörperstrippkolonnen haben den wirtschaftlichen Nachteil, dass eine Anpassung der Füllkörperpackungen an variable Wasservolumenströme mit hohen Investitionskosten verbunden ist und dass der Transferstoffstrom Wasser-Gas der abzureinigenden Wasserinhaltsstoffe durch variable on-site Temperaturbedingungen behindert wird.
• Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht in der Gefahr von Verstopfungen beim anoxischen Strippen von partikelhaltigen Wässern und Bioclogging in Hohlfaser-Membran-Strippanlagen mit hohem Rückspül- beziehungsweise Regenerierungsaufwand für die Strippmodule.
• Den Verfahren nach dem Stand der Technik ist der Nachteil zu eigen, dass eine ausschließliche und effektive Entfernung von leicht- bis mittelflüchtigen organischen Verunreinigungen aus einem Grundwasserstrom unter anoxischen Bedingungen nicht gewährleistet ist.
• Ein besonderer Nachteil der Verfahren nach dem Stand der Technik besteht darin, dass die oxischen Strippverfahren für leicht- bis mittelflüchtige, zumeist organische, Schadstoffe aus Grundwässern eine unökonomische Behandlungstechnologie darstellen, weil sie die Mitbehandlung von nicht reinigungsrelevanten Wasserinhaltsstoffen zwangsläufig beinhalten. Anaerobe/anoxische in-situ Reinigungsverfahren, wie Enhanced Natural Attenuation ENA oder Permeable Reactive Barriers PRB sowie genehmigungsfähige Monitored Natural Attenuation MNA-Prozesse, benötigen anoxische Strippstufen, um deren Robustheit gegen Schwankungen von Stofffrachten und Umsatzkinetik sowie gegen Havarien zu verbessern.
• Ein in der US 2006/0032375 A1 beschriebenes Verrieselungsstrippmodul enthält übereinander angeordnete Füllkörperkolonnen. Dessen Gehäuse umfasst sowohl einen Wassereinlass als auch einen Luftauslass an seinem oberen Umfang. Über den Wassereinlass erfolgt der Zufluss von kontaminiertem Wasser in das Verrieselungsstripmodul. Das Gehäuse umfasst des Weiteren einen Wasserauslass und einen Lufteinlass an seinem unteren Umfang. Der Wasserauslass erlaubt dem gereinigten Wasser, aus dem Innenraum des Verrieselungsstrippmoduls zu entweichen, nachdem die Verunreinigungen entfernt wurden. Der Lufteinlass kann mit einem Kompressor, Ventilator oder Gebläse gekoppelt sein. Idealerweise ist der Kompressor, der Ventilator oder das Gebläse stark genug, um ausreichend Druckluft aufwärts durch das Gehäuse und hinaus durch den Luftauslass zu leiten. Der Kompressor, Ventilator oder das Gebläse kann aber auch stromabwärts angeordnet sein, um Luft zu ziehen. Das Gehäuse enthält darüber hinaus gitterförmige Träger. Ein erstes Paar gitterförmiger Träger ist neben dem oberen Umfang des Gehäuses an einer Stelle leicht unter dem Wassereinlass positioniert. Das zweite Paar der gitterförmigen Träger ist nahe dem unteren Umfang des Gehäuses platziert. In den Trägern vorgesehene Öffnungen sind klein genug, um den Durchgang von größeren Objekten zu verhindern. Dies ermöglicht dem jeweiligen Träger, zur Beibehaltung eines Volumens von Füllkörpern eingesetzt zu werden. Das heißt, ein erstes Volumen der Füllkörper ist zwischen dem ersten Paar von gitterförmigen Trägern positioniert und ein zweites Volumen der Füllkörper ist zwischen dem zweiten Paar von Trägern positioniert. Die Füllkörper sind als Kolonnenmaterial definiert, das den Stoffaustausch zwischen Flüssigkeit und Luft beim Strippen erleichtert. Insbesondere werden Füllkörper verwendet, um Wechselwirkungen zwischen dem verunreinigten Wasser und der durchgeleiteten Luft fördern, damit das Wasser „belüftet” werden kann. Als Füllkörper werden Hohlkugeln vorgeschlagen, die aus Kunststoff, Polyethylen oder Polypropylen hergestellt sind. Diese Kugeln werden durch das verseuchte Wasser besprüht, um die Oberfläche des Wassers zu erhöhen, das mit der Umluft in Kontakt kommt. Dabei haben die Kugeln einen Durchmesser, der eine Packung zwischen den gitterförmigen Trägern ermöglicht, die nicht zu eng ist.
• Die DE 197 12 305 A1 beschreibt einen Rieselentgaser für die Aufbereitung von schadstoffbeladenem Grundwasser. Dabei wird in einer sogenannten Phasenumwandlungsstation das schadstoffbeladene Grundwasser von oben über Düsen auf ein Stripperbett aufgegeben und durchläuft einzelne Füllkörperstufen von oben nach unten im Gegenstrom zu einem Luftstrom. Während dieses Durchlaufs werden die in der wässrigen Phase befindlichen Schadstoffe in die Gasphase überführt. Das Wasser, welches die Füllkörperstufen beziehungsweise -kolonnen durchlaufen hat, sammelt sich im Sumpf des Strippers und wird zur Entfernung einer Restkondensation der Wasserendbehandlungs-Station zugeführt. Die von dem Stripper abgeführte und beladene Luft gelangt in eine durch mindestens einen UV-Excimerstrahler gebildete Bestrahlungsstufe und wird danach in einem Laugenwäscher gewaschen, um insbesondere die durch die fotochemisch behandelte Stripperabluft gebildeten Reaktionsprodukte zu neutralisieren und zu hydrolisieren beziehungsweise nicht flüchtige Spurenstoffe in der Waschlösung anzureichern. Die gereinigte, nunmehr unbeladene Stripperabluft wird wieder dem Stripper zugeführt, also im Kreislauf geführt. In der Phasenumwandlungsstation werden Kunststoff-Füllkörper für die Beladung des Strippers angewandt.
• Aus der DE 295 11 474 U1 ist ein Rieselentgaser mit einem im wesentlichen rotationssymmetrischen Entgaserbehälter bekannt, wobei im Bereich von dessen Entgaserdom ein Überlaufbehälter angeordnet ist. Ein Speisewasserzulauf mündet oben in den Entgaserbehälter, derart, dass das Speisewasser zunächst in den Überlaufbehälter gelangt. Im Scheitelpunkt des Entgaserdomes ist ein aus dem Entgaserbehälter herausführender Brüdenabgang angeordnet. Innerhalb des Entgaserbehälters sind unter dem Oberlaufbehälter mehrere Rieseltassen angeordnet, die rotationssymmetrisch zur Rotationsachse des Entgaserbehälters positioniert sind. Der Tassenboden der jeweiligen Rieseltasse ist gelocht ausgebildet, während der parallel zur Rotationsachse verlaufende Tassenrand keine Löcher aufweist. Innen weist die jeweilige Rieseltasse, konzentrisch zur Rotationsachse, eine Hülse auf, in der eine Dampfleitung geführt ist, die einen waagerechten Abschnitt aufweist, der von Außen in den Entgaserbehälter eingeführt ist, sowie einen senkrechten Abschnitt, der die Rieseltassen trägt. Der senkrechte Abschnitt der Dampfleitung ist mit einer Vielzahl von Löchern versehen. Der Dampfzugang kann sowohl im unteren Bereich des Entgaserbehälters als auch weiter oben angeordnet sein, womit der Dampf sowohl nach oben als auch nach unten in den senkrechten Abschnitt der Dampfleitung verteilt wird. Im unteren Bereich des Entgaserbehälters ist schließlich ein Auslass für das Wasser vorgesehen, der mit einem darunter angeordneten Speisewasserbehälter verbunden ist.
• In der DE 39 15 308 A1 ist eine Füllkörper-Gegenstrom-Strippinganlage beschrieben, die in zwei übereinanderliegende Reinigungsstufen mit voneinander getrennten Desorptionsluftströmungen unterteilt ist. Die obere Reinigungsstufe ist so ausgelegt, dass die Reinigungsleistung über 90% beträgt. Diese Reinigungsleistung wird in einem möglichst geringen Luft-/Wasseraustauschverhältnis erzielt. Eine nahezu vollständige Reinigung wird in der nachgeschalteten zweiten Reinigungsstufe erzielt, die für ein hohes Luft/Wasseraustauschverhältnis ausgelegt ist. Lediglich die Reinigung der Desorptionsluft der ersten Reinigungsstufe muss in einer Abluftreinigungsanlage vorgenommen werden, die vergleichsweise kleine Abmessungen aufweisen kann.
• Aus der US 1 007 647 A sind ein einstufiges Verfahren sowie eine einstufige Vorrichtung zur Reinigung von Wasser, Abwasser und anderen Flüssigkeiten bekannt, bei dem ein Mischbehälter eingesetzt wird, der unter anderem mit einer Quarzkiesschüttung gefüllt sein kann. Bevorzugter Zweck der Vorrichtung ist die Desinfektion und Reinigung des Wasser, Abwassers oder anderer Flüssigkeiten durch Einmischung und vollständiges Lösen von gereinigtem Chlorgas in den zu behandelnden Wasserstrom.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine robuste und weitgehend wartungsarme Vorrichtung und ein effektives Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche eine anoxische Behandlung eines Grundwasserstromes unter Nutzung eines Vakuumstrippverfahrens gewährleisten.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verrieselungsstrippmodul zur in-situ Entfernung flüchtiger gelöster Stoffe aus Grundwasserströmen mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Das Verrieselungsstrippmodul weist mehrere in Wasserdurchströmungsrichtung in Reihe geschaltete, vertikal übereinander angeordnete, vakuumdruckfeste Verrieselungskolonnen auf, wobei jede Verrieselungskolonne im Kopfteil eine Wasserverteiler- und Gassammeleinheit und im Bodenteil eine Gasverteiler- und Wassersammeleinheit aufweist. In den Verrieselungskolonnen zwischen Kopfteil und Bodenteil sind Füllkörper angeordnet, welche als Quarzkiesschüttung ausgebildet sind. Die Gasverteiler- und Wassersammeleinheit ist erfindungsgemäß als ein Siebboden zur diskretquasiflächigen Aufteilung der Gasströme in Teilströme mit Gaseintrittsrohren und Gaseintrittssieben zum druckverlustarmen Gaseintrag in die Füllkörperschüttung ausgebildet. Weiterhin ist ein Trägergassystem mit einer Vakuumpumpe, einem Trägergasreinigungsmodul und einem Trägergasdosiersystem derart vorgesehen, dass das gereinigte Trägergas parallel in die Verrieselungskolonnen einspeisbar ist und dass aus einer Verrieselungskolonne austretendes Trägergas in eine vorgeschaltete Verrieselungskolonne eingespeist wird, wobei das Trägergas im Kreislauf und im Gegenstrom zum Grundwasser geführt wird und das Grundwasser anoxisch in den Verrieselungskolonnen verrieselt wird. Im Trägergaskreislauf ist zur Reinigung des Trägergases erfindungsgemäß ein mehrstufiges Trägergasreinigungsmodul vorgesehen.
• Die spezielle Konstruktion der Gasverteiler- und Wassersammeleinheiten an den Kolonnenböden gewährleistet dabei, dass ein zusammenhängender bzw. zusammengeführter Trägergasstrom an den Kolonnenböden in eine Vielzahl separater, geringerer, in sich zusammenhängender Teil-Volumenströme aufgeteilt wird und diese flächig verteilt in die Füllkörperschüttung eingeführt werden.
• Erfindungsgemäß sind die Verrieselungskolonnen vertikal übereinander angeordnet, sodass für den Grundwasserstrom keine zusätzlichen Pumpen erforderlich sind und das Wasser von einer Verrieselungskolonne in die nachfolgende, durch die Schwerkraft getrieben, strömt.
• Besonders ökonomisch und verfahrenstechnisch vorteilhaft ist es, die Füllkörper der Verrieselungskolonnen erfindungsgemäß als Quarzkiesschüttung auszuführen, wobei überraschenderweise gefunden wurde, dass infolge der geringen Mächtigkeit der Wasserfilme an den Kieskörnern und deren geringer Rieselgeschwindigkeit – laminare Rieselströmung mit langer Kontaktzeit zum Trägergas – eine dem thermodynamischen Gleichgewicht nahe kommende Strippwirkung erzielt wird. Durch die Wahl des Kieses und seiner granulometrischen Parameter kann kolonnenbezogen gezielt eine Beeinflussung der Strömungen von Gas und Wasser erfolgen.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Steuerungs- und Sicherheitsmodul vorgesehen, das Steuersignale der Messsysteme für Wasser- und Gasvolumenströme und Wasser- und Gasdrücke sowie der Messsensorik für die Feuchteverteilung in den Quarzkiespackungen verarbeitet.
• Weiterhin ist im Trägergaskreislauf vorzugsweise eine Trägergasmengenbegrenzungseinheit vorgesehen, welche die im Kreislauf zirkulierende Trägergasmenge reguliert.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, wenn ein Wärmeübertrager in den Betriebswasserkreislauf der Vakuumpumpe und in die Wasserzulaufleitung der Verrieselungskolonnen eingebunden ist. Dadurch wird die Temperatur des Grundwasserzulaufes leicht angehoben, wodurch eine bessere Austreibung der flüchtigen Komponenten beim Strippen ermöglicht wird.
• Bevorzugt ist weiterhin eine Dosiereinrichtung für reaktive Fluide mit statischem Mischermodul an einem Wasserauslass für den Ablaufwasserstrom vorgesehen, mit welcher das in den Grundwasserleiter zurückgeführte Grundwasser durch Zugabe gewünschter Substanzen konditioniert werden kann.
• Es ist ein geschlossenes Vakuumträgergasleitungssystem mit einer Vakuumpumpe vorgesehen. Damit kann ein geringer Verbrauch des sauerstofffreien Trägergases und somit eine wirtschaftliche Betriebsweise bei anoxischen Bedingungen gewährleistet werden.
• Zur Regulierung der Trägergaszusammensetzung sind vorteilhaft eine Frischträgergasdosiereinrichtung mit einer Gasversorgungseinheit sowie ein Trägergasauslass nach dem Gasreinigungssystem vorgesehen.
• Besonders wirtschaftlich und effizient ist, wenn das Verrieselungsstrippmodul zwei in Wasserdurchströmungsrichtung in Reihe geschaltete, vakuumdruckfeste Verrieselungskolonnen aufweist.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Sammel- und Puffermodul für das gereinigte Grundwasser mit automatischer Füllstandskontrolleinheit und integrierter Grundwasserpumpe vorgesehen, welches das Verrieselungsstrippmodul nach unten hin abschließt, wobei die Grundwasserpumpe der anoxischen Förderung des gereinigten Grundwasserstromes aus dem Sammel- und Puffermodul unterhalb der Verrieselungskolonnen und zur Druckerhöhung dient.
• Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Entfernung flüchtiger gelöster Stoffe aus Grundwasserströmen durch anoxisches Vakuumstrippen mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9 gelöst, bei dem Grundwasser mehrere in Reihe geschaltete und unter Vakuum stehende Verrieselungskolonnen durchströmt, wobei
• – eine Vakuum-Selbstansaugung des zu reinigenden Grundwasserstroms in den Kopfraum der obersten, unter Vakuumdruck stehenden Verrieselungskolonne erfolgt und das Grundwasser im Gegenstrom zu einem Trägergas in einer Wasserverteiler- und Gassammeleinheit am Kolonnenkopf diskret-quasiflächig verteilt und über als Quarzkiesschüttung ausgebildeten Füllkörpern verrieselt und anschließend in einer Gasverteiler- und Wassersammeleinheit, die als ein Siebboden zur diskret-quasiflächigen Aufteilung der Gasströme in Teilströme mit Gaseintrittsrohren und Gaseintrittssieben einen druckverlustarmen Gaseintrag in die Füllkörperschüttung bewirkt, am Kolonnenboden gesammelt wird, wobei durch die vertikale Anordnung der Verrieselungskolonnen ein kontinuierlich abwärts gerichteter Dünnfilm-Kapillarporen-Rieselstrom und ein kontinuierlich aufwärts gerichteter Trägergas-Kapillarporenstrom erzeugt werden,
• – das gereinigte Trägergas in Teilströmen parallel den Verrieselungskolonnen am Kolonnenboden zugeführt wird und das beladene Trägergas am Kolonnenkopf abgezogen und der in Grundwasserströmungsrichtung vorgeschalteten Verrieselungskolonne am Kolonnenboden mit einem gereinigten Trägergas-Teilstrom zugeführt wird,
• – das beladene Trägergas aus der ersten Verrieselungskolonne abgesaugt und nachfolgend in mehreren Reinigungsstufen aufbereitet und anschließend den Verrieselungskolonnen über die Gasverteiler- und Wassersammeleinheit im Kreislauf wieder zugeführt wird.
• Es hat sich gezeigt, dass das Vakuum in den Verrieselungskolonnen bevorzugt zwischen 10 kPa und 40 kPa gehalten wird. Die Grundwasservolumenstromdichte liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1 bis 10 m³ _W/(m^2*h).
• Das Grenzfläche-Wasservolumenverhältnis ist bevorzugt größer als 500 m²/m³ _W, so dass die Trägergas-Wasser-Kontaktzeit in den Verrieselungskolonnen bevorzugt mehr als zehn Minuten beträgt.
• Die Konzeption der Erfindung ist durch die folgenden Aspekte gekennzeichnet:
• – mehrstufige Wasserstromführung der Grundwasserreinigung im Reihenbetrieb der Verrieselungskolonnen als kohärent-laminarer, kontinuierlich abwärtsgerichteter Dünnfilm-Kapillarporen-Rieselstrom, wobei ein Wasserpumpenaggregat zur Abförderung des gereinigten Wassers aus einem im Kolonnensumpf angeordneten Sammel- und Puffermodul zur Druckerhöhung und Durchleitung beziehungsweise Reinfiltration des Grundwasserstromes eingesetzt wird,
• – Vakuum-Selbstansaugung des zu reinigenden Grundwasserstromes aus dem Entnahmebrunnen beziehungsweise -schachtbauwerk in den Kopfraum der obersten unter Vakuumdruck stehenden Verrieselungskolonne,
• – mehrstufige Trägergas-Gegenstromführung im Reihenbetrieb der Verrieselungskolonnen als kohärenter, kontinuierlich aufwärtsgerichteter Trägergas-Kapillarporenstrom, wobei an den Gasverteilungseinheiten der Kolonnen je ein Trägergas-Teilstrom zudosiert wird,
• – Verbesserung der Trägergasausnutzung zur Schadstoffabtrennung durch Vakuum-Druckregelung des Trägergasstromes (typischer Bereich: 10 bis 40 kPa) bei Vermeidung von Verdampfen des Wasserstromes; die Trägergas-Teilströme werden von der untersten zur obersten Kolonne akkumuliert, sodass das ungereinigte Grundwasser in der obersten Kolonne mit dem größten Gas-Gegenstrom in Kontakt gebracht wird; der Trägergas-Gesamtstrom wird dabei von nur einem Vakuum-Gaspumpenaggregat, zusammengefasst am Kopfraum der obersten Verrieselungskolonne, abgesaugt, von Schadstoffen gereinigt und im geschlossenen Gaskreislauf der Dosierung in die Kolonnen erneut verteilt zugeführt,
• – lange Kontaktzeiten Gas-Wasser (typisch: > 10 Minuten) je Kolonne bei Erzeugung großer innerer Benetzungs- und Grenzflächen Gas-Wasser (typisch: > 500 m²/m³ _Raum) im Dünnfilm-Gegenstrom für einen vollständigen Schadstoffübergang (bis zum Verteilungsgleichgewicht Wasser-Gas) und eine hohe Schadstoff-Stromdichte in das Trägergas über permanente Gas-Wasser-Grenzflächen,
• – variabel steuerbare Wasservolumenstromdichten (typischer Bereich: 1,0 bis 10 m³ _W/(m^2*h)) durch die Reinigungsanlage im kontinuierlichen Durchlaufbetrieb zur Anpassung an variable Grundwasser-Zulaufströme; die Steuerung der Wasservolumenströme erfolgt mittels der Höhe des angelegten Vakuumdruckes und magnetventilgesteuerter Drosselung des Zulauf-Wasserstromes,
• – variabel steuerbare Trägergasvolumenstromdichten (typischer Bereich: 10 bis 200 Nm³ _G/(m^2*h)) durch die Reinigungsanlage im kontinuierlichen Durchlaufbetrieb zur Einstellung eines kleinen, hinreichenden Volumenstromverhältnisses Gas-Wasser (typisch: V_G:V_W = 5:1 bis 20:1) für die Schadstoffabtrennung aus dem Grundwasserstrom und eine nachfolgende wirtschaftliche Reinigung des hoch mit Schadstoffen beladenen Trägergasstromes (typisch: > 0,1 mol_Schadstoff/Nm³ _G); der Kreislaufbetrieb sichert einen kleinen Trägergas-Verbrauch (typisch: < 1,0 Nm³ _G/m³ _W) und verhindert eine Abtrennung gelöster leichtflüchtiger, aber nicht reinigungsrelevanter Wasserinhaltsstoffe, wie zum Beispiel Kohlendioxid,
• – vollständig anoxische Prozessführung der Grundwasserreinigung von der Entnahme über die Reinigungsanlage bis zur Reinfiltration in den anoxischen Grundwasserleiter beziehungsweise bis zur Durchleitung an eine nachfolgende anoxische Wasserreinigungsstufe durch Einsatz eines anoxischen Trägergasgemisches (zum Beispiel Stickstoff und Kohlendioxid) im Trägergaskreislauf zur Schadstoffabtrennung und Einsatz von anoxisch betriebenen Entnahme- und Infiltrationsbrunnen beziehungsweise -schächten für den Grundwasserstrom,
• – Verbesserung der Schadstoffabtrennung durch Einstellung günstiger Schadstoffverteilungskennwerte Wasser-Gas (temperaturabhängige Henry-Koeffizienten) mittels Erwärmung des Grundwasserstromes mit einem Wärmeübertrager unter Nutzung der Abwärme des Gaspumpenaggregates aus dessen separatem, geschlossenem Betriebswasserkreislauf,
• – Konditionierung des hydrochemischen Milieus der Wässer (zum Beispiel pH-Wert, Redox-Milieu) während der Grundwasserreinigung zur Vermeidung einer Verstopfungsgefahr in den Verrieselungskolonnen, besonders in den Verteiler- und Sammeleinheiten, und zur Verbesserung der Schadstoffabtrennung durch Einstellung günstiger Schadstoffverteilungskennwerte Wasser-Gas (milieuabhängige Henry-Koeffizienten); hierfür werden gasförmige Konditionierungsstoffe in den Kolonnen in den Wasserstrom homogen eingemischt beziehungsweise aus diesem entfernt (zum Beispiel Partialdrucksteuerung für Atmosphärengase wie Stickstoff und Kohlendioxid, Steuerung der Gesamt-Gassättigung durch variablen Vakuumdruck in den Kolonnen, Steuerung des pH-Wertes),
• – Konditionierung des hydrochemischen Milieus der Wässer nach der Grundwasserreinigung vor einer Reinfiltration in den Grundwasserleiter beziehungsweise vor einer Durchleitung an eine nachfolgende Wasserreinigungsstufe zur Vermeidung einer Beeinflussung oder zur Erzielung einer gewünschten Beeinflussung des hydrochemischen Milieus eines in-situ Grundwasserstromes und zur Vermeidung einer Verstopfungsgefahr im anoxischen Infiltrationsbrunnen durch Feststoffausfällung und Porenverblockung infolge Entgasung gelöster Gase oder Biomassewachstum; hierfür werden flüssige und gasförmige Konditionierungsstoffe in beziehungsweise nach der letzten Kolonne in den Ablaufwasserstrom homogen eingemischt (zum Beispiel Partialdrucksteuerung für Atmosphärengase wie Stickstoff und Kohlendioxid, Steuerung der Gesamt-Gassättigung durch variablen Vakuumdruck, Steuerung des pH-Wertes mit Protonenakzeptoren oder -donatoren (Pufferstoffen), Steuerung der Konzentration anoxischer Elektronenakzeptoren oder -donatoren).
• Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ausschließlich reinigungsrelevante Schadstoffe dem Grundwasserstrom entzogen werden. Damit wird eine aufwändige und unwirtschaftliche Mitbehandlung von nicht reinigungsrelevanten Wasserinhaltsstoffen vermieden.
• Von Vorteil ist weiterhin, dass der Trägergasstrom kostengünstig on-site gereinigt wird, währenddessen das Grundwasser in-situ behandelt wird.
• Weitere Vorteile der Erfindung und damit in Verbindung stehende bevorzugte Einsatzgebiete sind nachfolgend aufgeführt:
• – bevorzugter Einsatz für eine in-situ Durchleitung von Grundwasserströmen, bei der das laminare Grundwasserströmungsregime in der Reinigungsanlage weitgehend erhalten bleibt,
• – bevorzugter Einsatz als Reinigungsstufe eines mehrstufigen anoxischen in-situ Wasserbehandlungsverfahrens für mit leicht- bis mittelflüchtigen (zum Beispiel organischen) Schadstoffen geschädigte Grundwässer, um dadurch eine wirtschaftlichere Auslegung und Fahrweise nachfolgender Reinigungsstufen zu gewährleisten,
• – bevorzugter Einsatz bei mittleren bis hohen Schadstofffrachten im Grundwasserstrom (typisch > 0,01 kg_Schadstoff/h) und hohen Frachten von nicht reinigungsrelevanten Wasserinhaltsstoffen wie Eisen und Mangan (typisch > 0,1 kg_Fe,Mn/h), die bei oxischer Prozessführung ausfällungsgefährdet und so zwangsläufig mitzubehandeln sind,
• – bevorzugter Einsatz bei mittleren bis hohen Schadstoffkonzentrationen im Grundwasserstrom (typisch > 1,0 g_Schadstoff/m³ _Wasser) und hohen Konzentrationen von nicht reinigungsrelevanten Wasserinhaltsstoffen wie Eisen und Mangan (typisch > 10 g_Fe,Mn/m³ _Wasser), die bei oxischer Prozessführung zwangsläufig mitzubehandeln sind,
• – bevorzugter Einsatz bei mittleren bis hohen Schadstoffkonzentrationen im Grundwasserstrom (typisch > 1,0 g_Schadstoff/m³ _Wasser) und hohen Konzentrationen von nicht reinigungsrelevanten Wasserinhaltsstoffen wie Karbonaten und Hydrogenkarbonaten (typisch > 0,1 kg_CO3,HCO3/m³ _Wasser), die bei einer Prozessführung mit Verschiebung des pH-Milieus ausfällungsgefährdet und so zwangsläufig mitzubehandeln sind,
• – Einsatz zur anoxischen Abreinigung der in einen Trägergasstrom überführten Schadstoffe mittels sorptiver oder anoxischer katalytischer Gasreinigungsstufen,
• – Einsatz bei ökonomisch sinnvoller Mehrfachnutzung eines anoxischen Trägergases durch Rezirkulation in einem geschlossenen Trägergaskreislauf,
• – Einsatz zur Erzielung hoher Schadstoffkonzentrationen in einem Trägergasstrom für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Trägergasreinigung, zum Beispiel als energie-autarke Katalysestufe,
• – bevorzugter Einsatz als stationäre In-Schacht-Säulenanlage in Segmentbauweise (typische Gesamtlänge > 10 m und typischer Innendurchmesser > 0,4 m),
• – bevorzugter Einsatz in anoxisch betriebenen Entnahme-, Durchleite- oder Infiltrationsschachtbauwerken oder Brunnen als Bestandteil einer modularen in-situ Reinigungswand-Technologie mit gelenktem Grundwasserstrom (funnel&gate oder drain&gate), zum Beispiel in Kollektor- und Distributorbauwerken,
• – Einsatz als langfristig und kontinuierlich betriebene Reinigungsanlage (Betriebsdauer typisch > 24 Monate),
• – Einsatz als permanent und kontinuierlich betriebene Reinigungsanlage (Betriebsdauer typisch > 24 Monate) für eine genehmigungsrechtliche Absicherung der Nachsorgephase beim Umgang mit Standorten mit Altlasten und Altstandorten nach dem Wasser-, Bodenschutz- oder Bergrecht (zum Beispiel zur Absicherung von MNA-Anwendungen).
• Zusammengefasst lassen sich somit folgende Vorteile der Erfindung darstellen:
• – Entzug von ausschließlich reinigungsrelevanten Schadstoffen aus dem Grundwasserstrom während der in-situ Grundwasserreinigung,
• – Vermeidung einer Veränderung des laminaren Grundwasserströmungsregimes während der in-situ Grundwasserreinigung,
• – Vermeidung einer unwirtschaftlichen Mitbehandlung nicht reinigungsrelevanter Wasserinhaltsstoffe,
• – Vermeidung einer ungünstigen Veränderung eines anoxischen hydrochemischen Milieus im Grundwasserstrom während einer in-situ Grundwasserreinigung (zum Beispiel zur Minimierung der Inanspruchnahme der Ressource Grundwasser oder zur nachfolgenden Nutzung der natürlichen Selbstreinigungskräfte im Grundwasserleiter – MNA),
• – Erzeugung einer günstigen Veränderung eines anoxischen hydrochemischen Milieus im Grundwasserstrom (zum Beispiel zur Stimulierung der natürlichen Selbstreinigungskräfte im Grundwasserleiter – ENA),
• – Verbesserung der Standzeit, Infiltrationsleistung und Betriebssicherheit von Infiltrationsbrunnen beziehungsweise Distributorbauwerken für die Durchleitung der in-situ gereinigten Grundwasserströme durch Vermeidung von Porenverblockung durch Gas- oder Bioclogging im filternahen Brunnenumfeld sowie Vermeidung von Brunnenversinterung und -verockerung,
• – Erhöhung der notwendigen Kontaktzeit und Kontaktfläche Wasser-Gas für eine Erhöhung der Schadstoffabtrennungsleistung aus einem Grundwasserstrom je Längeneinheit Kolonnenhöhe,
• – Verringerung der notwendigen Trägergasmenge für eine bestimmte erforderliche Schadstoffabtrennung aus einem Grundwasserstrom,
• – Vermeidung geringer Schadstoffkonzentrationen in einem Trägergasstrom, die eine unwirtschaftliche Trägergasreinigung hervorrufen, zum Beispiel eine nicht energie-autark betriebene Katalysestufe.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
• 1: Prinzipschema des in-situ Verrieselungsstrippmoduls,
• 2: Detail einer Verrieselungskolonne und
• 3: Detail der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit einer Verrieselungskolonne.
• Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht das Verrieselungsstrippmodul 1 zur Entfernung flüchtiger gelöster Stoffe aus Grundwasserströmen gemäß 1 aus zwei in Reihe geschalteten, mit einer Quarzkiesschüttung 2 befüllten und unter Vakuumdruck stehenden Verrieselungskolonnen 1.1, 1.2 zur Abtrennung flüchtiger Schadstoffe aus einem schadstoffbelasteten Grundwasserstrom in einen Trägergasstrom, wobei das in-situ Verrieselungsstrippmodul 1 in einem Brunnen-/Schichtbauwerk 22 integriert ist.
• Weiterhin ist in jeder Verrieselungskolonne 1.1, 1.2 eine Wasserverteiler- und Gassammeleinheit 3.1 und eine Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 vorgesehen, wobei im Kopfteil der Verrieselungskolonne 1.1, 1.2 der Flüssigkeitsstrom flächig über den Kolonnenquerschnitt verteilt und der Gasstrom konzentriert gesammelt sowie im Fußteil der Gasstrom flächig über den Kolonnenquerschnitt verteilt und der Flüssigkeitsstrom konzentriert gesammelt werden.
• Nach unten wird das Verrieselungsstrippmodul 1 durch ein Sammel- und Puffermodul 4 für das gereinigte Grundwasser mit automatischer Füllstandskontrolleinheit und integrierter Grundwasserpumpe 5 abgeschlossen. Die Grundwasserpumpe 5 dient der anoxischen Förderung des gereinigten Grundwasserstromes aus dem Sammel- und Puffermodul 4 unterhalb der Verrieselungskolonnen 1.1, 1.2 und zur Druckerhöhung.
• Ein Vakuum-Wasserhebereglerventil 6 ist zur anoxischen Förderung eines mit leichtflüchtigen Schadstoffen beladenen Grundwasserstromes aus einem anoxisch betriebenen Entnahmebrunnen und zur Beaufschlagung der obersten Flüssigkeitsverteilereinheit der Verrieselungskolonnen mit dem zu reinigenden Grundwasserstrom vorgesehen.
• Eine Vakuumpumpe 7 mit separatem geschlossenem Betriebswasserkreislauf ist zur Vakuumerzeugung und Absaugung des Gesamt-Trägergasstromes am Kopfraum der obersten Verrieselungskolonne 1.1 sowie zur Förderung des Gesamt-Trägergasstromes zum Trägergasreinigungsmodul 8 vorgesehen. Das mehrstufige Trägergasreinigungsmodul 8 besteht aus einer Wasserabscheideeinheit 8.1 und einer mehrstufigen Schadstoffabreinigungseinheit 8.2.
• Die parallel geschalteten Trägergaskolonnendosiereinheiten 9.1 dienen der Wiederverteilung des gereinigten Trägergasstromes im geschlossenen Trägergaskreislauf und sind vor der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 angeordnet. Das Trägergasdosiersystem wird komplettiert von einer Trägergasmengenbegrenzungseinheit 9.2 sowie einer Frischträgergasdosiereinrichtung 9.3 mit Gasversorgungseinheit 10 zur Zuführung von frischem Trägergas. Über den Trägergasauslass 17 wird verbrauchtes Trägergas aus dem Trägergaskreislauf ausgeschleust.
• Ein Wärmeübertrager 11 koppelt thermisch den Betriebswasserkreislauf der Vakuumpumpe 7 mit der Grundwasserzulaufleitung. Dadurch wird das in das Verrieselungsstrippmodul 1 eingeführte Grundwasser leicht erwärmt, was das Strippen der flüchtigen Komponenten aus dem Grundwasser erleichtert.
• Das Wasserleitungssystem ist druck- und vakuumbelastbar ausgeführt und besteht aus Wasserzulaufleitung 12.1 und Wasserablaufleitung 12.2.
• Eine Dosiereinrichtung für reaktive Fluide 13 und ein statisches Mischermodul 14 sind vor dem Wasserauslass 15 zur Konditionierung des gereinigten Grundwassers vor dem Eintritt in den Grundwasserleiter vorgesehen.
• Das Vakuumträgergasleitungssystem 16 bildet einen geschlossenen, vakuumbelastbaren Kreislauf.
• Weiterhin ist ein Messsystem 18 für Volumen und Druck von Wasser und Gas vorgesehen und in das Steuerungs- und Sicherheitsmodul, die Wasserstromkreislaufregelungseinheit und die SPS-Steuerung 20 integriert.
• Zusätzlich ist ein Feuchteverteilungsmesssystem 19 mit einer Messsensorik für die Feuchteverteilung in den Quarzkiespackungen 2 vorgesehen.
• Ein stoffmengenerhaltendes Vakuum-Probenahmesystem 21 mit Steuereinheit zur druckangepassten Probenüberführung an ein Labor-Analysengerät ist für die diskrete Überwachung der Wasser- und Gas-Schadstofffrachten in das Gesamtsystem implementiert.
• In 2 ist ein Ausschnitt aus dem Verrieselungsstrippmodul 1 dargestellt, wobei die vertikal untereinander angeordneten Verrieselungskolonnen 1.1 und 1.2 mit der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 und der sich abwärts anschließenden Wasserverteiler- und Gassammeleinheit 3.1 gegenüberliegen.
• Die Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 der ersten Verrieselungskolonne 1.1 ist in 3 als Auszug detaillierter dargestellt. Im Bereich der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 ist die Füllkörperschüttung in zwei Kapillarzonen 2.1, 2.2 unterteilt. Im oberen Bereich ist die Gas-Wasser-Kapillarzone 2.1 und nach unten schließt sich die geschlossene Wasser-Kapillarzone 2.2 an und zwischen den Zonen verläuft die Kapillarzonengrenzlinie 2.3. Nach unten wird die Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 durch den Siebboden 3.2-1 begrenzt, der die flächigen Gas- und Wasserströme mittels geeigneter Öffnungen in diskret-quasiflächige Gas- und Wasserteilströme aufteilt. Die Gas-Teilströme werden mittels der Gaseintrittsrohre 3.2-2 über die Oberkante einer geschlossenen Wasser-Kapillarzone 2.2 in die Füllkörperschüttung 2 geleitet und an einem Gaseintrittssieb 3.2-3 in die Gas-Wasser-Kapillarzone 2.1 der Füllkörperschüttung 2 druckverlustarm eingetragen, wohingegen das Wasser aus der geschlossenen Wasser-Kapillarzone 2.2 über den Siebboden r aus der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 ausgetragen wird.
• Das Verfahren zur Reinigung des Grundwasserstromes läuft in folgender Weise ab:
  Mittels des Vakuum-Wasserhebereglerventils 6 erfolgt die dosierte Förderung eines mit leichtflüchtigen Schadstoffen beladenen Grundwasserstromes in einem nicht dargestellten anoxisch betriebenen Entnahmebrunnen beziehungsweise einem Entnahmeschachtbauwerk durch die Wasserzulaufleitung 12.1 bis in den Kopfraum der obersten Verrieselungskolonne 1.1. Die Höhendifferenz zwischen der Lageposition des Brunnenwasserspiegels und dem oberhalb befindlichen Kolonnenkopfraum beträgt dabei max. 6 bis 7 m. An der dortigen Wasserverteiler- und Gassammeleinheit 3.1 erfolgt eine Beaufschlagung der obersten Verrieselungskolonne 1.1 mit dem zu reinigenden Grundwasserstrom, welcher flächig über den Kolonnenquerschnitt verteilt wird. In der Kolonne rieselt das Grundwasser als kohärent-laminarer, kontinuierlich abwärtsgerichteter Dünnfilm-Kapillarporen-Wasserstrom gravitationsgetrieben durch die Quarzkiesschüttung 2. In der Kiesschüttung erfolgt aus dem kontinuierlichen Wasser-Rieselstrom über permanente große innere Gas-Wasser-Grenzflächen im Dünnfilm-Gegenstrom ein vollständiger Schadstoffübergang mit einer hohen Schadstoff-Stromdichte in das Trägergas. An der Unterkante der obersten Verrieselungskolonne wird mittels der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 der flächig aus der Kiesschüttung austretende Grundwasserstrom gesammelt und konzentriert der nachfolgenden Verrieselungskolonne 1.2 zugeleitet.
• In mindestens einer weiteren, in Reihe geschalteten Verrieselungskolonne 1.2 erfolgt die erneute flächige Verteilung des Grundwasserstromes am Kolonnenkopf, die gravitationsgetriebene kontinuierliche Verrieselung über die Kiesschüttungslänge mit Schadstoffabreinigung in den Trägergas-Gegenstrom und die Sammlung des flächig austretenden Grundwasserstromes. Am Kolonnensumpf der letzten und untersten Verrieselungskolonne wird der konzentrierte gereinigte Grundwasserstrom in das als Sumpfmodul zuunterst der Verrieselungskolonnen montierte Sammel- und Puffermodul 4 geleitet. In diesem wird der Ablaufwasserstrom gesammelt und durch Aufstau der Wasserdruck am integrierten Wasserförderaggregat 5 hinreichend erhöht, um eine kontinuierliche und wirtschaftliche Förderung des gereinigten Grundwassers durch die Wasserablaufleitung 12.2 an einen Infiltrationsbrunnen beziehungsweise -schacht oder eine Durchleitung an eine nachfolgende anoxische Wasserreinigungsstufe zu gewährleisten. Eine automatische Füllstandskontrolleinheit überwacht die hinreichende Druckerhöhung im Sammel- und Puffermodul 4.
• Der gesamte Kreislaufträgergasstrom wird mittels der Vakuumpumpe 7 am Kopfraum der ersten obersten Verrieselungskolonne 1.1 abgesaugt, wobei die gesamte Verrieselungskolonnen-Kaskade inklusive des Sammel- und Puffermoduls 4 mit Vakuum beaufschlagt wird. Der Kreislaufträgergasstrom wird druckseitig des Vakuumförderaggregates mittels des Vakuumträgergasleitungssystems 16 zum mehrstufigen Trägergasreinigungsmodul 8 geleitet. Dort werden dem Trägergasstrom in einer Wasserabscheideeinheit 8.1 Prozesswasseranteile sowie in anoxischen sorptiven oder katalytischen Schadstoffabreinigungseinheiten 8.2 selektiv die reinigungsrelevanten Schadstoffe entzogen. Der gereinigte Gesamt-Trägergasstrom wird mittels parallel geschalteter Trägergaskolonnendosiereinheiten 9.1 in parallele Kreislaufträgergas-Teilströme aufgeteilt und jeweils an den Sumpfräumen der Verrieselungskolonnen 1.1, 1.2 über die Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 als Trägergas-Gegenstrom flächig in die Kiesschüttungen eingetragen. Aus dem gereinigten Gesamt-Trägergasstrom wird nach dem Trägergasreinigungsmodul 8, gesteuert vom Messsystem 18 für Volumen und Druck von Wasser und Gas, an der Trägergasmengenbegrenzungseinheit 9.2 ein verbrauchter Teil-Gasstrom am Trägergasauslass 17 aus dem Verrieselungsstrippmodul 1 ausgeleitet. Gleichzeitig wird Frisch-Trägergas von der Gasversorgungseinheit 10 in gleicher Menge an der Frischträgergasdosiereinrichtung 9.3 in das Vakuumträgergasleitungssystem 16 eingemischt.
• Der Trägergas-Gegenstrom wird in den Verrieselungskolonnen 1.1, 1.2 mittels des angelegten Vakuumdruckes aufrechterhalten. Der Trägergas-Gegenstrom der letzten und untersten Verrieselungskolonne 1.2 wird im Kopfraum der Kolonne mittels der Wasserverteiler- und Gassammeleinheit 3.1 gesammelt und konzentriert unter Einmischung des Trägergas-Teilstromes für die vorletzte Kolonne 1.1 an den Sumpfraum dieser Kolonne 1.1 geleitet. Dort erfolgt mittels der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 erneut der flächige Eintrag des kumulierten Trägergasstromes. Somit wird der Trägergas-volumenstrom in den Kiesschüttungen 2 der Verrieselungskolonnen 1.1, 1.2 von der untersten zur obersten Kolonne stufenweise erhöht.
• Dem separaten, geschlossenen Betriebswasserkreislauf der Vakuumpumpe 7 wird Abwärme der Vakuumpumpe 7 entzogen und mittels Wärmeübertrager 11, der in die Wasserzuleitung der obersten Verrieselungskolonne 1.1 eingebunden ist, an den Grundwasserstrom übertragen.
• Der automatisierte und gefahrenfreie Betrieb des in-situ Verrieselungsstrippmoduls 1 wird mittels des Steuerungs- und Sicherheitsmoduls 20 gewährleistet, das Steuersignale der Messsysteme 18 für Volumen und Druck von Wasser und Gas sowie der Messsensorik für die Feuchteverteilung 19 in den Quarzkiespackungen 2 verarbeitet. Die zeitlich und örtlich diskrete Entnahme von Proben zur Überwachung der Stoffzusammensetzung der Wasser- und Trägergasströme erfolgt mittels des stoffmengenerhaltenden Vakuum-Probenahmesystems 21 mit Steuereinheit. Dieses gewährleistet die druckangepasste Probenüberführung an zur Stoffanalyse geeignete Labor-Analysengeräte.
• Eine Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird nachfolgend exemplarisch anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels angegeben.
• Mittels eines DN 50-Vakuum-Wasserhebereglerventils 6 erfolgt bei einem Vakuum in der obersten Kolonne von p_G = 20 kPa die dosierte Förderung des mit Monochlorbenzen (10 mg/l) und gelöstem Fe-II (50 mg/l) beladenen Grundwasserstromes von 1 m³ _W/h mit einem pH-Wert von 6,8 aus einem anoxisch betriebenen Horizontalfilterstrang eines nicht dargestellten Entnahmeschachtbauwerkes, welches eine Teufe von 25 m und einen Durchmesser von 3,0 m aufweist, durch die Wasserzulaufleitung 12.1 bis in den Kopfraum der obersten DN 400-Verrieselungskolonne 1.1. Die Höhendifferenz zwischen der Lageposition des Druckwasserspiegels im Horizontalfilterstrang und dem oberhalb befindlichen Kolonnenkopfraum beträgt dabei max. 6 bis 7 m. An der dortigen Wasserverteiler- und Gassammeleinheit 3.1 erfolgt eine Beaufschlagung der obersten Verrieselungskolonne 1.1 mit dem zu reinigenden Grundwasserstrom, welcher flächig über den Kolonnenquerschnitt verteilt wird. In der Kolonne 1.1 rieselt das Grundwasser als kohärent-laminarer, kontinuierlich abwärtsgerichteter Dünnfilm-Kapillarporen-Wasserstrom gravitationsgetrieben mit einer Aufenthaltsdauer von ca. 10 Minuten durch die Quarzkiesschüttung 2. In der Kiesschüttung 2 erfolgt aus dem kontinuierlichen Wasser-Rieselstrom über permanente große innere Gas-Wasser-Grenzflächen im Dünnfilm-Gegenstrom ein vollständiger Schadstoffübergang mit einer hohen Schadstoffstromdichte in das Trägergas. An der Unterkante der obersten Verrieselungskolonne 1.1 wird mittels der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 der flächig aus der Kiesschüttung 2 austretende Grundwasserstrom gesammelt und konzentriert der zweiten Verrieselungskolonne 1.2 zugeleitet.
• In einer zweiten und gegebenenfalls dritten in Reihe geschalteten DN 400-Verrieselungskolonne erfolgt die erneute flächige Verteilung des Grundwasserstromes am Kolonnenkopf, die gravitationsgetriebene kontinuierliche Verrieselung über die Kiesschüttungslänge mit Schadstoffabreinigung in den Trägergas-Gegenstrom und die Sammlung des flächig austretenden Grundwasserstromes. Die Verrieselungskolonnen 1.1, 1.2 sind übereinander angeordnet, sodass zwischen den Verrieselungskolonnen 1.1, 1.2 keine zusätzliche Pumpe für den Grundwasserstrom erforderlich ist und das Grundwasser gravitationsgetrieben aus dem Kolonnensumpf der oberen Kolonne in den Kolonnenkopf der darunterliegenden Kolonne gelangt. Am Kolonnensumpf der untersten Verrieselungskolonne, im dargestellten Ausführungsbeispiel der Verrieselungskolonne 1.2, wird der konzentrierte gereinigte Grundwasserstrom in das als Sumpfmodul zuunterst der Verrieselungskolonne 1.2 montierte Sammel- und Puffermodul 4 geleitet. In diesem wird der Ablaufwasserstrom gesammelt und durch ca. 3 m Aufstau der Wasserdruck am integrierten frequenzgeregelten 2 kW-Wasserförderaggregat 5 hinreichend erhöht, um eine kontinuierliche und wirtschaftliche Förderung des gereinigten Grundwassers mit einer Stoffbeladung von 20 μg/l Monochlorbenzen und 50 mg/l Fe-II sowie einem pH-Wert von 6,8 durch die DN 50-Wasserablaufleitung 12.2 an einen zur anoxischen Infiltration bestimmten Horizontalfilterstrang zu gewährleisten.
• Eine Einspeisung und Einmischung reaktiver Flüssigkeiten zur Konditionierung des hydrochemischen Milieus des Ablaufwasserstroms erfolgt im beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht, die technischen Möglichkeiten, wie Dosiereinrichtung für reaktive Fluide 13 und statisches Mischermodul 14, sind aber zur alternativen Konditionierung des austretenden Grundwasserstromes bevorzugt im Verrieselungsstrippmodul 1 vorgesehen. Eine automatische Füllstandskontrolleinheit überwacht die hinreichende Druckerhöhung im Sammel- und Puffermodul 4.
• Der Kreislaufträgergasstrom von 10 Nm³ _G/h, bestehend aus 95% N₂-Gas und 5% CO₂-Gas, wird als Gesamt-Gasstrom mittels einer 2 kW-Trägergas-Vakuumpumpe 7 am Kopfraum der ersten und obersten Verrieselungskolonne 1.1 abgesaugt, wobei das gesamte Verrieselungsstrippmodul 1 inkl. des Sammel- und Puffermoduls 4 mit dem Vakuumdruck p_G = 20 kPa beaufschlagt wird. Der Kreislaufträgergasstrom wird druckseitig der Vakuumpumpe 7 mittels eines DN 25-Vakuumträgergasleitungssystems 16 zum mehrstufigen Trägergasreinigungsmodul 8 geleitet. Dort wird dem Trägergasstrom nach einer Wasserabscheidestufe mittels der Wasserabscheideeinheit 8.1 in zwei anoxischen sorptiven Aktivkohle-Gasreinigungsstufen als Schadstoffabreinigungseinheit 8.2 selektiv das reinigungsrelevante Monochlorbenzen entzogen. Der gereinigte Gesamt-Trägergasstrom wird mittels parallel geschalteter Trägergaskolonnendosiereinheiten 9.1 in zwei oder gegebenenfalls drei parallele Kreislaufträgergas-Teilströme aufgeteilt und jeweils an den Sumpfräumen der Verrieselungskolonnen 1.1, 1.2 über die Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 als Dünnfilm-Trägergas-Gegenstrom flächig in die Kiesschüttungen 2 eingetragen. Aus dem gereinigten Gesamt-Trägergasstrom wird nach dem Trägergasreinigungsmodul 8, gesteuert vom Steuerungs- und Sicherheitsmodul 20 als Mess- und Regelsystem für die Gasdrücke, an der Trägergasmengenbegrenzungseinheit 9.2 ein verbrauchter Teil-Gasstrom von 1 Nm³ _G/h am Trägergasauslass 17 aus dem Verrieselungsstrippmodul 1 ausgeleitet. Gleichzeitig wird Frisch-Trägergas von der Gasversorgungseinheit 10 in gleicher Menge und Beschaffenheit (1 Nm³ _G/h, bestehend aus 95% N₂-Gas und 5% CO₂-Gas) an der Frischträgergasdosiereinrichtung 9.3 in das Vakuumträgergasleitungssystem 16 eingemischt.
• Der Trägergas-Gegenstrom wird in den Verrieselungskolonnen 1.1, 1.2 mittels des angelegten Vakuumdruckes von P_G = 20 kPa aufrechterhalten. Der Trägergas-Teilstrom von 5 Nm³ _G/h der untersten Verrieselungskolonne 1.2 wird im Kopfraum dieser Kolonne mittels der Wasserverteiler- und Gassammeleinheit 3.1 gesammelt und konzentriert unter Einmischung eines additiven Trägergas-Teilstromes von 2,5 Nm³ _G/h der vorherigen Kolonne an den Sumpfraum dieser Kolonne geleitet. Dort erfolgt mittels der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 erneut der flächige Eintrag des kumulierten Trägergasstromes von 7,5 Nm³ _G/h. Dieser Trägergas-Teilstrom der zweiten Verrieselungskolonne 1.2 wird im Kopfraum mittels der Wasserverteiler- und Gassammeleinheit 3.1 gesammelt und konzentriert unter Einmischung eines additiven Trägergas-Teilstromes von 2,5 Nm³ _G/h der ersten und obersten Kolonne an den Sumpfraum dieser Kolonne geleitet. Dort erfolgt mittels der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit 3.2 erneut der flächige Eintrag des kumulierten Trägergasstromes von 10 Nm³ _G/h. Somit wird der Trägergasvolumenstrom in den Kiesschüttungen 2 der Verrieselungskolonnen 1.1, 1.2 von der untersten zur obersten Kolonne stufenweise erhöht.
• Dem separaten geschlossenen Betriebswasserkreislauf der Vakuumpumpe 7 wird überschüssige Abwärme der Vakuumpumpe 7 entzogen und mittels des Wärmeübertragers 11, der in die DN 50-Wasserzuleitung eingebunden ist, an den Grundwasserstrom übertragen. Hierdurch erfolgt eine Erwärmung des Grundwasserstromes um 4 K.
• Bezugszeichenliste

1

Verrieselungsstrippmodul

1.1

erste Verrieselungskolonne

1.2

zweite Verrieselungskolonne

2

Füllkörper, Füllkörperschüttung, Quarzkiesschüttung, Quarzkiespackung

2.1

Gas-Wasser-Kapillarzone

2.2

geschlossene Wasser-Kapillarzone

2.3

Kapillarzonengrenzlinie

3.1

Wasserverteiler- und Gassammeleinheit

3.2

Gasverteiler- und Wassersammeleinheit

3.2-1

Siebboden der Gasverteiler- und Wassersammeleinheit

3.2-2

Gaseintrittsrohr

3.2-3

Gaseintrittssieb

4

Sammel- und Puffermodul

5

Grundwasserpumpe, Wasserförderaggregat

6

Vakuum-Wasserhebereglerventil

7

Vakuumpumpe

8

Trägergasreinigungsmodul

8.1

Wasserabscheideeinheit

8.2

Schadstoffabreinigungseinheit

9.1

Trägergaskolonnendosiereinheit

9.2

Trägergasmengenbegrenzungseinheit

9.3

Frischträgergasdosiereinrichtung

10

Gasversorgungseinheit

11

Wärmeübertrager

12.1

Wasserzulaufleitung

12.2

Wasserablaufleitung

13

Dosiereinrichtung für reaktive Fluide

14

statisches Mischermodul

15

Wasserauslass

16

Vakuumträgergasleitungssystem

17

Trägergasauslass

18

Messsystem für Volumen und Druck von Wasser und Gas

19

Feuchteverteilungsmesssystem

20

Steuerungs- und Sicherheitsmodul, Wasserstromkreislaufregelungseinheit, SPS-Steuerung

21

Vakuum-Probenahmesystem

22

Brunnen-/Schachtbauwerk

Claims (12)

1. Verrieselungsstrippmodul zur in-situ Entfernung flüchtiger gelöster Stoffe aus Grundwasserströmen, aufweisend – mehrere in Wasserdurchströmungsrichtung in Reihe geschaltete, vertikal übereinander angeordnete, vakuumdruckfeste Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2), wobei jede Verrieselungskolonne (1.1, 1.2) im Kopfteil eine Wasserverteiler- und Gassammeleinheit (3.1) und im Bodenteil eine Gasverteiler- und Wassersammeleinheit (3.2) aufweist und wobei in den Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) zwischen Kopfteil und Bodenteil Füllkörper (2) angeordnet sind, welche als Quarzkiesschüttung (2) ausgebildet sind, und wobei die Gasverteiler- und Wassersammeleinheit (3.2) als ein Siebboden (3.2-1) zur diskret-quasiflächigen Aufteilung der Gasströme in Teilströme mit Gaseintrittsrohren (3.2-2) und Gaseintrittssieben (3.2-3) zum druckverlustarmen Gaseintrag in die Füllkörperschüttung (2) ausgebildet ist, und – ein Trägergassystem mit einer Vakuumpumpe (7), einem Trägergasreinigungsmodul (8) und einem Trägergasdosiersystem, wobei das Trägergassystem derart vorgesehen ist, dass das gereinigte Trägergas parallel in die Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) einspeisbar ist und dass aus einer Verrieselungskolonne (1.2) austretendes Trägergas in eine vorgeschaltete Verrieselungskolonne (1.1) eingespeist werden kann, und wobei das Trägergas im Kreislauf und im Gegenstrom zum Grundwasser geführt und das Grundwasser anoxisch in den Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) verrieselt werden kann und wobei im Trägergaskreislauf ein mehrstufiges Trägergasreinigungsmodul (8) vorgesehen ist.
2. Verrieselungsstrippmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerungs- und Sicherheitsmodul (20) vorgesehen ist, das Steuersignale der Messsysteme für Wasser- und Gasvolumenströme und Wasser- und Gasdrücke (18) sowie der Messsensorik für die Feuchteverteilung (19) in den Quarzkiespackungen (2) verarbeitet.
3. Verrieselungsstrippmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Trägergaskreislauf eine Trägergasmengenbegrenzungseinheit (9.2) vorgesehen ist.
4. Verrieselungsstrippmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertrager (11) des Betriebswasserkreislaufes der Vakuumpumpe (7) in die Wasserzulaufleitung (12.1) der Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) eingebunden ist.
5. Verrieselungsstrippmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosiereinrichtung (13) für reaktive Fluide mit statischem Mischermodul (14) an einem Wasserauslass (15) für den Ablaufwasserstrom vorgesehen ist.
6. Verrieselungsstrippmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frischträgergasdosiereinrichtung (9.3) mit einer Gasversorgungseinheit (10) sowie ein Trägergasauslass (17) nach dem Gasreinigungssystem vorgesehen sind.
7. Verrieselungsstrippmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verrieselungsstrippmodul (1) zwei in Wasserdurchströmungsrichtung in Reihe geschaltete, vakuumdruckfeste Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) aufweist.
8. Verrieselungsstrippmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sammel- und Puffermodul (4) für das gereinigte Grundwasser mit automatischer Füllstandskontrolleinheit und integrierter Grundwasserpumpe (5) vorgesehen ist, welches das Verrieselungsstrippmodul (1) nach unten hin abschließt, wobei die Grundwasserpumpe (5) der anoxischen Förderung des gereinigten Grundwasserstromes aus dem Sammel- und Puffermodul (4) unterhalb der Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) und zur Druckerhöhung dient.
9. Verfahren zur Entfernung flüchtiger gelöster Stoffe aus Grundwasserströmen durch anoxisches Vakuumstrippen, bei dem Grundwasser mehrere in Reihe geschaltete, vertikal übereinander angeordnete und unter Vakuum stehende Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) durchströmt, wobei – eine Vakuum-Selbstansaugung des zu reinigenden Grundwasserstroms in den Kopfraum der obersten, unter Vakuumdruck stehenden Verrieselungskolonne (1.1) erfolgt und das Grundwasser im Gegenstrom zu einem Trägergas in einer Wasserverteiler- und Gassammeleinheit (3.1) am Kolonnenkopf diskret-quasiflächig verteilt und über als Quarzkiesschüttung (2) ausgebildeten Füllkörpern (2) verrieselt und anschließend in einer Gasverteiler- und Wassersammeleinheit (3.2), die als ein Siebboden (3.2-1) zur diskret-quasiflächigen Aufteilung der Gasströme in Teilströme mit Gaseintrittsrohren (3.2-2) und Gaseintrittssieben (3.2-3) einen druckverlustarmen Gaseintrag in die Füllkörperschüttung (2) bewirkt, am Kolonnenboden gesammelt wird, wobei durch die vertikale Anordnung der Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) ein kontinuierlich abwärts gerichteter Dünnfilm-Kapillarporen-Rieselstrom und ein kontinuierlich aufwärts gerichteter Trägergas-Kapillarporenstrom erzeugt werden, – das gereinigte Trägergas in Teilströmen parallel den Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) am Kolonnenboden zugeführt wird und das beladene Trägergas am Kolonnenkopf abgezogen und der in Grundwasserströmungsrichtung vorgeschalteten Verrieselungskolonne (1.1) am Kolonnenboden mit einem gereinigten Trägergas-Teilstrom zugeführt wird, – das beladene Trägergas aus der ersten Verrieselungskolonne (1.1) abgesaugt und nachfolgend in mehreren Reinigungsstufen aufbereitet und anschließend den Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) über die Gasverteiler- und Wassersammeleinheit (3.2) im Kreislauf wieder zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum in den Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) zwischen 10 kPa und 40 kPa gehalten wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwasservolumenstromdichte im Bereich zwischen 1 bis 10 m³ _W/(m^2*h) gehalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzfläche-Wasservolumenverhältnis größer als 500 m²/m³ _W gehalten wird, so dass die Trägergas-Wasser-Kontaktzeiten in den Verrieselungskolonnen (1.1, 1.2) länger als zehn Minuten betragen.

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