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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen eines mit einem Schadstoff kontaminierten Bodens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung von Austauschsäulen im Bereich eines mit einem Schadstoff kontaminierten Bodens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Bei dem Verfahren der oben genannten Art wird der kontaminierte Boden durch Austausch von kontaminiertem Bodenmaterial durch ein unkontaminiertes Verfüllmaterial gereinigt. Hierzu wird ein Mantelrohr in den kontaminierten Boden eingedreht, kontaminiertes Bodenmaterial in dem Mantelrohr ausgehoben, wobei ein Bohrloch erstellt wird, und das Bohrloch mit unkontaminiertem Verfüllmaterial wieder verfüllt.
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Das Verfahren der oben genannten Art, welches auch als Austauschbohrverfahren bezeichnet werden kann, ist aus einem sogenannten Bohrpfahlverfahren des Spezialtiefbaus hervorgegangen, welches für die Zwecke der Bodensanierung adaptiert wurde. Bei dem Verfahren wird gezielt meist hochkontaminiertes Bodenmaterial, sogenannte Hot Spots, entnommen und ersetzt.
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Das Mantelrohr wird mittels eines Bohrgerätes, insbesondere mittels eines Großdrehbohrgerätes, in den Boden eingedreht und stützt den Boden um das erstellte Bohrloch herum ab. Innerhalb des Mantelrohres erfolgt das Ausbohren, also die Entnahme des kontaminierten Bodenmaterials. Danach erfolgt eine Wiederverfüllung des Bohrlochs mit nichtkontaminiertem Material.
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Die bekannten Verfahren des Bodenaustauschs mittels Großlochbohrungen gehören zu den Verfahren mit hoher Sanierungswirkung und hohen Betriebskosten. Die Höhe der Kosten wird dabei maßgeblich vom Austauschvolumen beeinflusst. Im Sinne einer Kosten-Nutzen-Abwägung wird der Bodenaustausch meist lediglich in Bereichen mit relevanten Kontaminationen durchgeführt. Minder- beziehungsweise gering belastete Randbereiche finden häufig im Sinne einer verbleibenden Restkontamination Akzeptanz.
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Nach dem Bodenaustausch dringen aus den mit Restkontamination belasteten, angrenzenden Bodenbereichen häufig erneut Schadstoffe in die mit sauberem Material verfüllten Bereiche ein, rekontaminieren diese und breiten sich im Sanierungsgebiet weiter aus. Eine Reduzierung oder ein Unterbinden dieses Rekontaminationseffektes ist grundsätzlich durch eine flächige Ausweitung des Bodenaustausches möglich. Hierdurch wird jedoch das Austauschvolumen erheblich vergrößert, was eine entsprechende Kostenerhöhung zur Folge hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Reinigen eines mit einem Schadstoff kontaminierten Bodens bereitzustellen, welches eine besonders effiziente und wirtschaftliche Bodensanierung ermöglicht, sowie eine Anordnung von Austauschsäulen mit einer hohen Sanierungswirkung.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung von Austauschsäulen mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass dem unkontaminierten Verfüllmaterial vor dem Einbringen in das Bohrloch ein Additiv zugegeben wird, welches auf den Schadstoff abgestimmt ist, wobei durch eine physikalische, chemische und/oder biologische Reaktion mit dem in das Verfüllmaterial eindringenden Schadstoff einer Rekontamination des Bodens entgegengewirkt wird. Der Schadstoff kann ein einzelner Stoff oder ein Gemisch mehrerer schädlicher Stoffe sein.
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Die insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Anordnung von Austauschsäulen im Bereich eines mit einem Schadstoff kontaminierten Bodens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Austauschsäulen ein Verfüllmaterial mit einem Additiv enthalten, welches auf den Schadstoff abgestimmt ist, wobei eine physikalische, chemische und/oder biologische Reaktion mit dem in das Verfüllmaterial eindringenden Schadstoff bewirkbar ist.
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Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, in einem ersten Schritt eine Dekontaminierung oder Reinigung des Bodens durch Austausch von kontaminiertem Bodenmaterial durch ein unkontaminiertes Verfüllmaterial durchzuführen. In einem zweiten Schritt wird einer Rekontamination des sauberen Verfüllmaterials durch Zustrom eines in der Umgebung des Verfüllmaterials verbleibenden Schadstoffes entgegengewirkt, indem dem sauberen Verfüllmaterial ein auf den Schadstoff abgestimmtes Reagenzmaterial oder Additiv zugegeben wird. Abhängig von der Art und Konzentration des Schadstoffes kommt es zu einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Reaktion zwischen dem aus der unmittelbaren Umgebung des Verfüllmaterials zulaufenden Schadstoff und dem Reagenzmaterial.
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Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, eine aus unkontaminiertem Verfüllmaterial bestehende Verfüll- oder Austauschsäule so auszugestalten, dass einer Rekontamination des Bodens entgegengewirkt wird. Die Austauschsäule bindet, eliminiert oder wandelt den Schadstoff um, so dass dieser dem die Austauschsäule umgebenden Boden entzogen wird.
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Im Gegensatz zu einer in den Boden eingebrachten Filterwand oder reaktiven Wand erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst eine vollständige Reinigung eines definierten Volumens des Bodens im Sanierungsgebiet durch Austausch des kontaminierten Bodenmaterials. In den unkontaminierten Austauschboden eindringender Schadstoff wird dort durch das in das Verfüllmaterial eingebrachte Additiv gebunden, eliminiert oder umgewandelt. Hierdurch wird einer Rekontamination des bereits gereinigten Bodens sowie einer Ausbreitung der Kontamination durch verbleibenden Schadstoff entgegengewirkt.
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In Abhängigkeit von dem Schadstoff oder Schadstoffgemisch können auch mehrere Additive zugegeben werden. Auswahl und Menge des oder der Additive erfolgt in Abhängigkeit des Schadstoffes beziehungsweise Schadstoffgemisches.
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Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung besteht in einer Kombination einer Reinigung des Bodens durch Austausch von Bodenmaterial und einer nachfolgenden In-situ-Reinigung des Bodens durch die eingebauten Austauschsäulen mit dem reaktiven Additiv. Die In-situ-Reinigung dient dabei der Minderung oder Verhinderung einer Rekontamination eines bereits durch den Bodenaustausch gereinigten Bodens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Reinigung eines kontaminierten Bodens, welcher eine grundwasserführende Bodenschicht aufweist, in welcher der Schadstoff enthalten ist. Nach dem Ziehen des Mantelrohres kommt es aufgrund von umgebendem, kontaminiertem Wasser durch Zuströmung oder Diffusion zu einer Rekontamination des Verfüllmaterials. Mittels des in dem Verfüllmaterial enthaltenen Additivs wird der im Grundwasser enthaltene oder gelöste Schadstoff immobilisiert, eliminiert oder umgewandelt und so dem Wasser entzogen. Hierdurch werden eine Verlagerung der Kontamination mit dem Grundwasserabstrom und eine weitere Schadensausbreitung reduziert oder im Idealfall verhindert. Durch die Erfindung kann somit bei einem begrenzten Austauschvolumen eine Erhöhung der Sanierungswirkung erreicht werden.
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Vorzugsweise werden die schadstoffbelastete Bodenschicht, insbesondere die grundwasserführende Schicht, sowie eine darüber liegende obere Bodenschicht zwecks Emissionsminderung zunächst mittels Austauschbohrungen ausgekoffert und gelagert oder entsorgt. Die Bohrlöcher, welche tangierend oder überschnitten angeordnet sein können, werden anschließend mit sauberem und verdichtungsfähigem Füllboden wiederverfüllt.
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Nach, vor oder während dem Zugeben des unkontaminierten Verfüllmaterials wird das Mantelrohr, welches auch als Verrohrung bezeichnet werden kann, gezogen. Je nach Länge des Mantelrohres kann dies abschnittsweise erfolgen.
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Um einer Rekontamination des Verfüllmaterials noch weiter entgegenzuwirken, ist es bevorzugt, dass in dem Bohrloch enthaltenes Grundwasser vor dem Verfüllen des Bohrlochs gereinigt wird. Hierzu kann eine Wasserreinigungsanlage vorgesehen sein.
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Die Reinigung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass in dem Bohrloch enthaltenes Grundwasser vor dem Verfüllen des Bohrlochs zumindest teilweise ausgetauscht wird. Hierzu kann dem Bohrloch Wasser entnommen, über die Wasserreinigungsanlage gereinigt und dem Bohrloch erneut zugeführt werden. Besonders bevorzugt ist ein mehrfacher Austausch der Wassersäule im Bohrloch. Das Wasser kann durch eine Tauchpumpe an der Sohle der Bohrung abgepumpt und Frischwasser beziehungsweise gereinigtes Wasser von oben zugegeben werden.
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Befindet sich im Boden eine wasserundurchlässige Schicht, so kann das Mantelrohr bis in diese Schicht eingetrieben, das Wasser abgepumpt und im Endzustand eine trockene Bohrung innerhalb des Mantelrohres hergestellt werden. Nach dem Ziehen des Mantelrohrs dringt das die Verfüllsäule umgebende kontaminierte Wasser in den Porenraum der Verfüllsäule, wo es durch das Additiv immobilisiert, eliminiert oder umgewandelt wird.
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Ist eine wasserundurchlässige Schicht nicht vorhanden, kann zur Verhinderung eines Grundbruchs gegebenenfalls mit einer Wasserauflast im Mantelrohr gebohrt werden. Hierbei befindet sich das Bohrwerkzeug zum Erstellen des Bohrlochs während des Bohrvorgangs im Wasser und mobilisiert dort die Feinkornfraktion, welche als Schwebstoff in das Grundwasser eingetragen wird. Da die Feinkornfraktion meist die höchste Schadstoffkonzentration beinhaltet, wird eine große Menge an Schadstoff in das Wasser übertragen. Durch die Wasserreinigung beziehungsweise den Wasseraustausch kann wirksam eine Schadstoffreduzierung in dem Bohrloch erreicht werden. Nach dem Ziehen des Mantelrohres diffundiert jedoch erneut Schadstoff aus der Umgebung in das ausgetauschte, gereinigte Wasser in dem Verfüllmaterial, wo es mit dem zugegebenen Additiv reagiert.
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Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Verfahrensschritte a) bis d) zum Reinigen eines Volumens des kontaminierten Bodens wiederholt werden, wobei eine Vielzahl von Verfüllsäulen mit unkontaminiertem Verfüllmaterial erstellt wird. Die Verfüllsäulen enthalten ausgetauschtes Bodenmaterial und können somit auch als Austauschsäulen bezeichnet werden.
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Für eine effektive Bodensanierung in einem Sanierungsgebiet ist es bevorzugt, dass die Verfüllsäulen in einem Muster, insbesondere rasterförmig, angeordnet werden. Durch das Einbringen der Verfüllsäulen in eine Bodenoberfläche, unterhalb welcher sich kontaminierter Boden befindet, kann gegebenenfalls großflächig eine Bodensanierung durchgeführt werden. Dabei wird der Boden in einem definierten Sanierungsgebiet ausgetauscht.
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Grundsätzlich kann das Verfüllmaterial beliebige Materialzusammensetzungen enthalten. Bevorzugt umfasst das Verfüllmaterial jedoch ein rollfähiges und/oder poröses Material oder Schüttgut, insbesondere Erdbodenmaterial und/oder Kies.
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Besonders bevorzugt ist es nach der Erfindung, dass das Additiv ein Adsorbens umfasst, an dessen Oberfläche der in das Verfüllmaterial eindringende Schadstoff adsorbiert. Hierdurch wird der in dem einströmenden Grundwasser enthaltene Schadstoff durch Adsorption immobilisiert und dem Grundwasserstrom entzogen. Die Auswahl des Adsorbens richtet sich nach den Eigenschaften der zu adsorbierenden Schadstoffe. Als Schadstoffe kommen beispielsweise organische Schadstoffe wie BTEX, LCKW, PAK, Phenole, aber auch lösliche, anorganische Stoffe wie CrVI, Zn, As oder andere in Betracht.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Aktivkohle als Adsorptionsmittel. Aktivkohle ist ein bevorzugtes Filtermaterial zur Abtrennung von hydrophoben, organischen Verbindungen, insbesondere von chlorierten Kohlenwasserstoffen. Ein weiteres Adsorptionsmittel sind Adsorberharze, welche insbesondere bei der Entfernung von organischen Verbindungen wie Farbstoffen, Tensiden, Ölen oder Fettsäuren Verwendung finden. Aktivierte Tonerde (Aluminiumoxid) als Adsorptionsmittel kann zur Entfernung von polaren, hydrophilen, organischen Stoffen eingesetzt werden. Weitere Adsorptionsmittel sind Kieselgel, Bentonit, Hydroxide oder Zeolithe.
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Das zu reinigende Medium, insbesondere das Grundwasser, strömt durch ein Festbett, welches durch das Verfüllmaterial mit dem zugesetzten Additiv gebildet wird. Die Reinigung durch Durchlaufen von Wasser durch ein Festbett eignet sich insbesondere bei einer relativ schwachen (Rest-)Belastung des Wassers.
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Folgende Effekte sind bei dem in dem Verfüllmaterial immobilisierten Schadstoff möglich: Zum einen kann der Schadstoff gebunden bleiben und sich dabei entweder nicht verändern oder sich durch Alterung oder durch mikrobiologische oder chemische Abbauprozesse bis hin zum vollständigen Abbau verändern. Zum anderen ist es möglich, dass der Schadstoff von der Oberfläche des Adsorbens nach und nach abgelöst wird, zum Beispiel in Folge einer Verdrängung durch andere Stoffe mit einer höheren Bindungsenergie (sogenannter Rebound). Dabei ist dabei davon auszugehen, dass die abgelösten Stoffe in geringerer Konzentration als zuvor im Grundwasser mitgeführt werden.
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Verfahrensmäßig ist es weiter bevorzugt, dass das kontaminierte Bodenmaterial in dem Mantelrohr mittels eines insbesondere drehend angetriebenen Bohrwerkzeugs ausgehoben wird. Dies kann insbesondere abschnittsweise erfolgen. Das Mantelrohr kann dem Bohrwerkzeug vorauseilend in den Boden eingebracht werden. Hierdurch wird wirksam eine Stützung des Bohrlochs ermöglicht. Besonders bevorzugt ist es, dass das Mantelrohr zunächst vollständig eingedreht wird und danach das Ausbohren innerhalb des Mantelrohres, insbesondere abschnittsweise, erfolgt.
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Das Bohrwerkzeug kann vorzugsweise einen Bohreimer und/oder eine Bohrschnecke umfassen. Der Bohreimer wird nach dem Abbohren des Bodenmaterials befüllt, durch einen Verriegelungsmechanismus verschlossen und mit dem Bohrgut aus der Bohrung gezogen.
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Hinsichtlich der Anordnung von Austauschsäulen in einem Sanierungsgebiet ist es bevorzugt, dass die Austauschsäulen zumindest teilweise nicht überlappend oder beabstandet zueinander angeordnet sind.
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Vorzugsweise sind die Austauschsäulen feld- oder rasterförmig in einem Bereich des kontaminierten Bodens angeordnet. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass in eine Bodenoberfläche eine zweidimensionale Anordnung von Austauschsäulen eingebracht wurde. Durch die so eingebrachten Austauschsäulen ist ein definiertes Volumen des Bodens durch sauberes Verfüllmaterial saniert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen weiter beschrieben. Hierin zeigt:
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1 eine Ansicht von oben auf eine feld- oder rasterförmige Anordnung von Austauschsäulen;
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2 einen Verfahrensschritt des Reinigens von im Bohrloch enthaltenem Grundwasser;
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3 einen Verfahrensschritt des Einbringens von unkontaminiertem Verfüllmaterial in das Bohrloch;
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4 einen Verfahrensschritt des Ziehens des Mantelrohres; und
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5 einen Verfahrensschritt zum Verfüllen eines oberen Bereichs des Bohrlochs mit einem Deckboden.
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Einander entsprechende Komponenten sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt einen Rasterplan eines Sanierungsgebiets mit einem kontaminierten Boden 10. Der Boden 10 umfasst unterhalb einer Bodenoberfläche 12 zunächst eine obere Bodenschicht 24 und darunter eine grundwasserführende Bodenschicht 14 mit Grundwasser 16, welche kontaminiertes Bodenmaterial 26 enthält. Eine Grundwasserfließrichtung ist mit dem Pfeil 22 gekennzeichnet.
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In dem Boden 10 werden zur Emissionsminderung mittels eines Bohrgerätes 40 sogenannte Austauschbohrungen erstellt. Hierzu werden in dem kontaminierten Bereich des Bodens 10 unter Aushub von kontaminiertem Bodenmaterial 26 zunächst Bohrlöcher 28 erstellt. Ein Mantelrohr 42, welches auch als Verrohrung bezeichnet werden kann, wird in den Boden 10 eingedreht. Innerhalb des Mantelrohres 42 wird Bodenmaterial ausgehoben. Die Verrohrung kann mehrere miteinander koppelbare Rohrteile umfassen.
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Das ausgehobene Bodenmaterial 26 wird, sofern keine oder nur eine geringe Kontamination vorliegt, on-site, also an der Bodenoberfläche 12, gelagert oder bei relevanter Kontamination entsorgt. Die Bohrlöcher 28 werden anschließend mit einem unkontaminierten Verfüllmaterial 38, insbesondere sauberem und verdichtungsfähigem Füllboden, wiederverfüllt. Dabei werden Verfüllsäulen 36 gebildet, welche aufgrund des Bodenaustauschs auch als Austauschsäulen 37 bezeichnet werden können. Je nach Länge des Mantelrohres 42 wird dieses abschnittsweise gezogen.
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Das Erstellen der Austauschbohrungen kann beispielsweise im dargestellten Pilgerschrittverfahren erfolgen. Dabei werden zunächst einander beabstandet Primärbohrungen 32 erstellt und mit unkontaminiertem Verfüllmaterial 38 verfüllt. Anschließend werden zwischen den erstellten Primärbohrungen 32 Sekundärbohrungen 34 erstellt und ebenfalls mit unkontaminiertem Verfüllmaterial 38 verfüllt. Die Primärbohrungen 32 und Sekundärbohrungen 34 können überschnitten oder tangierend, aber auch zumindest teilweise einander beabstandet angeordnet sein.
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Das Füllmaterial 38 enthält ein Additiv zum Binden, Eliminieren oder Umwandeln eines Schadstoffes. Dem Füllboden wird vorzugsweise vor dem Einbau ein dem standortkonkreten Kontaminationspotenzial entsprechender mengen- und/oder stoffspezifisch angepasster Anteil an Adsorptionsmaterial beigemischt.
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Durch die feld- oder rasterförmige Anordnung der Verfüllsäulen 36 beziehungsweise Austauschsäulen 37 in einem definierten Volumen des kontaminierten Bodens 10, dem sogenannten Sanierungsgebiet, wird in diesem Bereich eine Bodensanierung durchgeführt.
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2 zeigt ein einzelnes Bohrloch 28 mit einer Bohrlochwandung 30, welches durch Aushub von kontaminiertem Bodenmaterial 26 erstellt wurde. Das Bohrloch 28 erstreckt sich in die grundwasserführende Bodenschicht 14. Eine Wassersäule 20 in dem Bohrloch 28 bewirkt als Wasserauflast eine Verhinderung eines Grundbruchs des Bohrlochs 28. Der Grundwasserspiegel ist mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet.
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Durch den Bohrvorgang wird die Feinkornfraktion des Aushubmaterials mobilisiert und in das Grundwasser 16 eingetragen. Zur Reinigung des kontaminierten Grundwassers 16 wird das in dem Bohrloch 28 enthaltene Grundwasser 16 mittels einer Tauchpumpe 50 über eine Abführleitung 54 abgepumpt und einer Wasserreinigungsanlage 46 zugeführt. Das gereinigte Wasser oder frisches Wasser wird mittels einer Zuführpumpe 48 über eine Zuführleitung 52 dem Bohrloch 28 erneut zugeführt.
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In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird bis etwa zur Höhe der oberen Bodenschicht 24 unkontaminiertes Verfüllmaterial 38 in das Bohrloch 28 eingefüllt, wie in 3 dargestellt. Anschließend kann das Mantelrohr 42 zumindest bis zur Höhe der Verfüllung gezogen werden, wie in 4 gezeigt. Nach dem Ziehen des Mantelrohres 42 dringt aus dem noch mit Restkontamination belasteten, anstromig angrenzenden Bodenbereich gegebenenfalls schadstoffbelastetes Grundwasser 16 in die verfüllten Bereiche ein.
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Diese Restschadstoffe werden durch das dem Verfüllmaterial 38 zugesetzte Additiv gebunden, umgewandelt oder eliminert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit Gefahren für das Grundwasser oder weitere Schutzgüter effektiv reduziert beziehungsweise abgewendet werden. Insgesamt wird die durch den Bodenaustausch bereits erreichte Schadstoffminderung weiter verbessert und die Wirksamkeit der Bodensanierung optimiert.
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In einem abschließenden Verfahrensschritt wird die ausgehobene obere Bodendeckschicht 24 oder ein neuer Deckboden 39 in den oberen Bereich des Bohrlochs 28 eingefüllt. Das Mantelrohr 42 wird sodann vollständig gezogen.
