DE102013107615A1

DE102013107615A1 - Verfahren zur Dimensionierung und Steuerung eines In-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktors

Info

Publication number: DE102013107615A1
Application number: DE102013107615.7A
Authority: DE
Inventors: Anne Weber; Ivan Rastorguev; Felix Bilek; Jobst Herlitzius
Original assignee: Arcadis Deutschland GmbH
Current assignee: Arcadis Germany De GmbH
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: DE102013107615B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dimensionierung und Steuerung eines in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktors (1) zur Wasseraufbereitung in einem Aquifer (4), aufweisend folgende Elemente, A) ein Programmelement zur Berechnung der hydraulischen Teil-Prozesse, B) ein Programmelement zur Berechnung der geochemischen Wechselwirkungen in der Wasserphase sowie zwischen der Wasserphase und dem Feststoff, C) ein Programmelement zur Berechnung der Stofftransport-Prozesse, D) ein vorkonfiguriertes Basismodell, E) eine Datenbank mit geochemischen Parametern und F) ein Programmelement zur Darstellung der Berechnungsergebnisse, dadurch gekennzeichnet, dass – ein in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktor (1) mittels der Elemente A), B), C), D), E), F) simuliert wird und – aus der Simulation ein oder mehrere Parameter derart zur Steuerung des Reaktors (1) eingesetzt werden, dass – eine Haupt-Entmanganungs-Zone (18) und eine Haupt-Enteisenungs-Zone (19) innerhalb einer Infiltrationszone (16) des Reaktors (1) ausgebildet werden, wobei die Infiltrationszone (16) innerhalb der Entnahmezone (15) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem ein Reaktor zur in-situ-Enteisenung- und Entmanganung im Verlauf der Planung, der Errichtung und des Betriebes des Reaktors sicherer bemessen und gesteuert werden kann.
Zur Gewinnung von Trinkwasser aus Brunnen ist es vielerorts notwendig, die im Grundwasser gelösten Mineralien vom Wasser zu trennen, um die Trinkwasserqualität zu verbessern und eine spätere Auskristallisation der Mineralien in Rohren und Leitungen zu verhindern. Insbesondere ist in vielen Fällen der Anteil an Eisen (Fe) und Mangan (Mn) zu verringern, was fachsprachlich als Enteisenung und Entmanganung bezeichnet wird.
Heutzutage werden in den meisten Fällen die Fe(II)- und die Mn(II)-Ionen oberirdisch, also nach der Förderung des Rohwassers, durch Zugabe von Sauerstoff (O₂) zu wasserunlöslichen Metalloxiden oxidiert, die ausgefällt werden und aus dem Rohwasser gefiltert werden können. Dabei entstehen oftmals große Mengen von metallhaltigen Filterschlämmen, die anschließend entsorgt werden müssen.
Zur Wasseraufbereitung kann die oxidative Abscheidung der Metallionen stattdessen auch bereits in die grundwasserführende Erdschicht, den Aquifer, verlegt werden und dort „in-situ” erfolgen. Dazu kann der benötigte Sauerstoff direkt als Pressluft in den Förderbrunnen eingeblasen werden. Dies geht beispielsweise aus der AT 29 322 B aus dem Jahre 1907 hervor, die eine Einrichtung zur Enteisenung von Wasser in Brunnen durch Einblasen von Luft offenbart. Im Brunnenschacht können entweder zwei getrennte Rohre zum Fördern von Rohwasser und zum Einblasen von Pressluft ausgebildet sein oder es wird durch ein einzelnes Rohr abwechselnd Rohwasser abgepumpt oder Luft in den Brunnenschacht gepumpt.
In einer weiterentwickelten Variante wird Sauerstoff-angereichertes Wasser durch eine oder mehrere Bohrungen im Umfeld des Förderschachtes in den Aquifer eingebracht, so dass die Oxidations- und Ausfällungsprozesse nicht mehr konzentriert im Brunnenschacht stattfinden und schnell die Förderung behindern können, sondern sich weiträumig auf den Aquifer im Umfeld des Förderbrunnens verteilen.
Dazu ist aus der AT 296 177 B eine Vorrichtung zur Enteisenung von aus einem Grundwasserbrunnen zu förderndem Wasser bekannt, wobei mit Sauerstoff-angereichertes Speisewasser durch weitere Rohre in der Umgebung des Förderbrunnens in den Aquifer eingeleitet wird. Dabei wird gelöstes Eisen beim Durchgang des eisenhaltigen Grundwassers durch die solchermaßen oxidierte Zone im Untergrund sorbiert, oxidiert und als Feststoff ausgefiltert.
Schließlich betrifft die DE 2 714 261 C2 ein Verfahren zur Förderung von Wasser mit gleichzeitiger Enteisenung und Entmanganung, bei der Sauerstoff-angereichertes Wasser in den Aquifer eingebracht wird. Dabei werden zwei in einem Abstand voneinander angeordnete Brunnen verwendet, die wechselweise durch Umkehrung der Strömungsrichtung als Förderbrunnen für das zu fördernde Reinwasser und als Injektionsbrunnen für das sauerstoffhaltige Wasser betrieben werden. Als Rohwasser wird fortfolgend das unveränderte Wasser im Grundwasserleiter bezeichnet. Als Reinwasser wird das von seiner Metallfracht befreite Wasser bezeichnet. Da dieser Prozess bereits im Untergrund stattfindet, wird im Brunnen bereits Reinwasser gefördert. Ungeachtet dessen erfolgt an der Erdoberfläche noch ein zweiter nachgeschalteter Aufbereitungsschritt, die Belüftung.
Wird das aus dem Rohwasser zu entfernende Eisen und Mangan durch Oxidation in dem Reaktionszone genannten Umfeld der Förder- oder Injektionsbrunnen zur Fällung gebracht, kann es dort langfristig deponiert werden. Dabei bildet sich für jeden abzuscheidenden Wasserinhaltsstoff eine eigene zylinderförmige Reaktions- beziehungsweise Fällungszone um den Förderbrunnen aus. Eine Beeinträchtigung der hydraulischen Durchlässigkeit des brunnennahen Untergrundes durch dieses Verfahren bleibt langfristig gering, wenn die Reaktionszonen in ausreichendem Abstand vom Förderbrunnen ausgebildet werden und ihre Volumina somit groß genug sind.
Der Vorteil dieser sogenannten in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Technologie, abgekürzt in-situ EM, liegt in der Kostenersparnis, die durch den möglichen Verzicht auf oberirdische wasserbauliche Anlagen und die Vermeidung der Filterschlamm-Entsorgung entsteht.
Die seit über 100 Jahren bekannte Technologie der in-situ ME wird heute nur selten in der Wasseraufbereitungspraxis eingesetzt. Dieser Umstand steht der inzwischen nachgewiesenen langfristigen Leistungsfähigkeit der Anlagen deutlich gegenüber und ist durch die Schwierigkeit begründet, die Reinigungsprozesse im Untergrund technisch verlässlich zu bemessen. Daher erfolgt auch beim kommerziellen Einsatz der Technologie der Anlagenbetrieb noch immer weitgehend empirisch. Planungsbegleitende prognostische geochemische Berechnungen sind trotz einiger Forschungs- und Entwicklungsarbeiten noch immer selten. Im Regelwerk des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW) sind lediglich grobe Richtlinien zur Bemessung der in-situ ME-Technologie genannt.
Die Notwendigkeit, für den Betrieb eines in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Wasserwerkes eine Vorstellung über die Lage der Reaktionszonen zu haben, ergibt sich daraus, dass sich aus einer nicht-optimalen Lage der unterirdischen Reaktionszonen, in denen die Metallfällungen stattfinden, deutliche wirtschaftliche Nachteile für das Wasserwerk ergeben. Falls die Reaktionszonen in einem zu großen Abstand zum Förderbrunnen entstehen, muss zu viel Sauerstoff-angereichertes Wasser injiziert werden, was das Wasserwerk unwirtschaftlich arbeiten lässt. Falls die Reaktionszonen jedoch in einem zu geringen Abstand zum Förderbrunnen entstehen, besteht die Gefahr des Durchbruches von gelöstem Eisen und Mangan in den Förderbrunnen. Dies hat eine Verockerung des Förderbrunnens zur Folge und damit eine abnehmende Förderleistung, einen erhöhten Verschleiß und die Nicht-Einhaltung der Wasserqualität. Das Wasserwerk wird auch in diesem Fall unwirtschaftlich.
Die Lage der Reaktionszonen im Untergrund und deren Ausmaß hängt von einem komplexen Wechselspiel aus verschiedenen Faktoren ab, die aufeinander rückkoppeln, zudem abhängig vom Abstand zum Förderbrunnen, von der Rohwasserbeschaffenheit und dem gewählten Betriebsregime der Förderanlage sind. Die Eigenschaften des Untergrundes und die Geometrie der Reaktionszonen sind weiterhin zeitabhängig, so dass eine Bemessung der Förderleistung mit einfachen Ansätzen nur schwer möglich ist.
Bisher werden in-situ-Aufbereitungsanlagen für die Enteisenung und Entmanganung weitgehend empirisch angefahren. Klare Bemessungsregeln für die Dauer der Förder- und Injektionszyklen sowie der Stillstandszeiten fehlen. Ebenso fehlen klare Vorstellungen von der Lage der zu deponierenden Stoffe im Untergrund. Es existieren bisher keine Möglichkeiten, die Position der Fällungsprodukte und damit den Fortgang der Belegung des unterirdischen Porenraumes rechnerisch zu bestimmen. Weiterhin fehlen auch Bemessungsregeln für die zu erwartende Ergiebigkeit und die zu erwartende Wasserqualität. Schließlich fehlen die Möglichkeiten zur standardisierten und prozessmodell-gestützten Abschätzung, ob ein Standort hinsichtlich seiner geologischen Verhältnisse und seiner Rohwasserbeschaffenheit für eine in-situ-Aufbereitung geeignet ist. Jede Inbetriebnahme ist auf Erfahrungsträger angewiesen, die den Anfahrprozess mit seiner dynamischen Entwicklung der Wasserbeschaffenheit zu beurteilen verstehen und die Nachregelung des Prozesses über Förder- und Injektionsraten sowie die jeweilige Zeitdauern per Hand durchführen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Dimensionierung von leistungsfähigen In-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktoren zur Wasseraufbereitung in einem Aquifer zur Verfügung zu stellen. Der Planer und Errichter von in-situ-EM-Anlagen kann auf der Basis von im Feld bestimmbaren Eingangsdaten, wie beispielsweise der Rohwasserbeschaffenheit und den Eigenschaften des Sedimentes in den für die Förderung geplanten Grundwasserleitern, die zeitliche Entwicklung des Untergrundreaktors prognostizieren. Der Planer ist dadurch in der Lage, sichere Planungsgrößen für die technische Ausstattung der Wasseraufbereitungsanlage wie den Energiebedarf, die mögliche förderbare Wassermenge und die Dimensionierung der Fördereinrichtungen zu erlangen. Während des Betriebes soll das Verfahren den Betreiber in die Lage versetzen, die optimalen Betriebsparameter wie die Dauer der Förder- und Injektionsphasen sowie der Injektions- und Fördermengen einzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktors zur Wasseraufbereitung in einem Aquifer gelöst, welches folgende Elemente aufweist:

A) ein Programmelement zur Berechnung der hydraulischen Teil-Prozesse,
B) ein Programmelement zur Berechnung der geochemischen Wechselwirkungen in der Wasserphase sowie zwischen der Wasserphase und dem Feststoff,
C) ein Programmelement zur Berechnung der Stofftransport-Prozesse,
D) ein vorkonfiguriertes Basismodell,
E) eine Datenbank für die geochemischen Parameter und
F) ein Programmelement zur Darstellung der Berechnungsergebnisse.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktor mittels der Elemente A), B), C), D), E), F) simuliert wird und aus der Simulation ein oder mehrere Parameter derart zur Steuerung des Reaktors eingesetzt werden, dass eine Haupt-Entmanganungs-Zone und eine Haupt-Enteisenungs-Zone innerhalb einer Infiltrationszone des Reaktors in einer für die Betriebsführung optimalen Weise ausgebildet werden, wobei die Infiltrationszone innerhalb der Entnahmezone ausgebildet ist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist als ein weiteres Element eine Datenbank G) mit Datensätzen von konsistenten Ausgangsparametern für die Vorbelegung änderbarer Parameter vorgesehen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass als Parameter zur Steuerung des Reaktors das Verhältnis zwischen Injektionswasser und Reinwasser durch Simulation ermittelt und zur Steuerung der Taktzeit von Reinwasserentnahme zu Injektionswasserinfiltration eingesetzt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Änderung des Verhältnisses zwischen Injektionswasser und Reinwasser über der Zeit ermittelt und zur Steuerung der Taktzeit von Reinwasserentnahme zu Injektionswasserinfiltration eingesetzt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Zeitspannen zwischen Förder- und Injektionsphase und zwischen Injektions- und Förderphase ermittelt werden und zur Steuerung der Taktzeit von Reinwasserentnahme zu Injektionswasserinfiltration eingesetzt wird.
Bevorzugt wird als Parameter zur Steuerung des Reaktors der optimale Volumenstrom der Förderpumpe durch Simulation ermittelt und zur Steuerung der Förderpumpe des Reaktors eingesetzt.
Als Parameter zur Steuerung des Reaktors wird die Sauerstoffsättigung des Reinwassers durch Simulation ermittelt und vorteilhaft zur Steuerung eines Flachbettbelüfters oder einer technischen Einrichtung mit dem vergleichbaren Zweck der Sauerstoffanreicherung im zu reinfiltrierenden Wasser eingesetzt.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass als Parameter zur Steuerung des Reaktors der Bedarf an Kalziumkarbonat oder eine andere zur pH-Wert- und Härtekontrolle des Wassers geeignete Substanz durch Simulation ermittelt und zur Steuerung der gegebenenfalls notwendigen Aufhärtung des Infiltrationswassers durch eine entsprechend dosierte Stoffzugabe eingesetzt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte auf:

aa) Eingabe von hydraulischen Daten,
ab) Eingabe von Wasserbeschaffenheitsdaten und Mineralphasengehalten des Grundwasserleiters mit geochemischer Plausibilitätskontrolle der Dateneingabe,
ac) Eingabe und Definition der kinetischen Parameter und Transportparameter unter Zurverfügungstellung konsistenter änderbarer Datensätze,
ba) hydraulische Berechnung von Strömungsvektoren,
bb) Berechnung von geochemischen Wechselwirkungen in der Wasserphase sowie zwischen der Wasserphase und dem festen Korngerüst des Untergrundes und Prüfung der chemischen Beschaffenheit des Grund- und Infiltrationswassers und
bc) Transportberechnung für alle relevanten Wasserinhaltsstoffe auf der Basis der in Schritt ba) bestimmten Strömungsvektoren,
bd) Wiederholung von Schritt bb) und bc) bis zum in Schritt ba) definierten Ende der Modellzeit,
ca) Darstellung der Ergebnisdaten als Zeitreihen für das geförderte Reinwasser und für die Konzentrationen an bestimmten Punkten im Untergrund oder
cb) Darstellung der Ergebnisdaten als Profil der räumlichen Verteilung der Wasserbeschaffenheit im Untergrund und
d) Übermittlung der Parameter zur Steuerung an eine Steuereinrichtung des Reaktors.

Das vorangehend beanspruchte Verfahren wird dadurch vorteilhaft erweitert, dass die hydraulischen und die geochemischen Einzelprozesse des Aufbereitungsverfahrens gemäß den Verfahrensschritten ba) bis bd) rechnerisch miteinander gekoppelt und rückgekoppelt werden.
Eine weitere vorteilhafte Erweiterung erfährt das Verfahren dadurch, dass ein vorkonfiguriertes Basismodell mit einer Datenbank für geochemische und weitere änderbare Parameter in den Verfahrensablauf integriert und im Verfahren enthalten ist.
Dem Verfahren zum Betreiben des Reaktors liegt die Konzeption zu Grunde, dass ein einzelner Förderbrunnen auch als Injektionsbrunnen betreibbar ausgebildet ist, so dass wechselweise periodisch Reinwasser aus dem Brunnen gefördert oder Sauerstoff-angereichertes und gegebenenfalls hinsichtlich pH-Wert und Härte eingestelltes Wasser über den Brunnen in den Aquifer injiziert wird. Um den Brunnen herum bilden sich verschiedene Zonen aus, welche gemeinsam mit dem Brunnen und den peripheren oberirdischen Komponenten zur Behandlung des Reinwassers den In-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktor bilden.
Ein Vorteil der Lösung besteht darin, dass über die Einstellung der Dauer der Förder- und Injektionsphasen sowie der Förder- und Injektionsmengen die Abstände der Reaktionszonen zum Förderbrunnen und deren Ausmaße beziehungsweise Mächtigkeit optimal einstellbar ausgebildet sind.
Möglich wird dies durch das erfindungsgemäße Verfahren, nach welchem zunächst der Reaktor mittels verschiedener Programmelemente simuliert wird und einzelne oder mehrere Parameter zur Steuerung des Reaktors bereitgestellt werden.
Die Konzeption des Verfahrens zum Betreiben von in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktoren zur Wasseraufbereitung in einem Aquifer besteht darin, dass die gelösten Fe(II)- und Mn(II)-Ionen in Reaktionszonen des Aquifers oxidativ zur Fällung gebracht und dort langfristig deponiert werden. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die optimalen Betriebsparameter für die Dauer der Förder- und Injektionsphasen und der Sauerstoff-Gehalt im Infiltrationswasser sowie die Förder- und Injektionsmengen dimensionierbar sind und die Steuerung des Reaktors nach einem optimalen Regime erfolgen kann.
Das Steuerungsverfahren prognostiziert die zeitliche Entwicklung des Untergrundreaktors, um sichere Planungsgrößen für die technische Ausstattung der Wasseraufbereitungsanlage wie den Energiebedarf, die möglichen förderbaren Reinwassermengen sowohl in der Einfahrphase als auch in der stationären Betriebsphase und die Dimensionierung der Fördereinrichtungen zu erlangen.
Es hat sich als zweckmäßig und vorteilhaft erwiesen, dass für die Dimensionierung des Reaktors in einer ersten Phase bekannte Feldparameter erfragt werden. Für alle einzugebenden hydraulischen Daten werden dem Nutzer in sich konsistente Default-Werte angeboten und sinnvolle Wertebereiche vorgegeben. Damit können schnell Testläufe ermöglicht und auch ohne Felddaten realistische lauffähige Eingangsdatensätze bereitgestellt werden.
Auch die eingegebenen Daten der Wasserbeschaffenheit und des Mineralphasengehaltes werden einer geochemischen Plausibilitätskontrolle unterzogen. Für die Eingabe der kinetische Parameter und Transportparameter hält das Programm ebenfalls konsistente Datensätze vor, die von einem erfahrenen Nutzer geändert werden können. Alle Parametereinstellungen können als Eingabedaten eines Szenarios gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder geöffnet und gegebenenfalls geändert werden.
Es ist ein Merkmal des Steuerungsverfahrens, dass die verschiedenen relevanten hydraulischen und geochemischen Einzelprozesse des Aufbereitungsverfahrens rechnerisch miteinander koppelt, rückkoppelt und iterativ Werte berechnet werden.
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, dass die Dauer der Förder- und Injektionsphasen, die Phasen des Stillstandes sowie die Förder- und Injektionsmengen mit dem Verfahren analog dem real im Feld geplanten beziehungsweise durchgeführten Förderregime frei eingestellt werden können. Durch die freie Wahl dieser Betriebsparameter wird es möglich, den Abstand der Reaktionszone vom Förderbrunnen zu prognostizieren und damit für den Feldbetrieb eine optimale Lage für die Reaktionszone innerhalb des Aquifers zu bestimmen und damit eine sicherere Betriebsführung zu ermöglichen.
Das beschriebene Verfahren zur Bemessung der Förderleistung führt zu Verbesserungen gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik, da ein potentieller Standort für den Einsatz der in-situ-EM-Technologie zielsicher beurteilt werden kann, was eine schnellere Anlagenplanung ermöglicht.
Es ist aus ökologischer Sicht von besonderem Vorteil für die Praxis, dass der zu erwartende häufigere Einsatz der in-situ-EM-Technologie mit entsprechend geringerem Energie- und Flächenverbrauch für die Trinkwasseraufbereitung verbunden ist, was Umwelt und Ressourcen schont.
Schließlich führt das erfindungsgemäße Verfahren auch zu ökonomischen Verbesserungen gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik, da der Planungsprozess schneller durchgeführt werden kann, geringere Kosten für Wasseranalytik im Feld anfallen und die Gefahr von Fehlplanungen und Fehlinvestitionen verringert wird. Schließlich ergibt sich auch eine Kosteneinsparung durch die optimierte Betriebsführung, die erst durch das Verfahren ermöglicht wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: vertikaler Schnitt durch den Brunnen mit den Elementen eines in-situ-Reaktors und der Lage der Reaktionszonen,
2: Rückkopplungsprozesse im Untergrund,
3: Übersicht über die verwendete Software sowie Datenstruktur bei der Anwendung des Bemessungswerkzeuges FeNariO,
4: Beispiel eines Outputs: Eisenkonzentration in verschiedenen Abständen zur Brunnenachse über die Zeit,
1 zeigt in einem vertikalen Schnitt durch einen Förderbrunnen 5 schematisch die Elemente einer in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Anlage 1 und die Lage der Reaktionszonen 20. In der vertikalen Bohrung, die sich von der Erdoberfläche 2 bis unterhalb des Grundwasserspiegels 3 in die grundwasserführende Erdschicht, den Aquifer 4, erstreckt, ist ein Förderbrunnen 5 angeordnet, welcher im unteren Abschnitt als Filterrohr 6 ausgebildet ist. Nach außen ist das Filterrohr 6 von einer Schicht Filterkies 7 umgeben, durch die das Grundwasser aus dem Aquifer 4 in das Filterrohr 6 eindringen kann. Dieses Wasser wird von der Förderpumpe 8 aufgenommen und als Reinwasser 9 durch ein Steigrohr 10 zur Erdoberfläche 2 gefördert. Das eisenhaltige Rohwasser jenseits der Reaktionszonen 20 strömt im Untergrund durch die Reaktionszonen 20 in den Brunnen 5 und wird als Reinwasser über Tage gefördert. Der zweite Aufbereitungsschritt, die Belüftung und Aufhärtung, wird erst an der Oberfläche vorgenommen. Oberhalb der Erdoberfläche 2 sind die Anlagenkomponenten angeordnet, welche einen Teil des geförderten O₂-, Fe- und Mn-freien Reinwassers 9 in einer Anlage zur Belüftung 11 mit O₂ anreichern, die beispielsweise als Flachbettbelüfter ausgeführt sein kann. In einem anschließenden Entgasungsbehälter 12 kann überschüssiges O₂ entgasen. Ein weiterer Behandlungsschritt zur Aufhärtung 11, beispielsweise aber nicht ausschließlich mit CaCO₃, kann nachgeschaltet werden. Zu vorbestimmten Zeiten wird die Förderung unterbrochen und O₂-angereicherte Wasser 13 wird durch eine Injektionsleitung 14 innerhalb des Förderbrunnens 5 in den Aquifer 4 gepumpt.
Mehr als die Hälfte der Betriebszeit wird Reinwasser 9 aus dem Aquifer 4 zur Erdoberfläche 2 gefördert. Dadurch fließt das in den Reaktionszonen 20 aufbereitete Reinwasser 9 aus einem Volumen innerhalb des Aquifers 4, in den Entnahmebrunnen, nach. Während der Injektionsphasen wird O₂-angereichertes Injektionswasser in den Aquifer 4 gepumpt, wobei die Zone, die von dem Wasser erreicht wird, als Infiltrationszone 16 bezeichnet wird und das Volumen des In-situ-Reaktors 17 festlegt. Die Infiltrationszone 16 liegt deutlich innerhalb der Entnahmezone 15.
Innerhalb der Infiltrationszone 16 nimmt die Konzentration des gelösten Sauerstoffs im O₂-angereichertem Wasser 13 von dem Förderbrunnen 5 zum Rand der Infiltrationszone 16 hin ab, weil der Sauerstoff mit den Metallionen in der Reaktionszone 20 chemisch reagiert und die entstehenden unlöslichen Metalloxide im Aquifer gebunden werden. Je nach Reaktivität der jeweiligen Metallionen können die Oxidationsvorgänge in unterschiedlichen Abständen zum Förderbrunnen 5 stattfinden. Dadurch findet die Oxidation und Deponierung der Mn-Ionen in der Haupt-Entmanganungs-Zone 18 näher am Förderbrunnen 5 statt als die der Fe-Ionen in der Haupt-Enteisenungs-Zone 19. Unter Umständen überlappen sich beide Zonen in einem Grenzbereich zwischen den Zonen, wie in 1 gezeigt. Beide Zonen 18 und 19 zusammen bilden die Reaktionszone 20 des In-situ-Reaktors 17.
Weiterhin ist es die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens, durch Prognose und Berechnung der optimalen Dauer der Förder- und Injektionsphasen sowie der Förder- und Injektionsmengen, den Abstand der Reaktionszone 20 von der Schicht Filterkies 7 um das Filterrohr 6 so einzustellen, dass dort eine Schutzzone 21 entsteht, in der keine Metallionen in dem einströmenden Grundwasser mehr enthalten sind. Eine derartige Steuerung verhindert, dass Metallionen in dem Filterkies 7 oder in dem Filterrohr 6 oxidieren, ausgefällt werden und die Poren des Grundwasserleiters und den Filterkies 7 zusetzen. Somit stellt das Verfahren sicher, dass der in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktor 1 langfristig leistungsfähig bleibt und wirtschaftlich arbeitet.
In 2 werden die Rückkopplungsprozesse im Untergrund schematisch dargestellt, wobei sich die Eigenschaften des Untergrundes und die Stoffkonzentrationen im Umfeld eines in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungsbrunnens wiederum zeit- und radius-abhängig verhalten. Zentrale Elemente des Rückkopplungssystems sind der Umfang der Metallkationen-Sorption 23 in der Reaktionszone, das heißt die Masse der aus der wässrigen mobilen Phase abtrennbaren reduzierten Metallionen je Zeiteinheit, und der Metallionen-Oxidation mit der Zeit, der sogenannten Oxidationskinetik 24. Beide Werte werden direkt von einer Reihe chemischer Wasserbeschaffenheits-Parameter beeinflusst, die einerseits direkt messbar sind, andererseits jedoch zeitlich und räumlich stark unterschiedlich sein können, da auch sie voneinander abhängig sind. Zu diesen charakterisierenden Größen zählen der raum- und zeitabhängige pH-Wert 25 und die Pufferkapazität 26 des Wassers, die Austauscherdichte 27 sowie die Konzentration von Metallen 28 und Sauerstoff 29 in dem Aquifer.
3 zeigt eine Übersicht über die verwendete Verfahrensstruktur für die Berechnung und Dimensionierung des In-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktors sowie die Datenstruktur.
Das Bemessungswerkzeug 31 beinhaltet vorkonfigurierte Eingabeparameter 32 für den Programmbaustein zur Berechnung der hydraulischen Strömung 42, vorkonfigurierte Eingabeparameter 33 für den Programmbaustein zur Berechnung hydrogeochemischer Reaktionen 43 sowie vorkonfigurierte Eingabeparameter 34 für den Programmbaustein zur Koppelung von Stofftransport und hydrogeochemischer Reaktion 44. Das Bemessungswerkzeug 31 ist ferner mit einer graphischen Benutzeroberfläche 35 ausgestattet und weist einen Programmbaustein für das Datenpostprozessing 37 auf, der gegebenenfalls eine nicht dargestellte Schnittstelle zu einer Steuer- und Regeleinrichtung mit den Steuer- und Regelparametern versorgt. Die Eingabedaten des Anwenders 36 werden im Bemessungswerkzeug 31 für die Übergabe 40 der Eingabeparameter an externe Simulationssoftware 41 vorbereitet und aufbereitet. Die Eingabeparameter werden dazu auf Konsistenz geprüft und in jeweils durch die einzelnen Programmbausteine lesbare Datenformate überführt. Das Bemessungswerkzeug 31 steuert dann die Bearbeitungsreihenfolge der Programmbausteine 42, 43 und 44 und die Datenübergabe zwischen diesen. Nach vollständiger Übergabe 40 der Eingabeparameter an die externe Simulationssoftware 41, welche aus drei Programmbausteinen 42, 43, und 44 aufgebaut ist, wird die Simulation vom Bemessungswerkzeug 31 aus gestartet. Der Programmbaustein zur Berechnung der hydraulischen Strömung 42, der Programmbaustein zur Berechnung hydrogeochemischer Reaktionen 43 und der Programmbaustein zur Koppelung von Stofftransport und hydrogeochemischer Reaktion 44 sind zur externen Simulationssoftware 41 verknüpft. Nach Beendigung der Berechnung durch die Programmbausteine 42, 43 und 44 werden die Simulationsergebnisse 45 in Form von Ergebnisdateien ausgegeben. Über eine vom Bemessungswerkzeug 31 aus gesteuerte Auswahl werden die für die auswählbare Ergebnis-Darstellung benötigten Simulationsergebnisse 45 an den Programmbaustein für das Datenpostprozessing 37 des Bemessungswerkzeuges 31 übergeben. Mit diesem werden die Berechnungsergebnisse dann grafisch aufbereitet und dargestellt 38. Für jedes berechnete Szenario werden die Eingangsarameter gespeichert und gesondert abgelegt 39
4 zeigt ein Beispiel eines Datenoutputs in Form einer Zeitreihe 47 der Konzentration aquatischer Fe(II)-Ionen 48 im Rohwasser eines Förderbrunnens während des Anfahrbetriebs. Die jeweiligen Konzentrationen an verschiedenen Messpositionen, insbesondere die Entfernung vom Brunnen 49 werden in verschiedenen Abständen zur Brunnenachse dargestellt. In diesem Beispiel wird der Raum in einer Entfernung bis 42.25 m von der Brunnenachse betrachtet. Die Konzentrationsverläufe werden für eine Zeitdauer von 60 Tagen simuliert. Die Berechnungen geben den Konzentrationsverlauf verschiedener Wasserinhaltsstoffe, so der Metallgehalte, wieder und zeigen in diesem Beispiel nach einer Anfahrphase von etwa 35 Tagen den Beginn eines stabilen Förderregimes 52, bei dem sich die jeweiligen Messkurven quasi periodisch wiederholen. Für das Ende der Förderphase 50 werden in diesem Beispiel für das stabile Förderregime bei einem Abstand von 11,5 m zur Brunnenachse maximale Fe-Konzentrationen 53 von 0,27 mmol/L Fe berechnet. Die starken Konzentrationsabnahmen erfolgen bei diesem Szenario in einem Abstand von der Brunnenachse zwischen 6,75 und 15,5 m, womit die Lage der Haupt-Enteisenungs-Zone bestimmt wurde. Allerdings zeigt auch der Fe-Konzentrationsverlauf direkt an der Brunnenachse 54 am Ende der jeweiligen Förderperiode einen gewissen Rest-Eisengehalt, was darauf hindeutet, dass in dieser Simulation eine zu hohe Fördermenge eingestellt wurde und sich der innere Rand der Haupt-Enteisenungs-Zone folglich bis zur Brunnenachse erstreckt. Beispielhaft sind im Diagramm eine Injektionsphase 51 und eine Förderphase 50 innerhalb eines Zykluses dargestellt. Weiterhin ist der Bereich der Enteisenung 55 dem Diagramm zu entnehmen.
Dieses Beispiel zeigt, in welcher Form die Ergebnisse der Konzentrations-Simulationen vorliegen und wie aus diesen Diagrammen konkrete Größenordnungen der Reaktionszonen ausgelesen werden können.
Bezugszeichenliste

1: In-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Anlage
2: Erdoberfläche
3: Grundwasserpegel
4: Aquifer
5: Förderbrunnen
6: Filterrohr
7: Filterkies
8: Förderpumpe
9: Reinwasser
10: Steigrohr
11: Belüftung/Aufhärtung
12: Vorlage-/Entgasungsbehälter
13: Injektionswasser, O₂-angereichertes Wasser
14: Injektionsleitung
15: Entnahmezone
16: Infiltrationszone
17: In-situ-Reaktor
18: Haupt-Entmanganungs-Zone
19: Haupt-Enteisenungs-Zone
20: Reaktionszonen
21: Schutzzone
23: Umfang der Sorption
24: Umfang der Oxidation/Oxidationskinetik
25: pH-Wert
26: Pufferkapazität des Rohwassers
27: Austauscherdichte
28: Metallkonzentration
29: Sauerstoffkonzentration
31: Bemessungswerkzeug
32: Vorkonfigurierte Eingabeparameter für 42
33: Vorkonfigurierte Eingabeparameter für 43
34: Vorkonfigurierte Eingabeparameter für 44
35: Graphische Benutzeroberfläche
36: Eingabedaten des Anwenders
37: Programmbaustein für das Datenpostprozessing
38: Grafisch dargestellte Berechnungsergebnisse
39: Gespeicherte Input-Parameter eines Szenarios
40: Übergabe der Eingabeparameter an externe Simulationssoftware
41: Externe Simulationssoftware
42: Programmbaustein zur Berechnung der hydraulischen Strömung
43: Programmbaustein zur Berechnung hydrogeochemischer Reaktionen
44: Programmbaustein zur Koppelung von Stofftransport und hydrogeochemischer Reaktion
45: Simulationsergebnisse
47: Zeitachse, Zeitreihe
48: Fe-Konzentration
49: Entfernung vom Brunnen
50: Förderphase
51: Injektionsphase
52: Beginn stabiles Förderregime
53: maximale Konzentration in 11,5 m Entfernung zur Brunnenachse
54: Konzentrationsverlauf an der Brunnenachse
55: Bereich der Enteisenung
A: Programmelement zur Berechnung der hydraulischen Teil-Prozesse
B: Programmelement zur Berechnung der geochemischen Wechselwirkungen in der Wasserphase sowie zwischen der Wasserphase und dem Feststoff
C: Programmelement zur Berechnung der Stofftransport-Prozesse
D: vorkonfiguriertes Basismodell
E: Datenbank mit geochemischen Parametern
F: Programmelement zur Darstellung der Berechnungsergebnisse
G: Datenbank

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

AT 29322 B [0004]
AT 296177 B [0006]
DE 2714261 C2 [0007]

Claims

Verfahren zur Dimensionierung und Steuerung eines in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktors (1) zur Wasseraufbereitung in einem Aquifer (4), aufweisend folgende Elemente, A) ein Programmelement zur Berechnung der hydraulischen Teil-Prozesse, B) ein Programmelement zur Berechnung der geochemischen Wechselwirkungen in der Wasserphase sowie zwischen der Wasserphase und dem Feststoff, C) ein Programmelement zur Berechnung der Stofftransport-Prozesse, D) ein vorkonfiguriertes Basismodell, E) eine Datenbank mit geochemischen Parametern und F) ein Programmelement zur Darstellung der Berechnungsergebnisse, dadurch gekennzeichnet, dass – ein in-situ-Enteisenungs- und Entmanganungs-Reaktor (1) mittels der Elemente A), B), C), D), E), F) simuliert wird und – aus der Simulation ein oder mehrere Parameter derart zur Steuerung des Reaktors (1) eingesetzt werden, dass – eine Haupt-Entmanganungs-Zone (18) und eine Haupt-Enteisenungs-Zone (19) innerhalb einer Infiltrationszone (16) des Reaktors (1) ausgebildet werden, wobei die Infiltrationszone (16) innerhalb der Entnahmezone (15) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenbank G) mit Datensätzen von konsistenten Ausgangsparametern für die Vorbelegung änderbarer Parameter vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter zur Steuerung des Reaktors (1) das Verhältnis zwischen Injektionswasser (13) und Reinwasser (9) ermittelt und zur Steuerung der Taktzeit von Reinwasserentnahme zu Injektionswasserinfiltration eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Verhältnisses zwischen Injektionswasser (13) und Reinwasser (9) über der Zeit ermittelt und zur Steuerung der Taktzeit von Reinwasserentnahme zu Injektionswasserinfiltration eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter zur Steuerung des Reaktors (1) der Volumenstrom der Förderpumpe (8) als auch den Volumenstrom des Injektionswassers (13) ermittelt und zur Steuerung der Förderpumpe (8) und zur Steuerung des Injektionsvolumenstromes durch eine weitere Pumpe, ein Ventil oder eine andere Steuer- und regeleinrichtung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter zur Steuerung des Reaktors (1) die Zeitspannen zwischen Förder- und Injektionsphase und zwischen Injektions- und Förderphase ermittelt werden und zur Steuerung der Förderpumpe (8) und zur Steuerung des Injektionsvolumenstromes durch eine weitere Pumpe, ein Ventil oder eine andere Steuer- und regeleinrichtung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter zur Steuerung des Reaktors (1) die Sauerstoffsättigung des Reinwassers (9) ermittelt und zur Steuerung des Sauerstoffeintrages über eine Belüftungseinrichtung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter zur Steuerung des Reaktors (1) der Bedarf von Kalziumkarbonat oder einer anderen zur pH-Wert-Einstellung und Wasserhärte-Regulierung geeigneten Substanz ermittelt und zur Steuerung der Aufhärtung (11) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist: aa) Eingabe von hydraulischen Daten, ab) Eingabe von Wasserbeschaffenheitsdaten und Mineralphasengehalt des Grundwasserleiters mit geochemischer Plausibilitätskontrolle der Dateneingabe, ac) Eingabe und Definition der kinetischen Parameter und Transportparameter unter Zurverfügungstellung konsistenter änderbarer Datensätze, ba) hydraulische Berechnung, bb) Berechnung von geochemischen Wechselwirkungen in der Wasserphase sowie zwischen der Wasserphase und dem festen Korngerüst des Untergrundes und Prüfung der chemischen Beschaffenheit des Grund- und Infiltrationswassers und bc) Transportberechnung für alle relevanten Wasserinhaltsstoffe auf der Basis der in Schritt ba) bestimmten Strömungsvektoren, bd) Wiederholung von Schritt bb) und bc) bis zum in Schritt ba) definierten Ende der Modellzeit, ca) Darstellung der Ergebnisdaten als Zeitreihen für das geförderte Reinwasser (9) und für die Konzentrationen an bestimmten Punkten im Untergrund oder cb) Darstellung der Ergebnisdaten als Profil der räumlichen Verteilung der Wasserbeschaffenheit im Untergrund und d) Übermittlung der Parameter zur Steuerung an eine Steuereinrichtung des Reaktors (1).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen und die geochemischen Einzelprozesse des Aufbereitungsverfahrens gemäß den Verfahrensschritten ba) bis bd) rechnerisch miteinander gekoppelt und rückgekoppelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorkonfiguriertes Basismodell mit einer Datenbank für geochemische und weitere änderbare Parameter enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zukünftige Betriebsregimes für verschiedene Standorte im Rahmen der Anlagenplanung prognostiziert und die erzielten Ergebnisse zur Auslegung der Anlage eingesetzt werden.