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Hintergrund
der Erfindung
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Für
die In-situ-Reinigung der ungesättigten Bodenzone
von Schadstoffen wie z.B. organischen Kohlenwasserstoffverbindungen
können
thermische Verfahren wie z.B. die Dampfinjektion (WO 91/02849) zur
Unterstützung
der konventionellen Bodenluftabsaugung mittlerweile als Stand der
Technik bezeichnet werden. Da zur Injektion fluider Wärmeträgermedien
in poröse
Medien in der Vergangenheit, beginnend mit den Anwendungen für die Ölindustrie, bereits
einige Jahrzehnte an Forschungsarbeit geleistet wurde, weltweit
eine entsprechende Anzahl von Patenten erteilt wurden und darüber hinaus
die bei der Verfahrensanwendung ablaufenden physikalischen Prozesse
recht komplexer Natur sind, erscheint es sinnvoll, hier zunächst einen Überblick über die
wichtigen bestehenden Patente und den Stand von Wissenschaft und
Technik zu gewinnen.
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Wichtige Patente:
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WO 91/02849 Udell et al., 1991: das
Grundpatent zur Dampfinjektion in die ungesättigte Bodenzone. Die gesättigte Bodenzone
und der Kapillarsaum ebenso wie der Grundwasserwechselbereich können damit
prinzipbedingt nicht gereinigt werden.
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US
5279740 : Basile et al., 1992: Simultane Injektion von Dampf
und Bakterien und Nährstoffen, um
den mikrobiellen Abbau von Schadstoffen zu verstärken.
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DE 18707096 C1 Färber et al., 1997: Erweitert
die Injektion auf ein gesättigtes
Dampf-Luft-Gemisch.
Das Verfahren arbeitet, ohne auf die spezifischen Erschwernisse
der gesättigten
Zone ausgelegt zu sein, lediglich in der ungesättigten Bodenzone und ebenso
wie WO 91/02849 weder im Kapillarsaum noch im Grundwasserwechselbereich.
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WO 00/35608: Eaker et al., 1998:
Dampfinjektion zwischen zwei undurchlässigeren Schichten, was unter
diesen speziellen Randbedingungen prinzipiell zwar funktioniert,
jedoch bereits in Basel et al. im Jahr 1991 veröffentlicht wurde; die darin
weiter angemeldeten Ansprüche
zur Temperatursteuerung der Schichtenrandbedingungen sind physikalisch
unsinnig, da dies durch eine Dampfinjektion prinzipbedingt nicht
steuerbar ist.
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US
6142706 Aines et al., 2000: erweitern die Dampfinjektion/elektrische
Wärmequellen
um eine thermische Barriere, die über Nassoxidation Schadstoffe
zerstören
soll. Die Funktion des Verfahrens ist unter strömungsmechanischen und thermodynamischen
Aspekten als zweifelhaft anzusehen.
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Stand von Technik und
Wissenschaft:
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Die besonderen Vorteile von thermischen Verfahren
liegen in der Ausnutzung der thermodynamischen Phasengleichgewichte
begründet,
für die eine
zumeist exponentielle Temperaturabhängigkeit besteht. Dadurch kommt
es bei einer Erwärmung
von verunreinigtem Untergrund zu einer beträchtlichen Erhöhung des
Stoffübergangs
von den flüssigen Phasen,
die i.d.R. den größten Anteil
an Schadstoff enthalten, in die Gasphase, welche dann über Standardmethoden
wie z.B. eine Bodenluftabsaugung aus dem Boden extrahiert werden
kann.
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Ein weiterer Vorteil der thermischen
Verfahren besteht in dem isotropen Ausbreitungsverhalten der Wärmefront
im Untergrund, die, bedingt durch Wärmetransferprozesse, zu einer
gleichmäßigen Erwärmung des
Untergrunds und zu einer Dämpfung des
Einflusses von heterogenen Bodenstrukturen führt. Diese Heterogenitäten sind
es letztlich, die bei sämtlichen
derzeit existierenden In-situ-Verfahren zur. Reinigung von kontaminiertem
Untergrund, gleichgültig
auf welchem physikalischen Prinzip sie nun basieren, zu einer Limitierung
der Reinigungsleistung und damit einhergehend auch zu einer Limitierung
der ökonomisch
effizienten Anwendbarkeit dieser Verfahren führen: hydraulisch gut durchlässige Bodenbereiche
werden schnell und effizient gereinigt, während der Stofftransport aus
den schlechter durchlässigen
Bereichen heraus hauptsächlich über (sehr
langsam wirkende) Diffusionsprozesse begrenzt wird. Der Einsatz
von Wärme ändert an
diesem grundsätzlichen
Sachverhalt nichts, jedoch laufen alle Prozesse auf einem höheren Temperaturniveau
und damit mit um Größenordnungen
größeren Stofftransferraten
ab. Entsprechend verspricht eine thermische In-situ-Reinigung daher
grundsätzlich eine
deutlich schnellere Sanierungszeit als ein „kaltes Verfahren". Eine möglichst
gleichmäßige Erwärmung des
Untergrunds ist allerdings für
einen ökonomisch
vorteilhaften Einsatz der thermisch unterstützten In-situ-Verfahren die
Grundvoraussetzung.
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In der ungesättigten Bodenzone ist dies
z.B. für
das schon genannte Verfahren der Dampfinjektion hinreichend gewährleistet,
was sich über
umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen (Itamura et al. 1993,
Färber
1997, Betz 1998) und auch anhand von mehreren erfolgreichen, wissenschaftlich
begleiteten Feldanwendungen (Schmidt et al. 2000, Koschitzky et
al. 2001) nachweisen ließ.
Die gleichmäßige Erwärmung des
Untergrunds lässt
sich in der ungesättigten
Zone i.d.R. mit einer ökonomisch
vertretbaren Anzahl von Injektions- und Extraktionsbrunnen bewerkstelligen.
Eine aus diesem Aspekt resultierende Grenze für die Anwendbarkeit des Verfahrens
ergibt sich – wie
prinzipbedingt für
alle Verfahren, bei denen Strömungen
von Fluiden im Boden erzeugt werden – grundsätzlich durch die hydraulische Durchlässigkeit
des Untergrunds: mit einer Zunahme dieses als Strömungswiderstand
wirkenden Boden- und Fluidparameters steigen die Reibungskräfte an, und
die Konvektionströme
nehmen proportional ab. Sowohl die in Form von Dampf injizierbare
Leistung, als auch der mit Schadstoff beladene, über Extraktionsbrunnen absaugbare
Bodenluftmassenstrom, ist daher beispielsweise für einen Lehmboden zu gering,
um ökonomisch
sinnvoll eingesetzt werden zu können.
Als weiterer limitierender Faktor für eine ökonomisch vertretbare Anwendung
der auf Wasserdampf basierenden thermischen In-situ-Verfahren ist die
Flüchtigkeit
der Schadstoffe zu nennen, da schwer flüchtige Substanzen wie z.B.
Schweröl
oder polyzyklische Aromatenverbindungen, die unter normalen Umgebungsbedingungen
zumeist als Feststoffe vorliegen, selbst bei Dampftemperaturen eine zu
geringe Flüchtigkeit
für einen
ausreichenden Stoffübergang
in die Bodenluft besitzen.
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Durch den Zusatz von Luft zum Dampf
(
DE 19707096C1 )
lässt sich
das Verfahren der Dampfinjektion in die ungesättigte Bodenzone dahingehend verbessern,
dass unter Beibehaltung der isotropen Ausbreitung der Wärmefront
ein unerwünschtes
Auskondensieren des Schadstoffs an dieser Front stark reduziert
wird. Dieses Prinzip ist momentan lediglich anhand von wissenschaftlichen
Untersuchungen im Labor- und halbtechnischen Maßstab (Schmidt et al. 1998,
Schmidt 2000) zwar hinreichend nachgewiesen, Stand der Technik ist
es noch nicht.
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Beide Verfahren – die reine Dampfinjektion und
die kombinierte Dampf-Luftinjektion – funktionieren im Rahmen der
bereits genannten Anwendungsgrenzen lediglich in der rein ungesättigten
Zone. Bereits im Kapillarsaum (hier sind häufig besonders hohe Schadstoffkonzentrationen
anzutreffen) und insbesondere im eigentlichen Grundwasserbereich (=
gesättigte
Bodenzone) treten andere Prozesse in den Vordergrund, die zu einer
erheblichen Behinderung der Wärmeausbreitung.
führen:
Auftriebs- und Kapillarkräfte üben hier
einen maßgeblichen
Einfluss aus. Die Auftriebskräfte
erzwingen eine starke vertikale Aufwärtsbewegung einer Gasphase
und behindern damit gerade bei Grundwasserleitern mit hoher hydraulischer
Durchlässigkeit
die gewünschte
horizontale Ausbreitung z.B. einer mittels Dampf generierten Wärmefront.
Daraus resultieren, unter ökonomischen
Gesichtspunkten betrachtet, unvertretbar kleine Abstände der
Injektionsbrunnen (einschließlich
der jeweils zugehörigen
Extraktionsbrunnen), um eine gleichmäßige Erwärmung des Untergrunds und damit
eine Erschließung
für einen
effizienten Abreinigungsprozess zu erreichen. Dies stellt ein physikalisch
bedingtes Kernproblem bei der Injektion von Gasen oder Dämpfen in
die gesättigte
Bodenzone zum Zwecke der Schadstoffentfernung dar. Hier knüpft das
vorliegende Patent an, das durch die Injektion eines Gemischs von
Dampf und Inertgas in die gesättigte
Bodenzone in Verbindung mit einer an die dem jeweiligen Anwendungsfall
spezifischen Randbedingungen angepassten Betriebsweise zu einer
effizienten Reinigung des Untergrunds von Schadstoffen führt.
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Die Prozesse sind komplex, da sich
das Ausbreitungsverhalten von kaltem inertem Gas (z.B. Luft), Dampf
oder von Dampf-Inertgasgemischen in einem gesättigten porösen Medium signifikant voneinander
unterscheiden. Die Injektion von kalter (Umgebungstemperatur) Luft,
wie sie beim sogenannten „Air-Sparging"-Verfahren angewandt
wird, führt
durch Kapillarkräfte
bedingt zur Ausbildung von einzelnen bevorzugten Luftfließpfaden
(vergleichbar einem stark verästelten
Baum). In diesen Pfaden bzw. in deren unmittelbarem Umgebungsbereich
kann bei hinreichend hoher Flüchtigkeit
eine ausreichende Reinigung erzielt werden. Die Sanierungseffizienz
dieses Verfahrens ist jedoch (neben der Flüchtigkeit der Schadstoffe)
im wesentlichen limitiert durch die unkontrollierbare, bereits von
sehr schwach heterogenen Bodenstrukturen signifikant beeinflusste,
ungleichmäßige Ausbildung
der Luftfließpfade
und damit durch eine ineffiziente Erschließung des Untergrunds für den Reinigungsprozess.
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Dampf verhält sich hier gänzlich anders,
da die gekoppelten, Wärmetransfer-
und Phasenübergangsprozesse
den Einfluss der Kapillarkräfte
stark dämpfen
und anstatt einzelner Fließpfade
eine stabile Wärmefront
erzeugen, in der sich die Gasphase kohärent über einen größeren Bereich
erstreckt, der einheitlich auf Sattdampftemperatur aufgeheizt ist. Der
Dampf kondensiert an der Front vollständig aus und gibt dabei seine
Verdampfungsenthalpie zur weiteren Ausbreitung der Wärmefront
ab. Nichtsdestotrotz führt
der Einsatz von Sattdampf in der gesättigten Zone, obwohl die Erwärmung eine
beträchtliche Erhöhung des
Stoffübergangs Wasser-Gasphase
mit sich bringt, zunächst
nur zu einer Akkumulation des Schadstoffs in flüssiger Form an bzw. hinter
der Wärmefront
und nicht zwangsläufig
zu der gewünschten Verfrachtung
nach oben. Je nach Dichte des Schadstoffs und der lokalen Aquiferstruktur
bewegt sich diese nunmehr mobilisierte Phase im 2-Phasen-System
Wasser-Schadstoff von der Wärmefront
weg in unkontrollierbarer Weise in alle räumlichen Richtungen (Schwerkraft
und Kapillarkräfte
dominieren diesen Prozess). Eine Entfernung des Schadstoffs aus der
gesättigten
Zone heraus findet dabei nur äußerst begrenzt
statt, und die Verfahrensanwendung wird durch diesen Effekt, insbesondere
in Verbindung mit der bereits beschriebenen, begrenzten horizontalen Ausbreitung
der Front im Regelfall ineffizient sein. Für Stoffe mit einer Dichte größer als
Wasser stellt die Injektion von reinem Dampf durch die schwerkraftbedingte
potenzielle Verlagerung der an der Wärmefront akkumulierten Schadstoffe
in tiefer gelegene Aquiferbereiche sogar eine starke Gefährdung der
Umwelt dar. Eine Sanierung mit Dampf ist hier nur unter außergewöhnlichen
hydrogeologischen und schadstoffabhängigen Randbedingungen prinzipiell
möglich,
die Effizienz ist generell äußerst fragwürdig. Basel
et al. 1991 wenden beispielsweise eine reine Dampfinjektion für einen
Grundwasserleiter, der, von sehr geringer Mächtigkeit, oben und unten von
undurchlässigen
Schichten eingefasst ist. In diesem Fall spielt die Form der Wärmefront
keine wichtige Rolle, da die Auftriebskräfte durch die geringe Mächtigkeit
der Schicht keine Entfaltungsmöglichkeit haben.
Dieses, im Bereich der Erdölgewinnung
unter dem Begriff „Steam
drive" bekannte,
Verfahrensprinzip wird als sekundäre Ölfördermaßnahme bereits seit längerem eingesetzt
(van Lookeren, 1983).
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Beschreibung des Patentgegenstands:
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Bei der Injektion eines Inertgas-Dampf-Gemischs
in die gesättigte
Bodenzone sind in zwei räumlich
voneinander abgegrenzten Bereichen die geschilderten Phänomene von
kalter Luft und von Dampf zu beobachten: die Ausbildung einer stabilen Wärmefront,
in der der Dampfanteil auskondensiert und sämtlicher von der Front erfasster
Schadstoff verdampft werden kann. Außerhalb dieser Front entstehen
im noch kalten Bodenbereich bevorzugte Fließpfade für den die Front durchströmenden Inertgasanteil,
der als Trägermedium
für den
Schadstoff dient. Dieses Inertgas-Schadstoffgemisch strömt unter
den physikalischen Gesetzmäßigkeiten
des Air-Sparging gefahrlos und kontinuierlich in die ungesättigte Bodenzone,
wo es gemeinsam mit der Bodenluft über Extraktionsbrunnen abgesaugt
werden kann. Das Verfahren wird solange fortgesetzt, bis die Wärmefront
die Extraktionsbrunnen zumindest erreicht hat bzw, bis die dort
gemessenen Konzentrationen eine vollständige Reinigung des Untergrunds erwarten
lassen.
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Durch diese kombinierte Injektion
von Sattdampf und Inertgas lassen sich die prinzipiellen Vorzüge der Dampfinjektion
(stabile, kohärente
Sanierungsfront anstelle von Einzelpfaden und starke Erhöhung des
Stofftransfers durch den Einsatz von thermischer Energie) unter
Vermeidung der geschilderten spezifischen Nachteile (Entstehen einer
unkontrollierbaren flüssigen
Schadstoffphase) nutzen, wobei die effiziente Sanierung des Untergrundes über eine
an die jeweilige Hydrogeologie des Standorts und die Art und Verteilung
des Schadstoffs individuell anzupassende Betriebsweise (im folgenden aufgeführt) erzielbar
ist.
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Die Betriebsweise muss dabei folgende Maßgaben erfüllen:
- (1) Um eine möglichst große horizontale Ausbreitung
der Wärme-
und Sanierungsfront zu erzielen, ist zur hierfür erforderlichen Maximierung
der Reibungskräfte
stets eine Maximierung des injizierten Dampf-Inertgasstroms anzustreben.
Limitierend wirkt hier zum einen die unzureichende Einbindung der
Injektionsbrunnen an den umliegenden Boden bzw. ihr Eigengewicht
und zum anderen die begrenzte Erdauflast über den Injektionspunkten,
so dass es zu einer Aufwärtsbewegung
der Brunnen bzw. des umliegenden Bodens kommen kann (hydraulischer
Grundbruch). Weiterhin geht das für poröse Medien im Regelfall geltende
lineare Fließgesetz
(Darcy-Gesetz) bei sehr hohen Durchflossen bzw. großen charakteristischen Korndurchmesser
des Mediums in ein quadratisches Fließgesetz über, das den Injektionsstrom stark
begrenzt: Kiesaquifere sind daher in keinem Fall über dieses
Verfahren reinigbar.
(a) Bei hinreichender Beschwerung der
Injektionsbrunnen über
Zusatzgewichte bzw. deren Anbindung an den umliegenden Boden über aushärtende Ausgleichmassen
(z.B. Zement-Bentonit-Suspension) lässt sich eine Maximierung des
Injektionsdrucks erzielen, welche der über dem Injektionsniveau befindlichen
Erdauflast entspricht.
(b) Durch geeignete Verankerung der
Injektionsbrunnen lässt
sich der maximale Injektionsdruck unter Berücksichtigung der Coulomb'schen Erddrucktheorie über den
erzielten Betrag gemäß Punkt
(a) noch weiter steigern.
(c) Das Injektionsniveau ist möglichst
tief im Grundwasser zu wählen.
Dies erhöht
zum einen die Erdauflast und simultan wird hierdurch ein weiterer
thermodynamischer Effekt zur Erhöhung der
lateralen Ausbreitung der Sanierungsfront erzielt: Das gasförmige Inertgas-Dampfgemisch
expandiert gemäß idealem
Gasgesetz während
des Aufstiegs über
der Injektionsstelle entsprechend der hydrostatischen Druckverteilung
im umliegenden Aquifer, die Dichte verhält sich also umgekehrt proportional
zu dem im Grundwasser vorliegenden Gesamtdruck. Die Temperatur reduziert sich
dabei gemäß dem exponentiellen
Charakter der Dampfdruckkurve nur unwesentlich. Durch die Volumenexpansion
erhöhen
sich die Reibungskräfte
und die gewünschte
horizontale Ausbreitung der Sanierungsfront wächst an. Begrenzt wird die
Injektionstiefe durch geologisch undurchlässigere Formationen und die
Tatsache, dass das aufzuheizende Bodenvolumen und damit proportional
die zwar nicht dominierenden aber nicht gänzlich vernachlässigbaren
Energiekosten ansteigen.
- (2) Anpassung der Betriebsweise an die Schadstoffeigenschaften:
Hierbei ist zunächst
grundsätzlich
zwischen Gefährdungspotenzial
und Sanierungseffizienz zu unterscheiden. Ersteres trifft zu für Schadstoffe,
deren Dichte größer als
Wasser ist (in der entsprechenden englischensprachigen Wissenschaftssprache
als DNAPL, Dense non aqueous Phase liquids bezeichnet). Wohingegen
für LNAPL
(Light non aqueous Phase liquids) infolge ihrer geringeren Dichte
als Wasser keine abwärtsgerichtete
Bewegung infolge der Mobilisierung durch die Wärmefront zu befürchten ist,
sondern lediglich die Effizienz der Sanierung verbessert werden
kann. Es ergibt sich folgende unterschiedliche Maßgabe:
(a)
Für DNAPL:
muss der Trägergasanteil
zunächst
in sehr hohen Molanteilen zugemischt werden, um einen hinreichenden
Abtransport der Schadstoffe über
das Trägergas
sicherzustellen (Größenordnung
XTG ca. 95% bis mindestens ca. 50%). Eine
Kontrolle erfolgt hierbei unter Zuhilfenahme einer möglichst
kontinuierlichen Schadstoffkonzentrationsmessung an den Extraktionsbrunnen
und, nach Installation von entsprechenden Temperaturmesssystemen,
durch Messung der Bodentemperaturen im anvisierten Sanierungsbereich.
Hierdurch lässt
sich in erster Näherung
auf das Erschließen
von größeren Bereichen mit
hohen Schadstoffkonzentrationen rückschließen. Durch einen hinreichend
hohen Trägergasanteil
ist eine Absaugkonzentration deutlich unter dem bei der Extraktionsgastemperatur
herrschenden Sättigungsdampfdruck
der Schadstoffe sicherzustellen. Mit dem Absinken der Konzentrationen
nach einer gewissen Betriebszeit ist der Trägergasanteil sukzessive kontinuierlich
oder in Stufen zu reduzieren, während
der gesamt injizierte Massenstrom des Gemischs durch simultane Erhöhung des
Dampfmassenstroms in etwa konstant zu halten ist. Dadurch erhöht sich
zum einen die Gemischtemperatur und der Stofftransfer steigt an,
zum anderen werden die Reibungskräfte konstant gehalten. Wird
nur der Trägergasanteil reduziert
und der Dampfanteil konstant gehalten, reduziert sich der injizierte
Gesamtmassenstrom und die Reibungskräfte werden reduziert. Dadurch
kollabiert ein Teil der Sanierungsfront, füllt sich mit einströmendem Wasser,
und dieser Bereich ist für
den gewünschten
Schadstofftransfer ins gasförmige
Injektionsgemisch nicht mehr erreichbar.
(b) Zur groben Einschätzung der
fokalen Schadstoffverteilung des DNAPL und zur Ermittlung der extrahierbaren
Schadstoffkonzentrationen ist für jede
Injektionsvorrichtung vor Anwendung von Punkt (2a) zunächst eine
probeweise Trägergasinjektion
mit sehr geringem Dampfanteil (XWasser =
1 bis 2%), also auf niedrigstem Temperaturniveau durchzuführen.
(c)
Bei LNAPL steht eine Steigerung der Sanierungseffizienz im Vordergrund.
Diese Schadstoffe werden als Phase i.d.R. im Grundwasserschwankungsbereich
bzw. höchstens
knapp unterhalb von diesem anzutreffen sein. Dieser Bereich muss
von der Wärmefront
hinreichend erfasst werden, und eine Akkumulation größerer Mengen an
kondensierendem Schadstoff hinter der Wärmefront, der dann u.U. von
der Wärmefront
nicht mehr erreicht wird, ist zu vermeiden. Der Trägergasanteil
kann daher in beliebigen Molanteilen zugemischt werden, solange
er hinreichend groß ist (in
einer Größenordnung
des Trägergases
XTG von mindestens ca. 1 %). Eine Kontrolle
der Extraktionskonzentrationen analog zu Punkt (a) zur Einschätzung der
lokalen Schadstoffverteilung unter Berücksichtigung der aktuellen
Lage und Temperatur der Wärmefront
ist empfehlenswert.
- (3) Anpassung der Betriebsweise an die lokale Hydrogeologie:
Das spezifische Ausbreitungsverhalten von LNAPL und DNAPL in der
gesättigten Bodenzone
bzw. im Grundwasserschwankungsbereich ist in die Abschätzung der
jeweils aktuellen Sanierungssituation gemäß Punkt (2a) bis (2c) einzubeziehen.
Besondere Gefährdung
für eine potenzielle
Mobilisierung einer flüssigen
Schadstoffphase stellen zwangsläufig
Bereiche mit einer bereits hohen Anfangskonzentration dar. Diese sind
infolge von Kapillarkräften
(kapillarer Eindringdruck) im Bereich mikro- bis makroskaliger Heterogenitäten des
Untergrunds, und zwar jeweils oberhalb schlechter durchlässiger Schichten,
Linsen etc. anzutreffen. Bodenproben im Sanierungsbereich sind zur
Einschätzung
der Schadstoffverteilung im Untergrund ebenfalls eine hilfreiche
Ergänzung.
Bei ausgeprägten
Schichtungen des Aquifers ist – ebenfalls
wie bei Anwendung des Airsparging-Verfahrens – darauf zu achten, dass das
mit Schadstoff beladene inizierte Inertgas erst in beträchtlicher
Entfernung von der Injektionsstelle in die ungesättigte Zone gelangen kann.
Die Anordnung und Wahl der Extraktionsbrunnen ist dahingehend anzupassen.
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Die Erfindung wird durch die nachstehenden Zeichnungen
basierend auf durchgeführten
Untersuchungen im Labor und halbtechnischen Maßstab näher erläutert.
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1 zeigt
die Temperaturverteilung [°C]
bei Injektion von Dampf. Eine unterschiedliche horizontale Ausbreitung
der Wärme-
(Sanierungs-) front wird infolge Variation der Reibungskräfte erzielt.
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2 zeigt
als Prinzipbild die verfahrenstechnische Anwendung der Erfindung
auf einen mit Schadstoffen verunreinigten Grundwasserleiter auf.
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3 zeigt
die exemplarische Wärmeausbreitung
in einem Grundwasserleiter anhand eines experimentellen Versuchs
im technischen Maßstab (Bodenvolumen
ca. 70 m3). Dargestellt sind in zeitlicher
Reihenfolge die während
der Injektion eines Dampf-Luft-Gemisches in den Grundwasserleiter
gemessenen Temperaturen im Grundwasserleiter, dem Grundwasserwechselbereich
und der ungesättigten Zone.
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4 zeigt
die während
der erfindungsgemäßen Sanierung
eines beispielhaft mit monocyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen
kontaminierten Grundwasserleiters auftretenden Konzentration in
der abgesaugten Bodenluft und verweist auf die zeitliche und verfahrenstechnische
Steuerung der Dampf-Luft-Injektion.
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5 stellt
die einzelnen Anlagenkomponenten zur erfindungsgemäßen Anwendung
der Dampf-Luft-Injektion in Grundwasserleitern zusammen. Die Anlagentechnik
umfasst sowohl die Injektionstechnik, Extraktionstechnik, sowie
die Behandlung der anfallenden Stoffströme.
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1 zeigt
die unterschiedliche horizontale Ausbreitung der Wärme- (Sanierungs-)
front 17 infolge von variierten Reibungskräften (Injektionspunkt
ist jeweils unten links) anhand von Laborversuchen: Bei konstanten
Auftriebskräften
wurden die Reibungskräfe
gegenüber
dem obersten Bild um den Faktor 10 (Mitte) und Faktor 20 (unten)
erhöht.
Die mit zunehmenden Reibungskräften
anwachsende horizontale Ausbreitung der Wärmefront ist deutlich erkennbar. Eine
Injektionsrate gemäß dem oberen
Bild führt
zu einer unzureichenden Erwärmung
des Untergrundes bzw. erfordert eine unvertretbare Anzahl von Injektionsbrunnen.
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2 zeigt
einen Bodenabschnitt, der einen Grundwasserleiter 14 und
die darüber
liegende ungesättigte
Bodenzone 13 darstellt. Der Grundwasserspiegel 15 bewegt
sich im Bereich des Grundwasserschwankungsbereiches 12.
Der Grundwasserleiter ist im Kontaminationsbereich 11 entlang
einer Höhe des
Grundwasserschwankungsbereiches mit ungelösten organischen Schadstoffen
verunreinigt. Durch Lösungsvorgänge nimmt
das Grundwasser im Grundwasserwechselbereich 12 Schadstoffe
auf und diese emittieren in den Abstrom der Kontamination. Die erfindungsgemäße Injektion
einer Dampf-Trägergas-Mischung 20 in
den Grundwasserleiter über
einen Injektionsbrunnen 21 führt durch die Kondensation
des Dampfes zur Ausbildung einer kohärenten Wärmefront 17, hinter
der das inerte Trägergas
im Grundwasserleiter unter Ausbildung bevorzugter Fließwege 16 nach
oben steigt. Die Erhöhung
der Temperatur bewirkt eine verstärkte Evaporation der Schadstoffe 11,
die mittels des Trägergases über die bevorzugten
Fließwege
in die ungesättigte
Zone aufsteigen und über
Bodenluftextraktionsbrunnen 30 abgesaugt werden können. Durch
die erfindungsgemäß eingestellte
Luftinjektionsrate erfolgt eine stetige Austragung von gasförmigen Schadstoffen
mit erhöhten
Temperaturen und die Schadstoffkonzentration in der entzogenen Bodenluft
sinkt unter die dampfdruckspezifische Sättigungskonzentration der einzelnen
Schadstoffe.
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3 stellt
die Ergebnisse des Ausbreitungsverhaltens der Wärmefront 17 in einer
endungsgemäßen durchgeführten großskaligen
Untersuchung dar. Die Abbildung dient der beispielhaften Illustration
des Patentanspruches 1 und schränkt diesen nicht durch die
Untersuchungsbedingungen ein. Die Injektion des Dampf-Luft Gemisches
erfolgt über den
untersten verfilterten Bereich der Multilevelinjektionspegel 21 in
den Grundwasserleiter 14. Die Wärmefront 17 mit Temperaturen
um 96°C
breitet sich rasch im Grundwasserleiter 14 aus (4h). In
weiteren Verlauf (12 h) breitet sich die Wärmefront 17 lateral weiter
aus und durchdringt in vertikaler Richtung den kontaminierten Bereich 11 bis
hinein in die ungesättigte
Zone 13. Die gasförmigen
mit der injizierten Luft ausgetragenen Schadstoffe 51 werden über die
Extraktionsbrunneneinheiten 30 aus der ungesättigten Zone 13 extrahiert.
In Folge breitet sich die Wärmefront 17 in
der ungesättigten
Zone 13, dem Grundwasserschwankungsbereiches 12 und
dem Grundwasserleiter 14 in Richtung der Extraktionsbrunneneinheiten 30 aus.
Im Verlauf des Fortschreitens der Wärmefront 17 mit erfindungsgemäßer Erschließung des
gesamten kontaminierten Bereiches 11 (48 h) werden die
Schadstoffe durch die injizierte Luft vollständig als Luft-Schadstoff-Dampf
Gemisch 51 ausgetragen.
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4 stellt
den zeitlichen Ablauf der Konzentrationen einzelner organischer
Lösemittel
in der extrahierten Bodenluft für
die unter 3 dargestellte
Untersuchung dar. Die Darstellung erfolgt beispielgebend und schließt nicht
die erfindungsgemäße Änderung
der Sanierungsfahrweise nicht aus. Die Untersuchung ist mit den
Stoffen Toluol, o-, m- und p-Xylol, Ethylbenzol, sowie 1,3,5-Trimethylbenzol
durchgeführt
worden. Nach Einschalten der Dampf-Luft Injektion steigen die Konzentrationen
der einzelnen Stoffe in der abgesaugten Bodenluft rasch auf Konzentration
geringer der maximalen Sättigungskonzentration
der einzelnen Stoffe an. Im weiteren Verlauf (2 – 12 h) steigen die Konzentrationen
erfindungsgemäß leicht
an bis zum Durchbruch der Wärmefront 17 an
den Extraktionsbrunneneinheiten 30 (14 h). Erfindungsgemäß werden
die Schadstoffe in diesem Zeitraum verstärkt ausgetragen, da stetig Luft
durch den kontaminierten Bereich 11 strömt. Mit dem Erreichen des Kontaminationsbereichs 11 durch die
stetig expandierende kohärente
Wärmefront 17 wird
der Stoffübergang
der Schadstoffe erhöht
und das derart beladene Trägergas
wird zu den Extraktionsbrunnen 30 abtransportiert. Mit
dem Durchbruch der Wärmefront 17 an
den Extraktionsbrunneneinheiten 30 nach 14 h steigen die
Konzentrationen der einzelnen Stoffe in der extrahierten Bodenluft 51 signifikant
zu einem Maximum an. Die mittelsiedenden Schadstoffe, Xylol-Isomeren
und Ethylbenzol werden entsprechend des hohen Dampfdruckes rasch
entfernt (30 h). Die Extraktion des hochsiedenden Trimethylbenzols
kann erfindungsgemäß nach Sicherstellung
der Kondensationsvermeidung durch Erhöhung des Dampfanteils in der
injizierten Dampf-Luft Mischung 20 verstärkt ausgetragen
werden (34 h). Die Entfernung der Kontamination ist nach Erreichen des
Sanierungszielwertes in der extrahierten Bodenluft (48 h) abgeschlossen.
Abschließende
chemische Analysen von Bodenproben bestätigen die vollständige Reinigung
des Untergrunds.
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5 stellt
die verfahrenstechnische Umsetzung der erfindungsgemäßen Injektion
eines Dampf-Luft Gemisches 20 in den Grundwasserleiter 14,
sowie die erfindungsgemäße Extraktion
des Luft-Schadstoff-Dampf Gemisches 51 und die Behandlung
der anfallenden Massenströme
dar. Die Darstellung erfolgt beispielgebend und schließt nicht die Änderungen
einzelner Anlagenelemente, deren Funktion und Größe aus. In einem Dampferzeuger 22 wird
Sattdampf erzeugt und dieser mit der durch einen Drucklufterzeuger 23,
vorzugsweise einem Schraubenspindelkompressor erzeugten Druckluft
in einem Zwangsmischer 24 in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
gemischt. In der Regel fällt
kein Kondensat während
des Mischvorganges an, dieses könnte
jedoch durch den Kondensatabscheider 25 abgeleitet werden.
Das erfindungsgemäß hergestellte
Dampf-Luft Gemisch 20 wird über isolierte druck- und temperaturbeständige Rohrleitungen
zum Multilevelinjektionsbrunnen 21 geleitet. Dort kann
die Dampf-Luftmenge über
einzelne Ventile in verschiedene, durch die Geologie, die Schadstoffverteilung am
Standort oder die erfindungsgemäße Maximierung
der Injektionsrate bestimmte Injektionstiefen eingeleitet werden.
Erfindungsgemäß erfolgt
dies ausschließlich
in den Grundwasserleiter 14. Die Extraktion des entsprechend 2 bis 4 anfallenden Luft-Schadstoff-Dampf Gemisches 51 erfolgt über ein
mittels einem Verdichter 50 erzeugten Vakuum anliegend
an der Extraktionsbrunneneinheit 30. Das entnommene Luft-Schadstoff-Dampf Gemisch 51 aus
den einzelnen Brunneneinheiten wird über isolierte Rohrleitungen
geleitet, zentral gesammelt und gelangt in einen Kondensator 52.
Das heiße Luft-Schadstoff-Dampf Gemisch wird
mittels Kühlwasser
abgekühlt
und das anfallende flüssige
Kondensat in einem Kondensatabscheider 53 von der Gasphase
getrennt. Das Kondensat fließt
in einen Leichtstoff-, Schwerstoffabscheider 54. Im Abscheider
wird der wasserunlösliche
Schadstoff 55 von dem wässrigen
Kondensat getrennt. Das wässrige
Kondensat wird in einem Lagerbehälter
34 gesammelt und
der Wasserreinigungsanlage 40 zugeführt. Die kontaminierte gekühlte Bodenluft
wird aus dem Kondensatabscheider 53 durch den Verdichter 50 abgefördert. Zur
Einstellung des Förderverhaltens
des Verdichters und der Vermeidung von explosiven Luft-Schadstoff Gemischen
kann vor dem Verdichter 50 Frischluft zugeführt werden.
Der Verdichter fördert das
Luft-Schadstoff Gemisch über
einen Kondensat- oder Tröpfchenabscheider 57 in
die Abluftreinigungsstufe 58. Das anfallende Abwasser aus
dem Kondensatabscheider 57 wird gesammelt 34 und
der Wasserreinigungsanlage 40 zugeführt. Parallel zur Bodenluftextraktion
wird über
eine Tauchpumpe 31 Grundwasser aus dem Grundwasserleiter
gefördert und über einen
Leichtstoff-, Schwerstoffabscheider 32 etwaig anfallender
wasserunlöslicher
Schadstoff 33 vom Abwasser mit gelöstem Schadstoff 34 getrennt.
Das Abwasser mit gelöstem
Schadstoff wird über
die Wasserreinigungsanlage geleitet, und in gegebenem Beispiel mittels
Aktivkohlesorption 40 gereinigt.
- Basel
, M., Udell, K.S., 1991: Effect of Heterogeneities on the Shape
of Condensation Fronts in Porous Media, Heat Transfer in Geophysical
Media, HTD-Vol.172, ASME (63-70)
- Betz, C., 1998: Wasserdampfdestillation von Schadstoffen im
porösen
Medium: Entwicklung einer thermischen In-situ-Sanierungstechnologie, Dissertation,
Institut für
Wasserbau, Universität Stuttgart,
Eigenverlag, ISBN 3-921694-97-3
- Färber,
A., 1997: Wärmetransport
in der ungesättigten
Bodenzone: Entwicklung einer thermischen in-situ Sanierungstechnologie,
Dissertation, Institut für
Wasserbau, Universität
Stuttgart, Eigenverlag, ISBN 3-921694-96-5
- Itamura, M., Udell, K.S., 1993: Experimental clean-up of a dense
non-aqueous phase liquid in the unsaturated zone of a porous medium
using steam injection, Multiphase Transport in Porous Media, ASME
1993, FED.-Vol. 173/HTD-Vol. 265 (57-62)
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- Van Lookeren, J., 1983: Calculation Methods for Linear and Radial
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- Schmidt, R., C. Betz, A. Färber,
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Sept. 1998, IAHS Publ. No. 250 (111-117)
- Schmidt, R., Färber,
A., Betz, C., Koschitzky, H.-P., 2000: Dampfinjektion zur In-situ-Sanierung der
ungesättigten
Bodenzone, Handbuch der Altlastensanierung 23, C.F. Müller Verlag
- Schmidt, R., 2000: Wasserdampf- und Heißluftinjektion zur thermischen
Sanierung kontaminierter Standorte, Dissertation, Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart,
Eigenverlag, ISBN 3-933761-09-3
-
Bodenabschnitte:
- 11
- Kontaminierter
Bereich
- 12
- Grundwasserschwankungsbereich
- 13
- Ungesättigte Zone
- 14
- Gesättigte Zone
- 15
- Grundwasserspiegel
- 16
- Inertgasdurchströmte Zone
- 17
- Wärmefront
-
Baugruppe Injektionstechnik:
- 20
- Dampf-Inert-Gemisch
- 21
- Multileveünjektionspegel
- 22
- Dampferzeuger
- 23
- Inertgaskompressor
(Schraubenspindelkompressor)
- 24
- Gasmischeinheit
- 25
- Kondensatabscheider
-
Baugruppe Flüssigphasenextraktionstechnik
- 30
- Extraktionsbrunneneinheit
- 31
- Tauchpumpe
- 32
- Leichtstoff-,
Schwerstoffabscheider
- 33
- Wasserunlöslicher
Schadstoff (LNAPL, DNAPL)
- 34
- Abwasser
mit gelöstem
Schadstoff
-
Baugruppe Wasserreinigungstechnik
- 40
- Wasserreinigungsanlage
(Sorptionseinheit)
- 41
- Gereinigtes
Abwasser
-
Baugruppe Gasphasenextraktionstechnik
- 50
- Verdichter
- 51
- Luft-Inertgas-Schadstoff-Dampf
Gemisch
- 52
- Kondensator
- 53
- Kondensatabscheider
- 54
- Leichtstoff-,
Schwerstoffabscheider
- 55
- Wasserunlöslicher
Schadstoff (LNAPL, DNAPL)
- 56
- Kondensat
mit gelöstem
Schadstoff
- 57
- Kondensat-,
Tröpfchenabscheider
- 58
- Abluftreinigungsstufe