DE19543534C1

DE19543534C1 - Verfahren zur Bodenlockerung mittels Knallgas

Info

Publication number: DE19543534C1
Application number: DE1995143534
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Dr Edel; Wolfgang Weber
Original assignee: Ed Zueblin AG
Current assignee: Ed Zueblin AG
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2015-11-23

Description

Im zunehmenden Maße muß der Untergrund alter oder noch im Betrieb befindlicher Industriestandort saniert werden, weil er durch unterschiedlichste Schadstoffe kontaminiert ist. Bei der Untergrundsanierung wird zwischen In-situ- und Ex-situ-Verfahren unterschieden. Wird eine Sanierung In-situ durchgeführt, so findet die Reinigung im Untergrund selbst statt, während bei ex-situ-Sanierungen der Boden ausgekoffert und anschließend in einer Reinigungsanlage behandelt wird. Bei In-situ-Verfahren werden die Schadstoffe dem Boden indirekt mit dem Grundwasser und der Bodenluft entzogen oder direkt durch mikrobiologische Stoffwechselaktivitäten abgebaut.

Die In-situ-Sanierung stellt sich generell als sehr umweltverträglich dar, da kein Bodenaushub erfolgt und somit das natürliche Korngemisch und das Korngerüst des Bodens nicht zerstört werden. Limitierende Faktoren für die erfolgreiche Anwendung aller In-situ-Maßnahmen sind neben den chemisch physikalischen Eigenschaften der Schadstoffe, in erster Linie die hydraulischen Parameter des Standorts. Schlecht durch lässige und inhomogen aufgebaute Böden gestalten die In-situ-Sanierung technisch sehr aufwendig oder machen sie gar unmöglich.

In Fällen, in denen die Böden die für die Sanierung notwendige Durchlässigkeit nicht aufweisen, mußte bisher ausgekoffert werden. Alternativ standen verschiedene aus der Erdölschürftechnik bekannte Verfahren zur Erhöhung der Durchlässigkeit der Böden zur Verfügung. Dabei werden Methoden wie das hydraulische oder pneumatische Fracturing angewandt, die kontinuierliche Verfahren zur Herstellung von Bodenrissen sind. Zusätzlich stehen für die dynamische Mobilisierung von Schadstoffen Hydroschock- und Geoschockverfahren zur Verfügung.

Aus der DE 38 11 856 C2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch Sprengung das dichte Gefüge des Bodens gelockert wird. Alle die bekannte Verfahren außer der Sprengung haben den Nachteil, daß der Energieeintrag, der das Korngerüst des Bodens lockern und aufbrechen soll, sehr indirekt erfolgt. Fracturing kann zu unkontrollierten Rissen im Gefüge führen mit sehr weitreichenden lokalen Auswirkungen. Auch besteht bei einem kontinuierlichen Druckaufbau immer die Gefahr, daß der Boden zunächst verdichtet wird. Das Verfahren nach der DE 38 11 856 C2 hat den Nachteil, daß durch das Einbringen von Sprengmaterial der Boden zusätzlich belastet wird.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren zur gezielten und dosierten Auflockerung von schlecht durchlässigen Böden zu entwickeln, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Unser Verfahren hat den Vorteil, daß der Energieeintrag im Boden sehr direkt erfolgt und sehr einfach über die Menge des eingebrachten Gases gesteuert werden kann. Als Reaktionsprodukt entsteht Wasserdampf, so daß keine Folgebelastung des Untergrunds auftritt und der Austrag der Schadstoffe über die Bodenluft und das Grundwasser gefördert wird. Der Erfindungsgedanke findet sich in den verschiedenen Ausführungsformen wieder.

Fig. 1 Kammersystem in einer Bodenbohrung,

Fig. 2 Kammersystem mit Einbauten,

Fig. 3 Sondierlanze mit Gasaustrag,

Fig. 4 Sondierlanze mit Jet-Strahl,

Fig. 5 Sondierlanze mit Gasblase.

In der Anwendung des Verfahrens nach Fig. 1 wird in den Boden (1) eine Bohrung (2) eingebracht. In diese Bohrung wird ein Druckbehälter (6) abgelassen, der innerhalb der Bohrung vertikal variabel eingesetzt wird. Der Behälter besteht aus einem in sich geschlossenen Kasten mit einem Deckel und einem Boden, die über ein Zwischenstück, das Schlitze oder Öffnungen aufweist verbunden sind. Dieses Zwischenstück wird je nach Sanierungsauftrag in seiner Höhe gewählt, so daß das Gesamtvolumen des Kastens variabel ist (10). In den Kasten ragt ein Rohr (3), durch das das Knallgas in seinen Komponenten H₂ und O₂ getrennt geführt wird. Erreicht der Druckkasten die Tiefe, in der einen Lockerung des umgebenden Bodens gewünscht wird, muß er mit den Packern (5) oberhalb und unterhalb des Kastens arretiert werden. Das geschieht, indem die Packerschläuche oder Packerkissen mit Druckluft (8) über die Leitung (4) gefüllt werden. In den Druckkasten wird die vorher berechnete Menge Knallgas eingeleitet. Der umgebende Boden dichtet entweder so stark ab, daß auch durch die Schlitze des Zwischenstücks kein Gas entweicht, oder das Gas dringt bereits in feine Bodenrisse ein. Anschließend wird das Gas mit einem Zündfunken (7) zur Reaktion gebracht. Es dehnt sich schlagartig aus und wird über die Schlitze des Zwischenstücks in den Boden gepreßt werden, der damit aufreißt. Dieser Vorgang wird kontrolliert an einer Stelle so oft ausgeführt, bis die gewünschte Bodenlockerung erzielt wurde.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Druckkastens in der Bohrung. Dieser Kasten wird von Packern (5) festgestellt, die sich seitlich zwischen Deckel bzw. Boden des Kastens und der Wandung der Bohrung verpressen. Zudem weist der Kasten Einbauten auf, die die Druckwelle der chemischen Reaktion durch das Zwischenstück in den umgebenden Boden leiten. In Fig. 3 wird eine andere Ausführungsform vorgestellt, die keinen gesonderte Bohrung erforderlich macht. Eine Sondierlanze (15) wird in den Boden (1) eingebracht: Die Lanze beinhaltete die Gaszufuhr (3) mit getrennter Führung für O₂ und H₂ und einem Gasauslaß im unteren Bereich der Lanze. Die Lanze ist nach unten offen (17) und das Gas kann in das umgebende Erdreich strömen. Der eigentliche Zündungsraum ist nach oben durch Rückschlagvorrichtungen (18) oder feste Klappen abgedichtet. Die elektrische Zündung (14) erfolgt direkt im Reaktionsraum. Das Knallgas wird unter Druck bis zu dem vorher berechneten Volumen eingepreßt und sofort anschließend gezündet. Das Verfahren kann dabei getaktet arbeiten, wobei im ersten Takt das Gas eingepreßt wird, im zweiten Takt die Zufuhr gedrosselt und mit einer geringen Verzögerung die Reaktion ausgelöst wird.

Die Öffnungen für das Gas können dabei in der Lanze in der Spitze (17) oder aber auch an der Wandung (16) unterhalb der Klappen (18) sitzen. Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildung dieser Bodenlockerung mit Hilfe der Sondierlanze. Hier wird die Lanze über einen Hochdruckwasserstrahl (19) in den Boden (1) eingespült. Um bei sehr dichten Böden überhaupt ein geeignetes Volumen an Knallgas einpressen zu können, wird anschließend im Bereich des Wasserstahls eine Kaverne (20) ausgewaschen. Damit ist das Volumen für die Reaktion groß genug. Dieser Prozeß des Auswaschens kann ebenfalls im Wechsel mit der Knallgasreaktion erfolgen, indem zu den bisherigen zwei Takten ein dritter Takt "Auswaschen" hinzukommt.

In einer nicht weiter ausgeführten Ausführungsform ist es auch möglich an den unteren Gasauslaß der Leitungen (3) eine Blase anzubringen, die mit dem vorher berechneten Volumen an Knallgas gefüllt wird. Diese Maßnahme muß bei Böden angewendet werden, bei denen die Gefahr besteht, daß das Gas durch Risse zu weit vom eigentlichen Reaktionsort wegdiffundiert. Die Reaktion wird anschließend in der Blase gezündet.

Fig. 5 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Bodenlockerung im Bereich eines In-situ-Strippbrunnens. Das über den Wasserzulauf (24) zufließende Wasser wird durch die eingepreßte Luft der Lanze (25) angehoben und über die Kante des Förderrohrs (23) in den Mantelraum verwirbelt. Dort fließt das Wasser über die Verfilterung (22) ab. Dabei tritt bei eisen- und manganhaltigen Wässern einen Verockerung des Filterkiese ein. Mit den von außen an die Verfilterung gebrachten Sondierlanzen kann der Durchfluß der Brunnen wieder hergestellt werden. Die Druckreaktion mit Knallgas bricht das zugesetzte Gefüge des Bodens um den Brunnenabfluß auf.

Die Lanze kann auch mit ihren gesamten Ausführungen in schon vorhandene Pegel gesenkt und zur Anwendung gebracht werden, um das umgebende Gefüge zu lockern.

Bezugszeichenliste

1 Bodenoberfläche
2 Bohrung
3 Gaszufuhrrohr, doppelwandig
4 Preßluftversorgung
5 Packer
6 Druckbehälter
7 Zündvorrichtung
8 Preßluftversorgung
9 Gasversorgung
10 variabler, offener Bereich
11 Einbauten
14 Elektrische Zündung
15 Sondierlanze
16 Lanzenende
17 offenen Lanzenspitze
18 Rückschlagsicherung
19 Hochdruckdüse
20 freie Kaverne
21 Brunnenmantel
22 Kiesverfilterung
23 Förderrohr
24 Wasserzulauf
25 Lanze zur Luftzuführung.

Claims

1. Verfahren zur gezielten und dosierten Auflockerung von schlecht durchlässigen Böden als Vorbereitung für den Einsatz von Untergrundsanierungsmaßnahmen, dadurch gekennzeichnet, daß unterirdisch eine exotherme Reaktion zwischen den Gasen Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) ausgelöst wird, die in einer Menge entsprechend dem vorher berechneten Wert der benötigten freigesetzten Energie zugeführt werden, und deren Volumen bis zur Zündung des Gasgemisches begrenzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen an reaktionsfähigem Gas von einem Metallkasten begrenzt wird, der in einer Bohrung in den Boden eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kasten von einem mit Druckluft beaufschlagbarem Packersystem in der Bohrung arretiert wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kasten in der Bohrung vertikal an die Stelle verschoben wird, an der die Lockerung durchgeführt werden soll.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kasten, der seitliche Schlitze oder Öffnungen aufweist, verwendet wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kasten mit Einbauten zur Ablenkung der Druckwelle verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen an reaktionsfähigem Gas von einer in den Boden eingebrachten unten offenen und nach oben abgedichteten Sondierlanze begrenzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondierlanze mittels eines Hochdruckwasserstrahls, der durch ein Rohr an der Spitze der Sondierlanze austritt und den davorliegenden Boden entfernt, in den Boden eingebracht wird und im Boden mit diesem Wasserstrahl zusätzlich Freiräume als Reaktionsraum für das Gasgemisch geschaffen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Reaktionsraum am unteren Ende der Sondierlanze von einem aufblasbaren Ballon gebildet wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion des Knallgases mehrfach hintereinander durchgeführt wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Wechsel mit der Knallgasreaktion eine Kaverne mit einem Wasserhochdruckstrahl im Boden ausgewaschen wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkasten oder die Lanze in schon vorhandene Pegel gesenkt wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase mit einem Daniellschen Rohr in den Reaktionsraum geleitet werden.

14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung der Reaktion elektrisch mit einem Funken erfolgt.

15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Böden in verockerten Brunnen behandelt werden.

16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Knallgas vor Ort durch Elektrolyse gewonnen wird.