DE19615061A1 - Verfahren zur Messung der Schadstoffausbreitung im Grundwasser und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Parametern, die die Schadstoffausbreitung im Grundwasser steuern und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Diese Parameter werden zur Gefährdungsabschätzung und Erkundung grundwassergefährdender Altlasten verwendet.

Gegenwärtig bekannte Prognosewerkzeuge sind meist rein hydrologische Modelle des Systems Boden/Grundwasser mit fehlender oder mangelhafter Berücksichtigung physikochemischer Vorgänge im Aquifer. Die chemischen Parameter werden meist nur geschätzt, so daß Prognosefehler in Größenordnungen möglich sind.

Andererseits werden in Batchversuchen auch Adsorptionsparameter gemessen. Batchversuche liefern jedoch nur Gleichgewichtsdaten, d. h. die Parameter sind nur unter der Voraussetzung anwendbar, daß im Aquifer das Sorptionsgleichgewicht zwischen Bodenkorn und Grundwasser eingestellt ist. Die Sorptions-/De­ sorptionsdynamik wird nicht oder nur unzureichend ermittelt. Hinzu kommen die erheblichen Kosten für derartige Anlagen zur Versuchsdurchführung.

In weiterhin bekannten Analysemethoden werden Säulenversuche mit diskontinuierlicher oder mit kontinuierlicher on-line-Analytik durchgeführt. Weil bei der diskontinuierlichen Analytik für eine Reihe von Schadstoffen bei geringer zeitlicher Auflösung relativ große Probenvolumina erforderlich sind, führt diese Methode oftmals zur Verfälschung der Analysenergebnisse. Säulenversuche mit kontinuierlicher on-line Analytik sind bisher erfolgreich nur mit Hilfe radioaktiv markierter Stoffe realisiert worden, bei deren flächendeckender Anwendung die Sicherheitsproblematik Grenzen setzt.

Schließlich beschreibt die DE-OS 44 14 017 ein Verfahren zur Bestimmung von Umweltbelastungen, indem in einem geeigneten tierischen Indikatororganismus aus dem zu untersuchenden Gebiet die Blutstromfrequenz bestimmt wird, und daß der ermittelte Wert mit der Blutstromfrequenz in einem Organismus der gleichen Art aus unbelastetem Gebiet verglichen wird. Eine signifikante Abweichung ist als Indiz für eine Umweltbelastung zu werten. Auch diese Methode, abgesehen von dem Erfordernis des Einsatzes von Versuchstieren, kann keine quantitativen Meßergebnisse liefern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine marktfähige Meß- und Auswertemethode zu entwickeln, die es ermöglicht, Schadstoffausbreitungen im Grundwasser eines konkreten Gebietes unter konkreten hydrogeologischen und chemischen Gegebenheiten genauer und kostengünstiger als bisher zu prognostizieren. Den für Umweltfragen zuständigen Behörden soll mit der erfindungsgemäßen Lösung ein Kriterium bereitgestellt werden, mit dessen Hilfe die Qualität von Altlastengutachten und Sanierungskonzepten beurteilt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie im Nebenanspruch zur Vorrichtungsanordnung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungs­ beispiele näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des Analyseverfahrens,

Fig. 2 Durchbruchskurve, gemessen an einem braunkohlehaltigen Sand, Medium: Wasser mit NaCl beladen.

Die Analyse des schadstoffbelasteten Grundwassers erfolgt in einer Analysenanordnung, bestehend aus dem Behälter 1 mit unbelasteten Grundwasser und einem Behälter 2 mit belasteten Grundwasser, die miteinander über eine Entlüftung 3 verbunden sind und in eine Säule 4 einmünden. Am Säulenausgang ist eine Meßelektrode bzw. Meßzelle 5 angeordnet, über welche die Meßergebnisse über analoge 6 und digitale Meßgeräte 7 einem Meßrechner 8 zur unmittelbaren Auswertung zugeführt werden. Die Umgehung der Säule 4 ist durch eine Bypass-Verbindung 9 ermöglicht. Zusätzlich ist vor dem Säuleneingang eine Zuleitung 10 zu einem Piezometer 11 mit y-Auslauf 12 zur Messung der Höhendifferenz angeordnet, die mit Abflußleitung 13 der Säule 4 verbunden ist.

Die Messungen der Schadstoffbelastung erfolgen im dynamischen Durchlaufsystem, indem die bodengefüllte Säule 4 bei konstantem Druckgradienten vom Grundwasser durchströmt wird. Zunächst wird mit unbelastetem Grundwasser aus Behälter 1 ein stabiles Strömungsregime aufgebaut und zu einem Zeitpunkt "t-0" schadstoffbelastetes Grundwasser auf die Säule 4 gegeben. Die Konzentration des Schadstoffes am Säulenauslauf wird kontinuierlich gemessen, so daß eine Durchbruchskurve gemäß Fig 2 entsteht, die den zeitlichen Verlauf des Schadstoff­ durchbruches am Säulenende anzeigt. Diese Kurve wird nach einem physikalisch-chemischen Ansatz auf dem Meßrechner 8 modeliert, der den konvektiven und dispersiven Stofftransport in der Säule 4 sowie die Ad- und Desorptionsprozesse beschreibt. Dermaßen wird für jeden konkreten Schadstoff eine Meßmethode bereitgestellt, die ein analoges elektrisches Signal liefert, welches mit der am Säulenausgang vorliegenden Konzentration über eine Eichfunktion gekoppelt ist. Außer für die verschiedenen Schadstoffe wird für einen sogenannten Tracer, einen Stoff der nicht vom Boden zurückgehalten wird, ebenfalls eine on-line Meßmethode bereitgestellt, um in der Bodensäule die Dispersivität ermitteln zu können, wobei als Tracer vorzugsweise das Chloridion vorgesehen wird.

Für die Bestimmung flüchtiger organischer Substanzen wird als Meßzelle 5 ein Photoionisationsdetektor (PID) eingesetzt. Dabei wird der vom PID angesaugte Luftstrom in einer kleinen Kammer durch die Lösung gezogen und belädt sich so mit dem zu analysierenden Stoff. Im PID wird dann das elektrische Meßsignal erzeugt.

Zur Messung ionischer Schadstoffe und für das als Tracer dienende Chloridion wird ein kontinuierlich arbeitender Polarograph verwendet. Dieser wird auf ein Potential im Bereich des Grenzstromes für das jeweilige Ion eingestellt und die aktuelle Größe des Grenzstromes c-analog als Meßwert übernommen. Mit dieser Methode werden alle üblichen Schwermetalle, das Chloridion aber auch andere Anionen sowie einige organische Moleküle gemessen.

Für die Messung jeder Einzelsubstanz wird zunächst eine wäßrige Verdünnungsreihe des Schadstoffes hergestellt, die mit der jeweiligen Meßmethode analysiert wird. Daraus erhält man eine erste Eichfunktion sowie Informationen über die Bestimmungsgrenze der Methode. Dabei werden grundsätzlich destilliertes Wasser und Leitungswasser als Modellgrundwasser parallel untersucht, um Matrixeffekte, d. h. Einflüsse des Wassers auf die Eichfunktion festzustellen. Hat die Messung im ersten Schritt gute, möglichst lineare Eichfunktionen geliefert, wird die Meßapparatur an den Auslauf der Säule 4 angeschlossen. Hier wird die Bodensäule zunächst leer gelassen und mit der wassergefüllten Säule mehrere Durchbruchskurven bestimmt, wobei die Schadstoffkonzentrationen denen der vorher verwendeten Verdünnungsreihe entsprechen. Außerdem wird die Strömungsgeschwindigkeit variiert. Diese Messungen dienen zur Feststellung von Verlusten beim Passieren der Apparatur, um diese ggf. als systematischen Fehler zu berücksichtigen.

Nach Erreichen einer gut reproduzierbaren on-line-Analytik wird danach der untersuchte Aquiferboden in die Säule eingebracht und ein konstantes Strömungsregime eingestellt. Der Boden wird zuvor hinsichtlich Sieblinie, organischer Kohlenstoff etc. charakterisiert. Die Durchbruchskurven werden gemessen, indem der Meßrechner 8 in vorher definierten Zeitabständen den aktuell anliegenden Spannungswert einliest und mit der implementierten Eichfunktion in einen Konzentrationswert umrechnet.

Claims (5)

1. Verfahren zur Messung von Parametern, die die Schadstoff­ ausbreitung im Grundwasser steuern, zur Gefährdungsab­ schätzung und Erkundung grundwassergefährdender Altlasten, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse des schadstoffbela­ steten Grundwassers in einer Analysenanordnung im dynami­ schen Durchflußsystem erfolgt, indem eine bodengefüllte Säule (4) bei konstantem Druckgradienten vom Grundwasser durchströmt wird, daß zunächst mit unbelastetem Grundwasser aus Behälter (1) ein stabiles Strömungsregime aufgebaut und zu einem Zeitpunkt "t-0" schadstoffbelastetes Grundwasser auf die Säule (4) gegeben wird, daß die Konzentration des Schadstoffes am Säulenauslauf kontinuierlich gemessen wird, so daß eine Durchbruchskurve entsteht, die den zeitlichen Verlauf des Schadstoffdurchbruches am Säulenende anzeigt, daß diese Durchbruchskurve nach einem physikalisch - chemischen Ansatz auf einem Meßrechner (8) modeliert wird, der den konvektiven und dispersiven Stofftransport in der Säule (4) beschreibt und so für jeden konkreten Schadstoff eine entsprechende Meßmethode bereitstellt, die ein analoges elektrisches Signal liefert, welches mit der am Säulenausgang vorliegenden Konzentration über eine Eich­ funktion gekoppelt ist und daß aus den gewonnenen Meßer­ gebnissen für jeden Schadstoff eine entsprechende Durch­ bruchskurve erstellt wird, daß für die Messung jeder Einzel­ substanz zunächst eine wäßrige Verdünnungsreihe des Schadstoffes hergestellt und mit der jeweiligen Meßmethode analysiert wird, um die Bestimmungsgrenze über eine erste Eichfunktion feststellen zu können, daß danach mehrere Durchbruchskurven bestimmt werden, daß nach Erreichung einer gut reproduzierbaren on-line-Analytik der zu untersuchende Aquiferboden in die Säule (4) eingebracht und ein konstantes Strömungsregime eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß außer für die verschiedenen Schadstoffe für einen Tracer, ein Stoff, der nicht vom Boden zurückgehalten wird, ebenfalls eine on-line Meßmethode bereitgestellt wird, um in der Bodensäule die Dispersivität ermitteln zu können, wobei als Tracer vorzugsweise das Chloridion vorgesehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Bestimmung flüchtiger organischer Substanzen als Meß­ zelle (5) ein Photoionisationsdetektor eingesetzt wird, wobei der angesaugte Luftstrom in einer kleinen Kammer durch die Lösung gezogen wird, damit er sich mit dem zu analysie­ renden Stoff belädt, so daß durch den Photoionisations­ detektor das elektrische Meßsignal erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Messung ionischer Schadstoffe und für das als Tracer dienende Chloridion ein kontinuierlich arbeitender Pola­ rograph verwendet wird, dieser auf ein Potential im Bereich des Grenzstromes für das jeweilige Ion eingestellt und die aktuelle Größe des Grenzstromes c-analog als Meßwert über­ nommen wird.

5. Analysenanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß diese aus einem Behälter (1) mit unbelasteten Grundwasser und einem Behälter (2) mit belasteten Grundwasser besteht, die über eine Entlüftung (3) miteinander verbunden sind und in eine Säule (4) einmünden, daß am Säulenausgang eine Meßelektrode bzw. Meßzelle (5) angeordnet ist, über welche die Meßergeb­ nisse über analoge (6) und digitale Meßgeräte (7) einem Meß­ rechner (8) zuführbar sind, die Umgehung der Säule (4) durch eine Bypass-Verbindung (9) realisierbar ist und vor dem Säuleneingang eine Zuleitung (10) zu einem Piezometer (11) mit y-Auslauf (12) zur Messung der Höhendifferenz angeordnet sind, die mit der Abflußleitung (13) der Säule (4) verbunden ist.