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1. Angabe des technischen
Gebietes
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Die
Patentansprüche
beziehen sich auf das Gebiet der Sanierung von Altlasten, wobei
insbesondere die Sicherung von Altlasten die hydraulische Sicherung
des Grundwassers mittels Reinigungswänden gemeint ist. Unter Reinigungswänden werden
dabei permeable, reaktive oder sorptive Wände oder sog. Funnel-and-Gate-Systeme verstanden.
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In
Verbindung mit geeigneten Monitoringsystemen können sie einen wirtschaftlichen
Beitrag zur nachhaltigen Sicherung und Sanierung von Altlasten leisten.
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2. Stand der
Technik
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Bei
Reinigungswänden
im Sinne dieses Patentantrages ist grundsätzlich zwischen folgenden Ausführungen
zu differenzieren:
- – Hinsichtlich der Durchlässigkeit:
- – Hinsichtlich
der Erfassung des Grundwasserstroms:
- – Hinsichtlich
der Bauausführung:
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Zur
Technologie von Reinigungswänden
liegen eine Reihe von Schutzrechtsanmeldungen vor. Insbesondere
in Amerika und Kanada sind auch bereits großtechnisch realisierte Reinigungswände bekannt.
Insgesamt können
sie jedoch noch nicht als eingeführter
Stand der Technik angesehen werden, was beispielsweise auch durch
die Ausschreibung von FuE-Vorhaben durch den BMBF im März 1999
dokumentiert wird.
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Als
wichtige Randbedingungen zur Funktion von Reinigungswänden lassen
sich festhalten:
- • Die Kontaktzeit des kontaminierten
Grundwassers mit dem Reagens oder Adsorbens: Sind die Kontaktzeiten
zu kurz gewählt,
so wird keine ausreichen de Reinigung des Grundwassers erreicht.
Die Auslegung der Reinigungswand zur Erreichung ausreichender Verweilzeiten
hat unmittelbaren Einfluß auf
die Dimensionierung und damit die Kosten der Wand. Damit ist die
Belastung des zuströmenden
Grundwassers ein maßgeblicher
Parameter für
die Kosten einer Reinigungswand.
- • Der
Strömungswiderstand
in der permeablen Wand oder im Gate: Der Strömungswiderstand des Gesamtsystems
muß möglichst
niedrig gehalten werden, da sonst ein hoher Aufstau vor der Reinigungswand
und eine Umströmung
dieser bewirkt wird. Auch diese Notwendigkeit hat unmittelbaren
Einfluß auf
die Dimensionierung und damit die Kosten der Reinigungswand.
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3. Darstellung
der Mängel
der bisher bekannten Ausführungen
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Grundwasserverunreinigungen,
beispielsweise resultierend aus Altlasten, sind häufig charakterisiert dadurch,
daß
- • sie
zeitlichen Änderungen
unterworfen sind und
- • engräumig starke
Konzentrationsunterschiede aufweisen.
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Beide
Vorgänge
sind in der Regel nicht vorausberechenbar und können damit nur grob abgeschätzt werden.
Hieraus resultiert, daß an
einer in einem derartigen Grundwasserleiter installierten Reinigungswand Schadstoffkonzentrationen
und Grundwassermengen sowie deren Verlauf stark unterschiedlich
auftreten. Da aber Reinigungswände
als passive Sanierungssysteme bisher weder geregelt, noch gesteuert
werden können, resultiert
hieraus, daß die
Auslegung der Reinigungswand über
den gesamten Verlauf so zu treffen ist, daß für die höchste zu erwartende Grundwasserbelastung
ausreichende Verweilzeiten erreicht werden.
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Zusammen
mit den beiden unter Punkt 2 formulierten Forderungen, nämlich der
Erreichung definierter Kontaktzeiten bei limitiertem Strömungswiderstand
resultieren aus der derzeitigen Konstruktion von Reinigungswänden folgende
Mängel:
- • Aufgrund
der erforderlichen „worst-case-Auslegung" werden Reinigungswände teuer
und häufig
unwirtschaftlich.
- • Das
eingebrachte Reaktions- oder Bindemittel wird ungleichmäßig verbraucht
oder beladen, woraus hohe Investitions- und Betriebskosten resultieren.
- • Ausreichende
Kontaktzeiten werden durch längere
Strömungswege
in den permeablen Systembestandteilen erreicht, wobei der Strömungswiderstand
direkt proportional zu diesem ist. Damit können lange erforderliche Kontaktzeiten
zu derart hohen Strömungswiderständen der
Reinigungswand führen,
daß eine
Reinigungswand nicht realisierbar ist. Dies ist insbesondere dann
der Fall, wenn die Durchlässigkeit
des Aquifers höher
als die der permeablen Systembereiche ist.
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4. Technische
Probleme
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Der
grundlegende technische Mangel von Reinigungswänden besteht darin, daß diese
nach dem derzeitigen Stand des Wissens und der Technik als passive,
nicht regel-, steuer- oder anpaßbare
Systeme ausgeführt
werden und damit nicht an wechselnde oder unterschiedliche Anströmbedingungen
angepaßt
werden können.
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Der
Kontaktpunkt eines zuströmenden
Fluidteiles mit der Wand ist ausschließlich von den hydrogeologischen
und konstruktiven Gegebenheiten abhängig und kann nicht gesteuert,
geregelt oder angepaßt
werden.
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4a Nächstliegender Stand der Technik
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Die
DE 196 22 159 A1 ,
die den nächstliegenden
Stand der Technik darstellt, beschreibt eine Vorrichtung zur Boden-
und Grundwassersanierung und ein Verfahren zum Herstellen und Betreiben
einer solchen Vorrichtung. Die dortige Vorrichtung umfaßt, wie
in dortiger Fig. 6 dargestellt, u.a. eine Dichtwand
2 mit
einem Ingenieurbauwerk (Durchlaßbauwerk)
4,
zwei zustromseitige Drainagen
40 und eine abstromseitige
Drainage
41. Die zustromseitigen Drainagen
40 dienen
zur Verbesserung des Zustroms von Grundwasser aus den Kontaminationszonen
50 zum Ingenieurbauwerk. Mit Hilfe der Drainagen wird kontaminiertes
Grundwasser aus weit entfernt liegenden Kontaminationszonen, die
in eine Richtung quer zur Grundwasserfließrichtung
3 relativ weit
von dem Ingenieurbauwerk
4 entfernt liegen, an das Ingenieurbauwerk
herangeholt, um so ein Umfließen der
Vorrichtung
1 durch das kontaminierte Grundwasser zu vermeiden.
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Nachteilig
ergibt sich hieraus, daß unabhängig davon,
ob stark oder weniger stark kontaminiertes Grundwasser über die
Drainagen 40 auf das Ingenieurbauwerk 4 zugeleitet
wird, immer dasselbe Ingenieurbauwerk als Durchlaß für das Wasser
verwendet wird. Dadurch werden weder unterschiedliche Kontaktseiten und
Strömungswege
noch unterschiedliche Reinigungsleistungen in Abhängigkeit
vom Kontaminationsgrad des Grundwassers innerhalb des Ingenieurbauwerks
berücksichtigt.
Ein derartiges Zuleiten des Grundwassers und die damit verbundene
Vorrichtung stellt ein passives Verfahren bzw. eine passive Grundwasserreinigungswand
dar.
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4b. Aufgabe der Erfindung:
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Demzufolge
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Steuerung und Regelung der Grundwasserbeaufschlagung einer Grundwasserreinigungswand
sowie eine Grundwasserreinigungswand zur Verfügung zu stellen, bei dem/der
eine aktive Steuerung bzw. Regelung der Grundwasserbeauf schlagung
für eine
bessere Anpassung der Grundwasserreinigungswand an den Grad der
Kontamination des Grundwassers ermöglicht wird.
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5. Mittel
zur Lösung
des technischen Problems
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Diese
Aufgabe wird verfahrensseitig durch die Merkmale des Anspruchs 1
und vorrichtungsseitig durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.
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Die
beschriebene Problematik wird nämlich
dadurch gelöst,
daß
- a) das zuströmende Grundwasser vor der Reinigungswand
in mehreren Bereichen gefaßt
und das Wasser aus den einzelnen Bereichen gezielt zu bestimmten
Wandbereichen geführt
wird. Das Fassen und Abführen
der einzelnen Grundwasserbereiche erfolgt durch Drainagen, die entweder
als Bauwerke (z. B. Drainagerohre) ausgeführt sein können oder durch Beeinflussung
des kf-Wertes des Bodens (z. B. gefräste Kiesdrainage) ausgebildet
werden.
Durch technische Einbauten (Schieber, Verteilerbauwerke,
Absperrorgane) kann erreicht werden, daß die Beaufschlagung der Reinigungswand
wechselnden Randbedingungen angepaßt wird.
- b) innerhalb der Durchlaßbauwerke
mittels Schieber, Leitblechen oder sonstigen anpaßbaren Einbauten die
Durchlaufstrecke und damit die Verweilzeit verlängert oder verkürzt werden
kann und somit gezielt verschiedene Durchlaßbauwerke variabel mit verschieden
kontaminiertem Wasser beaufschlagt werden können.
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6. Ausführungsbeispiele
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1.
Ausführungsbeispiel:
Ein Altlastengrundstück
wird durch eine abstromige Reinigungswand hydraulisch gesichert.
Die Situation des anströmenden
Grundwassers ist dadurch gekennzeichnet, daß starke Konzentrationsgradienten
für die
Schadstoffe gegeben sind. Es kann auch nicht ausgeschlossen werden,
daß sich die
Belastungssituation im Zustrom (beispielsweise durch Schadstoffmobilisierungen) ändert. Der
kf-Wert des Bodens ist höher
als der der geplanten Aktivkohleschüttung, so daß zur Erreichung
ausreichender Kontaktzeiten für
die hochbelasteten Bereiche lange Strömungswege mit hohen Druckverlusten
durch die Aktivkohle erforderlich sind.
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Eine
mögliche
technische Realisierung der Reinigungswand ist in 1 dargestellt.
Sie erfolgt dergestalt, daß der
Grundwasserzustrom zur Reinigungswand in mehreren Drainagen (im
Beispiel 5) gefaßt
wird. Die hochbelasteten Grundwasserbereiche, im Beispiel in den
Drainagen 1 und 4 erfaßt; werden dem permeablen Wandbereich „Gate 2" aufgeschaltet, das
durch lange Strömungswege
eine lange Kontaktzeit sicherstellt, gleichzeitig jedoch einen relativ
hohen Strömungswiderstand
hat. Die restlichen Drainagen, die geringer belastetes Grundwasser
fassen, werden durch flachere, strömungsgünstigere Gates, die jedoch
auch eine geringere Reinigungsleistung haben, geleitet. Bei einer Änderung
der Situation kann der durch die einzelnen Drainagen erfaßte Grundwasserstrom
anders auf die Gates verteilt werden.
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Hierdurch
wird erreicht, daß die
hoch belasteten Grundwasseranteile ausreichend gereinigt werden, die
niedriger belasteten Bereiche werden relativ strömungsgünstig mit kürzeren Verweilzeiten abgeführt. Der Aufstau
vor der Wand kann insgesamt niedrig gehalten werden, wodurch auch
die Umströmung
des Systems gering ausfällt.
Das Gesamtvolumen der permeablen Bereiche kann optimiert werden,
wodurch die Investitionskosten verringert werden können.
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Die
Drainagen und Rohrleitungen können,
wie bereits erwähnt,
auch durch anders aufgebaute Strömungswegsamkeiten,
wie zum Beispiel gefräste
Drainagen ersetzt werden. Statt des im Beispiel angeführten „Funnel-and-Gate-Systems", bestehend aus Dichtwandsegmenten
und permeablen Bereichen, könnte
die Reinigungswand auch vollständig
als permeabie Wand unterschiedlicher Dicke ausgeführt sein,
wobei die größte Stärke vorzugsweise
in der Mitte anzusetzen ist. In diesem Fall müßten die stärksten Wandbereiche jeweils
mit den höchst
belasteten Grundwasseranteilen beaufschlagt werden.
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2.
Ausführungsbeispiel:
Ein Altlastengrundstück
wird durch eine abstromige Reinigungswand hydraulisch gesichert.
Die Situation des anströmenden
Grundwassers ist dadurch gekennzeichnet, daß starke Konzentrationsgradienten
für die
Schadstoffe gegeben sind. Es kann auch nicht ausgeschlossen werden,
daß sich die
Belastungssituation im Zustrom (beispielsweise durch Schadstoffmobilisierun gen) ändert. Der
kf-Wert des Bodens ist höher
als der der geplanten Aktivkohleschüttung, so daß zur Erreichung
ausreichender Kontaktzeiten für
die hochbelasteten Bereiche lange Strömungswege mit hohen Druckverlusten
durch die Aktivkohle erforderlich sind.
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Eine
zweite Möglichkeit
der technischen Realisierung der Reinigungswand zur Steuerung und
Regelung der Gatesbeschickung ist in 2a und 2b dargestellt.
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Sie
erfolgt durch die variable Fließwegausbildung
der Durchlaßbauwerke
mittels Leitblechen, Schiebern oder sonstigen Steuer- und Regelorganen,
die je nach Bedarf in die entsprechenden Gates eingebaut werden
können.
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Die
beiden hochbelasteten Grundwasserbereiche bilden ihre Schadstoffahne
nach der Grundwasserfließrichtung
aus wobei das kontaminierte Grundwasser im wesentlichen zu den Gates 1 und 3 fließt (2a). Damit
werden diese beiden Gates über
lange Zeiträume
mit hohen Schadstofffrachten belastet, wogegen Gate 2 mehr
oder weniger unbelastet bleibt.
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Durch
Verlängerung
der Fließwege
in den Gates 1 und 3 mittels Leitblechen ( 2b)
und damit der Erhöhung
des hydraulischen Gefälles
(Erzeugung eines Aufstaues), wird einerseits die Kontaktzeit verlängert und
andererseits deutlich mehr belastetes Grundwasser zu Gate 2 geleitet.
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Eine
gleichmäßigere Auslastung
und Beladung der drei Gates und damit eine längere Haltbarkeit ist die Folge.
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Im
Falle von sich ändernden
Schadstoffverteilungen kann diese Konstellation einfach wieder zu
Gunsten anderer Manipulationen der Gatesbeschickung geändert werden.
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3.
Ausführungsbeispiel:
Ein Altlastengrundstück
wird durch eine abstromige Reinigungswand hydraulisch gesichert.
Die Situation des anströmenden
Grundwassers ist dadurch gekennzeichnet, daß starke Konzentrationsgradienten
für die Schadstoffe,
die von einem lokalen Schadstoffherd ausgehen, gegeben sind. Es kann
auch nicht ausgeschlossen werden, daß sich die Belastungssituation
im Zustrom (beispielsweise durch Schadstoffmobilisierungen) ändert. Der
kf-Wert des Bodens ist höher
als der der geplanten Aktivkohleschüttung, so daß zur Erreichung
ausreichender Kontaktzeiten für
die hochbelasteten Bereiche lange Strömungswege mit hohen Druckverlusten
durch die Aktivkohle erforderlich sind.
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Im
in 3 dargestellten Beispiel fließt eine hochkonzentrierte Schadstoffahne
auf die Reinigungswand zu und trifft sie im mittleren Bereich. Dabei
werden also die mittleren Teile der Aktivkohleschüttung einerseits überproportional
stark belastet gegenüber
den Randbereichen und somit schnell verbraucht und andererseits
sind die Verweilzeiten entsprechend gering, was zu schnellen Durchbrüchen der
Schadstoffe führt.
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Durch
gezieltes Verschließen
der abstromigen Reinigungswand im mittleren Bereich wird, wie in 3 dargestellt,
das zuströmende,
hochbelastete Grundwasser gezwungen, längere Fließwege zu gehen und somit längere Kontaktzeiten
zu erreichen.
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Dieses
Prinzip der Fließwegverlängerung
ist in jedem abstromigen Durchlaß zu erreichen.
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7. Vorteile
durch die Erfindung
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Die
Vorteile der Erfindung sind wie folgt zu benennen:
- • Die
Reinigungswand kann in unterschiedlich ausgeführte Bereiche ausgebildet werden,
wobei hochbelastetes Grundwasser gezielt zu den permeablen Wandbereichen
geführt
werden kann, die aufgrund längerer Strömungswege
längere
Kontaktzeiten mit dem Grundwasser haben.
- • Niedrig
belastetes Grundwasser kann durch Wandbereiche mit kurzen Kontaktzeiten
abgeführt
werden.
- • Bei
sich ändernden
Zuströmbedingungen
kann die Beaufschlagung der Wand angepaßt werden.
- • Die
Durchströmung
der Wand kann unterschiedlichen Schadstoffszenarien angepaßt werden.
- • Die
Auslegung der Reinigungswand muß nicht
mehr auf ein worst-case-Szenario
abgestellt werden und kann dadurch ökonomisch optimiert werden.
- • Der
Aufstau vor der Wand kann angepaßt und variiert werden.
- • Durch
Anpassung der Anströmung
kann das Reaktions- oder Bindemittel besser ausgenutzt werden.
- • Durch
die Fassung des Grundwassers stromauf der Reinigungswand und die
Zuführung
durch Drainagen wird der Gesamtströmungswiderstand des Sicherungssystems
und damit der Aufstau vor der Wand, verbunden mit Umströmungen,
verringert.
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Insgesamt
muß festgehalten
werden, daß durch
die beschriebenen Maßnahmen
Reinigungswände hinsichtlich
der Investitions- und Betriebskosten, des Grundwasseraufstaus sowie
der Betriebssicherheit und Reinigungsleistung optimiert werden können.
