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Die
Erfindung beschreibt einen wasserdurchlässigen Behälter im Baugrund, welcher zur Aufnahme
von reaktiven Stoffen dient, die dazu eingesetzt werden, daß mit Schadstoffen
belastete Grundwässer
nach dem Verfahren "Funnel
and Gate" gereinigt
werden können.
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Bei
dem System "Funnel
and Gate" handelt es
sich um eine Methode zur Behandlung von verunreinigten Grundwässern, die
darin besteht, daß zunächst der
Grundwasserstrom durch das Einbringen von Dichtwänden unterschiedlichster Weise
abgesperrt wird. Dabei reichen die Absperrbauwerke bis in eine wasserundurchlässige Schicht.
Diese Dichtwände
sind beispielsweise Schlitzwände,
Einphasendichtwände,
Spundwände,
Pfahlwände
oder Wände, welche
nach dem Mixed-in-Place-Verfahren hergestellt werden.
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In
diese Dichtwände
sind die sogenannten "Gates" eingebaut. Bei diesen "Gates" handelt es sich
um wasserdurchlässige
Elemente. In diesen "Gates" bzw. wasserdurchlässigen Behältern werden reaktive
Stoffe eingefüllt,
welche beim Durchströmen die
sich im Grundwasser befindlichen Schadstoffe an sich binden bzw.
in unschädliche
Verbindungen umwandeln. Da diese reaktiven Stoffe nach einiger Zeit ihre
Wirksamkeit verlieren bzw. deren Wirksamkeit sinkt, müssen diese
reaktiven Stoffe öfter
ausgetauscht werden. Um diese reaktiven Stoffe unter wirtschaftlich
vertretbarem Aufwand austauschen zu können, müssen diese "Gates" bzw. diese Behälter für die Reaktivstoffe als aufwendige
Ingenieurbauwerke hergestellt werden, welche während des Austauschvorganges
der Reaktivstoffe dem Erd- und Wasserdruck des umgebenden Bodens
widerstehen können.
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Die
Patentschrift
DE 4425061
C1 beschreibt einen solchen Behälter, der aus vorgefertigten
Betonfertigteilen besteht. Aus einzelnen Elementen wird dabei ein
Behälter
im Erdreich hergestellt, der anschließend mit reaktiven Stoffen
gefüllt
werden kann. Der Einbau dieser Fertigteile bedarf umfangreicher zusätzlicher
Baumaßnahmen,
da sichergestellt werden muß,
daß nach
dem Einbau der Fertigteile das Grundwasser auch in das Innere dieser
Fertigteile hineinströmen
kann. Werden die Fertigteile in stützsuspensionsgefüllte Hohlräume eingebaut,
so bedarf es einer speziellen Reinigung des umgebenden Baugrundes,
um sicherzustellen, daß der
Wasserzutritt durch etwaige verbleibende Stützsuspensionsreste im angrenzenden
Boden nicht behindert wird.
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Des
weiteren gestaltet sich der dichte Anschluß dieser Fertigteile an die
Absperrbauwerke bzw. Dichtwände
sehr aufwendig. Um die Funktion des "Funnel and Gate"-Systems sicherzustellen, ist es notwendig,
daß das
mit Schadstoffen belastete Wasser nur durch die reaktiven Materialien
strömen und
sich keinen Weg zwischen dem "Gate" und den anschließenden Dichtwänden suchen
kann.
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Um
einen freien Zulauf in die Behälter
mit den reaktiven Stoffen zu gewährleisten,
müssen
außerhalb
der Behälter,
welche Zutrittsöffnungen ähnlich wie
Filterschlitze besitzen, Kies oder Filterstoffe eingebaut werden.
Wo die Behälter
die anschließenden
Dichtwände
berühren,
sind diese Filterstoffe nicht erwünscht, da sonst das Wasser
nicht durch die Reaktivstoffe strömt, sondern seitlich an den "Gates" vorbeilaufen würde. Das
heißt,
man muß den
Ringraum um das "Gate" einmal mit undurchlässigem Material
im Bereich der Dichtwände
verfüllen
und im Wassereintrittsbereich in den Reaktivbehälter mit durchlässigem Material.
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Dies
ist technisch sehr aufwendig, da die Ringräume aus Kostengründen sehr
klein sind und die Trennung der Verfüllstoffe in horizontaler Richtung
schwierig ist. Des weiteren ist die wirksame Abdichtung zu den Dichtwänden hin
schwer zu überprüfen.
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Die
Anmeldung WO-9322241 beschreibt ein Verfahren, bei dem als "Gate" ein Caisson in den
Boden geschlagen wird. Muß der
Querschnitt des Caissons zur Aufnahme der Reaktivstoffe groß sein,
so läßt sich
dieser Caisson nicht auf große
Tiefen wie 30 m einbringen. Wird er beispielsweise aus Einzelteilen ausgeführt, wie
beispielsweise aus Wandflächen,
die ähnliche
Verbindungsmittel haben wie Spundwände, so besteht die Gefahr,
daß diese
beim Einbringen durch Zwängungen
und Vertikalitätsabweichungen aus
dem Schloß springen
und schließlich
der Behälter
nicht mehr dicht ist.
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Wird
das "Gate" kreisförmig aus
Spundwänden
zusammengesetzt, so können
diese Behälter den
Erddruck nur aufnehmen, wenn sie innen Gurte bzw. Aussteifungsringe
erhalten. Die erweisen sich später
beim Austausch von verbrauchten Reaktivstoffen gegen neue Reaktivstoffe
als stark hinderlich für
die Aushubwerkzeuge. Behälter
aus Spundwänden
können
aufgrund der dünnen
Blechstärke
und der Ausformung keine Druckkräfte
in der Wandfläche aufnehmen.
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Das
heißt,
die Behälter
eines "Gates" aus Spundwänden herzustellen,
ist technisch und tiefenmäßig stark
eingeschränkt.
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Des
weiteren sind aus großen,
rechteckigen Behältern
die verbrauchten Reaktivstoffe schwer auszubauen, wenn sie verbacken
sind und wenn die Behälter
innen Einbauten besitzen.
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Will
man die Behälter
in Spundwandausführung
dazu verwenden, auswechselbare Behälter mit Reaktivstoffen aufzunehmen,
so ist dies auf geringe Tiefen beschränkt. Bei größeren Tiefen treten größere Erddrücke auf,
welche die Spundwandbehälter verformen
bzw. zusammendrücken
und dann können sich
die Wechselbehälter
verklemmen.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, auf wirtschaftliche, unkomplizierte und
schnelle Weise direkt im Erdreich wasserdurchlässige Behälter herzustellen, in denen
es möglich
ist, reaktive Stoffe schnell und kostengünstig ein- und auszubauen.
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Nach
der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teiles des Patentanspruches 1 gelöst und anhand der 1 bis 3 erläutert.
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1 zeigt
den Grundriß eines
erfindungsgemäßen Behälters 1 für Reaktivstoffe,
welcher aus einer zylinderförmigen
Anordnung von wasserdurchlässigen
und wasserundurchlässigen
Elementen besteht. Dieser Behälter
ist wasserdicht zwischen Dichtwänden
oder Absperrwänden 4 eingebaut.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsvariante,
bei der die wasserdurchlässigen
Elemente 2 nicht auf den gleichen Linien angeordnet sind,
wie die wasserundurchlässigen
Elemente 3. Damit ist eine größere Wassereindringfläche gegeben.
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3 zeigt
einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Behälter.
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Der
erfindungsgemäße Behälter zur
Aufnahme von Reaktivstoffen besteht aus dicht aneinander gereihten,
im wesentlichen senkrechten Bohrungen, welche im Grundriß einen
geschlossenen Zylinder darstellen.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
für einen
Behälter
für Reaktivstoffe
dargestellt, wie sie beim System "Funnel and Gate" zum Einsatz kommen. Bei dieser Variante
besteht die Wandung des Behälters 1 aus überschnitten
angeordneten Pfahlbohrungen. Dieser Behälter 1 ist dicht mit
Abdichtungselementen 4 verbunden, welche das Wasser absperren
und zum Durchfließen
des Behälters 1 bewegen.
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Die
Abdichtungselemente 4 können
in unterschiedlichen Systemen ausgebildet sein. Um zu vermeiden,
daß mit
unterschiedlichen Geräten
die Abdichtungselemente 4 und der Behälter 1 hergestellt werden,
kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, die Abdichtungselemente 4 auch
mit Pfahlbohrgeräten
herzustellen, z. B. in Form von überschnittenen
Pfahlwänden
oder Mixed-in-Place-Wänden,
welche mit einer oder mehreren Schnecken gleichzeitig hergestellt
werden. Weitere Varianten können
Spundwände,
Schlitzwände
oder Dichtwände
mit oder ohne eingestellte Kunststoffolien sein oder Kombinationen aus
diesen Systemen.
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Das
Besondere und Erfindungsgemäße an der
Umschließung
des Behälters 1 besteht
darin, daß im
Zulaufbereich 5 des Grundwassers und im Ablaufbereich 6 des
Grundwassers aus dem Behälter 1,
der mit einem Reaktivstoff gefüllt
ist, die Umhüllung
teilweise durchlässig
und teilweise undurchlässig
ausgebildet ist. So besteht die zylinderförmige Umhüllung beispielsweise aus wasserundurchlässigen Elementen 3,
in dessen Zwischenräumen
wasserdurchlässige
Elemente 2 angeordnet sind. Das gilt sowohl für den zulaufenden
als auch den ablaufenden Bereich.
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Die
wasserundurchlässigen
Teile 3 der Umhüllung
bestehen bevorzugterweise aus einem wasserundurchlässigen Beton
mit vorgegebenen Druckfestigkeiten. Zwischen diesen wasserundurchlässigen Elementen 3 werden
wasserdurchlässige
Elemente 2 eingebracht, die bevorzugterweise aus einem
Einkornbeton bestehen. Unter Einkornbeton versteht man dabei einen
Beton, der durch Weglassen gewisser Kornfraktionen ähnlich wie
ein Filter wasserdurchlässig
ist. Von erfindungsgemäßer Bedeutung
ist jedoch, daß diese
wasserdurchlässigen Elemente
auch eine gewisse vorgegebene Druckfestigkeit besitzen, infolgedessen
nicht nur aus Filterkiesen oder Filtersanden bestehen.
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Die
gewünschte
Druckfestigkeit dieser wasserdurchlässigen Elemente 2 wird
dadurch erreicht, daß die
Körner
dieses sogenannten Filters mit Hilfe von selbsterhärtenden
Bindemitteln zusammengeklebt sind.
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Die
Dosierung des Bindemittels bzw. Klebers erfolgt so, daß sichergestellt
wird, daß sich
innerhalb der Poren des Filterbetons im wesentlichen kein Bindemittel
oder Kleber befindet, sondern die Kraftübertragung und Verklebung nur
im Bereich der Kornberührung
erfolgt. Die Bindemittel, die zur Herstellung dieses Einkornbetons
verwendet werden, bestehen im wesentlichen aus zementartigen Bindemitteln.
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Um
zu verhindern, daß diese
Bindemittel an den Kontaktstellen während oder nach dem Einbau ausgewaschen
werden können,
kann es zweckmäßig sein,
die selbsterhärtenden
Bindemittel durch Zusatzmittel zu verbessern. Hierzu gibt es sogenannte Unterwasser-Compounds, welche
dem Zementleim so eine hohe Klebkraft und ein so hohes Zusammenhaltevermögen geben,
daß dieser
von langsam strömendem
Wasser im wesentlichen nicht ausgewaschen werden kann.
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Die
Herstellung der Umhüllung
des Behälters 1 erfolgt
zweckmäßigerweise
so, daß zunächst die
wasserundurchlässigen
Elemente 3 bis zu einer solchen Tiefe abgeteuft werden,
daß sie
in einen wasserundurchlässigen
Boden bzw. Stauen einbinden.
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Liegen
die wasserundurchlässigen
Böden sehr
tief und befinden sich unterhalb der Bodenschichten mit den verunreinigten
Grundwässern
Bodenschichten, welche eine deutlich geringere Wasserdurchlässigkeit
besitzen, wie die darüberliegenden
Bodenschichten, so kann es ausreichend sein, sowohl die durchlässigen Elemente 2 als
auch die undurchlässigen
Elemente 3 in diese Schichten einzubinden. Eine Unterströmung ist
in diesen Fällen von
geringerer Bedeutung. Dabei werden diese wasserundurchlässigen Elemente 3 auf
Lücke gesetzt. Nach
dem Ansteifen bzw. nach dem Erreichen einer gewissen Mindestfestigkeit
des Betons, der in die wasserdichten Elemente 3 eingebracht
wird, werden zwischen diese wasserdichten Elemente 3 die
wasserdurchlässigen
Elemente 2 hergestellt. Dabei werden Bohrungen durch die
bereits abgebundenen bzw. erhärteten,
wasserdichten Elemente 3 abgebohrt. Dabei werden die wasserdichten
Elemente 3 angeschnitten, damit echte kraftschlüssig nutzbare Kontaktflächen zwischen
den Elementen 2 und 3 entstehen. In die Bohrungen 2 wird
anschließend
selbsterhärtendes,
aber wasserdurchlässiges
Material eingebaut. Dieses selbsterhärtende und wasserdurchlässige Material
besteht im wesentlichen aus dem bereits beschriebenen Einkornbeton.
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Der
wasserdurchlässige
Einkornbeton kann außer
hydraulischen Bindemitteln auf Zementbasis auch andere Bindemittel
enthalten. Dies können
beispielsweise stark klebende und erhärtende Kunststoffe sein, wie
Kunstharze. Als weitere Form für
die Bindemittel sind auch Stoffe möglich, welche in erwärmtem Zustand
mit den Zuschlagsstoffen des Einkornbetons vermischt werden und
die später
nach Abkühlung
erhärten
und eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen den Körnern
des Zuschlages herstellen. Diese Bindemittel könnten beispielsweise auf Wachsform
oder auf Teerbasis sein.
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Die
Bohrungen für
die wasserdurchlässigen Elemente 2 werden
ebenfalls bis zu einer wasserdichten Bodenschicht abgeteuft oder
zumindest in Bodenbereiche, die eine geringere Durchlässigkeit besitzen
als die darüberliegenden
Bodenschichten und in diese eingebunden. Die Auffüllung dieser
wasserdurchlässigen
Elemente 2 mit Einkornbeton muß jedoch nicht zwingend über die
gesamte Länge
der Bohrung erfolgen. So kann es zweckmäßig sein, daß diese
wasserdurchlässigen
Elemente 2 in tieferen Bereichen aus wasserundurchlässigen Materialien bestehen.
Dann folgt über
eine gewisse Höhe
das wasserdurchlässige
Material wie beispielsweise der Einkornbeton und anschließend – zur Erdoberfläche hin – wird wieder
wasserundurchlässiges
Material eingebaut.
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Diese
Vorgehensweise kann beispielsweise dann notwendig werden, wenn die
Behälter 1 bis
in sehr große
Tiefen reichen. In diesem Fall bauen sich auf die Außenwandung
des Behälters
sehr hohe Erddrücke
auf, welche als Ringdruckkraft innerhalb des Zylinders des Behälters 1 eingeleitet
werden müssen.
Dies ist auch der Grund, warum die wasserdurchlässigen Elemente 2 eine
gewisse vorgegebene Druckfestigkeit erreichen müssen. Diese liegt erfahrungsgemäß in einer
Größe von 2
bis 5 N/mm2. Diese Mindestdruckfestigkeit
der wasserdurchlässigen
Elemente 2 ermöglicht
es, daß nach
Herstellen der gesamten geschlossenen, zylinderförmigen Umhüllung des Behälters 1 aus
sowohl wasserundurchlässigen
Elementen 3 als auch wasserdurchlässigen Elementen 2 das
Innere des Behälters 1 ausgehoben werden
kann und der ursprünglich
dort anstehende gewachsene Boden durch Reaktivstoffe ersetzt wird.
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Da
die Wandung des Behälters 1 in
sich stabil ist, ist auch später – nachdem
die Reaktivstoffe in ihrer Wirkung verbraucht sind – ein schneller
und einfacher Austausch der Reaktivstoffe möglich. Dieser Austausch der
Reaktivstoffe kann sowohl nach dem Drehbohrverfahren erfolgen mit
Schnecken und/oder großem
Kastenbohrer oder der Austausch der Reaktivstoffe kann mittels Seil-
oder Hydraulikgreifern erfolgen.
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Ebenso
wäre auch
ein Austausch der Reaktivstoffe mit einem Ausspülverfahren oder Aussaugverfahren
vorstellbar, bei dem durch ständige
Zufuhr von Wasser und gegebenenfalls Luft die verbrauchten Reaktivstoffe
ausgetragen werden. Wenn bei sehr großen Tiefen des Behälters 1 die
Druckkräfte innerhalb
der Behälterwandung
zu groß werden, kann
es notwendig sein, die wasserdurchlässigen Bereiche 2 abschnittsweise
durch wasserundurchlässige
Stoffe zu ersetzen, welche eine deutlich höhere aufnehmbare Druckfestigkeit
aufweisen als der Einkornbeton. Eine weitere Ausführungsvariante
ist gegeben, wenn die höhenmäßige Anordnung
der wasserundurchlässigen
Teil-Elemente 2 im Zustrombereich 5 anders sind
als im Abstrombereich 6. Durch diesen Höhensprung können die Durchströmungsdauer
und die Durchströmungswege
der Reaktivstoffe im Behälter 1 beeinflußt und verlängert werden. Diese
Ausführungsvariante
ist in 3 als senkrechter Schnitt durch einen Behälter 1 für Reaktivstoffe dargestellt,
der an Dichtwände 4 wasserundurchlässig angeschlossen
ist. Der Behälter 1 für das "Gate" sowie die angeschlossenen
Abdichtungswände 4 des "Funnels" binden dabei in
eine wasserundurchlässige
Stauerschicht 7 ein. Auf diese Weise wird verhindert, daß sich das
belastete Grundwasser einen Weg unterhalb der Absperrung suchen
kann. In 2 ist eine weitere Ausführungsvariante
dargestellt, bei der sich die Mittelpunkte der Bohrungen für die wasserdurchlässigen Elemente 2 nicht
auf der gleichen Linie der Mittelpunkte der wasserundurchlässigen Bohrungen 3 befinden.
Dieses Ausführungsbeispiel
kann zweckmäßig sein,
um die Eintrittsfläche
in die wasserdurchlässigen
Elemente zu erhöhen.
Die Anordnung der Bohrungen muß jedoch weiterhin
so erfolgen, daß eine
Druckübertragung
innerhalb des Mantels des Behälters 1 möglich ist.
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Die
Bohrungen für
die wasserundurchlässigen
Elemente 3 und die wasserdurchlässigen Elemente 2 werden
zweckmäßigerweise
im Drehbohrverfahren und aufgrund des anstehenden Grundwassers bevorzugterweise
mit Verrohrung ausgeführt. Eine
andere Ausführungsvariante
ist die Herstellung dieser Bohrungen nach dem verrohrten Greiferverfahren.
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Die
Herstellung der Bohrungen unter Einsatz einer Stützsuspension ist dann möglich, wenn
sichergestellt werden kann, daß im
Bereich der wasserdurchlässigen
Elemente mit dem Einkornbeton der umgebende Bodenbereich nicht durch
Filterkuchen der Stützsuspension
verstopft ist. Auf diese Weise wäre
es sonst nicht möglich,
daß das
Wasser durch die wasserdurchlässigen
Einkornbetonelemente fließen
kann.
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Eine
weitere Ausführungsvariante
ist, daß in den
wasserdurchlässigen
Elementen ein oder mehrere Rohre 8 eingebaut werden, die
eine oder mehrere Spülöffnungen
besitzen, die über
die Länge
des Rohres verteilt sein können.
Auf diese Weise ist es möglich,
bei etwaigen Ablagerungen im Laufe der Durchströmungszeit durch Gegenspülungen über diese
Rohre 8 etwaige Ablagerungen zu beseitigen.
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Sollte
sich die Durchlässigkeit
der wasserdurchlässigen
Elemente 2 im Laufe der Jahre erheblich verschlechtern,
so ist es unter verhältnismäßig geringem
Aufwand möglich,
die wasserdurchlässigen
Elemente 2 auszubohren, da die Druckfestigkeit nur verhältnismäßig gering
ist und innerhalb der üblichen
Drehbohrverfahren keinen zu hohen Widerstand entgegenstellen.
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Die
zylinderförmige
Begrenzung des Behälters 1 kann
im Grundriß unterschiedliche
Formen aufweisen. Die aus einzelnen Bohrungen zusammengesetzte Umhüllung kann
im wesentlichen kreisförmig, elliptisch
oder auch quadratisch sein. Die Form der geschlossenen Umhüllung des
Behälters 1 für die reaktiven
Stoffe sollte in jedem Falle so ausgestaltet werden, daß sich in
der Umhüllung
eine Gewölbedruckkraft
aufbauen kann. Auf diese Weise kann die Behälterwandung ohne zusätzliche
Abstützmaßnahmen
dem Erddruck widerstehen.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Behälters für das "Funnel and Gate"-System lassen sich wie
folgt zusammenfassen:
- – Die Behälter lassen sich auf wirtschaftliche
Weise bis zu großen
Tiefen von 30 und mehr Metern herstellen.
- – Der
Behälter
läßt sich
auf sichere und einfache Weise an bestehende Dichtwände anschließen.
- – Die
Entfernung von verbrauchten Reaktivstoffen kann durch einfaches
Ausgreifern und Ausbohren erfolgen.
- – Im
Inneren des Behälters 1 sind
keine aufwendigen, künstlichen
Bauwerke einzubauen, um die Reaktionsstoffe aufzunehmen.
- – Die
wasserdurchlässigen
Elemente 2 sind im Falle von Verstopfungen auf einfache
und preiswerte Weise durch reines Ausbohren zu ersetzen.
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Bei
den Reaktivstoffen handelt es sich in der Regel um chemisch bzw.
physikalisch reaktive Stoffe wie z. B. Aktivkohle, Oxidations- oder
Reduktionsmittel oder katalytisch wirkende Stoffe wie unterschiedliche
Eisengranulate. Möchte
man längere
Durchströmungszeiten
des beaufschlagten Wassers durch die Reaktivstoffe erreichen so
wird einfach der Durchmesser des Behälters 1 vergrößert, oder
die Einlaufbereiche gegenüber
den Auslaufbereichen höhenmäßig versetzt.
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Durch
die Möglichkeit,
daß man
die wasserdurchlässigen
Elemente 2 nicht auf die volle Tiefe ausführt, sondern
nur in Teilbereichen, besteht die Möglichkeit, das teure, reaktive
Material in möglichst geringen
Mengen einzusetzen.
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So
können
die reaktiven Stoffe beispielsweise nur lagenweise innerhalb des
Behälters 1 angeordnet
werden und dabei die wasserdurchlässigen Elemente 2 höhenmäßig so begrenzt
werden, daß das
zuströmende
Wasser dabei direkt in die entsprechende Schicht des Reaktionsstoffes
eindringt und an der gegenüberliegenden
Austrittsstelle wieder austritt. Auf diese Weise lassen sich auch
auf einfache Art unterschiedliche Grundwasserebenen mit unterschiedlichen
Reaktionsstoffen reinigen. Dazu werden in dem Behälter 1 in
unterschiedlichen Lagen unterschiedliche Reaktionsstoffe eingebracht,
die jeweils durch neutrale, dichte Bodenschichten voneinander getrennt
sind.