DE202018000073U1 - Monitoring system for tanks, manure basins, slurry tanks, manure channels and ground basins for the storage of manure, liquid manure and silage seepage and for containers of biogas plants - Google Patents

Monitoring system for tanks, manure basins, slurry tanks, manure channels and ground basins for the storage of manure, liquid manure and silage seepage and for containers of biogas plants Download PDF

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Abstract

Überwachungssystem für oberirdische, erdeingelassene und unterirdische Behälter, Güllekeller, Güllewannen, Güllekanäle und Erdbecken zur Lagerung von Jauche, Gülle und Silagesickersäften sowie für Behälter von Biogasanlagen, die mit allgemein wassergefährdenden Stoffen wie Gärsubstraten und Gärresten oder wassergefährdenden Stoffen befüllt sind dadurch gekennzeichnet, dass durch die Installation elektrischer Messsonden (Elektroden), die um und unter die Behälter verteilt im Boden eingebracht werden, ggf. in Kombination mit einer Innenelektrode, die in die Flüssigkeit im Behälter eingetaucht ist, ein geoelektrisches Monitoring zur Leckageerkennung durchgeführt werden kann.Monitoring system for above ground, earthed and underground containers, manure basins, slurry tanks, manure channels and basins for storage of manure, manure and silage and juices as well as containers of biogas plants, which are filled with generally water pollutants such as fermentation substrates and digestate or water pollutants characterized in that Installation of electrical measuring probes (electrodes), which are placed around and under the containers distributed in the ground, if necessary in combination with an inner electrode, which is immersed in the liquid in the container, a geoelectric monitoring for leakage detection can be performed.

Description

I. KurzbeschreibungI. Short description

Die Erfindung betrifft eine Überwachung und automatisierte Überwachung von Behältern, Güllekellern, Güllewannen und Güllekanälen und Erdbecken zur Lagerung von Jauche, Gülle, und Silagesickersaft an JGS-Anlagen sowie Behälter von Biogasanlagen, die mit allgemein wassergefährdenden Stoffen wie Gärsubstrate und Gärreste oder wassergefährdenden Stoffen befüllt sind.The invention relates to a monitoring and automated monitoring of containers, slurry basins, slurry tanks and manure channels and basins for storage of liquid manure, manure, and silage Seed to JGS facilities and containers of biogas plants that are filled with generally water pollutants such as fermentation substrates and digestate or water pollutants ,

„Erdbecken sind ins Erdreich gebaute oder durch Dämme errichtete Becken, die im Sohlen- und Böschungsbereich aus Erdreich bestehen und gegenüber dem Boden mit Dichtungsbahnen ausgekleidet sind.” (Definition aus der TRwS 792, DWA, 2015 ). „Güllekeller, Güllewannen und Güllekanäle im Sinne dieser TRwS sind Lager- und Sammeleinrichtungen unter Ställen. Sie können ggf. auch über die Grundfläche einer Stallanlage hinausragen” (Definition aus der TRwS 792, DWA, 2015 )."Basin ponds are ponds built into the ground or built by dams, which consist of soil in the floor and slope area and are lined with geomembranes opposite the ground." (Definition from the TRwS 792, DWA, 2015 ). "Manure basements, slurry tanks and manure channels in the sense of this TRwS are storage and collection facilities under stables. If necessary, they can also project beyond the footprint of a stable plant "(definition from the TRwS 792, DWA, 2015 ).

„”Biogasanlagen” sind, 1. Anlagen zum Herstellen von Biogas, insbesondere Vorlagebehälter, Fermenter, Kondensatbehälter und Nachgarer, 2. Anlagen zum Lagern von Gärresten oder Gärsubstraten, wenn sie in einem engen räumlichen und funktionalen Zusammenhang mit Anlagen nach Nummer 1 stehen, und 3. zu den Anlagen nach den Nummern 1 und 2 gehörige Abfüllanlagen.” (vgl. AwSV, 2017 )"Biogas plants" are: 1. plants for the production of biogas, in particular storage tanks, fermenters, condensate tanks and aftergarters, 2. facilities for storing fermentation residues or fermentation substrates, if they are in a close spatial and functional relationship with plants according to number 1, and 3. Filling plants belonging to the installations referred to in points 1 and 2 "(cf. AwSV, 2017 )

Im Folgenden werden alle Arten von Behältern, Erdbecken, Güllekellern, Güllewannen, Güllekanälen von JGS-Anlagen und von Biogasanlagen, die mit allgemein wassergefährdenden Stoffen oder wassergefährdenden Stoffen entsprechend den Definitionen der Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen ( AwSV, 2017 ) befüllt sind oder betrieben werden, als JGS-Lageranlagen/Biogasbehälter bezeichnet.In the following, all types of containers, ground basins, slurry basins, manure tanks, manure channels of JGS plants and biogas plants, which are generally water-polluting substances or substances hazardous to water according to the definitions of regulations for facilities for handling water pollutants ( AwSV, 2017 ) are filled or operated, referred to as JGS storage facilities / biogas tank.

Die Erfindung erfasst oberirdische JGS-Lageranlagen/Biogasbehälter bei denen lediglich die Bodenplatte auf dem Erdreich steht, erdeingelassene JGS-Lageranlagen/Biogasbehälter und unterirdische JGS-Lageranlagen/Biogasbehälter.The invention covers above-ground JGS storage facilities / biogas tanks where only the floor slab is on the ground, JGS storage facilities / biogas tanks and underground JGS storage facilities / biogas tanks.

Zur automatisierten Leckageerkennung der JGS-Lageranlagen/Biogasbehälter werden dabei geoelektrische Messsonden eingesetzt und geoelektrische Messungen durchgeführt.For automated leak detection of the JGS storage facilities / biogas tanks geoelectric measuring probes are used and geoelectric measurements are carried out.

„Einwandige JGS-Lageranlagen für flüssige allgemein wassergefährdende Stoffe mit einem Gesamtvolumen von mehr als 25 Kubikmetern müssen mit einem Leckageerkennungssystem ausgerüstet sein” (vgl. AwSV, 2017, Anhang 7, Nr. 3.1 ). Für ältere Bestandsanlagen, bei denen eine Nachrüstung eines Leckageüberwachungssystems nicht möglich ist, bzw. nur mit einem unverhältnismäßigen Aufwand durchzuführen wäre, müssen Füllstandsmessungen durchgeführt werden (laut TRwS 792, DWA, 2015 ). Sind diese betrieblich oder technisch nicht möglich, können je nach Einzelfall Sichtprüfungen kritischer Stellen und/oder Grundwassermessstellen errichtet werden (laut TRwS 792, DWA, 2015 )."Single-walled JGS storage facilities for liquid, generally water-polluting substances with a total volume of more than 25 cubic meters must be equipped with a leak detection system" (cf. AwSV, 2017, Appendix 7, No. 3.1 ). For older existing installations where retrofitting of a leakage monitoring system is not possible or which would only be possible with a disproportionate effort, level measurements must be carried out (according to TRwS 792, DWA, 2015 ). If these are operationally or technically not feasible, visual inspections of critical points and / or groundwater measuring points can be established, depending on the individual case (according to TRwS 792, DWA, 2015 ).

Diese Sichtprüfungen sind regelmäßig durchzuführen, wobei Aufschlüsse zur Untersuchung je nach Größe des Behälters aller 10 m bzw. 30 m vorgesehen sind (laut TRwS 792, DWA, 2015 ). Hier ergibt sich besonders die Schwierigkeit der Erkennung möglicher Leckagen zwischen den Aufschlüssen sowie in der Bodenplatte, oder auch den Fugen der Betonplatten. Zudem würden aufgrund der zeitlichen Intervalle der Untersuchungen potentielle Leckagen möglicherweise erst Monate nach Auftreten der ersten Rissbildung erkannt. Bei den Grundwassermessstellen sollen die Überprüfungen von pH-Wert, elektrischer Leitfähigkeit, Temperatur, Sauerstoff und weiterer Parameter ebenfalls einjährig erfolgen (laut TRwS 792, DWA, 2015 ), wodurch ebenso ein Zeitverzug zwischen Leckagebildung und Leckageerkennung unberücksichtigt bliebe. Zudem lässt die Messung der allgemeinen Grundwasserparameter im An- und Abstrombereich keine Rückschlüsse zur Lage der potentiellen Leckagen zu.These visual inspections should be carried out regularly, with examination points of 10 m or 30 m, depending on the size of the container, as per the instructions TRwS 792, DWA, 2015 ). This results in particular the difficulty of detecting possible leaks between the outcrops and in the bottom plate, or even the joints of the concrete slabs. In addition, due to the time intervals of the tests, potential leaks may not be detected until months after the first crack has occurred. At the groundwater measuring points, the checks of pH value, electrical conductivity, temperature, oxygen and other parameters should also be carried out once a year (according to TRwS 792, DWA, 2015 ), whereby a time delay between leakage and leakage detection would also be disregarded. In addition, the measurement of the general groundwater parameters in the inflow and outflow area does not allow any conclusions about the position of the potential leakages.

Die vorbezeichneten Schwierigkeiten der bisherigen Prüfmöglichkeiten ließen sich durch ein automatisiertes Monitoringsystem mit individuell regelbaren Messungen, welche zudem Bereichsüberprüfungen für verschiedene Abschnitte der Anlagen zuließen, beheben.The above-mentioned difficulties of the previous testing options could be remedied by an automated monitoring system with individually controllable measurements, which also permitted range checks for different sections of the systems.

Als Gebrauchsmuster soll ein automatisiertes Überwachungssystem von JGS-Lageranlagen/Biogasbehälter mittels geoelektrischer Messungen geschützt werden. Für dieses werden elektrische Messsonden (Elektroden) um und unter die JGS-Lageranlagen/Biogasbehälter verteilt, im Boden eingebracht, so dass darüber dann das geoelektrische Monitoring durchgeführt werden kann. Durch die Kombination mit einer Innenelektrode, die in die Flüssigkeit im Behälter eingetaucht ist, kann die Messung im Bedarfsfall ergänzt werden.As a utility model, an automated monitoring system for JGS storage facilities / biogas tanks is to be protected by means of geoelectric measurements. For this, electrical measuring probes (electrodes) are distributed around and under the JGS storage facilities / biogas tanks, placed in the ground, so that then geoelectric monitoring can be carried out. By combining with an internal electrode immersed in the liquid in the container, the measurement can be supplemented if necessary.

Das Prinzip geoelektrischer Messungen besteht darin, dass zwischen zwei „Stromelektroden” ein Strom induziert und die Potentialdifferenz zwischen zwei weiteren „Potentialelektroden” gemessen wird. Aus dem Verhältnis von Spannung bzw. Potentialdifferenz zum induzierten Strom, erhält man den spezifischen elektrischen Widerstand (Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit) des Bodenvolumens, zwischen dem die Potentialdifferenz gemessen wurde. Das Verfahren ist z. B. bei „ KNÖDEL et al. 2005 ” beschrieben.The principle of geoelectric measurements is that a current is induced between two "current electrodes" and the potential difference between two other "potential electrodes" is measured. From the ratio of voltage or potential difference to the induced current, one obtains the specific electrical resistance (reciprocal of the electrical conductivity) of the soil volume, between which the potential difference was measured. The method is z. Eg at " KNÖDEL et al. 2005 "Described.

Der spezifische elektrische Widerstand eines Bodens wird durch verschiedene Einflussparameter, u. a. Porosität, Wassergehalt, chemische Zusammensetzung (wie z. B. Salinität oder Kationenaustauschkapazität), Temperatur, Korngrößenverteilung, -orientierung und -form, bestimmt (in Anlehnung „ FRIEDMANN 2005 ”). Wassergehalt, chemische Zusammensetzung/Salinität des Porenfluids und Temperatur, gelten dabei als stärkste Einflussfaktoren. Kennt man die Bodenzusammensetzung, bzw. führt man eine Referenzmessung durch, kann man die Veränderung eines ausgewählten Bodenparameters über eine Zeitspanne beobachten, wenn die weiteren Einflussparameter konstant bleiben. Da sich die generellen Bodenparameter, wie Lagerung oder Bodenart (Kornverteilung), im Untergrund bei ungestörten Bedingungen über längere Zeit nicht wesentlich verändern, kann man davon ausgehen, dass potentielle Änderungen des spezifischen elektrischen Widerstandes eines Bodenvolumens durch Veränderungen des Wassergehaltes oder der Salinität, bzw. durch die chemische Zusammensetzung bedingt werden.The specific electrical resistance of a soil is determined by various influencing parameters, including porosity, water content, chemical composition (such as salinity or cation exchange capacity), temperature, grain size distribution, orientation and shape (based on " FRIEDMANN 2005 "). Water content, chemical composition / salinity of the pore fluid and temperature, are the strongest influencing factors. If one knows the soil composition, or if one carries out a reference measurement, one can observe the change of a selected soil parameter over a period of time, if the other influencing parameters remain constant. Since the general soil parameters, such as storage or soil type (particle size distribution), do not significantly change in the subsurface under undisturbed conditions over a longer period of time, it can be assumed that potential changes in the electrical resistivity of a soil volume due to changes in water content or salinity, or due to the chemical composition.

Trockener Boden hat einen relativ hohen Widerstand (vgl. Tabelle 1). Demgegenüber stehen die niedrigeren elektrischen Widerstandswerte verschiedener Gewässerarten, bzw. wässriger Lösungen, die durch ihre chemische Zusammensetzung mit den gelösten Bestandteilen bestimmt werden. Die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit, bzw. die Verringerung des elektrischen Widerstandes eines Bodens, wird demgemäß vorwiegend von seiner Wassersättigung, bzw. der chemischen Zusammensetzung des Porenfluids, bestimmt. Zum Vergleich sind in Tabelle 1 Werte wassergesättigter Böden angegeben.Dry soil has a relatively high resistance (see Table 1). On the other hand, there are the lower electrical resistance values of different types of water or aqueous solutions, which are determined by their chemical composition with the dissolved constituents. The increase in the electrical conductivity, or the reduction of the electrical resistance of a soil, is accordingly determined mainly by its water saturation, or the chemical composition of the pore fluid. For comparison, values of water-saturated soils are given in Table 1.

Die elektrischen Widerstandswerte für Gülle heben sich allerdings aufgrund der Salzkonzentration nochmals von den Werten für gesättigte Böden ab. Bei einem geoelektrischen Monitoring würde ein plötzlicher Austritt der gelagerten Stoffe durch eine kleine Leckage einer JGS-Lageranlage bzw. Biogasbehälter (an einer Behälterwand oder der Bodenplatte) den elektrischen Widerstandswert gegenüber den bisher erfassten Werten für das gegebene Bodenvolumen abrupt stark verringern und somit auch auf eine Leckage schließen lassen.The electrical resistance values for liquid manure, however, again stand out from the values for saturated soils due to the salt concentration. In the case of geoelectrical monitoring, a sudden leakage of the stored substances through a small leakage of a JGS storage facility or biogas tank (on a tank wall or the floor slab) would abruptly sharply reduce the electrical resistance value compared to the previously recorded values for the given floor volume and thus also to one Close leakage.

Für das geoelektrische Monitoring der JGS-Lageranlagen/Biogasbehälter werden um und unter dem Prüfobjekt Elektrodenketten installiert, wobei über zwei der installierten Elektroden (i. d. R. als Elektroden A und B bezeichnet) ein Strom (I) eingespeist und zwischen zwei anderen Elektroden der scheinbare, spezifische elektrische Widerstandswert für das Volumen (U) mittels Messung der Spannungsdifferenz (i. d. R. als Elektroden M und N bezeichnet) ermittelt werden kann (vgl. ). Die Berechnung der spezifischen elektrischen Widerstände erfolgt über entsprechende Auswerteformeln (sinngemäß KNÖDEL et al. 2005 ). Um ein hochaufgelöstes Überwachungssystem mit Ortung der Leckage ermöglichen zu können, wird die Anzahl, der zu installierenden Elektroden, der Abstand der Elektroden sowie die Anzahl der Elektrodenketten je nach Größe und Form der Behälter angepasst. Die Anordnung der verschiedenen Elektroden, die Elektrodenabstände sowie die spezifischen Messkonfigurationen ermöglichen schließlich die Einschätzung der Lage eines potentiellen Lecks. Ergänzend kann bei der Messung eine in die JGS-Flüssigkeit/allgemein wassergefährdende oder wassergefährdende Flüssigkeit eingetauchte Zentralelektrode in die Messanordnung der Elektodenketten integriert werden.For the geoelectrical monitoring of the JGS storage facilities / biogas tanks, electrode chains are installed around and under the test object, whereby one current (I) is fed in via two of the installed electrodes (usually called electrodes A and B) and the apparent, between two other electrodes specific electrical resistance value for the volume (U) by measuring the voltage difference (usually referred to as electrodes M and N) can be determined (see. ). The calculation of the specific electrical resistances takes place via corresponding evaluation formulas (analogously KNÖDEL et al. 2005 ). In order to enable a high-resolution monitoring system with location of the leakage, the number, the electrodes to be installed, the distance between the electrodes and the number of electrode chains, depending on the size and shape of the container adapted. The arrangement of the various electrodes, the electrode distances and the specific measurement configurations make it possible to assess the location of a potential leak. In addition, during the measurement, a central electrode immersed in the JGS liquid / generally water-endangering or water-endangering liquid can be integrated into the measuring arrangement of the electrode chains.

Für die Elektrodenketten werden mehradrige Kabel genutzt, wobei die jeweiligen Adern in entsprechender Tiefe mit Elektroden verbunden sind. Als Elektroden werden Edelstahlringe in regelmäßigen Abständen außen am Rohr befestigt und durch ein Loch im Rohr mit den jeweiligen Adern der Kabel verbunden. Die Kabel können durch Kunststoffrohre geschützt in Bohrungen angebracht werden.Multicore cables are used for the electrode chains, with the respective cores being connected to electrodes at the appropriate depth. As electrodes, stainless steel rings are fastened to the outside of the pipe at regular intervals and connected to the respective wires of the cable through a hole in the pipe. The cables can be mounted in holes protected by plastic pipes.

Die Messung erfolgt durch einen Computer/Messgerät, durch den/das die verschiedenen Elektroden individuell als Stromelektroden, bzw. als Potentialelektroden zur spezifischen Widerstandsmessung des entsprechenden Bodenvolumens angesteuert werden können. Je nach Abstand der Elektroden können dementsprechend genaue Aussagen zur Lage einer möglichen Leckage gemacht werden.The measurement is carried out by a computer / measuring device, by which the different electrodes can be controlled individually as current electrodes, or as potential electrodes for the specific resistance measurement of the corresponding floor volume. Depending on the distance between the electrodes, it is thus possible to make precise statements about the position of a possible leak.

II. Ausführliche Darstellung II. Detailed presentation

A. EinleitungA. Introduction

Mit der Lagerung und anschließenden Wiederverwendung von Jauche, Gülle, Silagesickersäften und ähnlichen in der Landwirtschaft und bei Biogasanlagen anfallenden Stoffen, wird ein bedeutender Beitrag zur Bodenverbesserung, Luftreinhaltung und zum Klimaschutz geleistet.The storage and subsequent reuse of liquid manure, liquid manure, silage seepage and similar materials used in agriculture and in biogas plants make a significant contribution to soil improvement, air pollution control and climate protection.

Ein hoher unkontrollierter Eintrag dieser anfallenden Stoffe birgt jedoch eine Gefahr für die Gewässer, besonders für das Grundwasser. Umso bedeutender sind eine geeignete Bauausführung und die turnusgemäße Wartung der Anlagen zur Sicherstellung der Dichtheit vor Stoffaustritt.However, a high uncontrolled entry of these accumulating substances poses a danger to the waters, especially to the groundwater. All the more important is a suitable construction and the regular maintenance of the equipment to ensure the tightness against material leakage.

Bis zum Inkrafttreten der AwSV am 1. April 2017 wurde Bau, Betrieb und Wartung ausschließlich durch die jeweiligen Länderverordnungen geregelt. Um dem Grundwasserschutz im Rahmen des Wasserhaushaltsgesetz (§62 WHG) gerecht zu werden, hat die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) die Regeln für den Bau und die Nutzung der JGS-Anlagen als TRwS 792, (DWA, 2015) und für Biogasanlagen als TRwS 793-1, (DWA, 2017) bundeseinheitlich konkretisiert. In diesen Regelblättern werden zudem Anforderungen zur Wartung und zur Überprüfung, auch im Hinblick auf mögliche Leckagen, definiert. Danach sind bei neuen Anlagen, z. B. spezifische Leckageüberwachungssysteme zu integrieren (laut TRwS 792, DWA, 2015 ), die bei Undichtheit eine schnelle und zuverlässige Erkennung von austretenden Stoffen ermöglichen. Diese Systeme bestehen aus einer Dichtschicht (Leckageerkennungsfolie) mit darüber liegender Dränschicht und einer Dränleitung (entsprechend den Vorgaben laut TRwS 792, DWA, 2015). Zudem sind verschiedene Sachverständigenprüfungen vor Inbetriebnahme und anschließend in regelmäßigen zeitlichen Intervallen vorgesehen; z. B. Ordnungsprüfungen, Technische Prüfungen und Dichtheitsprüfungen (laut TRwS 792, DWA, 2015).Until the entry into force of the AwSV on April 1, 2017, construction, operation and maintenance were governed exclusively by the respective country ordinances. In order to do justice to the groundwater protection in the context of the water household law (§62 WHG), the German association for water management, waste water and waste e. V. (DWA) the rules for the construction and use of JGS plants as TRwS 792, (DWA, 2015) and for biogas plants as TRwS 793-1, (DWA, 2017) nationwide concretized. These regulations also define requirements for maintenance and inspection, including with regard to possible leaks. Thereafter, new plants, z. B. to integrate specific leakage monitoring systems (according to TRwS 792, DWA, 2015 ), which allow a quick and reliable detection of leaks in case of leakage. These systems consist of a sealing layer (leak detection foil) with overlying drainage layer and a drainage pipe (according to the requirements of TRwS 792, DWA, 2015). In addition, several expert reviews are planned before commissioning and then at regular intervals; z. B. Ordnungsprüfungen, technical tests and leak tests (according to TRwS 792, DWA, 2015).

Die Dichtheitsprüfung vor Inbetriebnahme von JGS-Anlagen besteht (laut TRwS 792, DWA, 2015 ) aus zwei Teilprüfungen. Einer Sichtprüfung und Wasserstandsprüfung sowie einer Prüfung bei Vollfüllung unter Betrieb nach einem Jahr. Für Biogasanlagen besteht eine Prüfpflicht vor Inbetriebnahme und eine wiederkehrende Prüfpflicht ( AwSV, 2017 ).The leak test prior to commissioning of JGS systems exists (loud TRwS 792, DWA, 2015 ) from two partial exams. A visual inspection and water level test as well as a test at full capacity under operation after one year. For biogas plants there is a duty to inspect before commissioning and a recurrent inspection obligation ( AwSV, 2017 ).

Probleme mit Leckagen bereiten besonders die älteren Bestandsanlagen, da diese seit vielen Jahren der Betonaggressivität angreifenden organischen Säuren und sonstigen Bestandteilen von Gülle, Jauche Silagesickersäften und sonstigen allgemein wassergefährdenden und wassergefährdenden Stoffen ausgesetzt sind und ein Leckageüberwachungssystem meist fehlt. Zudem können sich über die Zeit im Beton Risse bilden. Weitere Probleme stellen fehlende Fugenbänder, Fugenbänder aus ungeeigneten Materialien, welche zur Korrosion neigen, Öffnungen der Schalungsanker, Abplatzungen oder Ähnliches dar.Problems with leaks are particularly the older existing facilities, as they are exposed for many years of the aggressiveness of concrete attacking organic acids and other components of liquid manure, liquid manure silagesickers and other generally water polluting and water polluting substances and a leakage monitoring system is usually missing. In addition, cracks may form in the concrete over time. Other problems include missing waterstops, joint tapes made of unsuitable materials that tend to corrosion, openings of the formwork anchors, spalling or the like.

Bei älteren Bestandsanlagen, bei denen eine Nachrüstung eines Leckageüberwachungssystems nicht möglich ist, bzw. nur mit einem unverhältnismäßigen Aufwand durchzuführen wäre, sollen Füllstandsmessungen durchgeführt werden. Sind diese wiederum betrieblich oder technisch nicht möglich, können je nach Einzelfall Sichtprüfungen kritischer Stellen und/oder Grundwassermessstellen errichtet werden (laut TRwS 792, DWA. 2015 ).For older existing systems, in which a retrofitting of a leakage monitoring system is not possible, or would be carried out only with a disproportionate effort, level measurements should be performed. If these are not operationally or technically feasible, visual inspections of critical points and / or groundwater measuring points can be established, depending on the individual case (according to TRwS 792, DWA. 2015 ).

Diese Sichtprüfungen sind regelmäßig durchzuführen, wobei Aufschlüsse zur Untersuchung je nach Größe des Behälters aller 10 m bzw. 30 m vorgesehen sind (laut TRwS 792, DWA, 2015 ). Hier ergibt sich besonders die Schwierigkeit der Erkennung möglicher Leckagen im Bereich zwischen den Aufschlüssen, vor allem aber auch in der Bodenplatte oder Fugen der Betonplatten. Zudem würden potentielle Leckagen möglicherweise erst Monate nach Auftreten der ersten Rissbildung erkannt. Bei den Grundwassermessstellen sollen die Überprüfungen von pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Temperatur, Sauerstoff und weiterer Parameter ebenfalls einjährig erfolgen, wodurch ebenso ein Zeitverzug zwischen Leckagebildung und Leckageerkennung unberücksichtigt bliebe.These visual inspections should be carried out regularly, with examination points of 10 m or 30 m, depending on the size of the container, as per the instructions TRwS 792, DWA, 2015 ). This results in particular the difficulty of detecting possible leaks in the area between the outcrops, but especially in the bottom plate or joints of the concrete slabs. In addition, potential leaks may not be detected until months after the first crack has occurred. At the groundwater measuring points, the pH, electrical conductivity, temperature, oxygen and other parameters should also be checked once a year, which would also disregard a time delay between leakage and leakage detection.

Ein Monitoringsystem, welches in definierten Zeitintervallen die Behälter automatisch überprüfen könnte, würde den Aufwand für die Sichtprüfungen durch einen Sachverständigen (inklusive Leerung der Behälter, Kosten für Sachverständigen, etc.) wesentlich verringern und eine höhere Sicherheit bzw. eine frühestmögliche Leckageerkennung gewährleisten können.A monitoring system, which could automatically check the containers at defined time intervals, would significantly reduce the cost of visual inspection by an expert (including emptying the containers, costs for experts, etc.) and ensure a higher level of safety or earliest possible leak detection.

B. Idee Eg idea

Als alternative Monitoringmethode könnten geoelektrische Verfahren eingesetzt werden. Die Geoelektrik gilt bereits als bewährtes Verfahren für viele umweltrelevante, geotechnische und ingenieur-geologische Fragestellungen (sinngemäß „ KNÖDEL et al. 2005 ”). Das Messprinzip besteht darin, dass zwischen zwei (Strom-)Elektroden (A und B) ein Strom induziert und die Potenzialdifferenz zwischen zwei weiteren (Potenzial-)Elektroden (M und N) gemessen wird (vgl. ). Aus dem Verhältnis von Spannung, bzw. Potenzialdifferenz zu induziertem Strom, erhält man schließlich den scheinbaren spezifischen elektrischen Widerstand des Bodenvolumens, zwischen dem die Potenzialdifferenz gemessen wurde. Die Berechnung der spezifischen elektrischen Widerstände (der Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit) erfolgt über entsprechende Auswerteformeln (sinngemäß KNÖDEL et al. 2005 ).As an alternative monitoring method geoelectric methods could be used. Geoelectrics is already regarded as a proven method for many environmental, geotechnical and engineering-geological questions (analogously to " KNÖDEL et al. 2005 "). The measuring principle consists of inducing a current between two (current) electrodes (A and B) and measuring the potential difference between two further (potential) electrodes (M and N) (cf. ). From the ratio of voltage or potential difference to induced current, one finally obtains the apparent electrical resistivity of the soil volume, between which the potential difference was measured. The calculation of the specific electrical resistances (the reciprocal of the electrical conductivity) takes place via corresponding evaluation formulas (analogously KNÖDEL et al. 2005 ).

Der spezifische elektrische Widerstand eines Bodens hängt von verschiedenen Parametern, u. a. Porosität, Wassergehalt, chemische Zusammensetzung (wie z. B. auch Salinität oder Kationenaustauschkapazität), Temperatur, Korngrößenverteilung, -orientierung und -form, ab (laut Friedman 2005 ). Wassergehalt, Temperatur und chemische Zusammensetzung/Salinität gelten dabei als stärkste Einflussfaktoren.The specific electrical resistance of a soil depends on various parameters, including porosity, water content, chemical composition (such as salinity or cation exchange capacity), temperature, grain size distribution, orientation and shape (see Friedman 2005 ). Water content, temperature and chemical composition / salinity are the strongest influencing factors.

In Tabelle 1 sind Beispiele der spezifischen elektrischen Widerstandswerte einiger Bodenmaterialien und Gewässerarten dargestellt. Die großen Unterschiede der Widerstandswerte zwischen dem trockenen und dem gesättigten Zustand verdeutlichen sehr stark den Einfluss des Wassergehaltes, während der Unterschied zwischen den Widerstandswerten der Gewässerarten den starken Einfluss der Salinität, bzw. auch der chemischen Zusammensetzung beschreibt.Table 1 shows examples of the resistivity values of some soil materials and water types. The large differences in the resistance values between the dry and the saturated state show very strongly the influence of the water content, while the difference between the resistance values of the water types describes the strong influence of the salinity, or the chemical composition.

Die chemische Zusammensetzung des Bodens spielt in der Landwirtschaft eine bedeutende Rolle, dementsprechend wurden geoelektrische Verfahren bereits vielfach zur Bewertung der landwirtschaftlichen Flächen eingesetzt (vgl. „ CORVIN und LESCH, 2005 ”).The chemical composition of the soil plays an important role in agriculture, accordingly geoelectric methods have already been widely used for the evaluation of agricultural land (see " CORVIN and LESCH, 2005 ").

Kennt man die Bodenzusammensetzung, bzw. führt man eine Referenzmessung durch, kann man die Veränderung eines ausgewählten Bodenparameters über eine Zeitspanne beobachten, wenn die weiteren Einflussparameter konstant bleiben. Da sich die generellen Bodenparameter, wie Lagerung oder Bodenart (Kornverteilung); im Untergrund bei ungestörten Bedingungen über längere Zeit nicht wesentlich verändern, kann man davon ausgehen, dass potentielle Änderungen des spezifischen elektrischen Widerstandes eines Bodenvolumens durch Veränderungen des Wassergehaltes; oder der Salinität; bzw. durch die chemischen Zusammensetzung bedingt werden. Dementsprechend wurde Geoelektrik bereits vielfach erfolgreich zum Monitoring der Ausbreitung von Grundwasser, oder auch der Ausbreitung von (Salz-)Tracern im Untergrund eingesetzt.If one knows the soil composition, or if one carries out a reference measurement, one can observe the change of a selected soil parameter over a period of time, if the other influencing parameters remain constant. Since the general soil parameters, such as storage or soil type (grain distribution); in the subsurface in undisturbed conditions over a long period does not change significantly, it can be assumed that potential changes in the electrical resistivity of a soil volume by changes in water content; or salinity; or due to the chemical composition. Accordingly, geoelectrics has already been used successfully for monitoring the propagation of groundwater or the propagation of (salt) tracers in the subsurface.

Die Widerstandswerte z. B. von Gülle, Jauche, Silagesickersäften, Gärsubstraten und Gärresten müssten aufgrund ihrer Zusammensetzung den Widerstandswerten von Salzlaugen entsprechen (vgl. Tab. 1) und heben sich von den typischen Werten für Bodenarten besonders ab. Die Geoelektrik bietet somit hohes Potential zur Überprüfung der Dichtheit von JGS-Anlagen, bzw. auch zur Errichtung eines automatisierten Monitoringsystems. Ein plötzlicher Austritt der gelagerten, stark salzhaltigen Flüssigkeit an einer kleinen Leckage einer Anlage (an einer Behälterwand oder der Bodenplatte) würde den elektrischen Widerstandswert gegenüber den bisher erfassten Werten für das gegebene Bodenvolumen abrupt stark erniedrigen und somit auch auf eine Leckage schließen lassen.The resistance values z. Due to their composition, for example, liquid manure, manure, silage seepage, fermentation substrates and fermentation residues would have to correspond to the resistance values of brines (see Table 1) and stand out from the typical values for soil types. The geoelectrics thus offers high potential for checking the tightness of JGS systems, and also for the construction of an automated monitoring system. A sudden escape of the stored, highly saline liquid at a small leakage of a plant (on a container wall or the bottom plate) would abruptly decrease the electrical resistance value compared to the previously recorded values for the given soil volume and thus also suggest a leakage.

Idee ist es, statt der möglichen typischen Grundwassermessstellen (eine im Anstrom, eine im Abstrom) mit den jährlichen Messungen Elektrodenketten um den Behälter zu installieren und ein automatisiertes geoelektrisches Monitoring einzurichten (vgl. ). Für die Elektrodenketten können mehradrige Kabel genutzt werden, wobei an den jeweiligen Adern Elektroden in entsprechender Tiefe als Strom-, bzw. Potentialelektrode genutzt werden. Zur Verstärkung, und um eine gleichmäßige Ankopplung an den Boden herzustellen, können die abisolierten Bereiche der Adern in den jeweiligen Höhen mit kleinen Drahtnetzen verstärkt und um den Außendurchmesser des Rohres gewunden werden, oder aber auch an außen, um das Rohr angebrachte Edelstahlringe gekoppelt werden. Verschiedene Bauweisen werden mit Anmeldung des Gebrauchsmusters erprobt. Die Einschätzung der Lage eines Lecks ermöglicht die Anordnung der verschiedenen Elektroden sowie die spezifischen Elektrodenkonfigurationen.The idea is to install electrode chains around the vessel instead of the possible typical groundwater measuring points (one upstream, one downstream) with the annual measurements and to set up automated geoelectric monitoring (cf. ). Multicore cables can be used for the electrode chains, with electrodes of appropriate depth being used as the current or potential electrode on the respective cores. To reinforce, and to produce a uniform connection to the ground, the stripped portions of the wires can be reinforced in the respective heights with small wire nets and wound around the outer diameter of the pipe, or also be coupled to the outside, around the pipe mounted stainless steel rings. Various construction methods are tested with application of the utility model. The estimation of the location of a leak enables the arrangement of the various electrodes as well as the specific electrode configurations.

C. Durchführung der MessungC. Carrying out the measurement

Die Messung erfolgt durch geoelektrische Messgeräte oder computergesteuerte geoelektrische Messgeräte, durch den die verschiedenen Elektroden als Stromelektroden und ebenso individuell die Potentialelektroden zur spezifischen Widerstandsmessung des entsprechenden Bodenvolumens angesteuert werden können. Je nach Abstand der Potentialelektroden können dementsprechend genaue Aussagen zur Lage einer möglichen Leckage gemacht werden.The measurement is carried out by geoelectric measuring devices or computer-controlled geoelectric measuring devices, through which the various electrodes as current electrodes and also individually the Potential electrodes for specific resistance measurement of the corresponding soil volume can be controlled. Depending on the distance between the potential electrodes, it is thus possible to make precise statements about the position of a possible leak.

Als Messapparaturen kommen verschiedene Geräte, wie z. B. RESECS II (geoserve) oder GeoTom (Geolog2000) in Frage. RESECS II erlaubt beispielsweise eine Anbindung mehrerer 100 Messpunkte (Elektrodenanbindungen) mit einem/einer Multi-Channel-Advise/Mehr-Kanal-Anwendung. Je nach Größe der Anlage und verwendeter Elektrodenzahl können verschiedenste Bodeneinheiten/Raumeinheiten im Untergrund auf Änderungen des spezifischen Widerstandswertes überprüft werden, was eine genaue Leckageortung zulässt.As measuring apparatuses come various devices, such. B. RESECS II (geoserve) or GeoTom (Geolog2000) in question. For example, RESECS II allows the connection of several 100 measuring points (electrode connections) with one / multi-channel advice / multi-channel application. Depending on the size of the system and the number of electrodes used, a wide variety of ground units / units in the underground can be checked for changes in the specific resistance value, which allows accurate leak detection.

Mit dem vorliegenden Papier soll daher ein automatisches Überwachungssystem zur Überwachung von JGS-Lageranlagen/Biogasbehältern mit Hilfe der Geoelektrik als Gebrauchsmuster geschützt werden.The purpose of the present paper is therefore to protect an automatic monitoring system for monitoring JGS storage facilities / biogas tanks using geoelectrics as a utility model.

D. Vorteile des ÜberwachungssystemsD. Benefits of the surveillance system

  • – Keine Sichtprüfung nötig.- No visual inspection necessary.
  • – Kontinuierliche Überwachung.- Continuous monitoring.
  • – Automatisierte Prüfung nach individuellen Vorstellungen und Intervallen, auch über Fernsteuerung möglich.- Automated testing according to individual ideas and intervals, also possible via remote control.
  • – Überprüfung der Methode mit Leitfähigkeitssonde möglich, da elektrischer Widerstand dem Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit entspricht.- Verification of the method with conductivity probe possible because electrical resistance corresponds to the reciprocal of the electrical conductivity.
  • – Verschiedene integrale Messungen möglich (entgegen der punktuellen Messungen mit einer Leitfähigkeitssonde in der Grundwassermessstelle). Dadurch Ortung der Leckage möglich.- Different integral measurements possible (contrary to punctual measurements with a conductivity probe in the groundwater measuring point). This allows location of the leakage possible.
  • – Möglichkeit zur räumlichen Überwachung- Possibility for spatial surveillance
  • – Durch verschiedene Messanordnungen ist eine Bestimmung der Lage der Leckage möglich.- By different measuring arrangements, a determination of the position of the leakage is possible.

III. QuellenverzeichnisIII. References

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IV. TabellenIV. Tables

Tabelle 1: Beispiele für spezifische elektrische Widerstandswerte verschiedener Bodenmaterialien und wässriger Substanzen. Material Elektrischer Widerstand [Qm] Elektrische Leitfähigkeit [S/m] Quelle Kies (trocken) > 10.000 (trocken) 0,001 Knödel et al., 2005 Kies (wassergesättigt) > 50 0,02 Sand (trocken) > 10.000 (trocken) 0,001 Sand (wassergesättigt) > 50 0,02 Schluff 20–50 0,02–0,05 Geschiebemergel 30–70 0,014–0,033 Lößlehm 30–100 0,01–0,033 Ton (erdfeucht) 3–30 0,033–0,333 Ton (trocken) > 1000 < 0,001 Torf, Humus, Schlick 15–25 0,04–0,066 Kalkstein (klüftig, feucht) 100 0,01 Kalkstein (kompakt) 100.000 0,00001 Magmatite, Metamorphite (verwittert, feucht) 150 0,007 Magmatite, Metamorphite (kompakt) > 1.000.000 < 0,000001 Destilliertes Wasser > 1.000 < 0,0001 Natürliche Wässer 10–300 0,003–0,1 Meerwasser (35‰) 0,25 4 Salzlaugen < 0,1 > 10 Schweinegülle 0,514 1,946 Rufete et al., 2006 Schweinemastdünger 1,852–2,63 0,38–0,54 Eghball, 2002 Table 1: Examples of specific electrical resistance values of various soil materials and aqueous substances. material Electrical resistance [Qm] Electrical conductivity [S / m] source Gravel (dry) > 10,000 (dry) 0.001 Knödel et al., 2005 Gravel (water saturated) > 50 0.02 Sand (dry) > 10,000 (dry) 0.001 Sand (water-saturated) > 50 0.02 silt 20-50 0.02-0.05 boulder clay 30-70 0.014 to 0.033 loess 30-100 0.01 to 0.033 Clay (earth moist) 3-30 0.033 to 0.333 Clay (dry) > 1000 <0.001 Peat, humus, silt 15-25 0.04 to 0.066 Limestone (cleft, moist) 100 0.01 Limestone (compact) 100000 0.00001 Magmatite, Metamorphite (weathered, moist) 150 0,007 Magmatite, Metamorphite (compact) > 1,000,000 <0.000001 Distilled water > 1,000 <0.0001 Natural waters 10-300 0.003 to 0.1 Seawater (35 ‰) 0.25 4 brines <0.1 > 10 pig manure 0.514 1,946 Rufete et al., 2006 pig manure 1.852 to 2.63 0.38 to 0.54 Eghball, 2002

V. AusführungsbeispielV. Embodiment

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung des Überwachungssystems und automatisierten Überwachungssystems wird anhand der bis erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention of the monitoring system and automated monitoring system will be described with reference to to explained. Show it:

A. Abb. 1A. Fig. 1

In das Gelände wird ein Strom (I) eingespeißt und zwischen den Elektroden (4) die Potentialdifferenz (U) gemessen. Gemäß dem Ohmschen Gesetz erhält man durch das Verhältnis U zu I den Widerstand R. Aufgrund der verschiedenen Einflussparameter auf den Boden, wie chemische Zusammensetzung, Wassergehalt, Bodenart, etc., misst man hier allerdings den spezifischen elektrischen Widerstand des Bodenvolumens, zwischen dem die Potenzialdifferenz erfasst wurde. (vgl. auch Knödel et al., 2005; , Seite 129)In the area a current (I) is fed in and between the electrodes ( 4 ) the potential difference (U) is measured. According to Ohm's law, the ratio U to I gives resistance R. Due to the various parameters influencing the soil, such as chemical composition, water content, soil type, etc., the specific electrical resistance of the soil volume is measured here, and the potential difference between them was recorded. (see also Knödel et al., 2005; , Page 129)

B. Abb. 2B. Fig. 2

Beispiel möglicher Anordnungen der Elektrodenketten um eine/einen JGS-Lageranlage/Biogasbehälter in der Draufsicht.Example of possible arrangements of the electrode chains around a JGS storage facility / biogas tank in plan view.

C. Abb. 3C. Fig. 3

Beispiel möglicher Anordnungen der Elektrodenketten um eine eine/einen JGS-Lageranlage/Biogasbehälter in der Seitenansicht.Example of possible arrangements of the electrode chains around a JGS storage facility / biogas tank in the side view.

D. Abb. 4 D. Fig. 4

Beispiel möglicher Anordnungen der Elektrodenketten um ein Erdbecken in der Draufsicht.Example of possible arrangements of electrode chains around a ground basin in plan view.

E. Abb. 5E. Fig. 5

Beispiel möglicher Anordnungen der Elektrodenketten um ein Erdbecken in der Seitenansicht.Example of possible arrangements of the electrode chains around a ground basin in the side view.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Stromquelle (I)Current source (I)
22
Messgerät für Potentialdifferenz (U)Measuring device for potential difference (U)
33
Elektrode A zur Einspeisung eines niederfrequenten Wechsel- oder Gleichstroms in den UntergrundElectrode A for feeding a low-frequency alternating or direct current into the underground
44
Elektrode B zur Einspeisung eines niederfrequenten Wechsel- oder Gleichstroms in den UntergrundElectrode B for feeding a low-frequency alternating or direct current into the underground
55
Messelektrode MMeasuring electrode M
66
Messelektrode NMeasuring electrode N
77
Erdoberflächeearth's surface
88th
Stromliniestreamline
99
Behälterinnenraum (bei der Messung befüllt)Container interior (filled during the measurement)
1010
MesselektrodenketteMeasuring electrodes chain
1111
Zentralelektrodecentral electrode
1212
Verbindungskabel einer MesselektrodenketteConnecting cable of a measuring electrode chain
1313
Einzelne Elektrode einer MesselektrodenketteSingle electrode of a measuring electrode chain
1414
Verbindungskabel ZentralelektrodeConnecting cable central electrode
1515
Behälterwandcontainer wall
1616
Dichtungsbahngeomembrane

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (2)

Überwachungssystem für oberirdische, erdeingelassene und unterirdische Behälter, Güllekeller, Güllewannen, Güllekanäle und Erdbecken zur Lagerung von Jauche, Gülle und Silagesickersäften sowie für Behälter von Biogasanlagen, die mit allgemein wassergefährdenden Stoffen wie Gärsubstraten und Gärresten oder wassergefährdenden Stoffen befüllt sind dadurch gekennzeichnet, dass durch die Installation elektrischer Messsonden (Elektroden), die um und unter die Behälter verteilt im Boden eingebracht werden, ggf. in Kombination mit einer Innenelektrode, die in die Flüssigkeit im Behälter eingetaucht ist, ein geoelektrisches Monitoring zur Leckageerkennung durchgeführt werden kann.Monitoring system for above ground, earthed and underground containers, manure basins, slurry tanks, manure channels and basins for storage of liquid manure, manure and silage and juices as well as containers of biogas plants that are filled with generally water pollutants such as fermentation substrates and digestate or water pollutants characterized in that Installation of electrical measuring probes (electrodes), which are placed around and under the containers distributed in the ground, if necessary in combination with an inner electrode, which is immersed in the liquid in the container, a geoelectric monitoring for leakage detection can be performed. Automatisiertes Überwachungssystem zur Überwachung von oberirdischen, erdeingelassenen und unterirdischen Behälter, Güllekeller, Güllewannen, Güllekanäle und Erdbecken zur Lagerung von Jauche, Gülle und Silagesickersäften und für Behälter von Biogasanlagen die mit allgemein wassergefährdenden Stoffen wie Gärsubstraten und Gärresten oder wassergefährdenden Stoffen befüllt sind dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch einen Computer/Messgerät erfolgt, durch den die verschiedenen Elektroden individuell als Stromelektroden bzw. als Potentialelektroden zur spezifischen Widerstandsmessung des entsprechenden Bodenvolumens angesteuert werden können. Je nach Abstand der Elektroden können dementsprechend genaue Aussagen zur Lage einer möglichen Leckage gemacht werden.Automated monitoring system for monitoring above-ground, earth total annealed and underground container, manure pit, slurry trays, slurry channels and ground basin for the storage of liquid manure and silage and for containers of biogas plants which are filled with a generally water-polluting substances such as fermentation substrates and fermentation residues or water-polluting substances characterized in that the measurement is carried out by a computer / measuring device, by means of which the various electrodes can be controlled individually as current electrodes or as potential electrodes for the specific resistance measurement of the corresponding floor volume. Depending on the distance between the electrodes, it is thus possible to make precise statements about the position of a possible leak.
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