DE3938844A1

DE3938844A1 - Verfahren zur stoffverteilung im grundwasserleiter

Info

Publication number: DE3938844A1
Application number: DE19893938844
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Ing Eichhorn; Lutz Dr Rer Nat Haldenwang; Uwe Dipl Ing Schuster
Original assignee: PROJEKT WASSERWIRTSCHAFT VEB
Priority date: 1988-11-24
Filing date: 1989-11-23
Publication date: 1990-07-26
Also published as: DD292816A7

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stoffverteilung in einem natürlichen oder künstlichen Grundwasserstrom über In filtrationsbrunnen. Die Erfindung ist anwendbar bei der Unter grundwasseraufbereitung, der Grundwassersanierung und der Alt lastensanierung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Untergrundwasseraufbereitung, die Grundwassersanierung und auch die Altlastsanierung gehen davon aus, daß der Stoffeintrag in den Grundwasserleiter vorwiegend über Vertikalfilterbrunnen, sogenannte Infiltrationsbrunnen erfolgt. Infiltrationsbrunnen haben gegenüber den Entnahmebrunnen entscheidend kürzere Nutzungszeiten.

Bei der Nutzung des natürlichen Grundwasserleiters als Festbett reaktors im Sinne eines Mischbettes sind zur Einleitung von Stoffen in den Untergrund zwei technologische Möglichkeiten be kannt. Der Stoffeintrag kann entweder kontinuierlich oder dis kontinuierlich erfolgen.

Voraussetzung für beide Infiltrationstechnologien ist, daß sich der in den Untergrund einzutragende Stoff im Wasser löst und so als Fluid infiltriert werden kann. Die Verteilung des Stoffes im Grundwasserleiter geht stets von der Gestalt der Infiltra tionszone aus und erfolgt auschließlich auf der Basis der hydro dynamischen Dispersion, die bei der natürlichen Konvektion des Grundwassers entsteht. Dabei ist bekannt, daß die longitudinale hydrodynamische Dispersion ein Vielfaches des horizontal-trans versalen Terms ist.

Bei der kontinuierlichen Infiltration bildet das Infiltrat im Untergrund eine langgestreckte Zone. Zwischen Infiltrat und dem natürlichen Grundwasser entstehen Grenzflächen, über die ein Austausch möglich ist. Nachteilig bei dieser Technologie ist, daß die Vermischung zwischen Infiltrat und Grundwasser nur auf sehr langen Fließwegen möglich ist, da hierbei vorwiegend die transversale Dispersion wirksam wird. Nachteilig ist weiterhin, daß kontinuierlich beaufschlagte Infiltrationsbrunnen stark zu irreversibler Kolmation neigen.

Bei der diskontinuierlichen Infiltration bildet das Infiltrat im Untergrund Zonen mit zylindrischer Gestalt. Auch hierbei ist der Austausch nur über die Grenzfläche möglich. Gegenüber der kontinuierlichen Infiltration ist jedoch bei der diskontinuierli chen Infiltration der Austauschprozeß intensiver, da hierbei die longitudinale Dispersion, die an die Konvektion der natürlichen Grundwasserströmung gebunden ist, in den Austauschprozeß einbe zogen werden kann. Nachteilig ist auch bei dieser Technologie die Kolmationsgefahr der Infiltrationselemente, da in der Zeit der Abdrift der Infiltrationszone im Infiltrationselement bio logische Stoffwechselprozesse über Tage, Wochen und unter Um ständen auch Monate möglich sind.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Senkung der technisch-technologi schen und ökonomischen Aufwendungen für den Bau und Betrieb von Infiltrationsanlagen zum Zwecke des Stoffeintrages in das Grundwasser.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, durch ein spezifisches Infiltra tionsregime über Infiltrationsbrunnen einen oder mehrere Stoffe in den Grundwasserbereich einzutragen und diesen mit dem natür lichen Grundwasser schnell und gleichmäßig so zu mischen, daß nach einem Fließweg von maximal 100 m bereits eine homogene Mischung sicher erreicht ist. Das Verfahren soll gestatten, über Vertikalfilterbrunnen dauerhaft wäßrige Lösungen in den grundwassergesättigten Bereich des Untergrundes so zu infil trieren, daß die Stoffverteilung primär durch Konvektion und nur sekundär durch die Dispersion erfolgt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Infil tration in zwei Phasen erfolgt. Die erste Infiltrationsphase stellt den eigentlichen Stoffeintrag dar, wobei der Stoff als wäßrige Lösung die eine ungesättigte echte Lösung, eine gesät tigte echte Lösung, eine Suspension oder auch eine Emulsion sein kann bzw. als flüssiger Stoff infiltriert wird. Werden mehrere Stoffe in den Untergrund infiltriert, wird die erste Infiltration entsprechend unterteilt und die unterschied lichen Stoffe nacheinander eingeleitet. Werden mehrere Stoffe eingeleitet, die in wäßriger Lösung keine spontane Reaktion ein gehen, ist ebenso die gleichzeitige Infiltration von Stoffen in der Phase 1 möglich.

Im Ergebnis der ersten Infiltrationsrate entsteht um den Infil trationsbrunnen ein Raum, dessen geometrische Form etwa einem Zylinder entspricht. In der zweiten Infiltrationsphase, die sich an die erste direkt anschließt, wird nunmehr unbehandeltes Grund wasser infiltriert, und zwar in einem solchen Maße, daß das Zweitinfiltrat das Doppelte bis das 10 000fache des Erstinfiltrats erreicht. Das Zweitinfiltrat verdrängt dabei das Erstinfiltrat, es kommt zu einer Kolbenverdrängung. Im Ergebnis der Infiltration entspricht jetzt der Raum, den das Erstinfiltrat einnimmt, einem Hohlzylinder, dessen Grenzflächen bei der Konvektion des Zweit infiltrates in gewissen Bereichen bereits aufgelöst sind (Effek te der longitudinalen Dispersion der rotationssymmetrischen Ab strömung bei der Infiltration). Die Abmessungen des Hohlzylinders sind durch das Verhältnis Erstinfiltrat zu Zweitinfiltrat quasi unbegrenzt regelbar. Mit einer solchen lnfiltrationstechnologie wird eine primäre Stoffverteilung an die schnelle Konvektion der Abströmung gekoppelt. Der primäre Stofftransport in das Brunnen umfeld erfolgt dabei mit Geschwindigkeiten, die sehr viel größer als natürliche Fließgeschwindigkeiten sind.

Nach Abschluß der lnfiltration unterliegt der Hohlzylinder des Erstinfiltrats der Drift des natürlichen Grundwassers und wird durch die Dispersion der Grundwasserströmung aufgelöst. Unter den erreichten Arbeitsbedingungen können für diesen Mischprozeß jetzt vorwiegend die erhöhten longitudinalen Effekte genutzt werden.

Die homogene Vermischung der beiden Infiltrationswässer mit dem natürlichen Grundwasser ist damit auf sehr kurze Entfernung mög lich.

Mit der Infiltration des Zweitinfiltrats kann gesichert werden, daß die Poren im Umfeld des Infiltrationsbrunnens vom Erstinfil trat gereinigt sind. Auch in der stagnierenden flüssigen Phase ist durch Rückdiffusion das Erstinfiltrat in das Zweitinfiltrat soweit verdünnt, daß biologische Stoffwechselprozesse ausge schlossen bzw. auf ein Minimum eingeschränkt sind. Unterstützt wird der Effekt der biologischen Inaktivität im brunnennahen Raum dadurch, daß bei den beschriebenen Regimen die Infiltrationsintervalle extrem groß gewählt werden können (z. B. 2 bis 6 Monate), so daß durch Nährstofflimitation eine Produktion von Biomasse dauerhaft ausgeschlossen werden kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert werden.

Fig. 1 Schema der Zwei-Phasen-Infiltration

Ein Grundwasserleiter besitzt folgende hydrogeologische Parame ter:

- Grundwasserleitermächtigkeit 10 m,
- nutzbare Porosität 20%
- natürliche Fließgeschwindigkeit 1 m/d.

Das Grundwasser 2 ist durch eine Nitratkonzentration von 130 mg/l gekennzeichnet.

Um das Grundwasser als Trinkwasser zu verwenden, soll der Nitrat gehalt im Grundwasser noch vor der Rohwassergewinnung auf 15 mg/l abgebaut werden.

Die Nitratreduzierung von 115 mg/l soll durch mikrobielle Stoff wandlung erreicht werden. Um diese Prozesse zu unterhalten, ist dem Grundwasser dauerhaft ein Nährstoff, im Beispiel Ethanol, zu zugegeben und gleichmäßig im Grundwasser zu verteilen. Die Zugabe des Ethanols über die Infiltrationsbrunnen erfolgt monatlich ein mal.

Als Strömungsfeld wird eine Stromröhre von 30 m Breite betrach tet. In der Stromröhre befinden sich ein Infiltrationsbrunnen 1 und ein Entnahmebrunnen 5 in einem Abstand von 200 m. Die Menge des Grundwassers, die diese Stromröhre monatlich passiert, er reicht eine Größe von
Q = A×v = 30 m×10 m×30 m/Monat
Q = 9000 m³/Monat.

Die Menge an abzubauendem Nitrat beträgt folglich
C = 9000 m³×115 g/m
C = 1035 kg NO₃.

Unter der Annahme eines C : NO₃-Verbrauchs von 0,25 müssen dafür 630 l Ethanol über den Infiltrationsbrunnen 1 eingetragen werden. Das Ethanol wird auf eine 20%ige Lösung verdünnt.

Die Infiltrationsmenge beträgt damit Q = 3,15 m³.

In der ersten Infiltrationsphase erfolgt der Eintrag der Etha nollösung mit einer Intensität von 10 m³/h, so daß die Phase nach 20 min abgeschlossen ist. Die Infiltrationszone im Grundwasser leiter erreicht einen Durchmesser von

In der zweiten Phase werden 1000 m natürliches Grundwasser infil triert. Bei gleicher Infiltrationsintensität dauert dieser Prozeß ca. 4 Tage. Das Infiltrat wird dabei theoretisch auf einen Hohl zylinder 3 mit den Abmessungen

H = M = 10 m und
D _A= 25,27 m
D _I= 25,23 m

verlagert. Praktisch ergibt sich durch die longitudinale Dis persion in diesem Strömungsprozeß eine Mischzone 4, ebenfalls mit der Form eines Hohlzylinders von etwa

D _A = 27 m
D _I = 24 m

und eine Verdünnung des Infiltrats von ursprünglich 20% auf etwa 2,5‰ in der Mischzone 4.

Durch die Infiltration der 300fachen Menge an natürlichem Grund wasser gilt der brunnennahe Raum als frei von Ethanol. Biologi sche Stoffwechselprozesse leiden in dieser Zone an Nährstoffman gel.

Wird die Mischzone 4 in dieser Form über einen Fließweg von 100 m mit dem natürlichen Grundwasser verschleppt, das entspricht einer Fließzeit von 100 d, kann die Zone infolge der Dispersion der Grundwasserströmung total aufgelöst werden und das Gemisch natür liches Grundwasser/Ethanol gilt als homogen. Bei der Passage des Gemisches über weitere 100 d und 100 m Fließstrecke ist das Ni trat sicher abbaubar.

Claims

1. Verfahren zur Stoffverteilung im Grundwasserleiter, wobei die lnfiltration der Stoffe, wie z.B. Oxydationsmittel, Nährstoffe usw. als wäßrige Lösung zum Zwecke der Auslösung und Unterhal tung von chemischen und biologischen Stoffwandlungsprozessen im Grundwasser über Vertikalfilterbrunnen erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß die Infiltration in einem Zwei-Phasen-Regime er folgt, wobei der zu infiltrierende Stoff nur während der ersten Infiltrationsphase zugegeben wird und dabei das Infiltrat der zweiten Phase mit der 2- bis 10 000fachen Menge der ersten Infil trationsphase eingeleitet wird, wonach der Infiltrationsvorgang abgebrochen und erst nach der Abdrift der stoffangereicherten Zone mit dem natürlichen Grundwasser die Infiltration wiederholt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die wäßrige Lösung der ersten Infiltrationsphase eine ungesättigte echte Lösung, eine gesättigte echte Lösung, eine Suspension oder eine Emulsion ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei der ersten Infiltrationsphase mehrere unterschiedliche Stoffe gleichzeitig oder zeitlich versetzt zugegeben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Infiltrat der zweiten Infiltrationsphase unbehandeltes Grundwas ser ist.