DE4213666C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Migrationsverhaltens von Schadstoffen im Lockergestein sowie deren Verwendung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Migrationsverhaltens von Schadstoffen im Lockergestein sowie deren VerwendungInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist die Erkundung und Bewertung von
Altlasten durch Untersuchung des Migrationsverhaltens von
Schadstoffen in einer wassergesättigten Zone von Erdböden.
Für die Erkundung und Bewertung von Altlasten kommen heute
überwiegend traditionelle, praxisbewährte Verfahren und
Methoden zum Einsatz. Die Ermittlung und Analyse des
Istzustandes einer Kontamination erfolgt mit Hilfe von Bohr-
und Sondierarbeiten, durch Einsatz der Fernerkundung, durch
Sediment-, Wasser- und Bodenluft- Probenahme sowie
anschließender Analyse. Im Ergebnis dieser Untersuchungen
liegt das räumliche Ausmaß und die Intensität der Änderung
des geochemischen Ausgangszustandes vor. Neben der Kenntnis
zur räumlichen Verteilung von Schadstoffen ist es wichtig,
ihr zeitliches Ausbreitungsvermögen zu untersuchen.
Der Anwendung numerischer Meßverfahren sind jedoch Grenzen
gesetzt, die vorrangig darauf beruhen, daß die notwendigen
Informationen zu den komplexen Wechselwirkungsprozessen im
Mehrphasensystem Grundwasser-Lockergestein-Gas-
Schadstoff fehlen.
Der Komplexcharakter dieser Wechselwirkungsprozesse ist auch
die Ursache dafür, daß nur völlig unzureichend
allgemeingültige Gesetzmäßigkeiten zum Migrationsverhalten
vieler Schadstoffe abgeleitet werden können, so daß die
Forderung nach spezifischen Migrationsuntersuchungen immer
aktueller wird.
Eine breite Anwendung haben die bisher bekannten Verfahren
bis zum heutigen Zeitpunkt nicht gefunden. Bei verstärktem
Einsatz von Migrationsbestimmungen zur umfassenderen Bewertung
von Altlasten ist es unbedingt erforderlich, die
standortspezifischen Verhältnisse zu beachten. Hierbei geht es
um die Klärung der inneren und äußeren Faktoren einer
Kontamination. Andererseits müssen Reproduzierbarkeit und
Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleistet werden. Hierfür
fehlen jedoch bis heute entsprechende Verfahren zur
einheitlichen Bestimmung des Migrationsverhaltens.
Zur Klärung problemspezifischer Fragen existieren vielfältige
Vorrichtungen, welche unterschiedliche Konstruktionen
aufweisen und dadurch bedingt auf verschiedenen Prinzipien
beruhen. Verwiesen sei nur auf die Vielzahl von Batch-Anlagen
nach dynamischen oder statistischen Konzepten.
Von BEYER, W., in: Wasserwirtschaft und Wassertechnik (WWT),
(14. Jahrgang), 1964, Heft 6, S. 165-168, wird die Abhängig
keit der Wasserdurchlässigkeit vom Kornaufbau von Kiesen und
Sanden beschrieben. Danach sind vornehmlich Größe und Form der
Porenräume für die Wasserdurchlässigkeit eines Bodens
maßgebend. Danach besteht ein enger Zusammenhang zwischen der
Wasserdurchlässigkeit und der Kornverteilung des Bodens.
Die in KEZDI, A.: Handbuch der Bodenmechanik Band I
Bodenphysik, 1969, VEB Verlag für Bauwesen Berlin (u. a.), S.
119-131, beschriebene Methode beschränkt sich auf die
Ermittlung der Durchlässigkeit einer Erdprobe.
Aus DE 690 21 305 T2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung
bekannt, um insbesondere Gesteine in Abhängigkeit von ihrer
Eignung, Kohlenwasserstoffe zu migrieren, zu klassifizieren.
Der Typ und die Menge des ausgetrieben Produktes wird unter
definierten Druck- und Temperaturbedingungen untersucht.
Diese Methoden und Verfahren sind ungeeignet, das Migrations
verhalten von Schadstoffen in Lockergesteinen zu bestimmen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und
eine zugehörige Vorrichtung zur einheitlichen Bestimmung des
Migrationsverhaltens von Schadstoffen im Lockergestein
vorzuschlagen und damit die aufgezeigten Nachteile des Standes
der Technik zu beseitigen.
Erfindungsgemäß wird das Problem mit den im Kennzeichenteil
der Patentansprüche offenbarten Mitteln gelöst.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der
zugehörigen Vorrichtung besteht in der universellen Verwendung
zur Untersuchung von Speicher-, Abbau- und Umwandlungsprozessen,
mit deren Hilfe Sorptionsisotherme, Gleichgewichtsverteilungs-
Koeffizienten sowie unter Beachtung der erhöhten Dynamik
Retardationsfaktoren bestimmt werden können.
Auch zeichnet sich die Vorrichtung durch einen einfachen
Aufbau aus, wodurch gerätespezifische Meßwertbeeinflussungen
gering gehalten werden. Da diese Vorrichtung weit über die
klassische Batch-Anlage hinausgeht, ist es möglich,
Großsäulen-Experimente durch Vorversuche zu planen. Hierbei
kann z. B. das Auswaschungsverhalten von Sedimenten unter
definierten Bedingungen untersucht werden.
Der spezifische Aufbau der Vorrichtung ermöglicht es,
Bindungsformanalysen für konkrete Schadstoffe am Sediment
durchzuführen.
Die Kationenaustausch-Kapazität kann unter den Bedingungen
bestimmt werden, unter denen auch anschließende Untersuchungen
zur Adsorptions- und Desorptions-Simulation erfolgen.
Die Erfindung soll nachstehend näher erläutert werden. Es
zeigen in den Figuren
Fig. 1: die Vorrichtung
Fig. 2: die Abhängigkeit des Fließverhaltens vom
Druckgradienten für einen feinsandigen
Mittelsand
Die Vorrichtung besteht aus einem Probehalter mit einer
Probezelle 1, in der sich die Erdstoff-Probe 2 befindet.
Die Menge des zu untersuchenden Lockergesteines beträgt ca.
22 g.
An beiden Enden der Probezelle 1 befinden sich Filter 3 mit
einer vorher zu ermittelnden Maschenweite. Weiterhin sind
beidseitig in vertikaler Anordnung Flüssigkeitsvorratsbehälter
4 mit der Probezelle 1 verbunden. Beide Vorratsbehälter 4
stehen über eine Gasaustauschröhre 5 in Kontakt zueinander.
Im Falle der Messung der Leitfähigkeit bei wäßrigen
Flüssigkeiten mit ionischen Schadstoffen befindet sich in
einem der Vorratsbehälter 4 eine Leitfähigkeitselektrode 6.
Die gesamte Vorrichtung befindet sich in einem Wenderahmen,
vorzugsweise befinden sich 10 derartige Vorrichtungen in einem
elektronisch gesteuerten Rahmen.
Nach Durchlauf der Flüssigkeit aus dem oberen Vorratsbehälter 4
in den unteren erfolgt eine vertikale Drehung um 180°.
Das Funktionsprinzip beruht folglich auf der freien
gravitativen Durchströmung der Erdstoff-Probe 2 aus dem
oberen in den unteren Vorratsbehälter 4. Es liegt somit ein
instationäres Fließregime vor, das durch eine
Gasaustauschröhre 5, welche ein geschlossenes System
garantiert, realisiert wird.
Um Randströmungen in der Probezelle 1 zu minimieren, ist deren
Innenfläche aufgerauht bzw. mit ringförmigen Vertiefungen
versehen.
Durch die Verwendung von Filtern 3 mit definierter
Maschenweite erfolgt zusätzlich eine geringe Verdichtung der
Erdstoff- Probe 2 im Kontaktbereich zur Probezelle 1.
In einer Aufsättigungsvorrichtung, die hier nicht näher
dargestellt ist, wird in die trocken eingebaute Erdstoff-
Probe 2 von unten Flüssigkeit eingestaut. Unverdichtete Proben
werden während der Aufsättigung im Gegensatz zur
vorbehandelten zuerst im Randbereich feucht, was als erster
Hinweis auf Randströmungen gewertet werden kann.
Durch das wechselseitige Durchströmen treten in der Erdstoff-
Probe 2 keine hydraulischen Verdichtungen durch Verstopfung
kleiner Poren auf.
Die Leitfähigkeitselektrode 6 dient der Kontrolle der
Einstellung des chemischen Gleichgewichtes zwischen fester und
flüssiger Phase. Bei Verwendung von organischen Lösungsmitteln
und Schadstoffen erfolgt die zeitliche Verfolgung der
Gleichgewichtseinstellung durch entsprechende Analysen.
Neben der Einstellzeit des chemischen Gleichgewichtes ist es
wichtig, die Anzahl der wechselseitigen Probendurchläufe zu
bestimmen. Diese sind abhängig vom Durchlässigkeitsbeiwert kf
der Erdstoff-Probe sowie vom Druckgradienten I.
Die Dauer eines Probendurchlaufes hängt jedoch auch sehr stark
von der Auswahl der Maschenweite der Filter 3 ab. Diese ist
so auszuwählen, daß Staueffekte auch bei kleinen
Druckgradienten, also bei geringem Flüssigkeitsstand über der
Probe, nicht auftreten können. Bei zu großer Maschenweite
kann es zum Ausschwemmen von Partikeln aus der Probe kommen.
Dies erfordert eine Optimierung der Maschenweite. Hierzu wird
separat bei unterschiedlichen Druckgradienten die zugehörige
Fließgeschwindigkeit ermittelt. Zwischen beiden Größen besteht
eine direkte Proportionalität. In Fig. 2 zeigt die Kurve K1
einen idealen Verlauf. Bei Einfluß von Filterstaueffekten tritt
bei kleinen Gradienten eine Abweichung auf. Häufig wird bei zu
feinen Filtern und kleinem Gradient kein Fließgeschehen
(Kurve K2) festgestellt. Die Folge ist, daß während der
Untersuchung Flüssigkeitsreste im oberen Vorratsbehälter
verbleiben, die Durchströmung also unvollständig ist. In
derartigen Fällen ist ein Wechsel des Filters zwingend
erforderlich.
Die Kurve K3 zeigt die Abhängigkeit nach einer Optimierung
der Maschenweite. Deutlich ist zu erkennen, daß das
Fließgeschehen in einer sehr großen Annäherung dem DARCY-
Gesetz folgt. Der Anstieg der Geraden, welcher gleichzeitig
den Durchlässigkeitsbeiwert kf der Erdstoff-Probe darstellt,
nähert sich der idealen Geraden.
Die einzelnen Schritte des Verfahrens zur Bestimmung des
Migrationsverhaltens sind im Kennzeichenteil des 1. Anspruches
beschrieben.
Zur Bestimmung des Verteilungskoeffizienten für eine
Sorptionsuntersuchung wird auf die in der Probezelle
eingebaute Erdstoff-Probe eine Lösung mit definierter
Schadstoff-Konzentration gegeben. Eine Leitfähigkeitselektrode
verfolgt die zeitabhängige Einstellung des Schadstoff-
Gleichgewichtes zwischen fester und flüssiger Phase. Danach
erfolgt die Messung mit einer weiteren Probe und mit einer
Lösung, die eine andere Schadstoff-Konzentration aufweist.
In der nachfolgenden Tabelle ist am Beispiel von K+-Ionen
die unterschiedliche Einstellzeit des Gleichgewichtes in
Abhängigkeit von der Lösungskonzentration dargestellt.
Alle Gleichgewichtskonzentrationen wurden für 10 Stunden
ermittelt.
Um Abhängigkeiten der Schadstoff-Adsorption bzw. -Desorption
ermitteln zu können, ist es erforderlich, Messungen bei
unterschiedlichen Lösungskonzentrationen durchzuführen.
Um vergleichbare und reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten,
werden die petrophysikalischen Parameter Gesamtporosität,
Durchlässigkeitsbeiwert und Einbaufeuchte während der
Vorbereitung und bei der Auswertung für folgende Aufgaben
genutzt:
- 1. Sie sind Grundlage zur Einschätzung der dynamischen Randbedingungen und damit Voraussetzung für die Vergleichbarkeit der 10 Proben.
- 2. Als Orientierungsparameter zur Planung von Großsäulen- Versuche stellen sie Vergleichsparameter zu an anderen Vorrichtungen bestimmten petrophysikalischen Werten dar.
- 3. Mit Hilfe der ermittelten Kenngrößen ist es möglich, das Sorptionsverhalten unterschiedlicher Migranten auf einer fundierten dynamischen Grundlage zu beurteilen.
Aus der Reihenfolge der Verfahrensdurchführung erkennt man,
daß die Erdstoff-Probe nach Ermittlung ihres ursprünglichen
Feuchtegehaltes (Einbaufeuchte) aufgesättigt wird. Diese
Notwendigkeit ergibt sich aus folgender Tatsache:
Untersuchungen für die wassergesättigte Zone eines
Grundwasserleiters erfordern auch bei Laboruntersuchungen
naturnahe Versuchsbedingungen. Die Entnahme der Lockergestein-
Probe aus dem Bohrloch bewirkt, daß gravitativ ein Teil des
Grundwassers, besonders jedoch aus den hydraulisch sehr
wirksamen Grobporen, abfließt. Der dadurch bedingte
Wasserverlust ist vor Beginn der Sorptionsuntersuchungen
auszugleichen.
Zur Probenaufsättigung ist grundsätzlich Grundwasser zu
verwenden, das nach Möglichkeit aus der Teufe gewonnen wird,
aus welcher auch die Gesteinsprobe entnommen wurde.
Die Aufsättigung der Probe bietet zudem die Möglichkeit,
neben der Ermittlung der Gesamtporosität, auch eine
Verdrängung von Luft aus der Probe vorzunehmen.
Im Ergebnis der Probenaufsättigung und deren Verdichtung bei
zu großer Porosität liegen für alle zu untersuchenden
Erdstoff-Proben gleiche hydrodynamische und hydrogeochemische
Randbedingungen vor. Dadurch wird gewährleistet, daß alle
Proben gleichschnell durchlaufen werden.
Bei Verwendung von trockenen Proben ist dies nicht
gewährleistet. Während des Infiltrationsvorganges kommt es
beim ersten Kontakt der trockenen Probe mit dem Grundwasser
zur Ausbildung von bevorzugten Sickerbahnen, wobei bis zu 20%
der Probe ungesättigt bleiben können. Unkontrollierbare
Lufteinschlüsse sind die Ursache dafür, daß es zu großen
Schwankungen bei den Durchlaufzeiten kommt.
Da Porositätsmessungen auch Ungenauigkeiten aufweisen, wird
für jede Probe der Durchlässigkeitsbeiwert ermittelt.
Von entscheidender Bedeutung für die Reproduzierbarkeit der
Ergebnisse ist die Auswahl des Wasser-Feststoff-
Verhältnisses (WFV), vorteilhafterweise sind Werte von
2 bis 3 : 1 anzustreben.
Bei Verwendung von organischen Lösungsmitteln ist sinngemäß
zu verfahren.
Auch ist es für objektive Meßergebnisse erforderlich, die
Vorrichtung in einem dunklen, temperierten Raum zu stationieren.
Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglicht es, das
Migrationsverhalten im System Schadstoff-Lockergestein-
Grundwasserleiter auch unter Berücksichtigung der bekannten
Wechselwirkungen zu untersuchen. Auch eignet sich das
Verfahren mit der zugehörigen Vorrichtung dazu, im Rahmen
von Simulationsversuchen hochaktuelle Fragen zum Transport
von Schadstoffen und damit zur räumlich-zeitlichen Prognose
zu beantworten.
Claims (3)
1. Verfahren zur Bestimmung des Migrationsverhaltens von
Schadstoffen im Lockergestein mittels Filtration, gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte
- 1. Ermittlung der Korngrößenverteilung
- 2. Bestimmung der Einbaufeuchte
- 3. Aufsättigung der Erdstoff-Probe und Ermittlung der Gesamtporosität
- 4. Ermittlung der optimalen Siebmaschenweite der Filter
- 5. Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes unter stationären Fließverhältnissen
- 6. Ermittlung des zeitlichen Verlaufes der Einstellung des chemischen Gleichgewichtes bei verschiedenen Migrantenkonzentrationen bei einem Wasser- Feststoff-Verhältnis von 2 bis 3 : 1
- 7. Isothermen-Ermittlung mit finaler Gleichgewichts- Konzentration unter Berücksichtigung der Einbaufeuchte und des Wasser-Feststoff-Verhältnisses.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in
vertikaler Richtung um 180° drehbare Vorrichtung aus einer
eine Erdstoff-Probe (2) aufnehmenden Probezelle (1) mit
beidseitig angeordneten Filtern (3) und Vorratsbehältern (4),
einer Gasaustauschröhre (5) sowie gegebenenfalls einer
Leitfähigkeitselektrode (6) besteht.
3. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach den
Patentansprüchen 1 und 2 zur Untersuchung sowie zur
Simulation von Speicher-, Abbau- und Umwandlungsprozessen
im System Grundwasser-Lockergestein-Gas-Schadstoff.
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