DE4217263A1

DE4217263A1 - Verfahren zum Ziehen von Bodenporengasproben und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4217263A1
Application number: DE4217263A
Authority: DE
Inventors: Rainer Seppelt
Original assignee: UMWELT CONTROL LUENEN GmbH
Current assignee: Seppelt Rainer 48161 Muenster De
Priority date: 1992-05-25
Filing date: 1992-05-25
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2012-05-26
Also published as: DE4217263C2

Description

Verfahren zum Ziehen von Bodenporengasproben und Vorrich tung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen von Boden porengasproben mittels einer in den Boden eingeführten Sonde, durch die das Gas unter Luftabschluß mittels einer Pumpe abgesaugt und in einen Probenbehälter überführt wird und Vorrichtungen zur Durchführung solcher Verfahren.

Bodenporengasuntersuchungen sind dann von Interesse, wenn es darum geht Gelände zu erkunden, bei denen Kontamina tionen durch leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe oder durch andere leichtflüchtige aromatische Kohlenwasser stoffe erfolgt sind. Entsprechendes gilt für die Unter suchung von Aufschüttungen und Deponiekörpern. Schadstoffe werden in Bodenporengasproben durch geeignete gaschromato graphische Verfahren bestimmt. Zum einen kann die Probe nahme durch Direktentnahme erfolgen, das heißt Absaugen von Gas und Abfüllen in Behälter, zum anderen durch Sorption auf entsprechende Sorbentien. Die Sorbtion auf ein Sorbens hat den Vorteil, daß aufgrund des groben Gasvolumens, das durch das Sorbens geleitet wird, entsprechend niedrigere Nachweisgrenzen bei der Analyse erreicht werden.

Die Zusammensetzung des Bodenporengases wird durch biolo gische Vorgänge, die im Porenraum ablaufen beeinflußt und weicht daher je nach Art und Ausmaß dieser Vorgänge mehr oder weniger stark von derjenigen der atmosphärischen Luft ab. Die Abweichungen in der Zusammensetzung bestehen aus einer Abnahme des O₂-Anteils und einer Zunahme des CO₂- Anteils. Bei Ablauf anaerober biologischer Abbauvorgänge werden außerdem Methan und Schwefelwasserstoff gebildet. Der Sauerstoffgehalt in der Bodenluft ist oft geringer als in der Atmosphäre, weil die bei Lebensvorgängen aller Art im Boden verbrauchte O₂-Menge nur relativ langsam aus der atmosphärischen Luft ersetzt wird. Der Sauerstoffgehalt ist daher in der Bodenluft um so geringer, je intensiver das Wurzelwachstum und die Lebenstätigkeit des Edaphons ist. Er ist deshalb tiefer im Boden geringer als nahe der Boden oberfläche, in feinkörnigen Böden geringer als in grob körnigen, in feuchten Böden geringer als in trockenen, in Jahreszeiten lebhafter biologischer Aktivität geringer als in Jahreszeiten träger biologischer Aktivität. Die Zufuhr von molekularem Sauerstoff zur Bodenluft erfolgt aus schließlich aus der atmosphärischen Luft und daher durch die Bodenoberfläche. Der CO₂-Gehalt des Bodenporengases in Böden ist in der Regel höher als in der Atmosphäre, weil CO₂ bei der Atmung der Wurzeln und des Edaphons erzeugt wird. Es ist daher in tieferen Schichten der Böden höher als nahe der Bodenoberfläche, bei feinkörnigen Böden höher als bei grobkörnigen, bei nassen Böden höher als bei trockenen, in Jahreszeiten mit lebhafter biologischer Akti vität im Boden höher als in Jahreszeiten mit trägem Boden leben. Wenn der molekulare Sauerstoff im Boden durch biolo gische Vorgänge vollständig auf gebraucht ist, die Lebens tätigkeit anaerobischer Organismen aber weitergeht, ent stehen beim Abbau organischer Verbindungen noch einige andere Gase, vor allem CH₄ und H₂S. Die dabei ablaufenden Vorgänge treten bei Wassersättigung besonders stark in Erscheinung und sind daher bei semiterrestrischen bzw. hydromorphen vor allem bei subhydrischen Böden am stärksten ausgeprägt. Sie führen ebenfalls zur Bildung von CO₂, doch entstehen daneben als Zwischenstufen auch niedermolekulare organische wenig flüchtiger Verbindungen, wie Essig, Milch, Buttersäure, die erst in weiteren Schritten unter Methan bildung abgebaut werden. Daneben entstehen geringe Mengen an H₂S.

Der Erfinder hat sich in Zusammenhang mit der Probenahme von Bodenporengas die Aufgabe gestellt, sicherzustellen, daß die gezogenen Proben die tatsächliche qualitative und quantitative Zusammensetzung des Bodenporengases im Ent nahmebereich unverfälscht repräsentieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß die Anlage zur Probenahme vor dem Ziehen der eigentlichen Probe zunächst einer kontrollierten Spülung unterzogen wird, die solange fortgesetzt wird, bis eine Bestandteil der Anlage bildende Meßstation eine Konstanz des Gleichge wichts zwischen charakteristischen Bestandteilen des Boden porengases anzeigt, die ein Indiz dafür ist, daß in der An lage von Fremdeinflüssen, insbesondere Umweltluft, freies Bodenporengas ansteht, das anschließend in Probenbehälter, insbesondere in ein Sorbens für die jeweilige Gaskom ponente enthaltendes Probenröhrchen abgesaugt wird.

Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahrensweise erge ben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 9. Die Unteran sprüche 10 bis 14 heben ab auf erfindungsspezifische Kon struktionsmerkmale von Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Sonde mit auswechsel barer Seele eleminiert Verfälschungen durch Rückstände in der Sonde aus vorausgehenden Probenahmen.

In der Zeichnung ist die Erfindung weitergehend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein die Verfahrensweise verdeut lichendes Fließschema,

Fig. 2 eine im Zusammenhang mit dem Verfah ren zum Einsatz kommende Sonde.

Die in Fig. 1 in schematischer Weise dargestellte, im Sinne des Pfeiles A in dem Boden B, etwa eine Deponieschüt tung oder kontaminierten Untergrund, eingeführte Sonde ist mit 11 bezeichnet. Von der Sonde 11 führt eine Leitung 121, 123 zur Füllstation 13 mit dem zweckmäßigerweise einstell baren Probenröhrchenhalter 131, 131′, dem über die Sonde 11 abgesaugtes Gas aufnehmende Probenröhrchen 132 zur Probe nahme zugeordnet werden (Doppelpfeil C in Fig. 1).

In die Leitung 121 ist ein Absperrorgan 14 eingefügt. Vor der Füllstation 13 mündet die Leitung 121 in den Anschluß 1 eines Umschalthahns 16, an dessen Anschluß 2 eine weitere Zugangsleitung 122 liegt und an dessen Anschluß 3 eine in die Zweigleitung 123′, 123′′ übergehende Leitung 123 liegt. Dieser Umschalthahn 16 nimmt normalerweise die Schaltstel lung 1-3 ein. In der Zweigleitung 123′ liegt die Füll station 13 für die in den Probenröhrchenhalter 131, 131′ einsetzbaren Probenröhrchen 131. Die Zweigleitung 123′′ ist eine Umgehungsleitung. Beide Leitungen 123′ und 123′′ laufen wieder zusammen in den Umschalthahn 17′ an dessen abgangs seitigen Anschluß 3 die weiterführende Leitung 124 liegt. In der Schaltstellung 1-3 des Umschalthahns 17 ist der Leitungszweig 123′ der Leitung 123 mit der Füllstation 13 durchgängig, in der Schaltstellung 1-3 die Umgehungs leitung 123′′. In der weiterführenden Leitung 124 befindet sich eine Förderpumpe 18 und ein Durchflußmengenmesser 19 mit vorgelagerter einstellbarer Drossel 21. Hinter dem Durchflußmengenmesser 19 mündet die Leitung 124 in den Anschluß 1 eines Umschalthahns 22, an dessen Anschluß 3 die über Zweigleitungen 126′, 126′′, 126′′′ zu den Gaskomponen ten-Meßsystemen 126, 126′, 126′′ der Meßstation 26 führende Leitung 126 liegt. An den verbleibenden Anschlüssen 2 und 2′ des Umschalthahns 22 liegt einerseits eine Ableitung 128 und andererseits eine Zuleitung 129. Den von den Zweiglei tungen 126′ und 126′′, 126′′′ beaufschlagten Meßsystemen 26, 26′, 26′′ ist jeweils ein Durchflußmengenmesser 23 mit zuge ordneter einstellbarer Drossel 24 vorgelagert. Von den Meß systemen 26, 26′, 26′′ gehen Ableitungen 127, 127′′, 127′′′ aus. Eine weitere, von der Leitung 126 ausgehende Zweig leitung 126 ^IV geht über einen Durchflußmengenmesser mit ihm vorgelagerter Drossel unmittelbar in eine Ableitung 127 ^IV über.

Bei den Meßsystemen 261, 261′, 261′′ handelt es sich um han delsübliche, auf bestimmte Komponenten bzw. Komponentenge mische des Bodengases ansprechende Sensoren die in Verbin dung mit Rechnern die jeweiligen Volumenprozente ermitteln, die angezeigt werden, im vorliegenden Fall um ein auf CH₄ ansprechendes System 261, ein auf CO₂ ansprechendes System 261′ und ein auf das Gemisch CH₄, O₂ und H₂S ansprechendes System 261′′. Soweit Durchflußmengenmesser mit vorgelagerter einstellbarer Drossel vorgesehen sind, werden diese ju stiert, das heißt auf eine bestimmte Durchflußmenge pro Zeiteinheit eingestellt und im Bedarfsfall, etwa bei ande rer Dichte des abzusaugenden Gases nachjustiert. Die Pro benröhrchen enthalten Sorbentien für die verschiedenen Gas komponenten bzw. Komponentengemische, im speziellen Fall werden bei ein und derselben Untersuchung also drei Proben röhrchen mit unterschiedlichen Sorbentien eingesetzt, wobei ein und dieselbe Untersuchung mehrere Durchläufe umfassen kann.

Zur Prüfung wird zunächst die Sonde 11 in den Boden B ge trieben (Pfeil A in Fig. 1). Anschließend wird ein Proben röhrchen 132 in die Füllstation 13 eingespannt (131, 131′). Sodann wird der Umschalthahn 17 in die Schaltstellung 2-3 überführt und anschließend die Pumpe 18 zugeschaltet. Geht daraufhin die Durchflußmengenanzeige im Durchflußmengenanzeiger 19 nach kurzer Zeit auf Null zurück, ist dies ein Indiz dafür, daß der vorgelagerte Leitungszug dicht ist, insbesondere das Probenröhrchen 132 ordnungsgemäß einge spannt ist. Anschließend erfolgt zunächst einmal die soge nannte Spülung der Meßstation 26. Hierzu wird das Absperr organ 14 geöffnet, der Umschalthahn 22 in die Schaltstel lung 1-3 überführt und die Pumpe 19 wiederum zugeschaltet. Über die Sonde 11 angesaugtes Bodenporengas gelangt dabei unter Umgehung der Füllstation 13, speziell des in die Füllstation 13 eingespannten Probenröhrchens 132, über die Zweigleitungen 126′, 126′′, 126′′′ zu den Meßsystemen 261, 261′, 261′′ der Meßstation 26, die es über die Ableitungen 127′, 127′′, 127′′′ verläßt. Überschüssiges Gas wird über die Zweigleitung 126 ^IV und die Ableitung 127 ^IV abgeleitet. An den Meßsystemen 261, 261′, 261′′ lädt sich mit fort schreitender Spülung etwa eine Abnahme des Sauerstoff gehaltes und eine damit verbundene Zunahme des CO₂-, CH₄- oder H₂S-Gehaltes ablesen. Hat sich zwischen diesen Kompo nenten ein stabiles Gleichgewicht eingestellt, ist dies ein Indiz dafür, daß reines Bodenporengas ansteht. Die Probe nahme kann nunmehr erfolgen. Hierzu wird der Umschalthahn 17 in die Schaltstellung 1-3 überrührt. Das Bodenporengas wird bei abgeworfener Zweigleitung 123′′ nunmehr über die Zweigleitung 123 durch das in den Probenhalter 13 einge spannte Probenröhrchen 132 gesaugt, wobei von dem im Probenröhrchen 132 befindlichen Sorbens die jeweilige Gas komponente aus dem durchströmenden das absorbiert wird. Das das Probenröhrchen 132 verlassende Restgas wird entweder über die Meßstation 26 selbst abgeleitet oder aber bei der Schaltstellung 1-2 des Umschalthahns 22 über die Ableitung 128. Wird das Restgas über die Ableitung 128 abgeführt, kann gleichzeitig ein Spülen der Meßstation 26 durch durch die Zuleitung 129 über die Anschlüsse 2-3 in die Meßstation 26 gelangendes Spülgas, in der Regel Umgebungsluft erfol gen. Hierfür sind den Meßsystemen 261, 261′, 261′′ eigen ständige Pumpen zugeordnet. Eine sich unmittelbar an die Probenahme anschließende erneute Spülung der Meßstation 26 vermittelt eine Aussage darüber, ob das zuvor festgestellte Gleichgewicht zwischen den Komponenten des Bodenporengases nach wie vor vorliegt. Sollte das nicht der Fall sein, ist die vorausgehende Probenahme zu verwerfen.

Sämtliche Verfahrensschritte werden unter Berücksichtigung der jeweiligen Zeitspanne protokolliert, um deckungsgleiche Reproduktionen zu ermöglichen. Als zweckmäßig erweist sich die Steuerung des Verfahrensablaufes, insbesondere im Stadium der Ermittlung des stabilen Gleichgewichts zwischen den Gaskomponenten und im Stadium der Probennahme über einen Timer.

Vorzugsweise werden als Probenbehälter gaskomponentenspezi fische Sorbentien enthaltende Probenröhrchen eingesetzt. Das schließt die gegebenenfalls zusätzliche Abfüllung abge saugten Bodenporengases in Gasbeuteln nicht aus. Hierbei vermittelt die Meßstation bei mengenmäßig vernachlässig barem H₂S unmittelbar die quantitativen Anteile von CO₂, CH₄ und O₂ im abgesaugten Bodenporengas. Aus den ermittel ten Werten lädt sich weitergehend dann auch der Stick stoffanteil aus der Formel

Σ der Gaskomponenten in Vol.% =
Konz.CH₄+Konz.O₂+Konz.CO₂+Konz.N₂

rechnerisch ermitteln. Die Anlage zur Probennahme kann natürlich auch an stationäre Sonden, sogenannte Pegel, angeschlossen werden. Der Anschluß 2 des Umschalthahns 16 eröffnet die Möglichkeit der Spülung auch der Füllstation 13 mit Umgebungsluft.

Eine Sonde 11′ (Fig. 2) mit auswechselbarer, sich zwischen dem Gaseintritt 111 am Fuß der Sonde und dem Anschluß der zur Anlage für die Probenahme führenden Leitung 121 im Bereich des Kopfes der Sonde erstreckender Seele 112, nämlich ein Schlauch aus gasdichtem Material, etwa aus Teflon, die nach jeder Probenahme gewechselt wird, stellt sicher, daß Rückstände aus der vorausgehenden Messung die Meßergebnisse der anschließenden Messung nicht verfälschen. Mit dem vergleichsweise kleinen Querschnitt der auswech selbaren- Seele 112 ist dann auch der Vorteil wesentlich geringeren Totvolumens im Sondenbereich verbunden. Auch die bis zum Probenröhrchenhalter 13 führenden Leitungen 121 und 123 sind zwecks Minderung des sogenannten Memory-Effekts zweckmäßigerweise auswechselbar.

Claims

1. Verfahren zum Ziehen von Bodenporengasproben mittels einer in den Boden eingeführten Sonde, durch die das Gas unter Luftabschluß mittels einer Pumpe abgesaugt und in einen Probenbehälter überführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß über die Sonde zunächst Gas bis zur Einstellung eines stabilen Gleichgewichts zwischen den Komponenten des Gases abgesaugt wird und erst bei erreichtem Gleichgewicht in den Probenbehälter über führt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ermittlung des stabilen Gleichgewichts zwischen den charakteristischen Komponenten des abgesaugten Gases durch parallellaufende Messungen der Komponentenge halte in Teilströmen des abgesaugten Gases und Ver gleich der Meßwerte.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Ermittlung des stabilen Gleichgewichts CH₄-, CO₂-, H₂S-, und O₂-Gehalte in Teilströmen des abgesaugten Gases und Vergleich der Meßwerte.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn zeichnet durch eine Durchflußmengenmessung sowohl im Hauptstrom als auch in den Teilströmen des abgesaugten Gases.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einstellbarkeit der Durchflußmengen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn zeichnet durch eine der Gasabsaugung vorgeschalteten Dichtigkeitsprüfung des Bereichs zwischen Sonde und Probenbehälter.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn zeichnet durch eine an die Probennahme anschließende erneute Überprüfung des abgesaugten Gases auf das Vorliegen stabilen Gleichgewichts der Gaskomponenten.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn zeichnet durch eine timergesteuerte Gasabsaugung ins besondere im Stadium der Ermittlung des stabilen Gleichgewichts zwischen den Gaskomponenten und dem Stadium der Probennahme.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Probenbehälter gaskomponenten spezifische Sorbentien enthaltende Probenröhrchen ver wendet werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 43, gekennzeichnet durch eine der Füllstation nachgeordnete, über eine Umgehungsleitung mit abgesaugtem Bodenprobengas beaufschlagbare Meß station mit einer Mehrzahl von über Zweigleitungen be aufschlagbaren gaskomponentenspezifischem Meßsystemen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl in die die Meßstation beaufschlagende Hauptleitung als auch in die die einzelnen Meßsysteme beaufschlagende Zweigleitungen Durchflußmengenregler eingefügt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Durchflußmengenmessern vorgelagerte einstellbare Drosseln.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekenn zeichnet durch eine in den Boden einführbare Sonde mit einer auswechselbaren, sich zwischen dem Gaseintritt am Fuß der Sonde und dem Anschluß der zur Füllstation führenden Leitung am Kopf der Sonde erstreckende aus wechselbaren Seele.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Seele aus flexiblem Material besteht.