DE4217263A1 - Verfahren zum Ziehen von Bodenporengasproben und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Ziehen von Bodenporengasproben und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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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
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 (14)
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.
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