DE4217263C2 - Verfahren zum Ziehen von Bodenporengasproben - Google Patents

Description

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 über eine Saugleitung abgesaugt und nach Einstellung eines stabilen Gleichgewichts zwischen charakteristischen Komponenten des Gases in einen Probenbehälter überführt wird.

Bodenporengasuntersuchungen sind dann von Interesse, wenn es darum geht Gelände zu erkunden, bei welchem Kontamina­ tionen durch leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe oder durch andere leichtflüchtige aromatische Kohlenwasser­ stoffe erfolgt sind. Entsprechendes gilt für die Untersuchung von Aufschüttungen und Deponiekörpern. Schadstoffe werden in gezogenen Bodenporengasproben durch geeignete gaschromatographische Verfahren bestimmt. Zum einen kann die Probenahme 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 großen Gasvolumens, das durch das Sorbens geleitet wird, entsprechend niedrigere Nachweisgrenzen bei der Analyse erreicht werden.

Die Zusammensetzung des Bodenporengases wird durch biologische Vorgänge, die im Porenraum des Bodens 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 in erster Linie 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 aufgebraucht 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 Essigsäure, Milchsäure oder Buttersäure, die erst in weiteren Schritten unter Methan­ bildung abgebaut werden. Daneben entstehen geringe Mengen an H₂S.

Bei einer aus der DE 36 37 952 A1 entnehmbaren Verfahrensweise zur Gewinnung von Bodenporengasproben wird mittels einer an einer Zapfstelle der Sonde ansetzbaren Injektionsspritze eine Gasprobe entnommen, sobald sich im Bereich der Zapfstelle ein CO₂-Maximum ausgebildet hat. Das CO₂-Maximum allein ist im Zusammenhang mit durchzuführenden Bodenuntersuchungen in der überwiegenden Zahl der Fälle jedoch keine Garantie dafür, daß sich im Augenblick der Probennahme an der Zapfstelle Bodenporengas befindet, das dem im zu untersuchenden Untergrund befindlichen Bodenporengas entspricht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem sichergestellt ist, daß die gezogene Probe die tatsächliche qualitative und quantitative Zusammensetzung des Bodenporengases im Untergrund unverfälscht repräsentiert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Festlegung des Zeitpunkts der Probennahme nach Erreichen des sich einstellenden Gleichgewichts zwischen den charakteristischen Komponenten des Bodenporengases stellt sicher, daß die entnommene Probe der Zusammensetzung nach dem Bodenporengas im Untergrund entspricht.

Der DE 41 20 354 A1 ist zwar auch schon die Anregung zu entnehmen, das sogenannte Gasungsgleichgewicht von Bodenporengas als Indikator dafür zu verwenden, daß die Zusammensetzung des zur Analysierung anstehenden Gases der des Bodenporengases im Untergrund tatsächlich entspricht, dies allerdings nur in Zusammenhang mit einer vergleichsweise groben Vorort-Bestimmung.

Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird in der Folge mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert, in der eine Vorrichtung, mit welcher das Verfahren durchgeführt werden kann, schematisch dargestellt ist.

Die in der Figur dargestellte, im Sinne des Pfeiles A in dem Boden B, etwa eine Deponieschüttung oder kontaminierten Untergrund, eingeführte Sonde ist mit 11 bezeichnet. Von der Sonde 11 führt eine Leitung 121, 123 zur Füllstation 13 mit dem zweckmäßigerweise einstellbaren Probenröhrchenhalter 131, 131′, dem über die Sonde 11 abgesaugtes Gas aufnehmende Probenröhrchen 132 zur Probenahme 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 Hauptzweigleitung 123′, 123′′ übergehende Leitung 123 liegt. Dieser Umschalthahn 16 nimmt normalerweise die Schaltstellung 1-3 ein. In der Hauptzweigleitung 123′ liegt die Füllstation 13 für die in den Probenröhrchenhalter 131, 131′ einsetzbaren Probenröhrchen 132. Die andere Hauptzweigleitung 123′ und 123′′ ist eine Umgehungsleitung. Beide Leitungen 123′ und 123′′ laufen wieder zusammen in den Umschalthahn 17′ an dessen abgangsseitigen Anschluß 3 die weiterführende Leitung 124 liegt. In der Schaltstellung 1-3 des Umschalthahns 17 ist die zweite Hauptzweigleitung 123′ mit der Füllstation 13 durchgängig, in der Schaltstellung 2-3 die erste Hauptzweigleitung 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 Gaskomponenten-Meßsystemen 261, 261′, 261′′ 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 261, 261′, 261′′ ist jeweils ein Durchflußmengenmesser 23 mit zuge­ ordneter einstellbarer Drossel 24 vorgelagert. Von den Meß­ systemen 261, 261′, 261′′ 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 (was H₂S betrifft, in Vppm) 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 132 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 am Probenröhrchenhalter 131, 131′ eingespannt. 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 18 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 überführt. Das Bodenporengas wird bei geschlossener erster Hauptzweigleitung 123′′ nunmehr über die zweite Hauptzweigleitung 123′ durch das in den Probenhalter 131, 131′ einge­ spannte Probenröhrchen 132 gesaugt, wobei von dem im Probenröhrchen 132 befindlichen Sorbens die jeweilige Gas­ komponente aus dem durchströmenden Gas adsorbiert 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 132 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.

Claims (7)

1. Verfahren zum Ziehen von Bodenporengasproben mittels einer in den Boden eingeführten Sonde, durch die das Gas unter Luftabschluß mittels einer Pumpe über eine Saugleitung abgesaugt und nach Einstellung eines stabilen Gleichgewichts zwischen charakteristischen Komponenten des Gases in einen Probenbehälter überführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß über eine von der Saugleitung ausgehende erste Hauptzweigleitung abgesaugtes Bodenporengas zunächst einer Meßstation mit einer Mehrzahl von über parallele Zweigleitungen mit Bodenporengas beaufschlagten Meßsystemen für unterschiedliche charakteristische Komponenten des Bodenporengases bis zur Einstellung eines stabilen Gleichgewichts zwischen den unterschiedlichen charakteristischen Komponenten des abgesaugten Bodenporengases zugeführt wird und nach Erreichen eines stabilen Gleichgewichts zwischen den Gaskomponenten des Bodenporengases über eine zweite, von der Saugleitung ausgehende Hauptzweigleitung bei anhaltender Absaugung in den Probenbehälter überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristische Komponenten für die Ermittlung des stabilen Gleichgewichts die CH₄-, CO₂-, H₂S- und O₂-Gehalte des Bodenporengases gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Probennahme eine erneute Überprüfung des abgesaugten Bodenporengases auf das Vorliegen des stabilen Gleichgewichts zwischen den charakteristischen Komponenten des Bodenporengases in der Meßstation erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestimmung der charakteristischen Komponenten eine Dichtigkeitsprüfung des Leitungszugs zwischen Sonde und Probenbehälter mittels einer Durchflußmengenmessung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchflußmengenmessung sowohl für das durch die Hauptzweigleitungen strömende als auch für das durch die Zweigleitungen strömende abgesaugte Bodenporengas erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabsaugung, insbesondere im Stadium der Ermittlung des stabilen Gleichgewichts zwischen den charakteristischen Komponenten des Bodenporengases und dem Stadium der Probennahme, timergesteuert erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Probenbehälter gaskomponentenspezifische Sorbentien enthaltende, in eine in der zweiten Hauptzweigleitung gebildete Aufnahme einfügbare Probenröhrchen verwendet werden.