DE4341016C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von Deponieabdichtungssystemen - Google Patents

Description

Die Abdichtung von Reststoff- und/oder Sonderabfalldeponien soll einen Kontakt der abgelagerten Stoffe mit den umgebenden Umweltkompartimenten Wasser, Boden und Luft langfristig verhindern. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf den unmittelbar vom Menschen genutzten Ressourcen, vor allem auf dem Schutz des Grundwassers.

Beispiele aus der jüngeren Vergangenheit lehren jedoch, daß auch bei Dichtungs­ systemen, die bei der Erstellung dem Stand der Technik entsprachen und entsprechen, ein Austreten von Schadstoffen in die Biosphäre stattfinden kann. Je früher diese Leckage - im Sinne eines punktuellen oder flächigen Versagens der Abdichtung - bzw. die kontinuierliche Penetration einzelner Schadstoffgruppen durch das Abdichtungssystem erkannt werden können, desto günstiger ist eine allfällige Sanierung zu beurteilen.

Erschwerend wirkt in dieser Situation die Verbreitung von Schadstoffen innerhalb des Grundwasserleiters. Befinden sich die Schadstoffe erst innerhalb des Grundwasserleiters, sind Sanierungsmaßnahmen nur noch zeit- und kostenintensiv durchzuführen. Daneben kann eine weitere Verbregung der Schadstoffe, die nicht von der Sanierung erfaßt werden, im Grundwasserleiter stattfinden. Diese Schadstoffe können z. B. die Trinkwasserver­ sorgung gefährden.

Üblicherweise wird die Sicherheit einer Deponiebasisdichtung anhand von bodenmechanischen Standardversuchen nachgewiesen. Zu diesen zählen die bekannten Durchlässigkeitsversuche (DIN 18130 T 1: Bestimmung des Wasser­ durchlässigkeitsbeiwerts, Beuth, Berlin/Köln 1989), aber auch Diffusions- und Ad­ sorptionsversuche, die jedoch bislang nur im Labormaßstab durchgeführt wurden (Göttner, J.-J. u. Schneider, W.: Experimentelle Bestimmung und Relevanz von wirklichkeitsgetreuen Kenndaten des Stofftransportes durch mineralische Ab­ dichtungen. In: Jessberger, H. L. (Hrsg.): Neuzeitliche Deponietechnik - Berichte vom 2. Bochumer Deponieseminar, 209-222 (1990);
Schneider, W. u. Göttner, J.-J.: Schadstofftransport in mineralischen Deponieab­ dichtungen und natürlichen Tonschichten. Geol. Jahrb. Reihe C 58, 1-132 (1991);
Simons, H. u. Reuter, E.: Entwicklung von Prüfverfahren und Regeln zur Herstel­ lung von Deponieabdichtungen aus Ton zum Schutz des Grundwassers. Mitt. Inst. Grundb. Bodenmech. 18, 1-228 (1985);
Finsterwalder, K. u. Mann, U.: Stofftransport durch mineralische Abdichtungen. In: Jessberger; H. L. (Hrsg.): Neuzeitliche Deponietechnik - Berichte vom 2. Bochu­ mer Deponieseminar, 209-222 (1990);
Klotz, D.: Laborversuche mit bindigen Materialien zur Bestimmung der hydrauli­ schen Kenngrößen und der Sorptionseigenschaften ausgewählter Schadstoffe. Z. dt. geol. Ges. 141, 255-262 (1990); und Mott, H. V. u. Weber, W. J., Jr.: Factors influencing organic contaminant diffusivities in soil-bentonite cutoff barriers. Envi­ ron. Sci. Technol. 25, 1708-1715 (1991)).

Abgesehen von der Überwachung des Deponieumfelds im Zuge der Bewei­ ssicherung - hier sind vor allem regelmäßige Untersuchungen der chemischen Qualität des Grundwassers zu nennen - werden regelrechte Kontrollsysteme bei Siedlungsabfalldeponien erst seit kurzer Zeit eingesetzt. Für Sonderabfalldeponi­ en werden kontrollierbare Dichtungssysteme in den USA bereits seit 1985 gefor­ dert (US EPA: Covers for Uncontrolled Hazardous Waste Sites, US EPA, Office of Emergency and Remedial Response, EPA/540/2-85/002; Washington D. C (1985)). Auch bei Neuentwicklungen auf dem Gebiet der Deponietechnik (Düll­ mann, H.: Langzeitverhalten von Deponieabdichtungen - Bericht über die Freile­ gung von Versuchsfeldern auf der Deponie Geldern-Pont. Veröff. Grundbauinst. LGA Bayern 51, 27-63 (1988);
Schevon, G. R. u. Damas, G.: Using double liners in landfill design and operation. Waste Manage. Res. 4, 161-176 (1986); und
Finsterwalder, K. u. Beine, R.: Abdichtungssysteme aus DYWIDAG- Mineralgemische, Grundlagen und Erfahrungen. Veröff. Grundbauinst. LGA Bay­ ern 65, 157-182 (1992)) und bei fehlender geologischer Barriere werden in den letzten Jahren verstärkt Dichtungssysteme mit integrierten Kontrollsystemen im­ plementiert.

In der Regel bestehen die genannten Kontrollsysteme aus einer, zwischen natürlicher (konventioneller) und künstlicher Basisdichtung befindlichen, Kontroll­ drainage (Kiesdrainage/Dränvlies), die das unter der Dichtung anfallende Sicker­ wasser sammelt und dem Sickerwassersammler zuführt, bzw. über Leckagewarneinrichtungen den Sickerwasseranfall meldet (Hodzic, A.: Planung eines inte­ grierten Abfallverwertungs- und Entsorgungszentrums (Landkreis Weilheim- Schongau). In: (Hrsg:): Tagungsunterlagen 3. Ausstellungskongress Abfallwirt­ schaft 25.-27.3.92, (1992); und
Hämmerle, E.: Umsetzung der TA Abfall im Deponiebau. Veröff. Grundbauinst. LGA Bayern 65, 253-270 (1992)). Andere Kontrollsysteme basieren auf der Mes­ sung des spezifischen elektrischen Widerstandes bzw. des Eigenpotentials in oder unterhalb der mineralischen Dichtung, der sich bei einer Leckage verändert (Dewiera, L., Ledoux, E. u. Marsily, G. de: Estimation and detection of leaks be­ neath landfills. In: Gronow, J. R., Schofield, A. N. u. Jain, R. K. (Hrsg.): Land dis­ posal of hazardous waste: Engineering and environmental issues, 69-83 (1988); und
Geutebrück, E.: Auffindung und Abgrenzung von Bodenkontaminationen nach der Eigenpotentialmethode. Erdöl, Erdgas, Kohle 108, 179-181 (1992)).

Den o. g. Kontroll- und Überwachungssystemen ist gemein, daß die Detektion einer Penetration von Schadstoffen durch die Abdichtung erst nach der Passage des Dichtungs­ systems erfolgt. Für den Fall der gesetzlich vorgeschriebenen Grundwassermeßstellen ist zudem ein nennenswerter Schadstoffaustrag aus der Deponie erforderlich, da die austretenden Schadstoffe im Grundwasser stark verdünnt werden und so trotz hochsensiti­ ver Analytik nur schwierig nachgewiesen werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein faseroptisches Überwachungssystem bereitzustellen, mit dem die Ausbreitung von Schadstoffen innerhalb einer Deponie­ abdichtung erfaßt, und damit die Wirksamkeit der Abdichtung langfristig überwacht werden kann, wobei ein Versagen der Dichtung zum frühest möglichen Zeitpunkt erkannt werden soll, um Sanierungsmaßnahmen so rechtzeitig einleiten zu können, daß ein Eintreten von Schadstoffen in den Grundwasserleiter verhindert werden kann. Die vorstehende Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Die bevorzugte Anwendung der Erfindung besteht in der Plazierung einzelner faseroptischer Sensoren an charakteristischen Punkten innerhalb der Deponiebasis­ abdichtung sowie innnerhalb der Sickerwasserdrainage. Die Sensoren werden dabei statistisch innerhalb der Dichtung verteilt, vorzugsweise an möglichen Schwachpunkten an denen entweder ein erhöhter Wasserdruck auftreten kann, oder die theoretische Gefahr der Ausbildung von Unstetigkeitsstellen (Risse etc.) besteht. Die Sensorfasern werden aus der Deponie zu einem Meßplatz geführt, an dem sich der weitere Aufbau, im wesentlichen bestehend aus dem Laser- und dem Detektormodul befindet.

Bei Fehlen hinreichender Mengen an fluoreszierenden Schadstoffen können dem einzubauenden Müll Fluoreszenzfarbstoffe beigegeben bzw. nachträglich Fluoreszenzfarb­ stoffe aufgebracht werden, die aufgrund der Ähnlichkeit ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften die Schadstoffe simulieren. Damit kann die Funktionstüchtigkeit der Deponieabdichtung auch im Hinblick auf nicht fluoreszierende Schadstoffgruppen überwacht werden.

Mit der Erfindung können alle Arten von Deponieabdichtungssystemen kostengünstig, vor Ort und effektiv überwacht bzw. kontrolliert werden. Die Erkennung des Durch­ dringens von Kontaminanten erfolgt in jedem Falle so rechtzeitig, daß ausreichend Zeit für Gegenmaßnahmen zur Behebung des Versagens der Dichtung ergriffen werden können und die Kontamination des Grundwassers bzw. nicht zum Deponiebauwerk gehöriger Sedimente abgewendet werden kann.

In folgendem Beispiel wird der Meßaufbau innerhalb einer mineralischen Deponie­ abdichtung näher erläutert.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt den Sensorkopf vor dem Einbau in die Deponie. Der Laserpuls wird über die Anregungs-Quarzfaser (1) vom Lasermodul (Fig. 2) in den Sensorkopf geleitet. Über die Beobachtungs-Quarzfaser (2), die sich in einem Winkel von 14° zur Anregungs- Quarzfaser befindet wird das emittierte Fluoreszenzspektrum zum Detektormodul (Fig. 3) geleitet.

In Fig. 2 ist der Aufbau des Lasermoduls dargestellt. Der gepulste Stickstofflaser (3) (λ = 337 nm) arbeitet mit einer Wiederholrate von 15 Hz und einer mittleren Pulsenergie von 1 mJ. Die zeitliche Halbwertsbreite des symmetrischen Pulses beträgt von 0.6 ns ± 0.1 ns. Der Laser wird mit einer plankonvexen Quarzlinse (4) auf die Quarzfaser fokussiert. Über zwei rechtwinklig angeordnete Strahlteiler (5, 6) wird zur Triggerung des Detektors ein Teil des Primärstrahls auf eine Quarzfaser gelenkt und mit einer Triggereinheit (7) verbunden. Das umgelenkte Licht des ersten Strahlteilers wird mit einer plankonvexen Quarzlinse einen pyroelektrischen Energiemeßkopf (8) fokussiert. Mit einer Integratorschaltung wird so ein Signal zur Energienormalisierung für den Detektor bereitgestellt.

Das Detektormodul ist in Fig. 3 dargestellt. Die Ankopplung der Beobachtungsfaser (9) an den Eingangsspalt des Spektrographen (10) des Detektormoduls erfolgt mit einem Querschnittswandler (11). Die Beobachtungsfaser wird direkt mit dem kreisförmigen Ende des Wandlers verbunden.

In der fokalen Ebene des Spektrographen ist der optische Vielkanalanalysator (12) montiert, der aus einem rotempfindliche Photodiodenarray mit einem gatebaren, proximity­ fused Bildverstärker (MCP, microchannel plate) besteht. Die Zeitauflösung wird mit einem Hochspannungspuls erzielt, der die MCP für 5-6 ns öffnet. Das Triggersignal für den Hochspannungsimpuls wird über einen HV-Pulsgenerator erzeugt, der durch einen digitalen Verzögerungsgenerator (13) angesteuert wird. Mit dem primären optischen Triggerimpuls als Nullpunkt der relativen Zeitbasis stellt der Verzögerungsgenerator in variablen Schrittweiten unterschiedlich lange Verzögerungszeiten für die Auslösung des HV-Pulses der MCP relativ zum Laserpuls zur Verfügung. Auf diese Weise wird sequentiell die Zeitachse abgetastet. Der Auslesevorgaag des Diodenarrays wird ebenfalls über den HV-Pulsgenerator synchronisiert und steht damit in direkter Beziehung zur Zeitbasis, die durch den Verzögerungsgenerator erzeugt wird.

Fig. 4 verdeutlicht den Meßaufbau innerhalb einer mineralischen Dichtung. Die Sensoren (14) sind in verschiedenen Tiefen innerhalb der mineralischen Dichtung (15), unterhalb der Sickerwasserleitung, am Randwall und in der Deponiefläche eingebaut. Die Referenzsonden (16) befinden sich in der Sickerwasserleitung. Bei einem Versagen der Sickerwasserdrainage ist ein Aufstau von Sickerwasser in der Nähe der Tiefpunkte und damit ein beschleunigter Transport durch die Basisdichtung zu erwarten.

Grundlage der verfolgten Auswertungsstrategie ist die Reduktion eines zeitaufgelösten Emissionsspektrums auf die zugrundeliegenden Faktoren, z. B. die Emissionsspektren und Abklingkurven der beteiligten Fluorophore. Zunächst wird mittels zweier Referenzspektren die Dispersion des Spektrums innerhalb der Faser ausgeglichen. Nachfolgend werden die Spektren entlang der Wellenlängenachse mit einem FIR-Filter bearbeitet, Artefakte durch kosmische Strahlen bzw. Fehlentladungen des Lasers entlang der Zeitachse werden mit einem spike-Filter auf der Basis der Spline-Interpolation beseitigt. Vor der eigentlichen Identifizierung und Quantifizierung wird dann mit einer Ranganalyse die Zahl der unabhängig voneinander variierenden Komponenten bestimmt. Mit dieser Information kann schließlich das zeitaufgelösten Spektrum entsprechend der Komplexität und Güte der Daten bzw. des Anforderungen des Benutzers entweder mittels Faktorenanalyse oder Rang- Annihilierungs-Faktorenanalyse (RAFA) in die charakteristische spektralen und zeitlichen Anteile der Komponenten zerlegt werden.

Ein allmähliches Durchdringen von Schadstoffen der Deponieabdichtung deutet sich durch die zunehmende Ähnlichkeit der dreidimensionalen Spektren (Wellenlänge × Zeit × Intensität) der Referenzsonden und der Sonden innerhalb der Basisabdichtung an. Hierbei treten geringfügige Abweichungen der Spektren auf, die durch die chromatographische Auftrennung des komplexen Sickerwassers in einzelne Schadstoffgruppen bedingt sind. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 5 dargestellt. Ein plötzliches Versagen der Deponie­ abdichtung äußert sich dagegen in einer sprunghaften Veränderung der gemessenen Spektren und nahezu identischen Spektren der Meßsonden innerhalb der Dichtung und der Referenzsonden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Überwachung von Deponieabdichtungssystemen, wobei das Vorhandensein und/oder die Konzentration mindestens einer Substanz ermittelt und/oder gemessen wird, gekennzeichnet durch Ermitteln und/oder Messen innerhalb des Deponieabdichtungssystems mit Hilfe von Fluoreszenzspektroskopie unter Verwendung eines Lasers und ei­ nes am Meßort befindlichen faseroptischen Sensors, der über Licht­ leitfasern mit dem Laser und einem Vielkanalanalysator gekoppelt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluores­ zenzspektroskopie zeitaufgelöst bzw. laserinduziert erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzspektroskopie unter Verwendung von einem gepulsten Laser bzw. einem mit einem Farbstofflaser ge­ koppelten Laser erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Erzeugen des Lichts für die Anregung der Fluorphore durch den La­ ser und Einkoppeln des Lichts durch die Lichtleiterfasern zu dem am Meßort befindlichen Sensor.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Einkoppeln des Lichts durch ein optisches System in eine Multimode-Quarzfaser mit Stufenindex und Leiten des Lichts zum Sensor.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeich­ net durch Führen des emittierten Lichts über eine Multi­ mode-Quarzfaser mit Stufenindex zu einem Boxcar-Integra­ tor bzw. zu einem optischen Mehrkanalanalysator.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeich­ net durch Aufnehmen des emittierten Lichts als Spektrum über die Zeit und über die Wellenlänge bzw. die Fluoreszenzintensität und Auswerten mittels Faktorenana­ lyse.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeich­ net durch Vergleichen eines zeitaufgelösten, multidimen­ sionalen Fluoreszenzspektrums, das vor Ort aufgenommen wurde, mit einem Referenzspektrum.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Verglei­ chen des zeitaufgelösten, multidimensionalen Fluores­ zenzspektrums von Poren- bzw. Sickerwasser innerhalb der Deponieabdichtung mit dem Fluoreszenzspektrum des Sickerwassers innerhalb der Deponie als Indikator für den Transport von Wasser und Schadstoffen in der Depo­ nieabdichtung.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch Plazieren mehrerer faseroptischer Senso­ ren an charakteristischen und/oder gefährdeten Stellen der Deponieabdichtung, wie zum Beispiel Tiefpunkte der Deponieabdichtung, Nahtstellen von Kunststoffbahnen im Fall einer Kombinationsabdichtung oder Durchtrittstellen von Rohren bzw. Schächten durch die Deponieabdichtung.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch Plazieren faseroptischer Sensoren in un­ terschiedlichen Tiefen innerhalb der Deponieabdichtung.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, gekenn­ zeichnet durch Verknüpfen mehrerer Sensoren durch einen Multiplexer zu einem Sensornetz.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, gekenn­ zeichnet durch Beigeben mindestens eines geeigneten Fluoreszenzfarbstoffs in die Deponie.

14. Vorrichtung zur Überwachung von Deponieabdichtungssystemen, insbe­ sondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehen­ den Ansprüche, bei der das Vorhandensein und/oder die Konzentration mindestens einer Substanz ermittelt und/oder gemessen wird, gekenn­ zeichnet durch einen Laser (3), mindestens eine Lichtleitfaser (1) und mindestens eine Beobachtungsfaser (2), einen am Meßort inner­ halb des Deponieabdichtungssystems angeordneten faseroptischen Sen­ sor und einen optischen Vielkanalanalysator, wobei ein Laserstrahl von dem Laser (3) zum faseroptischen Sensor über die Lichtleitfaser (1) leitbar ist und das am Meßort emittierte Spektrum über die Be­ obachtungsfaser (2) zum optischen Vielkanalanalysator leitbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Triggerein­ richtung (7) zur Triggerung der Detektoreinrichtung, wobei über ei­ ne Strahlteilereinrichtung (5, 6) ein Teil des vom Laser ausgesand­ ten Laserstrahls zur Triggereinrichtung (7) führbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Strahlteilereinrichtung (5) ein Teil des vom Laser (3) ausgesandten Laserstrahls zu einem pyroelektrischen Energiemeßkop (8) führbar ist, der ein Signal zur Energienormalisierung für die Detektoreinrichtung bereitstellt.