DE4443130A1 - Verfahren zur Überwachung der biologischen Aktivität von Versatz- und Verfüllmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der biologischen Aktivität von Versatz- und Verfüllmaterial, das aus industriellen Prozessen oder aus dem Kommunalbereich stammt und noch organische Substanzen enthält, die auch nach dem Ablagern noch aktiv sind und insbesondere entgasen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Rückstände aus industriellen Prozessen und insbesondere auch aus dem Kommunalbereich stellen nach wie vor ein erheb­ liches Problem dar, weil sie nicht auf übliche Art und Weise abgelagert werden können. Insbesondere in der Bundesrepublik Deutschland versucht man daher diese Materialien als Versatz- und Verfüllmaterial in bergmännische Hohlräume zu verbringen. Trotz entsprechender Vorbereitung weisen diese aus den ver­ schiedenen Prozessen stammenden Substanzen noch aktive orga­ nische Bestandteile auf, was zwangsläufig zu einer Entgasung nach dem untertägigen Versetzen führt. Abhängig von der Akti­ vität der organischen Substanzen ist es erforderlich, eine Bewetterung der Grubenräume zu gewährleisten und dabei nach Möglichkeit die Wettermengen zu bestimmen und zwar in Abhän­ gigkeit von der Aktivität der verbliebenen organischen Sub­ stanzen. Derartige Industrieschlämme weisen einen TOC-Wert von 5-15% und höher auf. Für den Fachmann und auch für die Überwachungsbehörden ist es ausgesprochen wichtig zu wissen, wie die biologischen Aktivitäten sich entwickeln bzw. wie weit sie sich abgebaut haben, um die notwendigen Sicherheits­ vorkehrungen entsprechend zu treffen. Dabei hat sich heraus­ gestellt, daß die notwendigen Werte durch Überprüfung der Abwetter nicht ermittelt werden können. Die hieraus zu ermit­ telnden Werte lassen eine Voraussage nicht zu.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der biologischen Aktivität von Versatz- und Verfüllmaterial zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die NADH-Fluoreszenz der Mikroorganismen ermittelt und aufge­ zeichnet wird und daß diese Messung in vorgegebenen zeitlichen Abständen wiederholt und mit den vorhergehenden Werten verglichen wird.

Ein solches Verfahren läßt eine genaue Voraussage zu, weil über dieses Verfahren die noch im Versatz- und Verfüll­ material verbliebenen Mikroorganismen bzw. die ihnen zur Ver­ fügung stehende Energie ermittelt werden kann. Bei den hier erfolgenden biologischen Prozessen, die unter konstanten Be­ dingungen stattfinden, verhält sich die NADH-Konzentration bzw. Fluoreszenz direkt proportional zu der Konzentration von Mikroorganismen. Aufgrund der so zu ermittelnden Werte können dann die notwendigen Maßnahmen ergriffen werden.

Nach einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß die NADH-Fluoreszenz der Mikroorganismen vor dem Einsatz Über- und nach dem Einbringen Untertage ermittelt und aufgezeichnet wird. Dies hat den Vorteil, daß die Aus­ gangswerte Übertage aufgrund der Gegebenheiten besonders gut ermittelt werden können, beispielsweise im Bereich einer Übergabe, um damit für Untertage recht genaue Ausgangswerte vorzugeben.

Um die vorhandene Konzentration von Mikroorganismen mög­ lichst genau ermitteln zu können, sieht die Erfindung vor, daß in oder an das Versatz- und Verfüllmaterial Licht ge­ bracht und das von den Mikroorganismen (NADH-Fluoreszenz) ausgestrahlte Licht aufgenommen und gemessen wird. Ein sol­ ches Verfahren erbringt optimal genaue Werte und läßt sich auch Untertage - wie weiter hinten noch erläutert - ohne all zu großen Aufwand durchführen.

Um die ermittelten Werte möglichst gut auch nach Über­ tage bringen zu können, sieht die Erfindung vor, daß das von den Mikroorganismen ausgestrahlte Licht gemessen, in ein elektrisches Signal umgesetzt und über eine Überwachungs- und Steuerungssoftware ausgewertet wird. Die Überwachungs- und Steuerungssoftware kann entweder Untertage oder aber auch Übertage vorgehalten werden. Letzteres empfiehlt sich natür­ lich insbesondere dann, wenn es sich beispielsweise um die Verfüllung senkrechter Grubenräume handelt.

Um insbesondere das Untertage abgelagerte Material mög­ lichst genau überprüfen zu können, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, nach Ablagerung des Versatz- und Verfüllmate­ rials mit Lichtquellen bestückte Meßfühler tangierend an die Ablagerung und/oder über Bohrungen zentral in die Ablagerung zu bringen.

Insbesondere bei gleichzeitig tangierender und zentraler Anordnung der Meßfühler läßt sich der durchschnittliche Ge­ halt bzw. der verbleibende Gehalt an organisch aktivem Mate­ rial genau ermitteln, um so auch eine gezielte Steuerung zu ermöglichen. Gleichzeitig bilden die Bohrungen auch die Mög­ lichkeit, bei Bedarf Sauerstoff in diese Bereiche zu bringen, um so den Entgasungsprozeß bzw. den biologischen Prozeß zu steuern.

Einerseits das Einbringen von Licht und andererseits das Messen des Reflexionslichtes bzw. der Fluoreszenzwerte ist besonders dann gut möglich, wenn wie erfindungsgemäß vorgese­ hen über die Meßfühler Licht mit 340 Nm ausgestrahlt und zu­ gleich mit rund 460 Nm empfangen und in ein Signal mit 4-20 mA umgewandelt wird. Dieses Signal kann dann wie schon er­ wähnt Untertage weiterverarbeitet oder nach Übertage gebracht und dort verarbeitet werden. Aufgrund der Fluoreszenz kann das "eingehende" Licht immer genau identifiziert und entspre­ chend auch wertmäßig ermittelt werden. Unter diesen Bedingun­ gen zeichnet der Meßfühler die Konzentration der Mikroorga­ nismen vorzugsweise on-line auf.

Mit Hilfe der NADH-Messung können die biologischen Pro­ zesse vorteilhaft auch durch Regelung des Sauerstoff-Gehaltes der Umgebung beeinflußt werden. Dabei kann der Sauerstoff entweder durch Absaugen reduziert oder aber auch durch Ein­ blasen bzw. Einpressen erhöht werden, je nachdem in welche Richtung der biologische Prozeß beeinflußt werden soll.

Aufgrund des ermittelten Verfahrens ist eine wesentlich genauere und bessere Ablagerung derartiger Problemstoffe Un­ tertage möglich. Dies insbesondere dann, wenn das Versatz- und Verfüllmaterial entsprechend der ermittelten Aktivität und der nachfolgenden Untertagebedingungen Untertage abgela­ gert wird und zwar der Tragfähigkeit, der Ausgasung, des Ab­ schluß des Grubenraumes gegen Wasser und Gas und der zum Ein­ satz kommenden Bindemittel. Bei Berücksichtigung all dieser Werte ist eine gezielte Ablagerung und für die Umwelt pro­ blemlose Ablagerung eines derartigen Versatz- und Verfüllma­ terials möglich.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung, mit der die biologische Aktivität von Versatz- und Verfüll­ material überwacht werden kann, wobei gemäß der Erfindung vorgesehen ist, daß dem Versatz NADH-Fluoreszenz-Meßfühler zugeordnet und sowohl mit Lichtdetektoren wie Mikroprozesso­ ren zur Umwandlung von Licht in elektrische Signale bestückt sind. Mit Hilfe derartiger Vorrichtungen, d. h. also Meßfüh­ ler kann sowohl der Umgebungsbereich, wie insbesondere aber das Material selbst und zwar auch zentral nach dem Ablagern überprüft und überwacht werden. Über die Lichtdetektoren wird die Fluoreszenz der noch im Versatz- und Verfüllmaterial vor­ handen Mikroorganismen aufgenommen, um dann über die Mikro­ prozessoren in elektrische Signale umgewandelt zu werden. Diese elektrischen Signale werden in der Regel über zentral angeordnete Auswerteeinheiten ausgewertet und abgespeichert, um dann mit den jeweils nachfolgenden Werten verglichen zu werden. Eine solche NADH-Messung ist zuverläßlich und erfor­ dert keine Kalibrierung. Vielmehr können die Meßfühler so angeordnet werden, daß sie die Fluoreszenz genau ermitteln und entsprechend auch auswerten können.

Um nicht nur grobe Durchschnittswerte vorliegen zu ha­ ben, sondern auch durch eine Vielzahl von Einzelmessungen einen genauen Wert vorzugeben, sieht die Erfindung vor, daß die Meßfühler über Bohrlöcher in den Versatz einbringbar be­ messen und ausgebildet sind. Dabei müssen sie sogar in der Regel so ausgerüstet werden, daß sie durch die die Wandung der Bohrlöcher stabilisierenden Rohre hindurchschiebbar sind, wobei sie dann aber vorteilhaft genau im Bereich des Rohren­ des angeordnet werden könne, um einerseits die notwendige Lichtmenge abzugeben und andererseits die Fluoreszenz genau zu ermitteln.

Letzteres wird dadurch ermöglicht, daß die Meßfühler mit einer Lichtquelle ausgerüstet sind, wobei diese Lichtquelle zusammen mit den Lichtdetektoren in einem Gehäuse unterge­ bracht sind, so daß der gesamte Meßfühler in der für die ge­ naue Ermittlung der Meßwerte notwendigen Form bis zum Bohr­ lochtiefsten in den Versatz einbringbar ist.

Gerade im Verfüllbetrieb Untertage ist es erforderlich, entsprechend stabile Meßfühler zur Verfügung zu stellen. An­ dererseits müssen diese Meßfühler aber auch unter Umständen über längere Zeit wirksam im Versatz angeordnet werden, was gemäß der Erfindung insbesondere dadurch möglich ist, daß die Meßfühler in einem Gehäuse aus rostfreiem Stahl angeordnet und mit einem Quarzfenster ausgerüstet sind. In einem solchen abgesicherten und stabilen Gehäuse können dann sowohl die Lichtdetektoren wie auch die Mikroprozessoren und anderer­ seits auch die Lichtquelle untergebracht werden, wobei über das Quarzfenster der notwendige Kontakt mit "der Außenwelt" möglich ist. Wie schon weiter vorne erwähnt sind sowohl die Lichtquelle wie auch Lichtdetektoren innerhalb dieses Gehäuses untergebracht, wobei der Meßfühler Licht mit 340 Nm überträgt und mit 460 Nm erkennt.

Um von der Temperatur unbeeinflußte Meßwerte zu erhalten und um andererseits auch den Meßfühler sauber zu halten, ist vorgesehen, daß die Meßfühler als wasserumspülte Geräte aus­ gebildet sind. Dabei kann es sich entweder um eine Doppelwan­ dung des Gehäuses handeln oder aber um im Gehäuse verlaufende Rohrschlangen oder um ähnliche Lösungen, bei denen es zu­ nächst einmal nur um die Temperaturreduzierung geht. Geht es vor allem um das Reinigen des Meßfühlers, so wird gemäß der Erfindung das Wasser quasi auf den Meßfühler gedüst, um die­ sen sowohl zu kühlen wie auch zu reinigen, was beispielsweise auch für die Quarzfensterausbildung gilt. Da die benötigten Wassermengen relativ gering sind, kann eine Beeinträchtigung der Umwelt dadurch nicht erfolgen. Vorteilhafterweise kann dann auch Wasser genommen werden, das vorher nicht gereinigt worden ist, sondern beispielsweise aus der Grube entnommen wird.

Insbesondere für die indirekte Kühlung ist es zweckmä­ ßig, wenn im Kühlwasserumlauf ein mit einem Auslaßventil kom­ biniertes Thermometer angeordnet ist. Dann kann nämlich das Wasser so lange im Kreislauf geführt werden, bis es sich auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt hat, um es dann entweder wieder zurückzuführen oder aber einfach in den Versatz hin­ einzulassen und dann durch neues kühleres Wasser zu ersetzen.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen sind, mit denen überraschend genau die biologischen Aktivitäten von Versatz- und Verfüllmaterial ermittelt werden können. Dabei ist vor­ gesehen, daß durch Überprüfung des Materials Übertage genaue Ausgangswerte vorgegeben sind, die dann durch kontinuierliche oder diskontinuierliche Messungen Untertage jeweils aufge­ frischt werden, so daß für den Beobachter genau erkennbar ist, wie weit die biologischen Aktivitäten vorhanden bzw. bereits abgebaut sind. Damit können genaue Vorhersagen ge­ troffen werden, so daß für die vor Ort befindlichen Personen die notwendige Belüftungsmenge immer genau eingehalten werden kann. Insbesondere aber kann so genau festgestellt werden, wann beispielsweise das im Kalibergbau zum Füllen von Kammern eingesetzte Versatzmaterial endgültig ausgegast ist, so daß das dann tote Material eine wirksame Ablagerung und Abdämmung sicherstellt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Strecke mit hinter einem Damm angeordnetem Versatz­ material,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen verfüllten Schacht und

Fig. 3 eine schematisierte wiedergegebene Meß­ sonde bzw. ein entsprechender Meßfühler.

Fig. 1 zeigt eine beispielsweise im untertägigen Stein­ kohlenbergbau aufgefahrene Strecke 1, die nach dem Abwerfen mit einem Abschlußdamm 2 versehen worden ist. Der Bereich hinter dem Abschlußdamm 2 ist mit Versatz 3 ausgefüllt. Auf­ grund der heute zur Verfügung stehenden Verfahren kann dabei der Versatz 3 bis fast gegenüber dem Abschlußdamm 2 abschlie­ ßend eingebracht werden. Es verbleibt lediglich ein relativ kleiner Hohlraum 4, in dem sich natürlich auch Gas ansammeln kann.

In den Versatz 3 sind Bohrlöcher 5, 5′ eingebracht, an deren Enden Meßfühler 6, 7 ritzen. Über diese Meßfühler 6, 7, über deren Aufbau noch weiter hinten berichtet wird, ist es möglich, die NADH-Konzentration zu ermitteln. Bei den biolo­ gischen Prozessen, die hier unter konstanten Bedingungen stattfinden verhält sich der NADH-Fluoreszenzwert direkt pro­ portional zur Konzentration von Mikroorganismen, so daß damit genau auf die biologische Aktivität geschlossen werden kann.

Im Gegensatz zu Fig. 1 zeigt Fig. 2 einen lotrechten Schacht 9, wobei dieser Schacht 9 ebenfalls mit Versatz 3 ausgefüllt ist. Dies gilt auch für den angesetzten Querschlag 10, der hier angedeutet ist.

Sowohl bei der Strecke 1 wie auch beim Schacht 9 sind hier endseitig der Bohrlöcher 5 bzw. der entsprechenden Rohr­ leitungen Meßwert-Aufzeichner 11 vorgesehen, die aber zusätz­ lich über Verbindungskabel 12 mit weiteren Aufzeichnungs- und Auswerteeinheiten verbunden sind.

Fig. 1 zeigt zusätzlich eine Absauganlage 14 mit einer Sonde 15, über die hier insbesondere im Bereich des Hohlrau­ mes 4 anstehendes Gas bzw. Luft abgesaugt werden kann. Über diese Absauganlage 14 kann der Zustrom an Sauerstoff zum Ver­ satz 3 reguliert werden bzw. ganz unterbunden werden. Damit kann die Aktivität eingestellt bzw. so beeinflußt werden, daß der Prozeß der Ausgasung beschleunigt oder auch verlangsamt wird.

Fig. 3 zeigt einen schematisiert wiedergegebenen Meßfüh­ ler 6 bzw. 7 mit einem beispielsweise aus Edelstahl oder nichtrostendem Stahl bestehenden Gehäuse 16. Dieses Gehäuses 16 ist zumindestens auf einer Seite über ein Quarzfenster 17 verschlossen, so daß die im Innenraum 18 angeordnete Licht­ quelle sowie der Lichtdetektor 20 wirksam arbeiten können. Über die Lichtquelle 19 wird beispielsweise Licht mit 340 Nm abgestrahlt, so daß über den Lichtdetektor 20 Licht mit 460 Nm erkannt und über die Mikroprozessoren 21 in eine elektri­ sches Signal umgewandelt werden kann. Dieses elektrische Si­ gnal wird dann wie schon weiter vorn erwähnt über das Verbin­ dungskabel 12 weitergeleitet. Mit 22 ist das Lichtkabel be­ zeichnet und mit 23 ein Meßkabel, das dann angeschlossen ist bzw. angeschlossen wird, wenn aus irgendwelchen Gründen eine Umwandlung des ermittelten Lichtes nicht erfolgen soll oder auf andere Art und Weise erfolgen soll.

Die zum Einsatz kommenden Meßfühler werden in entspre­ chende Bohrungen im Versatz oder in Bereiche, die man dafür freigehalten hat, eingeschoben, wobei sie sich insbesondere bei feuchtem Versatz leicht mit feinkörnigem Bergematerial zusetzen können. Um dies zu verhindern bzw. um gleichzeitig auch von der Temperatur unabhängige Meßwerte zu erhalten, sind diese Meßfühler mit einer Berieselung bzw. einer Kühlung versehen, die in den Figuren im einzelnen nicht wiedergegeben ist. Dabei kann die Wand des Gehäuses als Doppelwand ausge­ bildet oder aber es können im Gehäuse Rohrschlangen angeord­ net sein, um die Kühlung zu erreichen. Ist das Wasser dann im Kreislauf soweit aufgeheizt, daß es seine Kühlarbeit nicht mehr erbringen kann, wird das Kühlwasser zweckmäßig über ein mit einem Thermometer kombiniertes Auslaßventil ausgeschleust und zwar so, daß dabei gleichzeitig eine Reinigung der Außen­ wandung des Gehäuses und insbesondere auch des Quarzfensters erfolgt. Bleibend genaue Meßwerte sind damit zu gewährlei­ sten.

Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden, werden allein und in Kombination als erfin­ dungswesentlich angesehen.

Claims (15)

1. Verfahren zur Überwachung der biologischen Ak­ tivität von Versatz- und Verfüllmaterial, das aus industriel­ len Prozessen oder aus dem Kommunalbereich stammt und noch organische Substanzen enthält, die auch nach dem Ablagern noch aktiv sind und insbesondere entgasen, dadurch gekennzeichnet, daß die NADH-Fluoreszenz der Mikroorganismen ermittelt und aufgezeichnet wird und daß diese Messung in vorgegebenen zeitlichen Abständen wiederholt und mit den vorhergehenden Werten verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die NADH-Fluoreszenz der Mikroorganismen vor dem Einsatz Über- und nach dem Einbringen Untertage ermittelt und aufge­ zeichnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in oder an das Versatz- und Verfüllmaterial Licht ge­ bracht und das von den Mikroorganismen (NADH-Fluoreszenz) ausgestrahlte Licht aufgenommen und gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgestrahlte Licht gemessen, in ein elektrisches Signal umgesetzt und über eine Überwachungs- und Steuerungs­ software ausgewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ablagerung des Versatz- und Verfüllmaterials mit Lichtquellen bestückte Meßfühler tangierend an die Ablagerung und/oder über Bohrungen zentral in die Ablagerung gebracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß über die Meßfühler Licht mit 340 Nm ausgestrahlt und zu­ gleich mit rund 460 Nm empfangen und in ein Signal mit 4-20 mA umgewandelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die biologischen Prozesse durch Regelung des Sauerstoff- Gehaltes der Umgebung beeinflußt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Versatz- und Verfüllmaterial entsprechend der ermit­ telten Aktivität und der nachfolgenden Untertagebedingungen Untertage abgelagert wird:

• - Tragfähigkeit
• - Ausgasung
• - Abschluß des Grubenraumes gegen Wasser und Gas
• - zum Einsatz kommende Bindemittel.

9. Vorrichtung zur Überwachung der biologischen Aktivität von Versatz- und Verfüllmaterial und damit zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2 bis Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Versatz NADH-Fluoreszenz-Meßfühler (6, 7) zugeordnet und sowohl mit Lichtdetektoren (20) wie Mikroprozessoren (21) zur Umwandlung von Licht in elektrische Signale bestückt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (6, 7) über Bohrlöcher (5) in den Versatz (3) einbringbar bemessen und ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (6, 7) mit einer Lichtquelle (19) ausgerü­ stet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (6, 7) in einem Gehäuse (16) aus rostfreiem Stahl angeordnet und mit einem Quarzfenster (17) ausgerüstet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (6, 7) als wasserumspülte Geräte ausgebil­ det sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Gehäuses (16) als Doppelwand ausgebildet und/oder daß im Gehäuse inneren Kühlwasser führende Rohr­ schlangen angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlwasserumlauf ein mit einem Auslaßventil kombinier­ tes Thermometer angeordnet ist.