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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abschöpfen von
unterirdischen Wasserflächen,
die insbesondere durch Kohlenwasserstoffe verschmutzt sind.
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Technologischer Hintergrund
und Stand der Technik
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Im
Rahmen des Umweltschutzes und insbesondere des Schutzes des Grundwassers
ist es unerlässlich, über leistungsstarke
Säuberungswerkzeuge
zu verfügen,
um die durch Kohlenwasserstoffe verunreinigten Gewässer zu
sanieren.
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Wenn
bei Kohlenwasserstofftanks Lecks festgestellt werden, insbesondere
bei industriellen Anlagen, sind diese oft schon alt und es sind
bereits große
Kohlenwasserstoffmengen in das Grundwasser ausgelaufen.
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Kohlenwasserstoffe
haben im Allgemeinen eine Dichte von unter 1g/cm3 und
schwimmen daher an der Wasseroberfläche. Diese schwimmenden Schichten
können
unterschiedliche Dicken aufweisen, die vom Bruchteil eines Millimeters
bis zu mehreren Dezimetern reichen können. Daher ist es wesentlich, über ein
Werkzeug zu verfügen,
das ein wirksames Abschöpfen
der oben schwimmenden, abgesetzten Schicht für eine Dekontamination der Wasserflächen ermöglicht.
Dabei ist es wesentlich, die Bildung von Emulsionen beim Abpumpen
derselben zu vermeiden. In der Tat haben Emulsionen sehr unterschiedliche
Dichten und sind von Natur aus schwierig zu behandeln.
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Historisch
gesehen waren die an der Küste liegenden
Industrieländer,
bei denen das Grundwasser bis an die Bodenoberfläche reicht, die ersten, die mit
der Problematik der Dekontamination konfrontiert waren. So waren
die Niederlande Pioniere auf diesem Gebiet. In diesem Land ist die
geringste Kontamination für
die Wasserqualität
schädlich,
da sich Kohlenwasserstoffe rasch horizontal ausbreiten und große Flächen verunreinigen.
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Heutzutage
sind verschiedene Techniken zur Rückgewinnung von unterirdisch
ausgelaufenen Kohlenwasserstoffen bekannt und basieren im Wesentlichen
einerseits auf der Feststellung der Höhe des Wasserstandes im Vergleich
zur Höhe
des Bodens mit einem Piezometer und andererseits auf der Messung
der schwimmenden Schicht, die mit einer Interface-Sonde erfolgt
und eine Präzision
in Millimeter-Größenordnung
ermöglicht.
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Abschöpftechniken
wurden lange Zeit durch herkömmliches
Pumpen von einem existierenden Brunnen aus durchgeführt. Diese
Technik ermöglicht es
jedoch nicht, die Kohlenwasserstoffe vollständig zu entfernen und weist
den Nachteil auf, große
Wassermengen abzupumpen, die danach behandelt werden müssen.
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Bei
anderen Techniken erfolgt eine Extraktion mit einer Tauchpumpe,
die mit einem festen Rohr versehen ist, das für das Absaugen an der Oberfläche sorgt.
Diese Einheit wird bei einer festen Höhe in den Brunnen gehängt und
Niveausonden steuern den Pumpenbetrieb. Dieses System berücksichtigt jedoch
nicht die Wasserstandsänderungen
im Verlauf der Zeit. Bei einer Abnahme des Wasserstandes schaltet
sich die Vorrichtung nicht ein und bei einer Zunahme des Wasserstandes
startet die Vorrichtung, bis der Wasserstand auf das Niveau der
unteren Wasserstandssonde fällt.
Wenn die Wassermenge größer ist
als die Pumpenleistung, läuft
die Pumpe im Dauerbetrieb, ohne dass der Wasserstand abnimmt und
in diesem Fall wird kein obenauf schwimmendes Produkt entfernt.
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Andere
Systeme sind mit Schwimmern und Filtern ausgestattet und sind geeignet,
eine schwimmende Schicht homogener, leichter Schadstoffe vom Typ
Benzin oder Heizöl
zu entfernen. Jedoch stören Verunreinigungen
oder Emulsionen rasch den Betrieb dieser Art von Pumpen, da sich
die Filter zusetzen. Die Instandhaltung dieser Art System ist daher sehr
kostspielig.
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Bei
anderen Technologien wird Druckluftenergie genutzt und mit einem
Kompressor durch einen zuvor gebohrten und verrohrten Brunnen Druckluft ein
Rohr auf die Wasseroberfläche
geleitet, wobei die Ausstoßdüse in einer
präzisen
Höhe in
die Flüssigkeit
eintaucht. Der obere Teil dieses Rohrs muss in Höhe der Wasseroberfläche liegen.
Aufgrund der Schwerkraft füllt
die Flüssigkeit
dann das Rohr und nach einigen Minuten wird Druckluft durch eine
geeignete Leitung geleitet und die Flüssigkeit wird durch das Auslaufrohr
ausgestoßen.
Bei diesem Prinzip wird jedoch die Änderung des Wasserstandes im
Laufe der Zeit ebenfalls nicht berücksichtigt.
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Über die
Dekontamination des Grundwassers gibt es zahlreiche Schriften; hierzu
seien die Druckschriften WO 00/03095 und die amerikanischen Patente
5 945 973 und 5 928 520 angeführt,
in denen Kohlenwasserstoffabschöpfanlagen
mit Bandsammlern beschrieben werden.
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Andere
Systeme mit Schwimmern, die für das
Abschöpfen
bei offenen Wasserflächen
verwendet werden, existieren ebenfalls, wie auf der Internetseite
www.foilex.com gezeigt wird. Ihr großer Durchmesser ermöglicht jedoch
nicht die Verwendung zur Dekontamination unterirdischer Wasserflächen unter wirtschaftlich
akzeptablen Bedingungen, da ein Brunnen mit sehr großem Durchmesser
gebohrt werden müsste.
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Die
Firma Silex International (www.silexinternational.com) vertreibt
ebenfalls Systeme wie die zuvor beschriebenen. Sie basieren im Wesentlichen
auf der Betätigung
von Ventilen durch einen Schwimmer, der den Druckluftzulauf einschaltet,
um den angesammelten Kohlenwasserstoff auszustoßen.
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Die
Nachteile der zuvor genannten Technologien sind ein hoher Energieverbrauch,
wie zum Beispiel der der Kompressoren beim Funktionsprinzip mit
Ausstoß sowie
ein beträchtlicher
Instandhaltungsaufwand, wenn die Anlage Ventile, Sonden und elektrische
Leitungen mit einer extrem komplexen Regelung zur Niveauregelung
umfasst. Diese Anlagen funktionieren während der kalten Jahreszeit schlecht
und ihr Preis steigt rapide, je mehr Brunnen erforderlich sind.
Man muss darauf hinweisen, dass die Arbeitsbedingungen, unter denen
diese Art von Sanierung durchgeführt
wird, robuste und einfache Geräte
erfordert, da der Betrieb normalerweise monatelang ohne Überwachung
stattfindet. Jeder Versuch, die vollständige Dekontamination mit einem technisch
zu komplizierten System durchzuführen,
ist langfristig zum Scheitern verurteilt.
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Der
wesentliche Nachteil aller bisher verwendeten Techniken liegt jedoch
darin, dass keine natürliche
Anpassung an die Änderung
der Höhe
der Schnittstelle zwischen Kohlenwasserstofffläche und Wasserfläche erfolgt,
wodurch es oft zur Bildung einer Emulsion kommt, die anschließend schwierig
zu behandeln ist. Unter natürlicher
Anpassung verstehen wir eine automatische Anpassung, die sich aus dem
Wasserstand ergibt und keine elektronische Lageregelung in Abhängigkeit
vom Wasserstand erfordert.
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Das
Dokument US-A-4 663 037 macht ein Schwimmersystem bekannt, das sich
zur Platzierung in einem Bohrloch an der Übergangsstelle einer verschmutzten Grundwasserfläche eignet;
ein Kohlenwasserstoffsaugrohr ist an dem Schwimmer dieser Vorrichtung
befestigt, die sich ungefähr
an der Schnittstelle zwischen Wasser und Kohlenwasserstoffen platziert,
da ihre Dichte zwischen der der Kohlenwasserstoffe und des Wassers
liegt. Diese Vorrichtung ermöglicht
jedoch keine beliebige Anpassung der Schwimmerhöhe, da das Kohlenwasserstoffsaugrohr
an diesem befestigt ist und im Übrigen wird
damit keine vollständige
Dekontamination des Grundwassers beabsichtigt.
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Im übrigen ist
kein System ausreichend genau und empfindlich, um die letzten Millimeter
Kohlenwasserstoffe, die auf dem Wasser schwimmen, entfernen zu können. Daher
bleibt die Dekontamination unvollständig und unfertig.
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Ziele der Erfindung
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Diese
Erfindung hat die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Abschöpfen von
Schadstoffen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, für unterirdische
Wasserflächen
vorzuschlagen, die sich in Abhängigkeit vom
Wasserstand präzise
an der Schnittstelle zwischen dem Wasser und den Kohlenwasserstoffen positionieren
kann.
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Wenn
die Vorrichtung gemäß dieser
Erfindung in einem zuvor gebohrten Brunnen installiert wird, um
den Wasserstand des Grundwassers zu erreichen, muss sie das Abschöpfen des
oberen Teils der unterirdischen Wasserfläche ermöglichen und somit das vollständige Entfernen
der obenauf schwimmenden Flüssigkeit
ermöglichen,
selbst wenn diese von geringer Dicke ist und unabhängig von
der Änderung
des Wasserstands.
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Insbesondere
hat die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren vorzuschlagen, das
fähig ist,
die schwimmenden Kohlenwasserstoffschichten mit einer Dicke von
weniger als 1 mm im Industriebereich abzuschöpfen, wie zum Beispiel in Erdölhäfen oder petrochemischen
Anlagen, bei denen sich schwimmende Kohlenwasserstoffschichten über eine
Fläche von
mehreren Hektar ausbreiten können.
Diese Bereiche befinden sich oft in der Nähe von großen Flüssen oder auch nahe am Meer,
also an Stellen, an denen der Grundwasserspiegel aufgrund der Gezeiten oder
der Schleusen bedeutenden Schwankungen unterworfen ist; die Erfindung
hat die Aufgabe, in einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Tatsache Rechnung
zu tragen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschöpfen von Schadstoffen wie zum
Beispiel Kohlenwasserstoffen für
unterirdische Wasserflächen, die
mindestens einen Schwimmer und mindestens ein Kohlenwasserstoff-Saugrohr
umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mindestens eine Sammelöffnung und
mindestens eine Nut am oberen Teil aufweist, durch die der besagte
Kohlenwasserstoff zur besagten Sammelöffnung gelangen kann, und dadurch,
dass der besagte Schwimmer eine Dichte aufweist, die zwischen der
Wasserdichte und der Dichte der abzuschöpfenden Kohlenwasserstoffe liegt,
wodurch es ihm ermöglicht
wird, sich an der Schnittstelle zwischen dem Wasser und den obenauf schwimmenden
Kohlenwasserstoffen zu positionieren.
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Gemäß der Erfindung
umfasst die Vorrichtung außerdem
mindestens ein Wasser-Saugrohr, um einen Absenkkegel zu bilden.
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Ein
Schlüsselelement
dieser Erfindung zeigt, dass die Kohlenwasserstoff- und Wasser-Saugrohre dem
besagten Schwimmer gleichzeitig als Gleitschiene dienen. Weiterhin
besteht der Schwimmer im Wesentlichen- aus Polyethylen hoher Dichte
(HDPE) mit einer Dichte zwischen 0,94 und 0,97 g/cm3.
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Auf
vorteilhafte Weise steht das Saugrohr mittels eines unteren Verbindungsteils
mit einem Sammelrohr in Verbindung, das mit der Sammelöffnung in
Verbindung steht, und eine Einheit zum Ansaugen der Kohlenwasserstoffe
bildet.
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Eine
weitere Eigenschaft der Erfindung ist es, dass der Schwimmer aus
Modularbauteilen besteht.
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Im übrigen betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Dekontamination von Wasserflächen, dadurch
gekennzeichnet, dass der auf einer Wasserfläche schwimmende Kohlenwasserstoff
durch einen Schlauch, der mit der Vorrichtung verbunden ist, in eine
zentrale Sammeleinheit gesaugt wird; die Vorrichtung umfasst einen
Schwimmer mit einer Nut und einer Sammelöffnung; der obere Teil des
besagten Schwimmers wird an der Schnittstelle zwischen Kohlenwasserstoffen
und Wasser gehalten, indem er mittels der Gleitschienen geführt wird;
dabei fördert
er die besagten Kohlenwasserstoffe über ein Sammelrohr, das über einen
Transferkanal im Verbindungsprofil mit einem Saugrohr verbunden
ist.
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Bei
einer besonderen Ausgestaltung der Verbindung wird das Wasser durch
das Wasser-Saugrohr angesaugt, um einen Absenkkegel zu bilden, der das
Abschöpfen
der Kohlenwasserstoffe vereinfacht.
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Schließlich beschreibt
die Erfindung die Verwendung der Abschöpfvorrichtung zur Rückgewinnung
von im Grundwasser infiltrierten Kohlenwasserstoffen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht des Betriebs eines Dekontaminationsverfahrens,
bei dem die Vorrichtung aus 1 in einer
Bohrung verwendet wird.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
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Diese
Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass die spezifischen Gewichte
von Schadstoffen wie Kohlenwasserstoffen im Allgemeinen unter 1 g/cm3 beträgt
und dass diese daher auf der Wasseroberfläche schwimmen. Die Abschöpfvorrichtung
für unterirdische
Wasserflächen
dienen der Rückgewinnung
einer Schicht von obenauf schwimmenden Schadstoffen im Allgemeinen
und insbesondere von Kohlenwasserstoffen von einer unterirdischen
Wasserfläche
oder aus dem Grundwasser; wobei diese schwimmende Schicht zuvor
durch ein Prüfpiezometer
in einem Bohrbrunnen mit einem Filterrohr 20 beobachtet
wird.
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Die
in den Figuren dargestellte Vorrichtung gemäß dieser Erfindung umfasst
ein zylindrisches Profil aus Polyethylen hoher Dichte, das als Schwimmer 5 bezeichnet
wird, und dessen spezifisches Gewicht so beschaffen ist, dass sich
der obere Teil an der Schnittstelle zwischen der Schicht unlöslicher Kohlenwasserstoffe 15 im
Wasser und der Wasseroberfläche
positioniert. Im Allgemeinen variiert das spezifische Gewicht des
verwendeten Polyethylens „hoher
Dichte" je nach
verwendeten Katalysatoren zwischen 0,94 und 0,97 g/cm3,
beträgt
aber vorzugsweise etwa 0,96 g/cm3, während das
der Kohlenwasserstoffe bei etwa 0,8 g/cm3 liegt
und das des Wassers bei 1 g/cm3. Auch ein
anderes Harz mit einem ähnlichen
spezifischen Gewicht und guten Festigkeitseigenschaften kann sich
eignen.
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Der
Schwimmer 5 ist mit zwei äußeren Führungsnuten 10 und
einer Sammelöffnung 3 versehen, die
den Schwimmer dem Durchmesser nach durchquert. Die Abmessungen des
Schwimmers 5 müssen unter
dem Durchmesser des Aufnahmebrunnens 20 liegen; dieser
kann zum Beispiel ein 4-Zoll-Brunnen (114 mm) sein (2).
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Zwei
Gleitschienen, die aus dem Wasser-Saugrohr 9 und dem Kohlenwasserstoff-Saugrohr 2 oder
aus gleichwertigen Mitteln bestehen, führen den Schwimmer 5,
der sich im Brunnen 20 den örtlichen Wasserstandsänderungen
anpassen kann. Das Polyethylen hoher Dichte ist das ideale Material für diesen
Schwimmertyp, da es außer
der Tatsache, dass seine Dichte zwischen der der Schadstoffe und des
Wassers liegt, außerdem
sehr widerstandsfähig gegen
Angriffe (Auflösen,
Aufweichen, Aufblähen) durch
die meisten Kohlenwasserstoffe ist; dies ist im Übrigen der Grund, warum es,
genau wie Polypropylen, bei der Herstellung von Fahrzeugtanks verwendet
wird.
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Der
Schwimmer 5 wird vorzugsweise in modularer Bauweise hergestellt,
so dass die Länge
der Vorrichtung durch Stapelung der Module erheblich variieren kann.
Das gleiche gilt für
die Länge
der vom Wasser-Saugrohr 9 und
vom Kohlenwasserstoff-Saugrohr 2 gebildeten Gleitschienen,
da sich die Vorrichtung, wenn sie installiert ist, automatisch den
extremen Änderungen
des Wasserstands über Monate
hinweg ohne Überwachung
anpassen können
muss. Wie wir vorstehend angegeben haben, kann die Höhe des Wasserstands
je nach Ort und Jahreszeit erheblich variieren, insbesondere unter den
Auswirkungen der Gezeiten oder aufgrund nahe gelegener Schleusen.
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Die
zwei Rohre, die ebenfalls als Gleitschienen 2 und 9 dienen,
werden jeweils oben und unten durch ein oberes Verbindungsprofil 1 und
ein unteres Verbindungsprofil 7 miteinander verbunden,
während ein
Sammlungsrohr 6, deren Länge etwa der Hälfte der
Gleithöhe
auf den Schienen entspricht, in der Mitte des unteren Zusammensetzungstückes angebracht
wurde. Das Kopfstück 1 ist
mit einem geeigneten Mittel wie einer Öffnung 11 ausgestattet,
die zur Befestigung der Abschöpfvorrichtung
an einer Kette dient, um sie in dem Brunnen bei einer mittleren Höhe zwischen
dem Höchst-
und dem Mindeststand der Wasserfläche zu halten, so dass die
Wasserstandsänderungen über die
Zeit berücksichtigt
werden können.
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Alle
in der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendeten
Metallteile sind selbstverständlich
aus Gründen
des langfristigen Korrosionsschutzes rostfrei.
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Zu
Beginn muss daher eine Abschöpfvorrichtung
mit einem etwas geringeren Durchmesser als dem Durchmesser des Bohrbrunnens 20 gewählt werden.
Eine der beiden Schienen in der dargestellten Form dient als Transferrohr 2 durch
Ansaugen der Substanz aus der Sammelöffnung 3 des Schwimmers.
Diese Substanz wird über
das Sammelrohr 6 und den Kanal 8 zum Saugrohr 2 geleitet,
das über einen
Schlauch 12 mit einer zentralen Sammeleinheit 16 verbunden
ist. Die gesamte Vorrichtung wird also über eine Positionshaltekette 13 in
den Brunnen gelassen, bis sie in Berührung mit der Wasseroberfläche kommt.
Die erforderliche Distanz wurde normalerweise zuvor ausgemessen.
Die Vorrichtung folgt dank ihrem Schwimmer 5 den Änderungen
des Stands der Schnittstelle zwischen Schadstoffen und Wasser und
daher dem örtlichen
Wasserstand. Der Schwimmer 5 kann sich diesem Niveau perfekt
anpassen, da er durch die zwei Schienen 2 und 9 gehalten
und geführt
wird. Man kann auch mehrere Brunnen bohren und in jedem Brunnen
eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
installieren.
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Wenn
eine schwimmende Kohlenwasserstoffschicht 15 vorhanden
ist, stabilisiert sich der Schwimmer 5 der Vorrichtung
gemäß der Erfindung dank
seiner Dichte und seines Profils an der Schnittstelle zwischen Wasser
und Kohlenwasserstoffen.
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Mittels
einer geeigneten Pumpeinheit 16 wird die Substanz daher
durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung
angesaugt.
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Gemäß einer
ergänzenden
Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht
ein zweites Rohr 9 gleichzeitig das Ansaugen von Wasser
aus dem Grundwasser, um einen Saugkegel zu bilden, der auch als Absenkkegel
bezeichnet wird. Dieser führt
zu einer lokalen Absenkung in Zusammenhang mit der Wassermenge der
Wasserschicht, was zu einer lokalen Verdickung der Schadstoffschicht
führt.
Diese Kegel ermöglichen
die Beschleunigung der Phasentrennung zwischen der Wasserschicht
und der Kohlenwasserstoffschicht, was die Rückgewinnung derselben vereinfacht.
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Wenn
sich die Pumpphase in einem Brunnen gegen Ende der Dekontamination
verlängert,
werden Wasser und Luft angesaugt. Während dieser letzten Phase
wird ein größerer Wasseranteil
angesaugt und durch eine herkömmliche
Abscheidungsanlage (nicht dargestellt) geleitet.
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Die
Vorrichtung kann im Dauerbetrieb oder im Intervallbetrieb mittels
einer Steuereinheit betrieben werden, die in Abhängigkeit von verschiedenen Messeinrichtungen
gesteuert wird, insbesondere in Abhängigkeit vom Wasserstand und
nach der Bedeutung der akustischen oder visuellen Warneinrichtungen
und der Fernsteuerung.
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- 1
- Oberes
Verbindungsprofil
- 2
- Kohlenwasserstoff-Ansaugrohr,
das ebenfalls als Gleitschiene für
den Schwimmer dient
- 3
- Öffnung des
Schwimmers zur Aufnahme der Kohlenwasserstoffe
- 4
- Verbindungsnut
im oberen Teil des Schwimmers an der Wasser/Kohlenwasserstoff-Schnittstelle
- 5
- Schwimmer
- 6
- Kohlenwasserstoff-Sammelrohr
(Sammelrohr)
- 7
- unteres
Verbindungsprofil mit Transferkanal zum Kohlenwasserstoff-Sammelrohr
- 8
- Transferkanal
zum zentralen Saugrohr
- 9
- Wasser-Saugrohr
zur Erzeugung einer zusätzlichen
Absenkung, dient ebenfalls als Gleitschiene für den Schwimmer
- 10
- Äußere Führungsnut
- 11
- Öffnung zur
Befestigung der Vorrichtung an einer Kette
- 12
- Flexibles
Saugrohr
- 13
- Brunnenpositionshaltekette
- 14
- Wasserstand
- 15
- schwimmende
Kohlenwasserstoffschicht
- 16
- zentrale
Sammeleinheit mit Vakuumbehälter
- 17
- Bodenhöhe
- 18
- nicht
gesättigter
Bereich
- 19
- gesättigter
Bereich
- 20
- Filterrohr
in der Bohrung