DE69231983T2

DE69231983T2 - Behandlungssystem für kontaminiertes Grundwasser

Info

Publication number: DE69231983T2
Application number: DE69231983T
Authority: DE
Inventors: David William Blowes; Carol Jane Ptacek
Original assignee: University of Waterloo
Current assignee: University of Waterloo
Priority date: 1991-03-04
Filing date: 1992-03-02
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2012-03-03
Also published as: CA2062204C; EP0502460B1; DE69231983D1; US5362394A; EP0502460A3; EP0502460A2; GB9104509D0; CA2062204A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Behandlung von Grundwasser zum Zwecke der Entfernung von im Wasser getragenen Kontaminierungen.

Hintergrund der Erfindung

Grundwasser in seiner natürlichen wasserführenden Schicht enthält viele Arten von Kontaminierungen. Wie klar wird, kann die Erfindung gegen eine Vielzahl von Kontaminierungen verwendet werden, aber die Erfindung wird hauptsächlich beschrieben, wie sie sich auf die Behandlung von Kontaminierungsarten bezieht, die aus den Schlammrückständen hervorgehen, die dem Grubenabbau zugeordnet sind.
Die herkömmliche Weise, durch welche Kontaminierungen behandelt worden sind, hat die Entfernung des Grundwassers von der wasserführenden Schicht und die Behandlung des Wassers in einer über der Erde angeordneten Behandlungseinrichtung, wie z.B. Filtern, Chemikalien usw., in der erforderlichen Weise eingeschlossen. Dem behandelten Wasser kann der Wiedereintritt in die wasserführende Schicht gestattet werden oder das Wässer kann zu einem Strom oder einer anderen Drainageeinrichtung weggeführt werden.
Bei den unterschiedlichen Arten des herkömmlichen Behandlungsprozesses kann der Prozeß so sein, daß die Kontaminierung hereingewonnen wird und unschädlich gemacht wird oder der Prozeß kann einfach die Materialien aus dem Wasser herausziehen und das Kontaminierungsmaterial selbst intakt belassen, in welchem Fall das Material weiterhin eine Gefährdung bilden kann; die erstere Art des Prozesses ist natürlich bevorzugt.
Die Entfernung von Grundwasser aus seiner natürlichen wasserführenden Schicht in einem großen Umfang ist enorm teuer. Die Erfindung zielt auf die Vorgabe eines praktischen ökonomischen Systems, wobei Grundwasser gegen eine große Vielzahl von Kontaminierungen behandelt werden kann, während das Wasser an Ort und Stelle verbleibt, d.h. innerhalb seiner natürlichen wasserführenden Schicht.

Allgemeine Merkmale der Erfindung

Bei der Ausübung der Erfindung wird zunächst eine Kontaminierung identifiziert und eine Wassersäule der Kontaminierung kartiert: Ihr Ausmaß, ihre Tiefe, ihre Geschwindigkeit und andere Charakteristiken werden festgestellt. Bei der Erfindung wird ein Graben oder eine andere Ausnehmung in dem Material der wasserführenden Schicht ausgehoben. In dem Aushub wird ein Körper aus biologisch oder chemisch aktivem Material angeordnet; aktiv bedeutet im Hinblick auf die spezielle Kontaminierung. Das Wesen des Materials, das in dem Aushub angeordnet wird, hängt von dem Wesen der Kontaminierung ab, deren Behandlung erwünscht ist und spezifische Beispiele werden unten erläutert.
Der Ort und die Ausdehnung des Grabens und des darin angeordneten aktiven Materials sind dergestalt, daß die Wassersäule der Kontaminierung durch das Material verläuft. Die Erfindung gibt somit eine Wand oder einen Vorhang aus aktivem Material vor, durch welchen die Wassersäule verläuft.
Bei der Erfindung ist die Permeabilität des in dem Graben angeordneten aktiven Materials dergestalt, daß das Grundwasser in seinem Fluß durch das Material und durch den Graben nicht nachteilig behindert wird. Das fließende Grundwasser verläuft durch den das aktive Material umfassenden Vorhang und der Vorhang sollte selbst keine Barriere bilden, die den Fluß von dem Vorhang weg verteilt.
Ein wasserführende Schicht, die fließendes Grundwasser enthält, umfaßt allgemein eine Sand/Kies-Komponente und besitzt eine wesentliche Durchlässigkeit; das in dem Graben angeordnete aktive Material sollte vorzugsweise keine größere Behinderung gegen den Grundwasserfluß vorgeben, als dies das umgebende Material der wasserführenden Schicht tut.
Bei der Erfindung ist das besagte aktive Material vorzugsweise in dem Sinn aktiv, als das Material die aktuelle chemische oder biochemische Hereingewinnung oder Transformation der Kontaminierung fördert oder an dieser teilnimmt. Die Erfindung gibt keinen Materialkörper in der ausgehobenen Ausnehmung vor, der einfach z.B. als ein Filter arbeitet, oder in einer anderen chemisch ganz passiven Weise, die die Kontaminierung intakt beläßt. Die Erfindung umfaßt in ihrem breitesten Rahmen die Verwendung eines Materials, das in dem Sinne aktiv ist, daß die Gegenwart von Material die Kontaminierung veranlaßt, eine weniger lösliche Form einzunehmen, wobei die Kontaminierung in dem Material ausfällt. Die Erfindung liegt in der Vorgabe eines Materials, das in dem Sinn aktiv ist, daß das Material die chemische Hereingewinnung oder Transformation der Kontaminierung in eine weniger lösliche Phase verursacht oder unterstützt.
In dieser Beschreibung ist "Transformation" ein allgemeiner Ausdruck, der sich auf eine Veränderung einer anorganischen oder organischen chemischen Substanz oder Mischung in eine unterschiedliche Form bezieht, was z.B. während einer Reduktion oder einer Oxidationsreaktion auftritt. Der Ausdruck "Hereingewinnung" wird verwendet, um extremere Reaktionen darzustellen, die irreversibel sind und die zu der vollständigen oder teilweisen Aufspaltung einer Mischung führen kann.
Ein Hauptfaktor der Erfindung liegt darin, daß das Wasser in der Erde verbleibt; dies bedeutet nicht nur, daß der Aufwand der Herausnahme des Wassers aus der Erde vermieden wird, sondern bedeutet ebenfalls, daß das Wasser nicht der Atmosphäre ausgesetzt wird - weder vor noch während der Behandlung. Die Erfindung ist daher besonders nützlich im Hinblick auf jene chemischen und biologischen Prozesse, die erfordern, daß sie unter anaerobischen Bedingungen stattfinden.
Die Erfindung ist ebenfalls besonders nützlich im Hinblick auf die Behandlung von Kontaminierungen im Grundwasser, welche flüchtig sind und in die Atmosphäre entweichen, wenn das Wasser freiliegt. Die Substanzen, die in die Atmosphäre aus solchen flüchtigen Bestandteilen eintreten, können oftmals krebserregend sein. Die Herausgewinnung solcher Kontaminierungen unterhalb der Erde vor dem Freilegen ist daher vorzuziehen.
Die Erfindung kann daher bei der Förderung von Reaktionen in der Erde angewendet werden, wobei die Reaktion selbst nicht dadurch beeinflußt wird, ob sie unter der Erde stattfindet oder nicht: der Nutzen in diesem Fall ist die große Ersparnis an Aufwand dadurch, daß das Wasser nicht aus der Erde entnommen werden muß. Es sei berücksichtigt, daß bei der Erfindung keine Pumpe erforderlich ist, um das Wasser durch die Behandlungseinrichtung zu bewegen, da die Schwerkraft und natürliche Grundwasserbewegungen eine "natürliche Pumpe" bilden. Die Erfindung gibt eine Einrichtung vor, wobei von der "natürlichen Pumpe" vorteilhaft Gebrauch gemacht werden kann.
Es sei vermerkt, daß der Effekt der "natürlichen Pumpe", wie er gerade beschrieben wurde, aufgrund der Lage des Landes entsteht und aufgrund der Natur der Quelle und des Zieles des durch die wasserführende Schicht verlaufenden Grundwassers. Ein Faktor, der die "natürliche Pumpe" beeinflussen kann, ist die Gegenwart einer Quelle, auch dann natürlich, wenn die Quelle selbst nicht natürlich ist. Eine städtische Wasserversorgungsquelle z.B. kann den Pegel des Wasserfeldes und die Größe und Richtung von Grundwassergeschwindigkeiten tatsächlich in Meilen um die Quelle beeinflussen.
Nachdem einmal das aktive Material in einem Graben oder, einer Ausnehmung, wie bei der Erfindung angeordnet ist, kann gewöhnlicherweise angenommen werden, daß das Material niemals daraus entfernt wird (obgleich eine geplante Entfernung bei einigen Kontaminierungen und in einigen Fällen erforderlich sein kann. Dieser Aspekt steht im Gegensatz zu Behandlungssystemen, die oberhalb der Erde stattfinden. Oberhalb der Erde ist es nicht nur der Fall, daß viele der Operationsparameter unter der genauen Kontrolle der Ingenieure stehen, sondern es ist speziell der Fall, wenn die Behandlung oberhalb der Erde stattfindet, daß das Material, durch welches das Grundwasser verläuft, entfernt und entsorgt und mit frischem Material ersetzt werden kann.
Es sei vermerkt, daß, wenn die Grundwasserkontaminierung durch Verlauf des Grundwassers durch Material, das in einem Graben in der Erde enthalten ist, zu behandeln ist, wie dies bei der Erfindung der Fall ist, daß dann das in dem Graben angeordnete Material vorzugsweise kein Material sein sollte, das einfach wirkt, um die Kontaminierung aus dem Grundwasser zu entziehen, z.B. durch Adsorption, ohne die Kontaminierung herauszugewinnen oder zu transformieren. Ein Adsorptionsprozeß ist geeigneter für Behandlungen über der Erde, wo, wenn sich die Kontaminierung in dem Material aufgebaut hat, das Material abgelagert werden kann und frisches Material hinzugefügt wird.
Es sei jedoch vermerkt, daß bei der Erfindung, wo das Material wirkt, um eine tatsächliche chemische Herausgewinnung oder eine Oxidations/Redukfions- Transformation oder Transformation zu einem weniger löslichen Zustand der Kontaminierung zu fördern oder zu veranlassen, ein Adsorptionsmaterial in dem Graben hinzugefügt werden kann und mit dem chemisch aktiven Material in dem Graben gemischt werden kann; das Adsorptionsmaterial dient zur Verlangsamung der Geschwindigkeit der Kontaminierung durch den Graben, wodurch die Verweilzeit der Kontaminierung in dem Graben erhöht wird und hierdurch die Vollständigkeit der Herausgewinnung oder Transformation der Kontaminierung durch das aktive Material verbessert wird.
Wie erwähnt, ist das in dem Graben anzuordnende Material vorzugsweise kein reiner Absorber der Kontaminierung. Adsorption selbst wird nicht bei einer Behandlung in der Erde bevorzugt. Wenn ein Adsorber zu benutzen ist und wenn die Kontaminierung im Ausmaß unbestimmt ist, so wird mit Verstreichen der Zeit die Adsorptionskapazität des Adsorbers erschöpft und verliert seine Wirksamkeit; wenn andererseits die Kontaminierungswassersäule als mit begrenztem Ausmaß bekannt ist, und daß reines Wasser nach der Wassersäule folgt, so kann die Kontaminierung, die adsorbiert wurde, als die konzentrierte Wassersäule durch den Adsorber verlief, graduell in das reinere Wasser freigegeben werden, das folgt.
Bei einer Behandlung in der Erde verbleibt das Material in der Erde und in den meisten Fällen verbleibt es praktisch dort für immer: Allgemein ist daher die Erfindung weniger bevorzugt in Fällen, wo die Kontaminierung intakt verbleibt, da die Kontaminierung u. U. erneut in das Grundwasser freigegeben wird. Die Adsorption und andere Systeme, die die Kontaminierung nicht hereingewinnen oder transformieren, sollten vorzugsweise über der Erde verwendet werden, wo das mit der Kontaminierung ausgefällte Material entsorgt werden kann.
Es sei vermerkt, daß, wenn die Erfindung in den bevorzugten Anwendungsfällen verwendet wird, tatsächlich keine Kontaminierungen und toxischen Substanzen zu entsorgen sind.
Es kann geschehen, daß, wenn eine Substanz in einem Material ausgefällt wird, das Material weniger porös wird. Bei der Erfindung sollte die Auswahl des Materiales in bezug auf die Kontaminierung dergestalt sein, daß Ausfällungen das Material nicht veranlassen, bedeutend weniger durchlässig zu werden als das Material der umgebenden wasserführenden Schicht, da dann die Wassersäule des kontaminierten Grundwassers das Bestreben haben würde, sich um den Vorhang zu verteilen.
Viele ausgefällte Substanzen haben tatsächlich das Bestreben, sich in den Öffnungen des Vorhanges aus Material in dem Graben anzusammeln; wo dies angetroffen wird, sollte der Ingenieur Sorge tragen, das aktive Material mit einem guten Verhältnis aus Sand/Kies oder ähnlichem zu mischen, um sicherzustellen, daß die Porosität des Vorhangs immer größer als die Porosität des Materials der wasserführenden Schicht verbleibt.
Als eine allgemeine Regel ist es immer leichter für den Ingenieur, eine Reaktion zu steuern, die über der Erde stattfindet als eine Reaktion, die in oder unter der Erde stattfindet. In der Erde kann die Temperatur praktisch nicht eingestellt werden, noch kann es der pH-Wert oder viele andere Faktoren, die einfach genug zu überwachen und einzustellen sind bei einer Behandlungseinrichtung über der Erde. Es wird jedoch durch die Erfindung erkannt, daß bestimmte chemische und mikrobiologische Reaktionen und Prozesse unter der Erde hervorgerufen werden können und die Hereingewinnung von durch das Grundwasser getragenen Kontaminierungen veranlassen können.
Die Patentveröffentlichungen US-4664809, EP-383109, WO-9108176, GB- 2219617, DE-19 34 170, NL-8401772 und GB-2185901 können als relevant für die Erfindung angesehen werden. Die unterscheidenden Charakteristiken der Erfindung sind wie hier beschrieben und beansprucht und kurz gesagt, gibt die Erfindung einen in der Erde angeordneten "Redox-Vorhang" vor, der dazu dient, die gelöste Kontaminierung in dem verlaufenden Grundwasser durch chemische Transformation in eine sich ergebende Substanz hereinzugewinnen, die im wesentlichen unlöslich ist und die ausfällt oder auf dem Material bei der Behandlung in der Erde abgelagert wird, wo sie verbleibt.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles

Im Wege der weiteren Erläuterung der Erfindung sei nunmehr eine beispielhafte Ausführung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine wasserführende Schicht ist, in welcher das Behandlungssystem der Erfindung eingeschlossen ist;
Fig. 2 ein vertikaler Querschnitt der wasserführenden Schicht von Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Querschnitt entsprechend Fig. 2 ist, aber eine andere wasserführende Schicht zeigt und ebenfalls einen Schlammrückstand zeigt;
Fig. 4 ein Querschnitt entsprechend Fig. 2 ist, aber eine andere wasserführende Schicht zeigt.
Die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten und unten beschriebenen Systeme sind Beispiele, die die Erfindung beinhalten. Es sei vermerkt, daß der Rahmen der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist und nicht notwendigerweise durch spezifische Merkmale der beispielhaften Ausführungen.
Die Art der wasserführenden Schicht 2, mit welcher sich die Erfindung befaßt, umfaßt oder beinhaltet gewöhnlicherweise Sand/Kies oder ähnliches und ist für Grundwasser durchlässig. Natürliche Grundwasser-Druckgradienten liegen in der wasserführenden Schicht vor, wobei sich das Grundwasser natürlich durch die wasserführende Schicht mit einer chrakteristischen Geschwindigkeit V in einer charakteristischen Richtung bewegt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Unter natürlichen Bedingungen ist das sich bewegende Grundwasser gewöhnlich gegen einen Fluß oder Strom gerichtet, obgleich das Vorliegen einer Quelle oder einer anderen wasserabziehenden Einrichtung den natürlichen Fluß beeinflussen kann.
Wenn festgestellt wird, daß das Grundwasser kontaminiert ist, so führt der Ingenieur Testbohrungen und andere Messungen aus, um das Ausmaß der Wassersäule 3, die Natur und die Konzentration der darin enthaltenen Kontaminierungen, die Richtung und Geschwindigkeit des Grundwasserflusses festzustellen und in welchem Ausmaß die Bewegung der Kontaminierungen in dem Grundwasser verzögert ist usw.. Er notiert ebenfalls den Pegel des Wasserfeldes und berücksichtigt saisionale Veränderungen in der Ausfällung usw.. Aus diesen Messungen legt der Ingenieur den besten Ort fest, an welchem die Wand oder der Vorhang des aktiven Materials anzuordnen ist, wobei es die Absicht des Ingenieurs ist, sicherzustellen, daß im wesentlichen das gesamte kontaminierte Wasser zu allen Jahreszeiten durch den Vorhang verläuft.
Die Wand 4 aus aktivem Material ist in dem in Fig. 1 veranschaulichten Fall in einem Graben 5 angeordnet, der nach unten vertikal in das Material 2 der wasserführenden Schicht ausgehoben worden ist.
Die Erfindung ist besonders nützlich, wenn die Forderung besteht, daß der Körper aus aktivem Material 4 unter anaerobischen Bedingungen zu halten ist, um die Reaktion stattfinden zu lassen, die zu der Hereingewinnung oder Behandlung der Kontaminierung führt. Allgemein wird in solchen Fällen jeder Teil des aktiven Materials, der der Luft ausgesetzt ist, einfach oxidieren und somit verschwendet werden im Hinblick auf seine Fähigkeit, die Kontaminierung zu beeinflussen. Daher muß das Material gegen den Zugang der Atmosphäre isoliert werden.
Eine der einfachsten Weisen, den Körper aus aktivem Material anaerobisch zu halten, liegt in der Anordnung des Körpers aus aktivem Material unterhalb des Wasserfeldes T (in Fig. 2). Es sei vermerkt, daß der Pegel des Wasserfeldes variiert und ein geeigneter Zuschlag sollte hierfür gemacht werden, wenn das aktive Material nicht in Kontakt mit der Luft kommen soll: Andererseits wird allgemein der Körper aus aktivem Material nicht ungebührlich durch ein kurzlebiges Freiliegen, z.B. aufgrund einer saisonalen Trockenheit, beeinflußt.
Ein Schlammrückstand 7 (Fig. 3) für eine Mine kann viele Hektar einnehmen und kann einige Meter tief sein. Während die Mine in Betrieb ist, verbleiben die Rückstände allgemein unter Wasser. Wenn die Schlammablagerung beendet ist, fällt das Wasserfeld in dem Bereich des Rückstandes allmählich; die endgültige Gleichgewichtsposition des Wasserfeldes ist bei TF gezeigt.
Wie gezeigt, enthalten die Schlammrückstände 7 einen großen Anteil aus Eisensulfid (Pyrit). Das Pyrit formt einen Körper 9, durch welchen Regenwasser und andere Ausfällungen verlaufen. Wenn der Körper aus Pyrit unter dem Wasser verbleibt (wie es der Fall war, als die Schlämme abgelagert wurden), kann kein Sauerstoff in das Pyrit gelangen; das Pyrit verbleibt in diesem Fall inaktiv und Wasser, das durch das untergetauchte Pyrit verläuft, hat das Bestreben, irgendwelche Säuren aufzunehmen.
Wenn jedoch der Körper aus Pyrit 9 an der Atmosphäre freiliegt, beginnen Eisensulfide zu oxidieren und geben Eisen und Sulfat frei. Andere Metalle können ebenfalls aufgrund der Oxidation freigegeben werden, wie z.B. Zink, Blei, Kupfer, Arsen, Quecksilber, Kobalt, Nickel und Selen. Abfließendes Wasser, das durch den Körper 9 der abgelagerten Schlämme verläuft, enthält daher nunmehr z.B. Eisen, welches speziell später, wenn das Wasser in einen Strom oder Fluß eintritt, dazu führen kann, daß das Wasser saurer wird als toleriert werden kann.
Wenn das Pyrit sich in den Schlämmen unter Wasser befindet, kann das Pyrit nicht oxidieren und ausgefälltes Wasser infiltriert und verläuft durch die untergetauchten Schlämme im wesentlichen, ohne beeinflußt zu werden. Wenn aber das ausgefällte Wasser durch Schlämme verläuft, die der Atmosphäre ausgesetzt sind, so nimmt das ablaufende Wasser Eisen auf. Wenn solches Wasser freiliegt, finden weitere Reaktionen statt, die seine Säurehaltigkeit erhöhen.
Es sei vermerkt, daß ablaufendes Wasser, das durch freiliegende Schlämme verlaufen ist, vorzugsweise behandelt werden soll, während sich das Wasser noch in der wasserführenden Schicht befindet, und bevor es die Atmsophäre erreichen und bevor es in einen Fluß oder Strom eintreten kann.
Es ist vorgeschlagen worden (GB-2219617 A, Blowes at al. Dezember 89), daß Wasser, das in dieser Weise kontaminiert worden ist, behandelt werden kann durch Durchführung des Wassers durch einen Körper aus organischer Kohle. Unter den richtigen Bedingungen kann die mögliche Säurehaltigkeit durch biologische/biochemische Reaktionen entfernt werden, bei welchen das Sulfation zu einem Sulfidion reduziert wird. Diese Sulfidionen bilden sodann Metallsulfidmischungen, die leicht ausfallen. Die ausgefällten Sulfide entfernen somit gelöste Metalle, wie z.B. Eisen, Zink, Blei, Arsen, Quecksilber usw. aus dem Grundwasser, welches sowohl die Gefahr der Säureerzeugung als auch die Gefahr der Freigabe von toxischen Metallen in Ströme und Flüsse vermindert. Die ausgefällten Sulfide sind unschädlich, solange sie niemals der Atmosphäre ausgesetzt werden (ebenso wie die Sulfide in dem ursprünglichen Schlammkörper).
Die Reduktion der Sulfationen, die beim Vorliegen von organischer Kohle stattfindet, ist eine vorherrschende mikrobiologische Reaktion. Die Mikroorganismen, die wirksam sind, um Sulfationen zu reduzieren, sind nur unter strengen anaerobischen Zuständen lebensfähig und daher ist es wichtig, daß die organische Kohle und das Wasser gegen atmosphärischen Sauerstoff isoliert bleiben.
In Fig. 3 ist ein Teil des Schlammkörpers 9 freiliegend geworden und es ist festgestellt worden, daß durchfließendes Wasser, das aus dem Schlammkörper austritt, kontaminiert ist.
Das Ausmaß, die Geschwindigkeit, die Tiefe usw. der Wassersäule 10 des kontaminierten durchfließenden Wassers wird kartiert, wie zuvor beschrieben.
Ein Graben 12 wird in dem Weg der Wassersäule 10 ausgehoben. Ein Körper 13 aus organischem Kohlenstoff wird in dem Graben angordnet. Die Anordnung des Grabens und der organischen Kohle ist dergestalt, daß im wesentlichen das gesamte kontaminierte Wasser durch den organischen Kohlenstoff verläuft.
Die Permeabilität des Körpers aus organischem Kohlenstoff 13 sollte so sein, daß das Wasser nicht daran gehindert wird, durch den Körper aus Kohlenstoff zu fließen: Allgemein sollte die Permeabilität des Körpers aus organischem Kohlenstoff nicht geringer als die Permeabilität des Materials der umgebenden wasserführenen Schicht sein. Die Erfindung sieht einen Vorhang aus aktivem Material vor. Es ist wichtig bei der Erfindung, daß der Vorhang nicht als eine Barriere wirkt; der Vorhang sollte nicht oder wenigstens nicht in irgendeinem wesentlichen Maß das Bestreben besitzen, den Wasserfluß in der wasserführenden Schicht um den Vorhang anstatt durch den Vorhang zu verteilen.
Der organische Kohlenstoff kann in einer solchen Form sein, wie er an Ort und Stelle leicht zugänglich ist. Manchmal ist Holz von örtlichen Bäumen geeignet. Das Holz sollte in kleine Stücke von z.B. 1 bis 5 cm³ Volumen zerhackt sein, um die biologischen Reaktionen am besten zu fördern.
Es ist ein Vorteil des beschriebenen Systems, daß, da der Graben in dem Material der wasserführenden Schicht ausgehoben wird, es einfach ist, sicherzustellen, daß das Grundwasser beim Durchlauf durch den Graben von der Atmosphäre isoliert verbleibt, wie dies der Fall ist, wenn der Graben nicht vorhanden wäre. Das System vermeidet nicht nur den Aufwand der Entfernung des Grundwassers aus der wasserführenden Schicht; das System kann ebenfalls die Möglichkeit des Freisetzens des Wassers an Luft vermeiden.
Die Menge an Holz, die erforderlich ist, um das Wasser zu behandeln, kann sehr groß sein. In dem Fall von Pyritschlämmen kann theoretisch die Masse an erforderlichem Holz so groß wie die Masse der Schlämme sein; aber oftmals sind die nachteiligsten Formen der Reaktionen nicht vorhanden und es kann weniger Holz als das theoretische Maximum vorgesehen sein.
Manchmal ist Holz nicht die geeignetste Quelle von organischem Kohlenstoff für die Behandlung von Wasser, das kontaminiert worden ist durch Verlauf durch freiliegende Sulfide. Andere Quellen umfassen Seegras, organischen Müll usw.. Der Ingenieur muß sehen, daß geeignete Bedingungen der Temperatur, des pH- Wertes, der Menge und der Art von organischem Kohlenstoff usw. für die Mikroorganismen vorgesehen sind.
Das Wasser, das aus dem Vorhang austritt, kann getestet werden, um festzustellen, wie erfolgreich der Vorhang bei der Entfernung der Kontaminierung war. Wenn es sich herausstellt, daß einige Kontaminierungen noch in dem austretenden Wasser vorliegen, kann ein weiterer Graben stromabwärts im Weg des austretenden Wassers ausgehoben werden.
Dieser Aspekt des Verfahrens kann wirtschaftlich sein. Die beschriebene Behandlungsprozedur beinhaltet den Aushub des Materials in der wasserführenden Schicht, die Anordnung eines Körpers aus aktivem Material in dem Aushub und die Durchführung des Grundwassers durch den Körper aus aktivem Material. Eine bestimmte Masse aus aktivem Material wird augenscheinlich benötigt, um das Wasser geeignet zu behandeln: Zu wenig aktives Material und es wird nicht das gesamte Wasser behandelt; zu viel aktives Material und das Verfahren ist nicht ökonomisch. Andererseits können die Behandlungsreaktionen manchmal in einer Anzahl unterschiedlicher Weisen fortschreiten, wobei einige von ihnen eine größere Masse an aktivem Material als andere erfordern.
Bei einigen Arten von Behandlungssystemen (z.B. das oben erwähnte Blowes- System) ist es schwierig, anschließend zurückzugehen und mehr aktives Material hinzuzufügen, wozu der Ingenieur berechtigt ist, wenn er wesentlich mehr aktives Material als die theoretisch minimale Menge vorgibt. Dies gestattet einen Spielraum für unvorhergesehene nachteilige Reaktionen und Zustände.
Das Behandlungssystem, wie es hier beschrieben wird, kann aber sehr ökonomisch von dem Standpunkt aus sein, als sein Entwerfer nur die theoretisch minimale Menge an aktivem Material vorgeben muß; wenn es sich herausstellt, daß mehr Material als das strikte Minimum benötigt wird, hebt der Ingenieur später einfach einen weiteren Graben aus und bildet einen zweiten Vorhang aus aktivem Material in Reihe zu dem ersten Vorhang. Die Sonderkosten des späteren Aushubs eines zweiten Grabens und das Vorsehen des zweiten Vorhangs ist kaum teurer als das Vorsehen dieses zweiten Vorhangs gleichzeitig mit dem ersten Vorhang. Daher verursacht es wenig Kosten, wenn der Ingenieur die Entscheidung verzögert, ob der zweite Vorhang überhaupt vorzusehen ist. Irgendwelche Extrakosten, die der Verzögerung zugeordnet sind, werden mehr als kompensiert durch die Tatsache, daß der erste Vorhang nunmehr nur eine minimale Menge an aktivem Material enthalten muß. Oftmals wird der Ingenieur in der Lage sein, mit nur dieser minimalen Menge auszukommen. Es ist nicht schwierig für den Ingenieur festzustellen, wie erfolgreich die Behandlung aufgrund des ersten Vorhangs gewesen ist.
Alternativ kann im voraus entschieden werden, einen zweiten Vorhang in jedem Fall vorzusehen. Der zweite Vorhang kann z.B. ein unterschiedliches aktives Material enthalten, das aus irgendeinem Grund nicht mit dem ersten aktiven Material gemischt werden darf.
Ebenso kann sich die Fähigkeit des aktiven Materials Wasser zu behandeln, mit der Zeit abschwächen. Wenn weiteres aktives Material benötigt wird, kann der Ingenieur entscheiden, eine neue Aushebung und einen neuen Vorhang zu bilden oder das aktive Material aus der ersten Ausnehmung zu entfernen. Es wird allgemein nicht teurer sein, einen neuen Graben in dem Material der wasserführenden Schicht auszuheben, als das Material aus dem anfänglichen Graben herauszunehmen und zu ersetzen.
Manchmal ist es im voraus bekannt, was das Maximum der Menge an Kontaminierung beträgt: Zum Beispiel, wenn es erforderlich ist, eine bekannte Menge einer Kontaminationsflüssigkeit zu reinigen, die versehentlich in die Erde gespült wurde oder durch Leckage entwichen ist. In anderen Fällen, wie im Fall des beschriebenen Schlammteiches, ist die Menge der Kontaminierung und wie lange es braucht, um die Wassersäule der Kontaminierung zu erneuern, unbekannt; und manchmal stellt es sich später heraus, daß der Kontaminierung in einer anderen Weise zu begegnen ist, z.B. durch Abpumpen und Oberflächenbehandlung.
Der Vorteil des beschriebenen Behandlungsverfahrens liegt darin, daß das Verfahren sehr flexibel im Hinblick auf die Möglichkeit des Ingenieures ist, weitere Behandlungsschritte später hinzuzufügen, wenn sich solche Schritte als erforderlich herausstellen. Das Wesen des beschriebenen Behandlungsverfahrens ist dergestalt, daß es kaum teurer ist, später weitere Vorhänge aus aktivem Material an einer bestimmten Stelle hinzuzufügen, als es der Fall sein würde, ursprünglich einen umfangreichen Vorhang zu bilden. Somit ist nur eine kurzfristige minimale Behandlungsmöglichkeit zu irgendeiner speziellen Stufe vorzusehen. In diesem Sinne ist das Behandlungssystem modular insofern, als das System in Stufen erforderlichenfalls erweitert werden kann und jeder Schritt unabhängig wirksam ist.
Das in bezug auf Fig. 3 beschriebene System ist beabsichtigt zur Behandlung von Wasser, das durch freiliegenden Pyrit (Eisensulfid) verlaufen ist und das demzufolge einen möglichen Säuregehalt aufgenommen hat. Tatsächlich ist FeS&sub2; selbst ein Reduktionsmittel und in Fällen, wo die Kontaminierung von der Art ist, die durch die Wirkung irgendeines starken Reduktionsmittels herausgewonnen wird, kann der Körper des aktiven Materials, das in der Ausnehmung im Weg der Wassersäule angeordnet ist, ein Körper aus Pyrit sein. Aus den bereits beschriebenen Gründen muß das Pyrit in der Ausnehmung natürlich an dem Kontakt mit der Atmosphäre gehindert werden. Wenn natürliches Eisen verfügbar ist, so kann dieses ebenfalls als ein Reduktionsmittel dienen.
Die Oxidation von Pyrit, das bei diesen Reduktionsreaktionen verwendet wird, hat das Bestreben, Säure zu erzeugen. Um dies zu vermeiden, kann das Pyrit mit einem pil-Puffermaterial, wie z.B. Kalzit CaCO&sub3; gemischt werden, welches dazu dient, vorteilhaft den pH-Wert des behandelnden Grundwassers anzuheben, das aus dem Vorhang austritt.
Die Erfindung kann ebenfalls in dem Fall verwendet werden, wo die Herausgewinnung der Kontaminierung im Oxidieren der Kontaminierung anstelle von deren Reduzierung liegt. In diesem Fall wird die Reaktion durch einen Überschuß an Oxidiermittel in dem Wasser gefördert. Der (poröse) Körper des aktiven Materials kann in einem solchen Fall solche Oxidationsmittel, wie Fe(OH)&sub3; oder MnO&sub2; umfassen oder enthalten.
Die Erfindung kann in einigen Fällen verwendet werden, wo die Kontaminierung ein relativ elektroaktives chemisches Material ist, wie z.B. ein Oxid von Chrom, Selen, Arsen oder Mangan. Hier umfaßt die Wand oder der Vorhang (Fig. 4) einen Körper aus FeS&sub2;, natürlichem Eisen oder einem anderen Reduktionsmittel. Eine Matrix von Kalzit kann in dem Vorhang eingeschlossen sein, um den pH- Wert des austretenden Grundwassers anzuheben; ein zweiter Graben kann stromabwärts vorgesehen sein und das Kalzit enthalten.
Der Effekt ist, daß die Metalle als Hydroxide in oder nahe eines der Vorhänge ausgefällt werden. Diese unlöslichen Hydroxide verbleiben sodann (schadlos) stationär, wo sie abgelagert werden. Es sei aus Fig. 4 vermerkt, daß eine Pumpquelle stromabwärts von dem Vorhang angeordnet werden kann. Solch eine Quelle kann z.B. nützlich sein, wenn es erwünscht ist, einen Druckgradienten unterhalb der Erde zu bilden, um die Wassersäule in den Vorhang zu ziehen. (Es sei vermerkt, daß der Aufwand des Vorsehens einer Pumpquelle zusammen mit dem Graben gering ist im Vergleich zu dem Aufwand des Pumpens des kontaminierten Wassers aus der Erde zur Behandlung auf der Oberfläche.)
Das System sieht eine poröse Wand oder einen Vorhang aus chemisch oder biochemisch aktivem Material vor, die im Weg einer Wassersäule mit Kontaminierung installiert wird, welche unterhalb der Erde in einer wasserführenden Schicht wandert. Die poröse Wand ist in einer Aufnahme (z.B. einem Graben) installiert, die in dem Material der wasserführenden Schicht ausgehoben worden ist. Das poröse Material innerhalb der Ausnehmung kann ein Oxidationsmittel oder ein Reduktionsmittel umfassen, in Abhängigkeit von dem Wesen der Kontaminierung. Wenn das aktive Material ein Reduktionsmittel ist, so ist es wichtig, daß das Material gegenüber dem atmosphärischen Sauerstoff isoliert ist; vorzugsweise ist die Ausnehmung so angeordnet, daß das aktive Material unterhalb des Wasserfeldes liegt.
Die Erfindung beinhaltet eine Einstelllung des Reduktions/Oxidations (Redox)- Potentials des in der Erde fließenden Grundwassers durch Durchführung des Wassers durch den Vorhang aus porösem aktiven Material. Unabhängig davon, ob das aktive Material ein Oxidationsmittel oder ein Reduktionsmittel ist, liegt ein Hauptnutzen der Erfindung darin, daß die Behandlung an Ort und Stelle ausgeführt wird, d.h., ohne daß das Wasser aus der Erde herausgenommen werden muß.
Obgleich das in der Ausnehmung angeordnete Material chemisch oder biochemisch aktiv ist, ist das System als Ganzes nahezu vollständig passiv in dem Sinn, daß keine Personen oder Einrichtungen erforderlich sind, um das System in irgendeiner Weise zu "betreiben" (mit Ausnahme des Betriebs der wahlfreien Pumpquelle, wenn diese vorgesehen ist, wie in Fig. 4 gezeigt).
Obgleich die Erfindung weitgehendst so gesehen werden kann, daß sie irgendeine Einstellung des Redox-Potentials zur Behandlung eines ganzen Bereichs von Kontaminierungen umfaßt, ist die Erfindung besonders nützlich bei der Eliminierung eines möglichen Säuregehalts in dem Grundwasser, das durch freiliegenden Pyrit durchgetreten ist. Das bevorzugte aktive Material ist in diesem Fall organischer Kohlenstoff.
Die meisten Minen-Schlammablagerungen enthalten als eine historische Tatsache keine Vorkehrung in der Ablagerung, um zu verhindern, daß ein Säuregehalt, der aus dem Eisen entsteht, in das ausfließende Grundwasser entritt, und es steht nahezu außer Frage, aus Kostengründen hinzugehen und eine aktive chemische Substanz in den Schlammkörper innerhalb der Ablagerung in irgendeiner Art von wirksamer Großbetriebsweise zu mischen.
Es sei berücksichtigt, daß die Erfindung mit Vorteil von der Tatsache Gebrauch macht, daß sich das Grundwasser durch die Erde mit einer natürlichen Geschwindigkeit bewegt: In einem Sinne der Erfindung präsentiert sich das Grundwasser automatisch selbst dem Vorhang zur Behandlung, und die Erfindung vermeidet daher den verschwenderischen Aufwand, entweder zu dem Wasser zur Behandlung innerhalb der Ablagerung zu gelangen oder das Grundwasser aus der Erde zur Behandlung zu entfernen.
Neben diesem Vorteil kann ungeachtet der Tatsache, daß die beschriebenen Systeme betriebsmäßig passiv sind, die Erfindung vorsehen, daß die Kontaminierung aus dem Grundwasser entfernt wird und als relativ unlösliche Substanz ausgefällt wird.
Der Graben oder eine andere Ausnehmung, die in dem wasserführenden Schichtmaterial ausgehoben wird, ist von einem solchen Ausmaß, daß die gesamte Wassersäule der Kontaminierung durch das aktive Material verläuft. In einem typischen Fall kann der Graben z.B. 50 m lang sein. In einem anderen Fall kann er 2 km lang sein. Allgemein sollte der Graben und der Vorhang vorzugsweise bis auf den Boden der betroffenen wasserführenden Schicht reichen, d.h. nach unten bis zu dem undurchlässigen Grundfels, Ton usw., der unterhalb der Sand/Kies-Schicht usw. der wasserführenden Schicht liegt oder nach unten unterhalb der Tiefe der durch die Kontaminierung beeinflussten wasserführenden Schicht.
In Abhängigkeit von dem Wesen der Kontaminierung, ihrer Geschwindigkeit und anderer Parameter kann es in einem besonderen Fall bevorzugt sein, daß der Vorhang die kontaminierte Wassersäule umgibt.
Die Weise des Aushubs des Grabens oder der Ausnehmung wird hauptsächlich durch solche Faktoren wie das Wesen der wasserführenden Mateialschicht, die Zugänglichkeit des Ortes für schwere Ausrüstung usw. festgelegt. Gewöhnlicherweise kann ein Graben in einem wasserführenden Schichtmaterial nach unten bis zu einer geeigneten Tiefe (20 oder 30 m, falls erforderlich) unter Verwendung einer Aushubmaschine vom Löffelbaggertyp ausgehoben werden. In diesem Fall wird die Breite des Grabens durch die Breite der Baggerschaufel festgelegt. Wasserführende Schichtmaterialien sind allgemein nicht selbsttragend speziell unterhalb des Wasserfeldes, so daß es vorzuziehen ist, jene Arten von Grabtechniken zu verwenden, bei denen das Einfüllmaterial im gleichen Durchlauf wie die Grabbewegung des Baggereimers installiert wird.
Kleine örtliche Aushöhlungen, die dazu führen, daß das wasserführende Schichtmaterial mit dem aktiven Material gemischt wird, sind nicht von Bedeutung: Es gibt keine spezielle Notwendigkeit, eine scharfe Trennung zwischen dem Körper aus aktivem Material in dem Graben und dem Material der umgebenden wasserführenden Schicht beizubehalten. Aushöhlungen, die auftreten können, während der Graben ausgehoben wird, können ein Problem insofern sein, als eine Aushöhlung das aktive Material von einem Bereich des Grabens in dem Maß ausschießen kann, daß der Ingenieur befürchten muß, daß der Vorhang Löcher in sich aufweist; in diesem Fall kann er festlegen, daß ein poröseres aktives Material verwendet wird: Somit hat das Grundwasser das Bestreben, vorzugsweise durch den Vorhang anstelle durch die Löcher in dem Vorhang zu verlaufen.
Bei einer alternativen Technik zum Aushub des Grabens können zwei beabstandete Wände in das wasserführende Schichtmaterial eingerammt werden; das wasserführende Schichtmaterial kann sodann zwischen den Wänden entfernt werden und mit dem aktiven Material ersetzt werden.
Drei Beispiele seien nun gegeben für praktische Grundwasser- Behandlungssituationen.
In jedem Beispiel besitzt die Wassersäule mit kontaminiertem Wasser ein Volumen, welches 500 m lang, 50 m breit und 30 m tief ist. (Die "Längs"- Abmessung repräsentiert die Geschwindigkeitsrichtung der Wassersäule.) Die Porosität usw. der wasserführenden Schicht ist dergestalt, daß die wasserführende Schicht 30 Vol.-% Grundwasser enthält. Somit beträgt das Volumen des kontaminierten Grundwassers 225 Millionen Liter, d.h. 225 000 m³.
In jedem Beispiel wird das aktive Material in einem Graben angeordnet, der im Weg der Wassersäule ausgehoben wird und der sich über die volle Querschnittsabmessung der Wassersäule erstreckt, wobei der Graben 50 m breit und 30 m tief ist.
Der Graben muß in den Beispielen 50 m · 30 m tief sein, um die gesamte Wassersäule abzudecken. Ein solcher Graben wird allgemein mittels eines Löffelbaggers ausgegraben und der Löffel einer Maschine, die in der Lage ist, 30 m nach unten zu graben, ist typischerweise 1 m breit. Daher ist die praktische Minimalbreite für den Graben 1 m, d.h. die Breite des Löffels. Somit ist es nicht praktisch, einen Graben vorzusehen, der schmaler als 1 m ist, zumindest dann nicht, wenn der Graben unter Verwendung eines herkömmlichen Löffelbaggers zu graben ist.
Es ist natürlich möglich, einen Graben auszuheben, der breiter als die Breite des Baggereimers ist. Ein wasserführendes Schichtmaterial besteht jedoch allgemein aus Sand und Kies, das mit Wasser gesättigt ist. Solch ein Material ist gänzlich nicht in der Lage, die (vertikalen) Wände eines Grabens abzustützen. Daher beinhaltet die Technik, die für die Aushebung eines Grabens in einem typischen wasserführenden Schichtmaterial verwendet wird, allgemein eine Einrichtung zum Anordnen des Füllmaterials in dem Graben zur gleichen Zeit, wo der Graben gegraben wird, wobei das Schichtmaterial niemals ausgehöhlt wird.
Es folgt bei einer solchen Technik, daß es praktischer ist, den Graben breiter als die Eimerbreite zu machen, als es der Fall sein würde beim Graben eines getrennten Grabens. Praktisch ausgedrückt, ist daher bei einem Graben, der in einem wasserführenden Schichtmaterial gegraben wird, die Breite des Grabens auf die Breite des Baggereimers mehr oder weniger begrenzt.
Wenn natürlich der Graben unter Verwendung einer Bohlwand-Auskleidung gebildet wird und sodann das wasserführende Schichtmaterial zwischen der Auskleidung entfernt wird, so entfallen die Einschränkungen bezüglich der Breite. Die Verwendung einer Bohlwand-Auskleidung ist jedoch sehr viel teurer.
Die Breite des Grabens in den Beispielen entspricht daher vorzugsweise der Breite des Baggereimers, typischerweise 1 m. Das Volumen des Grabens von 50 m · 30 m beträgt daher 1500 m³.

Beispiel 1: Grundwasser, kontaminiert mit Chromoxid, Reduktion der Kontaminierung durch Eisenpyrit

Das kontaminierte Grundwasser enthält eine Konzentration von in einem typischen Beispiel 10 mg Chrom (in der Form von löslichem Chromoxid Cr&sub2;O&sub7;&submin;&submin;) pro Liter Wasser. Die Gesamtmasse des Chroms in der gesamten Wassersäule beträgt 2250 kg, d.h. 2,25 Tonnen Cr.
Die relevante Reaktion zur Reduzierung von Cr durch Pyrit kann vorgegeben werden durch:
5Cr&sub2;O&sub7;-- + 2FeS&sub2; + 19H&sub2;O 4SO&sub4;-- + 20H+ + 10Cr(OH)&sub3; + 2Fe(OH)&sub3;
Bei dieser Reaktion wird 1 Mol Cr&sub2;O&sub7;-- auf Cr+ + + reduziert, was als Cr(OH)&sub3; bei einer Reaktion mit 2/5 Molen von Eisenpyrit (FeS&sub2;) ausfällt.
Es folgt, daß die Masse von Eisenpyrit, das erforderlich ist, um 2,25 Tonnen Chrom zu reduzieren, 1,04 Tonnen Pyrit beträgt. Wenn elementares Eisen verfügbar ist, so kann es als Reduktionsmittel verwendet werden.

Beispiel 2: Grundwasser, kontaminiert durch Eisensulfat, Reduktion durch organischen Kohlenstoff und Bakterien

Das kontaminierte Grundwasser (das z.B. aus einem Minen-Schlammteich ablaufen kann) enthält eine Konzentration von z.B. 2000 mg Eisen und 3500 mg Sulfat pro Liter Grundwasser. Somit beträgt die Gesamtmasse von Eisensulfat in der beispielhaften Wassersäule (225 Millionen Liter) 1230 Tonnen.
Die relevante Reaktion bei der Reduktion von Sulfat durch organischen Kohlenstoff kann wie folgt dargestellt werden:
2C&sub6;H&sub1;&sub2;O&sub6; + 6SO&sub4;-- + 9H + 12CO&sub2; + 12H&sub2;O + 3H&sub2;S + 3HS-
1 Mol SO&sub4; wurd reduziert durch Reaktion mit 1/3 Mol organischem Kohlenstoff. Was Fe++ betrifft, so reagiert HS- nachfolgend mit Fe++, um die unlöslichen Eisensulfide FeS oder FeS&sub2; zu bilden, die ausfallen. Somit werden das lösliche Fe++ und SO&sub4;-- beide aus der Lösung entfernt.
Es folgt, daß der theoretische Minimalbetrag von organischem Kohlenstoff, der erforderlich ist, um 1230 Tonnen von Eisensulfat zu reduzieren, d.h. die Masse der erforderlichen Glucose oder Cellulose 490 Tonnen beträgt. Wenn der Kohlenstoff in der Form von Holzschnipseln (typischerweise ist 70% Holz als organischer Kohlenstoff verwendbar) vorliegt, sind etwa 695 Tonnen Holzschnipseln erforderlich.

Beispiel 3: Grundwasser, kontaminiert durch Uranoxid, Reduktion durch bakterielle Wirkung

Das lösliche hexavalente Uraniumoxidion UO2++ liegt manchmal im Grundwasser vor, das durch den Abfall einer Uran-Verarbeitungsanlage geflossen ist.
Das kontaminierte Grundwasser enthält eine Konzentration von z.B. 10 mg UO&sub2;++ pro Liter Grundwasser. In 225 Millionen Liter Wasser ergibt dies eine Gesamtmasse von 2,25 Tonnen hexavalenten Oxidionen.
Das hexavalente UO&sub2;++ Ion ist in der Lage, zu dem unlöslichen tetravalenten Zustand reduziert zu werden und als unlösliche Uranoxide und andere tetravalente Uranmineralien auszufallen. Die Reduktion tritt in einer Umgebung auf, die die anaerobische Entmischung des organischen Stoffes fördert.
Die relevante biochemische Reaktion kann wie folgt dargestellt werden:
C&sub6;H&sub1;&sub2;O&sub6; + 12UO&sub2;++ + 6H&sub2;O 6CO&sub2; + 24H + + UO&sub2;
Das UO&sub2;, das ein tetravalentes unlösliches Oxid ist, fällt aus.
1/12 Mol von Glucose oder Cellulose (C&sub6;H&sub1;&sub2;O&sub6;) ist erforderlich, um jedes Mol von UO&sub2;++ zu reduzieren. Es folgt, daß die theoretisch minimale Menge von erforderlichem organischem Kohlenstoff, um die Reduktion von 2,25 Tonnen von UO&sub2;++ zu veranlassen, 125 kg beträgt. Wenn der organische Kohlenstoff in der Form von Holzschnipseln vorliegt, sind 179 kg von Holzschnipseln theoretisch erforderlich.
Diese Beispiele können nun wie folgt erneut betrachtet werden.
Im Beispiel 1 beträgt zur Behandlung der typischen Wassersäule von mit Chrom kontaminiertem Wasser die theoretische Minimalmenge des aktiven Materials (Pyrit), die in den Graben eingegeben werden muß, 1,04 Tonnen Pyrit. Im Beispiel 2 sind zur Behandlung einer typischen Wassersäule von mit Eisensulfat kontaminiertem Grundwasser wenigstens 695 Tonnen Holzschnipseln erforderlich. Im Beispiel 3 sind zur Behandlung einer typischen Wassersäule von mit Uran kontaminiertem Grundwasser wenigstens 179 kg von Holzschnipseln erforderlich.
Die Dichte von Pyrit beträgt ungefähr 5 Tonnen pro m³. Die Dichte von Holzschnipseln beträgt ungefähr 0,5 Tonnen pro m³. Somit nehmen im Beispiel 1 1,04 Tonnen Pyrit ein Volumen von 0,21 m³ ein. Im Beispiel 2 nehmen 695 Tonnen Holzschnipseln ein Volumen von 1390 m³ ein. Im Beispiel 3 nehmen 179 kg Holzschnipseln ein Volumen von 0,36 m³ ein.
Wie es sich versteht, nehmen diese Mengen an Materialien ganz unterschiedliche Volumen ein: im Beispiel 1 nehmen die theoretisch 1,04 Tonnen von Eisenpyrit 0,014% des Volumens des Grabens ein; im Beispiel 2 nehmen die theoretisch 695 Tonnen Holzschnipseln 92% des Volumens des Grabens ein; und im Beispiel 3 nehmen die theoretisch 179 kg Holzschnipsel 0,025% des Volumens des Grabens ein.
Somit sei vermerkt, daß für eine typische Größe der Wassersäule die praktischste Größe des Grabens ein Volumen besitzt, das in der Lage ist, genügend Material zu enthalten, um Kontaminierungen zu behandeln, die schädlich sind, wenn sie in "Spuren"-Mengen wie in den Beispiel 1 und 3 vorliegen.
Obgleich die Theorie aufzeigt, daß nur geringe Mengen von aktivem Material benötigt werden, muß in der Praxis ein Spielraum von gesondertem Material aus den folgenden Gründen vorgesehen werden.
1. Das gesonderte Material wird, obgleich theoretisch redundant, benötigt aufgrund dessen, daß die Reaktionen nicht gleichzeitig in dem Moment stattfinden, wo die Kontaminierung mit dem aktiven Material in Kontakt gelangt. Die Reaktionen benötigen Zeit und unterdessen bewegt sich das Wasser in bezug auf den Vorhang.
2. Wenn das aktive Material zu dünn verstreut ist, kann ein Molekül der Kontaminierung durch den Vorhang verlaufen, ohne daß es in die Nähe des aktiven Materials gelangt. Ebenso wäre es praktisch, das aktive Material gleichmäßig über den gesamten Graben zu verteilen, wenn das Material sehr dünn zu verteilen ist.
3. Das aktive Material, das in den Graben eingeführt wird (von oberhalb der Erde) enthält oftmals einige Komponenten, die rascher reduziert werden als die Kontaminierung und diese Komponenten müssen herausgenommen werden, bevor die Reduzierung der Kontaminierung beginnen kann.
4. Die Bakterien, die Anlass für biochemische Reaktionen geben, die organischen Kohlenstoff beinhalten, sind nur lebensfähig bei den richtigen Bedingungen. Eine dieser Bedingungen ist, daß der organische Kohlenstoff nicht zu dünn verteilt werden kann. Somit kann Holzabfall in der Form vor sehr dünn verteiltem Sägestaub z.B. keine lebensfähigen Bakterien vorgeben.
5. Manchmal enthält das Grundwasser selbst geringfügig oxidiertes Material oder enthält gelösten Sauerstoff. Gesondert aktives Material kann sodann erforderlich sein, um die Entfernung aller Spuren von Komponenten aus dem Grundwasser, die möglicherweise Sauerstoff liefern können, sicherzustellen. Einer der Gründe, daß eine Kontaminierung schwierig auszufällen ist, liegt darin, daß die Sauerstoff enthaltende Komponente der Kontaminierung höchst stabil ist und die Reduzierung der Kontaminierung nur beginnen kann, wenn alle anderen reaktiveren Quellen des Sauerstoffs entfernt worden sind. Eine Ausführung einer solchen Behandlung unter der Erde ist sehr kosteneffektiv, da der Sauerstoffeinschluß und die langen Verweilzeiten nahezu für nichts erhalten werden.
6. Die üblichen Gründe für die Vorgabe eines Sicherheitsüberschusses finden ebenfalls Anwendung, da die Messungen ungenau sein können und da die Annahmen, auf denen die Berechnungen beruhen, nicht ganz gültig sein können.
Einige der oben angegebenen Faktoren sind mehr anwendbar auf "Spuren"- Kontaminierungen als auf "Mengen"-Kontaminierungen. Es sei tatsächlich vermerkt, daß der Überschuß an Sondermaterial größer sein sollte, wenn die Kontaminierung eine Spuren-Kontaminierung ist als in dem Fall, wo die Kontaminierung eine Mengen-Kontaminierung ist.
Bei der Erfindung wird die Größe des Grabens zumindest in einem bestimmten Ausmaß durch das Verfahren festgelegt, durch welches der Graben ausgehoben wird: Wie beschrieben, wäre es nicht praktisch, den Graben irgendwie schmaler zu machen auch dann, wenn nur eine geringe Menge von aktivem Material erforderlich ist.
Einige der Materialien, die wahrscheinlich als aktive Materialien zur Verwendung bei der Reduzierung (oder tatsächlichen Oxidierung) der Kontaminierungen ausgewählt werden, sind die Arten von Materialien, die das Bestreben haben, ihre Durchlässigkeit über eine Zeitperiode zu verlieren. Pyrit z.B. hat das Bestreben, zu konsolidieren und seine Porosität zu verlieren; Pyrit sollte daher mit einem Füllmaterial gemischt werden, das das Bestreben hat, durchlässig zu bleiben, wie z.B. Sand/Kies. Die Korngröße usw. des Füllmaterials, bezogen auf das aktive Material, sollte so sein, daß sie die Aufrechterhaltung der Durchlässigkeit fördert. Holzabfall sollte ebenfalls mit Füllmaterial aus dem gleichen Grund gemischt werden: Das aktive Material sollte nicht so verteilt werden, daß, wie erwähnt, die Lebensfähigkeit der Bakterien jedoch beeinflußt wird.
Aus all diesen Gründen wird erkannt, daß ein sehr viel größerer Anteil von überschüssigem aktiven Material erforderlich ist, wenn die Kontaminierung eine Spuren-Kontaminierung ist, wie z.B. Chromoxid oder Uranoxid gegenüber dem Fall, wo die Kontaminierung eine Mengen-Kontaminierung ist, wie z.B. Eisensulfat. Die Erfindung führt daher selbst speziell zu Fällen, wo die Kontaminierung eine Spuren-Kontaminierung ist, d.h., eine Kontaminierung, die sogar bei Spurenmengen gefährlich ist.
Andererseits ist die Erfindung anwendbar auf die Behandlung von Mengen- Kontaminierungen und auf die Behandlung von Mengen-Säuregehalt. Obgleich der "Standard"-Graben keinen größeren Überschuß an Material gegenüber dem theoretisch erforderlichen Material zu besitzen scheint, um eine Mengen- Kontaminierung zu behandeln, unterscheidet sich die tatsächliche Menge des erforderlichen Materials sehr wahrscheinlich nicht um einen Faktor von mehr als 2 oder 3. Wenn in einem Extremfall drei Graben vorzusehen sind, so ist dies aus Kostengründen nicht zu schädlich. Wie erwähnt, können die zweiten und dritten Gräben später vorgesehen werden, wenn es sich herausstellt, daß sie erforderlich sind. Im Vergleich mit den Kosten, die entstehen, wenn das Wasser aus der Erde herausgenommen wird, sind die Einsparungen noch beträchtlich.
Die Holzschnipsel sollten nicht zu klein geschreddert werden. In einigen Fällen sind Partikel in der Größe von Sägestaub anwendbar, aber im allgemeinen sollten die Holzstücke stattdessen eine Größe von 1 bis 5 cm³ besitzen. Erneut bedeutet dieses Erfordernis der Bakterien für die größeren Abmessungen, daß mehr als der Minimalbetrag an Material benötigt wird.
Je kleiner die Konzentration der Kontaminierung, umso größer sollte der Überschuß an zusätzlichem aktiven Material sein. Wenn nur die geringe Menge des aktiven Materials vorgesehen ist, werden die Partikel des Materials weit verstreut und die Moleküle der Kontaminierung können nicht in die Nähe der aktiven Partikel gelangen. Ebenso benötigen die mikrobiologischen Reaktionen Zeit und wenn die Partikel weit verstreut sind, können die Kontaminierungen durch den Vorhang verlaufen, ohne viel Zeit in Kontakt mit dem aktiven Material zu verbringen.
Natürlich ist es praktisch nicht möglich, eine Tonne Pyrit gleichmäßig über einen Vorhang zu verteilen, der eine Fläche von 1500 m² besitzt und 1 m dick ist und der Ingenieur wird unvermeidlich weit mehr als 1 Tonne Pyrit vorsehen. Sowieso, falls am Ort überhaupt verfügbar, ist Pyrit jedoch durch Ausbeutung verfügbar, so daß das Vorsehen des Überschusses geringe Extrakosten beinhaltet.
Es sei vermerkt, daß bei Verstreichen der Zeit das aktive Material entreichert wird. Wenn Holzschnipsel bei der Reduktion von aus Schlämmen hergeleitetem Sulfat z.B. verwendet werden, so ist das Volumen der letztlichen Ausfällungen geringer als ein Zehntel des Volumens der anfänglichen Holzschnipsel. Es kann daher erwartet werden, daß der Graben nach einer Zeitperiode einfällt. Dies führt zu einer Anzahl von Problemen: Zunächst kann natürlich die sich ergebende Einbuchtung in der Erde eine physikalische Gefahr darstellen; zweitens kann die Absenkung der Erdoberfläche das Einfiltern einer Menge von Sauerstoff von oben zu dem aktiven Material gestatten, das sich in einer anaeroben Zone befand; und drittens kann das Grundwasser in der Lage sein, über und um den entreicherten Vorhang zu fließen und diesen daher zu umgehen.
Es ist daher wahrscheinlich der Fall, daß, wenn der Vorhang in der Erde verwendet wird, um eine Mengenkontaminierung zu behandeln, einige Aufmerksamkeit der Operationsüberwachung gegeben werden muß. Falls erforderlich, muß das Material in einem Graben aufgefüllt werden oder ein weiterer Graben kann gegraben werden. Es sei jedoch vermerkt, daß auch in dem Fall der Behandlung von Mengenkontaminierungen die Anzahl der Gräben aus handhabbaren zwei oder drei Gräben besteht und nicht z.B. aus dreißig Gräben: wenn dreißig Gräben benötigt würden, wäre das System kaum ökonomisch.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von verunreinigtem Grundwasser an Ort und Stelle in seinem natürlichen Wasserträger, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgende Kombination von Verfahrensschritten beinhaltet:

Feststellender Art, des Ausmaßes, und der Geschwindigkeit eines Körpers aufgelösten Schmutzstoffes innerhalb einer Grundwassermasse, die sich durch einen Wasserträger bewegt;

Auswahl und Bereitstellung einer Masse aktiven Materials;

Bildung einer Aufnahme im Material des Wasserträgers, die zur Aufnahme der Masse aktiven Materials geeignet ist, und Platzierung der besagten Masse in der Aufnahme;

Platzierung der besagten Aufnahme, sodass das sich darin befindliche aktive Material in den Weg des Körpers zu liegen kommt;

Ausbildung der Aufnahme, sodass der Körper durch eine stromaufwärts liegende Seite der Aufnahme in diese eintritt und durch eine stromabwärts liegende Seite der Aufnahme aus dieser austritt, wobei die Anordnung solcherart ist, dass aufgrund des natürlichen Gefälles des Wasserträgers, in dem die Aufnahme liegt, der Körper verunreinigten Grundwassers vom Wasserträgerin die Aufnahme hinein fließt, von einer Seite zur anderen durch die Aufnahme hindurch fließt, und an ihrer stromabwärts liegenden Seite wieder in den Wasserträger eintritt;

Bereitstellung von aktivem Material in der Aufnahme von solcher Porosität und Durchlässigkeit, dass der Widerstand gegen den Durchfluss von Grundwasser durch die Masse von Material in der Aufnahme im wesentlichen nicht größer ist als der Widerstand des natürlichen Wasserträgers gegen den Durchfluss von Grundwasser durch den Wasserträger;

und wobei der chemische oder biochemische Charakter des aktiven Materials in Bezug auf den chemischen oder biochemischen Charakter des Schmutzstoffes so angesetzt ist, dass mindestens ein über längere Zeit wirkender Kontakt des Grundwassers mit, dem aktiven Material sich so auswirkt, dass durch chemische oder biochemische Reaktion ein Zerfall oder eine Umwandlung zumindest eines wesentlichen Teils des aufgelösten Schmutzstoffes in eine Substanz bewirkt wird, die im wesentlichen fest und im Grundwasser unlöslich ist, und die aus diesem Grunde im aktiven Material zurückgehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die besagte Zerfall- oder Umwandlungsreaktion eine solche Reaktion ist, die im wesentlichen nur unter anaeroben Bedingungen eintritt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das aktive Material in der Aufnahme mit einer Sand/Kiesmenge vermischt wird, wobei die Durchlässigkeit der entstehenden Mischung in der Aufnahme geringer ist als die Durchlässigkeit des umgebenden Wasserträgers.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das aktive Material in der Aufnahme mit einer Menge einer Substanz vermischt wird, die in Bezug auf den Schmutzstoff ein Adsorber ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei:

die Aufnahme die Form eines Grabens hat, der von der Grundoberfläche in das Material des natürlichen Wasserträgers eingegraben wird;

und, in Bezug auf den natürlichen Wasserspiegel des Wasserträgers, im Bereich des Grabens, die Masse des aktiven Materials liegt, im Graben, unter dem besagten Wasserspiegel.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Grundwasser Wasser enthält, das durch frei liegende Minenabfälle geflossen ist, und der Schmutzstoff in dem besagten Wasser einen Säuregehalt enthält, und das aktive Material in der Ausgrabung organischen Kohlenstoff enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der organische Kohlenstoff in der Form von kleinen Holzstücken vorliegt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei:

der Schmutzstoff ein Mengenschmutzstoff ist, und die besagten Bestimmungen anzeigen, dass die theoretische Mindestmenge an aktivem Material, die zum Zerfall des besagten Mengenschmutzstoffes erforderlich ist, M Tonnen beträgt;

und das Verfahren den Schritt beinhaltet, wonach in den Graben eine Menge aktiven Materials eingebracht wird, die nur geringfügig höher ist als M Tonnen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei:

das Verfahren den Schritt beinhaltet, wonach ein weiterer solcher Graben zur Verfügung gestellt wird, der bergabwärts des besagten Grabens liegt, und wonach eine weitere Menge des aktiven Materials in den weiteren Graben eingebracht wird;

und wobei die Gräben so angeordnet sind, dass die Gräben nicht in physischer Verbindung miteinander liegen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schritte, mit denen der weitere Graben zur Verfügung gestellt und das weitere aktive Material darin eingebracht wird, ausgeführt werden, nachdem der besagte Graben über einen wesentlichen Zeitraum an Ort und in Betrieb war.

11. Verfahren nach Anspruch 5, wobei:

der Schmutzstoff ein Spurenschmutzstoff ist, und die besagten Bestimmungen anzeigen, dass die theoretische Mindestmenge an aktivem Material, die zum Zerfall oder zur Umwandlung des besagten Spurenschmutzstoffes erforderlich ist, m Tonnen beträgt;

und das Verfahren den Schritt beinhaltet, wonach in den Graben eine Menge aktiven Materials eingebracht wird, die um ein Vielfaches größer ist als m Tonnen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schmutzstoff aufgelöstes Chromoxid und das aktive Material Eisenkies ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schmutzstoff aufgelöstes sechswertiges Uranoxid und das aktive Material organischer Kohlenstoff ist.

14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schmutzstoff aufgelöstes Chromoxid und das aktive Material elementares Eisen ist.

15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schmutzstoff sechswertiges Uranoxid und das aktive Material elementares Eisen ist.

16. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schmutzstoff aufgelöstes Ferrosulfat und das aktive Material organischer Kohlenstoff ist.

17. Verfahren nach Anspruch 5, wobei:

das Verfahren den Schritt beinhaltet, wonach bergabwärts des Grabens ein Schacht zur Verfügung gestellt wird, und wobei der Schacht so gehandhabt wird, dass der Druckgradient unterstützt wird, der auf das Grundwasser so einwirkt, dass es durch den Graben gedrängt wird.